Wind-energie

Wind-energie voorziet in toenemende mate de wereld van (duurzaam) gewonnen electriciteit. Volgens de International Energy Agency (EIA) zal wind-energie in 2050 verantwoordelijk zijn voor 18% van de energie-opwekking.

Nederland zet zwaar in op wind-energie (op zee) om de Europese doelstellingen te halen ten aanzien van energie-opwekking uit duurzame bronnen. In het Energieakkoord voor duurzame groei is afgesproken dat in 2023 op het Nederlandse deel van de Noordzee windmolenparken zijn gebouwd met een piekvermogen van 4.450 megawatt. Die kunnen jaarlijks ongeveer 5 miljoen huishoudens van elektriciteit voorzien (uitgaande van een gemiddeld gebruik per huishouden in 2013). Dat komt neer op 3% van het totale energieverbruik in 2023.  

Er zijn reeds nieuwe gebieden aangewezen buiten de 12-mijls zone voor nieuwe windparken. Op deze afstand zijn de windparken minder zichtbaar vanaf het land. Maar het is vrij kostbaar om windparken in dieper water ver uit de kust neer te zetten. Daarbij vinden op zee ook veel andere (economische) activiteiten plaats. Daarom heeft het kabinet onderzocht of windmolenparken dichter bij de kust geplaatst kunnen worden (binnen de 12-mijls zonde). Dat is goedkoper. Maar het beïnvloedt wel de kwaliteit van het uitzicht.

Kleine wind-energie

Kleine wind energie is windstroom opgewekt door kleine wind installaties of KWI's. Windturbines toegepast in KWI's zijn beperkt in omvang en prestatie:

  • De diameter van de rotor van de windturbine maximaal 7 meter bedraagt / mag bedragen.
  • De maximale hoogte vanaf het maaiveld 15 meter of de ashoogte 8 meter (boven)op de bebouwing bedraagt / mag bedragen.
  • Het vermogensbereik ligt tussen 0,5 kW en 6 kW.

Kleine wind-energie wordt door de Nederlandse overheid hooguit beperkt financieel ondersteunt. Zoals met een duurzaamheidslening. De Nederlandse overheid is van mening is dat dat 'kleine wind' onvoldoende kan bijdragen aan de doelstellingen ten aanzien van duurzame energieopwekking. Vele partijen onderschrijven deze mening.

Kleine wind kent echter prima toepassingsmogelijkheden en biedt zeker voordelen. Het is dus zaak 'kleine wind' te blijven promoten. 

Door hun geringe omvang zijn kleine- maar vooral ook micro-windturbines goed plaatsbaar, eventueel zelfs in stedelijk gebied zoals op kantoor- en appartementengebouwen. Door meerdere kleine of meerdere micro-windturbines te combineren kan toch een redelijke opbrengst worden gehaald. 

Een ander voordeel van kleine- maar zeker ook van micro-windturbines is dat ze visueel minder opvallen en in de regel een niet waarneembare geluidsproductie hebben ten opzichte van grote windmolens. Er zijn zelfs voorbeelden van gebouwen en constructies zoals bruggen waarin kleine- of micro-windturbines volledig zijn geintegreerd.

Locatiekeuze is cruciaal

Nederland is niet overal vlak en zelfs op plaatsen waar het vlak lijkt zijn er toch vaak obstakels (aangeduid als bodemruwheid) die invloed hebben op de wind(sterkte). Het is niet voor niets dat grote windmolenparken bij voorkeur in zee of in of nabij grote meren worden geplaatst.

In onderstaande afbeelding, klik voor de volledige afbeelding, is zichtbaar dat het effect van een obstakel voortduurt tot een afstand die gelijk is aan wel 30x de hoogte van het obstakel.

Het is van groot belang per locatie te bepalen of de gemiddelde windsnelheid voldoende hoog is. Dat wil zeggen bij voorkeur gemiddeld minimaal 4,5 - 5 meter per seconde. Van nog groter belang is de fluctuatie in de wind, die vaak seizoensgebonden is (zoals in Nederland). Windopbrengst van windturbines kent een progressief verloop. Een lokatie met een onregelmatig seizoensgebonden windpatroon zal daarom een veel hogere opbrengst hebben als een locatie met een windsnelheid die nauwelijks fluctueert tussen de seizoenen terwijll de gemiddelde windsnelheid gelijk is.

De (plaatsings-)hoogte speelt eveneens een belangrijke rol. Minimaal 10 meter is wenselijk, meer dan 20 meter nog beter. Daarbij moet een windturbine bij voorkeur minstens 8 meter hoger worden geplaatst dan elk obstakel binnen een straal van 100 meter.

Uit onderzoek blijkt dat ook windmolenparken op zee last hebben van zog effecten veroorzaakt door andere windmolenparken die tientallen soms honderden kilometers verderop liggen. Dit effect wordt versterkt als de windmolens in de toekomst groter worden. Ook hebben windmolenparken effect op de hoeveelheid wind die aan land komt en daarmee ook op het weer.    

Onderstaande afbeelding (klikken voor animatie) toont het zog-effect op korte afstand van een windmolen bij verschillende windsnelheden. De beelden zijn ontwikkeld op basis van radar signalen.

De wet van Betz

Volgens de wet van Betz is de theoretisch maximale hoeveelheid energie die door middel van een rotor aan wind kan worden onttrokken 59%. Deze grens wordt veroorzaakt doordat de lucht achter de turbine nog weg moet kunnen stromen en dus nog een zekere stromingsenergie moet bezitten.

De Betz limiet van 59,3 % vormt tevens de bovengrens voor waterturbines die energie onttrekken uit de vrije stroming van water. 

Voor de berekening van de energie in de wind, zit de windsnelheid tot de derde en de rotordiameter tot de tweede macht in de formule. Grote en hoge windturbines hebben gemiddelde windsnelheden van 8 m/s en rotors met een diameter van 100 meter.

Microwindturbines hebben veelal een rotordiameter van 1 tot 7 meter en vangen veel minder wind omdat ze in de regel lager geplaatst zijn. In combinatie met een lage windsnelheid van zeg 3,7 m/s is het per m2 rotoroppervlakte dan ook niet mogelijk om meer dan 300 kWh op jaarbasis te produceren.

Windvariatie in Nederland

In Nederland varieert het jaargemiddelde van de windsnelheid van ruim 8 km/h (2.2 m/s) in het binnenland tot 20 km/h (5.6 m/s) aan de kust. Van plaats tot plaats en van dag tot dag zijn er grote verschillen.

Gemiddeld waait de wind in Nederland 2 à 3 uur na zonsopkomst het zwakst. De wind is het sterkst in de middag ongeveer 3 à 4 uur na de hoogste zonnestand.

Als er geen grote weersveranderingen op komst zijn, wordt op een zomerdag rond 4 of 5 uur 's middags de sterkste wind verwacht. In de middag waait het dan gemiddeld 50% harder dan vroeg in de ochtend, maar in de namiddag neemt de wind meestal weer af.

Ook blijkt de wind 's avonds vaak iets te krimpen. Hiermee wordt bedoelt dat de wind gaat draaien tegen de richting van de wijzers van de klok in. Dat betekent in Nederland vaak dat de wind draait van noordwest in de ochtend naar zuidwest in de middag. Dit verschijnsel wordt ook wel ervaren als wind tegen op de heen- en terugweg..

In het algemeen is de windsnelheid in het westen en het noorden van Nederland groter dan in het oosten en zuidoosten, zodat gebruikmaken van windenergie in de kustprovincies bij voorbaat aantrekkelijker is dan elders in het land

Vermogensberekening formule

  • Wind ontstaat door verplaatsing van lucht met een bepaalde snelheid. In het voorbeeld is de windsnelheid / velocity (v)  = 2,7 m/s.
  • Lucht bestaat uit molecules met een zeker massa (m).
  • Elk bewegend object heeft kinetische energie (Ek in joules).
  • Dit alles met de formule (Newton): Ek = 0,5 mv².

De massa per seconde van verplaatsende lucht met dichtheid ρ = 1.25 Kg/m³ is:

  • Massa/sec (kg/s) = oppervlakte (m²) x dichtheid (kg/m3) x snelheid (m/s)

Het vermogen (P) wordt verkregen door de door de massa (M) te vervangen door massa/sec

  • Vermogen (P) = 0.5 x oppervlakte (m²) x dichtheid (kg/m³) x snelheid³ (m/s)
    • P = 0.5 x m² x ρ x v³
    • P = 0,5 x 1 m² x 1.25 x 2.7³
  • P = 12.3 Watt

Dit is de (frontaal) geleverde energie van de wind op basis van een windsnelheid van 2,7 m/s op een oppervlakte van 1 m².

Vermogensberekening voorbeeld

Een voorbeeld:

  • Een windturbine heeft wieken met een diameter van 126 meter
  • De totale oppervlakte bedraagt: PI x (diameter/2)² = 12.470 m²
  • De windturbine levert volgens de fabrikant een vermogen van 5 MW bij een windsnelheid van 14 m/s.

Uit de formule blijkt het theoretisch vermogen:

  • P = 0.5 x 12470 x 1.25 x 14³
  • P = 21,4 MW

Het feit dat het theoretisch vermogen een factor 4 kleiner is dan de vermogensopgave van de fabrikant is het gevolg van de Wet van Betz en van efficiëntie verlies.

Volgens de Betz limiet kan een windturbine nooit meer dan 59,3% energie ontrekken uit het windvermogen (vermogencoëfficiënt Cp). De verklaring hiervoor is dat mocht al de wind omgezet worden in vermogen, het achter de turbine windstil zou zijn, wat het systeem zou doen stoppen. Er moet daarom altijd een zekere windrest blijven. 

Het maximum asvermogen is daarmee:

  • P = P x Cp of P x 0,593
  • P (na Betz) = 12,69 MW

De technische omzettings-efficiëntie is 40% van het bereikbaar vermogen (normaal tussen 35 & 45%).

40% x 12.609 MW = ongeveer 5 MW. Dat is gelijk aan de opgave van de fabrikant.

Nieuws tracker

SDE Voorjaarsronde fase 2 debacle bij het RVO

Geplaatst op 13/03/2017
We leven toch al een aantal jaren in het e-tijdperk. Secure access, load balancing, automatische capaciteitsaanpassingen, 24x7 ondersteuning. Daarvan was...

Meer SDE voor meer kansen op verduurzaming

Geplaatst op 23/05/2016
SDE staat voor Stimulering Duurzame Energieproductie. Omdat de kostprijs van duurzame energie (tot nog toe) hoger is dan die van grijze energie, is...

Green Battery introduceert accu container

Geplaatst op 12/04/2016
Eerder berichten wij over Green Battery. Een Nederlands bedrijf dat zich richt op het verzorgen van event- en festival stroom, maar dan...

Neem contact op

De Groene Energie Maatschappij

Tel: 0031 85 00 35 300
email: info@dgem.nl

KVK: 58676872
BTW nr. NL166513350B02

Blijf in contact