Windenergie

Een toepassing van windenergie die de mens al duizenden jaren dient is het voortstuwen van schepen door middel van zeilen.

Windenergie is energie die gewonnen wordt uit de wind. Dit is meestal elektriciteit, maar kan ook mechanisch zijn, zoals in de meeste oude windmolens die ons land rijk is of bijvoorbeeld een zeilboot. Het direct aanwenden van de mechanische energie uit de wind is het oudst. Eerst met relatief eenvoudige zeilboten, maar geleidelijk aan door middel van steeds complexere systemen, zoals windmolens. Sinds de oliecrisis van de jaren '70 wordt er weer hard gewerkt aan moderne toepassingen van windenergie. De belangrijkste hiervan is de windturbine.

Moderne toepassingen van windenergie

Een Enercon E-126 windturbine van 7,5MW in het Belgische landschap. Momenteel de grootste turbine ter wereld.

Windturbines

De eerste windmolens voor de productie van electriciteit verschenen eind jaren 70. De eerste windmolens waren amper een paar KW. In het noorden van Duitsland staan nu windmolens met een vermogen van 7,5 MW, ruim duizend keer zo veel. De turbines zijn nu hoger (waar het harder waait), de eerste molens waren tweebladig, nu driebladig, de wieken zijn veel groter en het kruisysteem, de draaisnelheid én de stand van de rotorbladen worden computergestuurd. In de modernste windturbines is een tandwielkast overbodig.

Laddermills

Een Laddermill is een ontwikkeling van de TU Delft. Het doel van de Laddermill is om met een aantal grote in serie geschakelde vliegers op zeer grote hoogte windenergie te gaan oogsten. De bedoeling is om te werken op een hoogte tot 10km, alwaar de windsnelheden veel hoger en constanter zijn. Dit zou voor een hoge en constante energieopbrengst moeten zorgen van ongeveer 100MW per Laddermill. Dat is 50x meer dan de gemiddelde huidige windturbine van 2MW.

SkySails

Schip met een lading windturbinebladen aangedreven door de wind via een SkySail.

De Duitse firma SkySails ontwikkeld gigantische computergestuurde vliegers die gebruikt worden om schepen aan te drijven. Dit is een nieuwe variant van de eeuwen oude zeilboot. Doordat de vliegers op een veel grotere hoogte vliegen dan met een mast en een zeil bereikt kan worden vangen ze de krachtigere wind op deze hoogte. Daarnaast hebben de vliegers een vleugelvorm en kunnen daarmee extra stuwkracht genereren door in 8-figuur rondjes te vliegen. De snelheid die de vlieger daarbij krijgt zorgt dan voor extra stuwkracht, zoals de vleugel van een vliegtuig ook stuwkracht omhoog genereert als deze snel door de lucht vliegt. Een ander groot voordeel van de SkySails ten opzichte van een conventioneel zeilschip is dat het schip niet meer gaat overhellen.

Een nieuwe ontwikkeling van SkySails is dat ze de vliegers ook willen gebruiken voor het opwekken van elektriciteit uit windenergie op volle zee. Dit wil men doen door met de kites een trommel af te rollen die een generator aandrijft, op een vergelijkbare manier als bij de Laddermills. Het systeem van SkySails is echter als drijven verankert platform ontworpen, zodat deze op volle zee gebruikt kan worden. Dit zou daarmee een systeem kunnen vormen voor de winning van windenergie op plekken in de zee die te diep zijn om off-shore windturbines te plaatsen. De grote voordelen zijn de goede windomstandigheden en de ruime beschikbaarheid van plaatsen om dit toe te passen.

PowerPlanes

PowerPlanes lijken veel op de Laddermills en Skysails, maar gebruiken in plaats van canvas vliegers rigide vliegtuigen.

Schaalvoordelen bij windenergie

Toename van de turbine diameter en vermogen door de jaren.

Een windturbine kent sterke schaalvoordelen. Dit komt doordat de energie die een windmolen produceert afhankelijk is van het oppervlak wat de wieken bestrijken. Als de wieken dus dubbel zo lang worden gemaakt verviervoudigd de opbrengst, terwijl het benodigde materiaal, en daarmee de kosten, zich niet verviervoudigd. Daarnaast is het nog eens zo dat de wind op grotere hoogte harder, maar vooral ook stabieler waait. Het is voor een windturbine namelijk ook erg belangrijk dat de wind een constante snelheid en richting heeft, omdat hier anders constant op aangepast moet worden wat veel opbrengst kost. Dit is een ander schaalvoordeel van windturbines, omdat grotere turbines inherent hoger zijn en daarom beter gebruik kunnen maken van de gunstigere windomstandigheden die daar heersen.

Deze schaalvoordelen hebben er ook voor gezorgd dat de afgelopen jaren de gemiddelde grootte van de geïnstalleerde windmolens sterk is gestegen en nu op ongeveer 2MW ligt. Nieuwe windmolenparken worden echter het liefst met nog grotere windturbines gebouwd, zoals ook het geplande park aan de rand van de Noord Oost Polder (NOP), waar men 2 soorten molens gaat bouwen: 7 MW op het land en 3,6 MW in het water. De ontwikkeling is echter gaande om nog grotere windturbines te bouwen, vooral voor off-shore toepassingen, zoals in Noorwegen waar men met de ontwikkeling van een 10MW turbine bezig is. Het EWEA heeft het zelfs over plannen om 20MW turbines te ontwikkelen met een rotor diameter van 200m voor toepassing offshore. Grotere windturbines zouden de kosten voor het opwekken van elektriciteit uit wind met 30% kunnen verlagen. Onderzoek heeft aangetoond dat dit in de toekomst mogelijk en economisch zal zijn Op dit moment is het mogelijk om met de huidige technieken een 20MW windturbine te bouwen die slechts 15%-20% meer kost.

De windturbine met grootste vermogen is momenteel de Enercon E-126 met een vermogen van 7,5MW en een rotordiameter van 126m. Hiervan zijn er al verschillende gebouwd in meerdere landen. De grootste turbine die momenteel verkrijgbaar is, is de Vestas V164-7.0MW. Deze gigantische turbine heeft een rotordiameter van 164m en wieken van maar liefst 80m. Het vermogen wat deze speciaal voor off-shore gebruik ontwikkelde turbine levert is met maximaal 7.0MW wel lager dan van de Enercon E-126 7.5MW. De eerste windturbine van dit type zal in Q4 2012 gebouwd worden, waarna de serieproductie in 2015 volgt.

Windverenigingen en coörporaties

Windturbines kennen veel schaalvoordelen, molens van 2MW en meer zijn tegenwoordig dan ook de standaard. Het gevolg hiervan is dat windenergie op individuele basis (huishouden) alleen in bijzondere situaties zinvol is. Kleine molens kosten veel geld en leveren in verhouding vaak weinig op. Daarnaast is er vaak een vergunningsplicht die de plaatsing lastig kan maken.Een goede manier om toch iets aan windenergie te doen, is om je aan te sluiten bij een windmolen vereniging of coöperatie. Je kunt lid worden en vaak ook leningen verstrekken voor de financiering van nieuwe windmolens. Deze verenigingen en coöperaties ontwikkelen en exploiteren grote molens. Hierbij kan men vaak profiteren van subsidies. Door deze samenwerking wordt de inzet van individuele leden efficiënter benut en kan er meer windenergie geproduceerd worden. Dit levert voor de leden vaak niet alleen een gevoel van voldoening op, maar meestal ook een goed rendement op de investering.

In Nederland zijn o.a. de volgende verenigingen en coöperaties actief:

• Deltawind
• Kennemerwind
• De Windvogel
• Zeeuwind
• Coöperatie Windenergie West Friesland
• Windpark SVDW
• Noordenwind Friesland
• De Eendragt Den Helder
• Texel Energie
• Onze Energie Amsterdam Noord
• Zaanse Energie Cooperatie

Windenergie in ...

Wind energie wereldwijd

Hieronder een bespreking van de status van windenergie in de grootste windenergie economieën van de wereld. Wereldwijd is er eind 2010 een geïnstalleerd vermogen van maar liefst 196.630MW, waarvan 37.642MW in het laatste jaar is toegevoegd. Dit is iets minder nieuwbouw dan in 2009. De landen met het hoogste aandeel windenergie in de elektriciteitsmix zijn Denemarken, Portugal en Spanje met respectievelijk 21%, 18% en 16% van de totale elektriciteitsbehoefte gedekt met windenergie.

China

Met een nieuwbouw van 18,9GW aan windturbines en een totaal van 44,7GW aan geïnstalleerd vermogen is China veruit de grootste op het gebied van windturbines. Momenteel wordt het potentieel voor China ingeschat op 700-1200GW. De bedoeling is om in 2020 een vermogen van 200GW geïnstalleerd te hebben en daarmee per jaar 440TWh aan elektriciteit op te wekken. Dat is ongeveer 4x het totale Nederlandse elektriciteitsgebruik.

Verenigde Staten

Met een totaal van 5.116MW aan nieuwe windmolens in 2010 groeit het geïnstalleerde vermogen van de VS naar een respectabele 40.181MW. Hiermee bekleed het de tweede plaats van landen in de wereld met het grootste geïnstalleerde vermogen. Aan het begin van 2011 was er tevens een vermogen van 5.600MW aan windturbines in aanbouw, waarmee de VS ook in 2011 flink gaat groeien op het gebied van windenergie. Het Department of Energy heeft onder de Bush regering het plan gemaakt om in 2020 20% van het elektriciteitsverbruik van de VS op te wekken met behulp van windenergie.

Wind energie capaciteit in Duitsland january 2010 (MW)

Duitsland

In Duitsland was op 31 december 2010 een totaal vermogen 27.215MW aan windturbines geïnstalleerd. Daarvan is 1.551MW, verdeelt over 754 turbines nieuw gebouwd in 2010. Hiervan was 108,3MW offshore en 183,4MW repowering (vervanging van oude turbines door grotere moderne). Voor de repowering zijn 80 turbines gebouwd ter vervanging van 116 oude turbines die een vermogen hadden van 55,7MW. De nieuwbouw van capaciteit is ten opzichte van 2009 wel afgenomen en heeft het laagste niveau bereikt sinds 1998.

Zie ook: De actuele opbrengst van Duitse windturbines

Spanje

Hoewel Spanje in 2010 meer elektriciteit heeft geproduceerd uit windenergie heeft het Duitsland nog niet ingehaald op het gebied van geïnstalleerd vermogen. In 2010 produceerde Spanje 42,976 GWh elektriciteit uit wind met een geïnstalleerd vermogen van 20,676 MW.

Zie ook: De actuele opbrengst van Spaanse windturbines

Voor- & nadelen

Voordelen

• Lage energetische terugverdientijd
  De terugverdientijd van de energie die nodig is om een windturbine te bouwen en te installeren is vrij kort. De ordegrote van de energetische terugverdientijd van een windmolen is 3 maanden. De EROEI ligt daarmee op ongeveer 80:1.
• Beschikbaarheid
  Windenergie is bijna overal beschikbaar in tegenstelling tot bijvoorbeeld waterkracht.
• Het maakt stroom goedkoper
  Windenergie heeft een marginale kosten van bijna nul. Als er windenergie beschikbaar is zal dit op de beurs daarom altijd alle andere energiebronnen onderbieden. Dit heeft een prijs verlagend effect op de hele markt voor elektriciteit, het zogenaamde Merit order effect.
• Minder CO2 uitstoot
  Doordat windenergie in de plaats komt van andere elektriciteitsbronnen die bij de productie CO2 uitstoten wordt de uitstoot van CO2 minder door het opwekken van meer stroom uit windenergie.
• Decentrale opwekking
  Bij lokale electriciteitsopwekking kunnen de verliezen voor transformatie en transport lager zijn.
• Schaalvoordelen
  Door de schaalvoordelen van windenergie leent het zich goed voor toepassing op grote schaal.
• Beter voor de volksgezondheid
  Als windmolens in de plaats komen van kolencentrales heeft dit een positief effect op de volksgezondheid. "the province’s coal plants caused more than 150,000 illnesses and more than 300 deaths last year alone." en "coal plants are inherently harmful while wind turbines are not" Dit komt doordat conventionele centrales schadelijke stoffen uitstoten. Door de elektriciteit uit windenergie te produceren wordt de uitstoot van deze schadelijke stoffen voorkomen en dat is goed voor de volksgezondheid.
• Betrouwbaar
  Zoals de meeste vormen van decentrale opwekking is windenergie zeer betrouwbaar. Het is weliswaar een variabele bron en dus een variabele opwekking, maar de kans is vanwege de vele relatief kleine eenheden zeer klein dat er ineens een hele grote hoeveelheid opwekking buiten werking treed, zoals dat bij conventionele centrales wel kan gebeuren.
  Zie ook: Betrouwbaarheid van windenergie

Nadelen

• Variabele bron
  De opbrengst is erg afhankelijk van de windsnelheid. Bij windkracht 4 is deze ongeveer 28 %. Bij windkracht 7 én 8 (in het geval van een instelbare rotorstand) 100%. De opbrengst van een windturbine is immers de derde macht van de windsnelheid. In periodes met weinig wind moet de onbalansmarkt het tekort opvullen. In het gunstigste geval zijn dat de waterkrachtcentrales in bijvoorbeeld Noorwegen maar vaak zijn dat de gasturbines en gasmotoren welke een lager rendement hebben dan een stoomturbine of STEG.
• Regionaal verschillend
  Zoals met alle vormen van grootschalige elektriciteitsopwekking moet er voor het transport van de elektriciteit van de generator naar de gebruiker grote en uitgebreide elektriciteitsnetten worden aangelegd.
• Temperatuursafhankelijkheid
  De opbrengst is niet alleen afhankelijk van de windsnelheid maar ook van de luchttemperatuur (dus de dichtheid van de lucht). Zomers brengt een windturbine bij de zelfde windsnelheid dus minder op. Een windmolen in een kouder klimaat brengt dus meer op dan dezelfde windmolen in het warmer klimaat bij gelijk windaanbod.
• Onderhoud
  In verhouding tot bijvoorbeeld zonnepanelen (die praktisch onderhoudsvrij zijn) hebben windturbines veel onderhoud nodig. Windturbines zijn ongeveer 98% van de tijd beschikbaar. De kosten voor het onderhoud bedragen gemiddeld ergens tussen de 3% en 5% van alle kosten. In vergelijking met conventionele elektriciteitsproductie is de beschikbaarheid echter zeer groot. Conventionele centrales komen vaak niet verder dan 80% - 90% beschikbaarheid. Daar komt nog het voordeel bij dat in een windmolenpark de kans dat alle generators gelijktijdig onbeschikbaar raken zeer klein i.t.t. conventionele elektriciteitscentrales die bij een storing plots geheel onbeschikbaar kunnen raken.
• Horizonvervuiling