Kunnen windmolens nog groter?

Duurzame energie De grootste windmolen ter wereld is 260 meter hoog en staat in Rotterdam. Wat moet je doen om nog grotere te bouwen?

Foto links: De Haliade X , in aanbouw op de Maasvlakte. Foto beneden: Inspectie van de wieken van een kleiner model, Haliade 150.
Foto links: De Haliade X , in aanbouw op de Maasvlakte. Foto beneden: Inspectie van de wieken van een kleiner model, Haliade 150. Foto’s Branko de Lang/HH, Stephane Mahe/Reuters

De grootste windturbine ter wereld levert sinds november stroom op de Rotterdamse Maasvlakte. Met een hoogte van 252 meter en bladen van 107 meter lang, is het prototype van de Haliade-X het op een na grootste bouwerk van Nederland. Alleen de zendmast Lopik torent er nog bovenuit, de turbine laat de schoorstenen van Shell Pernis en de Euromast ver onder zich.

Nederland heeft zich voorgenomen om in 2030 minstens 70 procent van de elektriciteit uit duurzame bronnen te halen. Daar moet nog wel veel voor gebeuren: 18 procent van de elektriciteitsproductie kwam vorig jaar uit hernieuwbare bronnen, blijkt uit cijfers van het Centraal Bureau voor de Statistiek (CBS). En dus zullen komende jaren meer windmolens als de Haliade-X verschijnen. Windtubines zijn een van de belangrijkste duurzame bronnen, en de hoeveelheid energie die Nederland hieruit opwekt nam in zestien jaar met een factor elf toe: van nog geen 950 miljoen kilowattuur in 2002, tot ruim 10,5 miljard kilowattuur in 2018.

Die toename komt deels doordat er meer windmolens zijn. In 2002 stonden er in totaal 1.291 windturbines, in 2018 waren dat er 2.318. Maar nog meer komt het doordat ze steeds hoger en groter worden en daardoor meer energie opwekken dan kleinere exemplaren. Het totale oppervlak van de wieken verzevenvoudigde in zestien jaar.

Maar wat is groot? Een doorsnee windmolen op land van 3,6 megawatt (MW) is (inclusief de wieken) tussen de 125 en 200 meter hoog, en produceert per jaar elektriciteit voor ruim tweeduizend huishoudens. Op zee zijn de turbines al groter en ligt het vermogen rond de 8 MW. De Haliade-X, gebouwd door GE Renewable Energy, doet daar nu nog een schepje bovenop met een gemiddeld vermogen van 12 MW. Daarvoor heeft hij wel rotorbladen nodig die inmiddels zo’n 55 ton wegen. Kunnen windmolens nóg groter, of lopen we dan op tegen de grenzen van wat technisch mogelijk is?

Licht is niet goedkoop

„Een heel lastige vraag”, antwoordt Gerard Bussel, hoogleraar windenergie aan de TU Delft per e-mail. „Toen ik in 2009 mijn intreerede hield heb ik ‘voorspeld’ dat we in 2020 windturbines van 8 MW met een rotordiameter van 170-180 meter op de Noordzee zouden (kunnen) gaan zetten.” Daar gaat de Haliade-X al aan voorbij. Van Bussel: „Ik zat er flink naast.”

Technisch gezien zou het volgens Van Bussel mogelijk moeten zijn om turbines te bouwen met een vermogen van 20 megawatt. Probleem is dat de bouwkosten dan flink stijgen omdat lichtere, vaak duurdere materialen nodig zijn.

„Het formaat van de windturbine bepaalt het ontwerp en de innovaties”, zegt Peter Eecen van TNO. Hij leidt er het onderzoek bij de afdeling Wind Energy. „Maak je een turbine twee keer zo groot, dan schaalt dat naar 8 keer zo zwaar. Het oppervlak van de bladen is dan vier keer zo groot. En dat wordt simpelweg veel te duur om te maken als je op dezelfde manier bouwt. Je moet dus lichtere materialen gebruiken.”

Rotorbladen bestaan voor het grootste deel uit glasvezel. „De bladen van de allergrootste turbines zijn tegenwoordig voor zo’n 10 à 20 procent van het lichtere koolstof gemaakt”, zegt Eecen. Maar vanwege de hoge kosten van koolstof zullen bladen voorlopig niet volledig van koolstof gemaakt worden.

Behalve het gewicht van de bladen, neemt ook de kracht óp de bladen toe. Het materiaal moet dus ook zo stijf zijn dat het niet vervormt of breekt. En ook de plekken waar de bladen vastzitten aan de as (die de generator aandrijft) moeten de grotere krachten aankunnen.

Bovendien verandert het opschalen van de bladen ook de luchtstroming langs de bladen, zegt Eecen. „Je wilt altijd zoveel mogelijk liftkracht die de bladen voortdrijft waardoor ze ronddraaien, en zo min mogelijk weerstand. Beide krachten veranderen als het blad groter wordt. Maar hoe precies, daar weten we eigenlijk nog heel weinig van af omdat het nog nooit op deze grootte is aangetoond.”

Voor elk nieuw type windmolen worden de bladen daarom opnieuw ontworpen. De vorm verandert (de bladen worden groter maar slanker) en er zijn steeds meer bladen met zogeheten ‘vortex generators’. Dat zijn plaatjes die ook op vleugels van vliegtuigen of op auto’s geplaatst worden. Ze moeten zorgen voor een stabielere luchtstroom. Eecen: „We hebben een ontwerp gemaakt met wat we al weten van bestaande bladen en modellen waarin we de grote bladen simuleren. Maar uiteindelijk moet je met heel veel metingen op echte schaal zien of het ook echt zo werkt.”

Om de windturbine te testen bevat die op allerlei plekken sensoren. Rekstroken op de bladen om de krachten mee te meten, druksensoren en snelheidsmeters voor de luchtstromen. Eecen: „Tegelijkertijd testen we de bladen ook in een laboratorium. Daar wordt bijvoorbeeld heel hard aan de bladen getrokken, een soort versnelde vermoeiingsproef om te kijken wat er gebeurt.”

Supergeleiders

Als er meer kracht op de bladen komt te staan, moet de generator (of: dynamo), die de mechanische energie in elektrische energie omzet, dat ook weer aankunnen. Kan de dynamo ook kleiner? Ja, dachten onderzoekers van de Universiteit Twente. Zij ontwierpen met een Europees consortium in 2016 een generator die werkt met supergeleiders in plaats van permanente magneten. Net als een fietsdynamo bestaat die van een windturbine uit blokken van permanente magneten, die vastzitten aan de centrale as en meedraaien met de bladen. Daaromheen zijn spoelen gewikkeld die niet meeroteren. Zodra de as draait, veroorzaakt het in sterkte fluctuerende magnetisch veld een stroom in de geleidende spoelen.

In de dynamo die de Twentse onderzoekers hebben gemaakt, zijn de permanente magneten vervangen door spoelen gewikkeld van een stalen lint met daarop een laag supergeleidend materiaal (een verbinding van yttrium, barium, koper en zuurstof). Supergeleiders produceren krachtiger magneetvelden. Dat komt door de manier waarop ze elektriciteit geleiden. „Mensen denken altijd dat supergeleiders hier nuttig voor zijn omdat ze de stroom zonder weerstand geleiden”, zegt Marc Dhalle, onderzoeker aan de Universiteit Twente. „Dat klopt wel, maar gangbare turbines zijn al heel efficiënt, je komt al gauw op zo’n 95 procent. Die 1 of 2 procent die je daar nog bij kan krikken, is mooi, maar niet de reden om je op een geheel nieuwe techniek te storten.”

De grootste windmolens staan niet in het binnenland, want ze passen niet onder rivierbruggen door

Waarom dan wel, heeft te maken met de stroomdichtheid van de supergeleiders. De supergeleider kan 100 tot 1.000 keer meer stroom per vierkante meter geleiden dan koper. Wil je er meer stroom doorheen sturen, dan zou dat kleine beetje weerstand in koper toch voor heel veel warmteontwikkeling zorgen, legt Dhalle uit. „En dat gebeurt bij supergeleiders niet. Je kunt dus even veel stroom opwekken met een kleinere turbine, of meer stroom met een even grote turbine.” De supergeleidende dynamo is half zo groot als een dynamo die dezelfde hoeveelheid stroom levert.

Een ander voordeel is dat een supergeleidende dynamo geen zeldzame grondstoffen zoals neodymium bevat zoals de gewone magneten, zegt Dhalle. Wel yttrium: „Dat is lastiger te verkrijgen, maar daar hebben we hebben maar weinig vannodig, ongeveer 2 kilogram voor een turbine. Voor een even krachtige dynamo met permanente magneten zijn tonnen neodymium nodig.”

Populaire testplek

Deze supergeleidende turbine werd in 2018 enthousiast onthaald, maar staat voorlopig nog in de opslag. Na een jaar getest te zijn bij het Deense Thyborøn, moest het prototype plaatsmaken voor andere turbines. Het is een populair gebied waar ook bedrijven als Siemens en MHIVestas hun turbines testen. De Twentse onderzoekers wachten nog op een bedrijf dat verder wil met het ontwerp, maar hoe lang dat gaat duren, weet Dhalle niet.

De Haliade X , in aanbouw op de Maasvlakte.

Foto Branko de Lang/HH

Ook Eecen ziet dat er genoeg andere ideeën rondzingen voor kleinere en lichtere dynamo’s. „Er wordt continu van alles bedacht, maar de industrie kan behoudend zijn, een geheel nieuw ontwerp moet het minstens twintig jaar lang goed doen, en daarom tot in den treure getest worden.” Zo presenteerde het Nederlandse bedrijf Megawindforce een dynamo met in het midden een grote cirkel. Het idee is dat de turbine kleiner kan blijven maar wel veel energie levert. Maar tot dusver heeft dit ontwerp het nog niet geschopt tot commerciële productie.

Terwijl de tweejarige test van de Haliade-X-turbine in Rotterdam nog maar pas begonnen is, zijn al wel 375 exemplaren verkocht aan een windmolenprojecten op zee voor de kusten van het Verenigd Koninkrijk en de Verenigde Staten. Eecen: „Turbines van deze grootte zijn om op zee te plaatsen. De bladen zijn zo dik dat ze niet onder bruggen passen, dus het is erg moeilijk om ze over land te verplaatsen. Voor plekken langs de IJsselmeerkust zouden ze misschien nog over het water aangevoerd kunnen worden. Maar, als iemand de kans krijgt om ze over land te verplaatsen, dan weet ik zeker dat ze ook daar komen te staan.”

Correctie 20 maart 2020: In een eerdere versie van dit artikel stond dat Nederland zich had voorgenomen in 2030 27 procent van de elektriciteit uit duurzame bronnen te halen, en dat vorig jaar 5,6 procent van de elektriciteitsproductie uit hernieuwbare bronnen kwam. Dit moet echter respectievelijk 70 en 18 zijn, en is hierboven aangepast.