Gigawatts uit wind op zee

In 2030 wil het kabinet genoeg windturbines in de Noordzee hebben staan voor een totaal vermogen van ongeveer 21 gigawatt. Dat is bijna tien keer zo veel als de huidige productie van 2,5 gigawatt. Om die opschaling te realiseren moet het allemaal nog wel even een tikje efficiënter. Daarover gaat deel 1 van deze serie over windenergie op zee.

Meer windenergie winnen kan op twee manieren: meer windturbines bouwen of meer energie uit een turbine halen. Vanwege de enorme geplande opschaling is beide nodig. ‘Het vermogen van windturbines is de laatste jaren al flink gegroeid’, zegt Jan Willem Wagenaar, programmamanager windenergie bij onderzoeksorganisatie TNO. ‘Zo’n tien jaar geleden had een typische windturbine een vermogen van twee megawatt, een enkele uitschieter ging tot vijf megawatt. Tegenwoordig produceren ze veertien tot zelfs achttien megawatt.’

De verwachting is dat het vermogen nog naar zo’n 23 megawatt per turbine kan doorgroeien. Dit gebeurt door de turbinebladen steeds groter te maken. ‘Twintig jaar geleden dacht men dat bladen van honderd meter wel de grens waren’, vertelt Michiel Hagenbeek, projectmanager bij TNO en specialist in composietmaterialen. Dat is de lengte van een voetbalveld. Het record zit nu op 128 meter en is in handen van de Chinese fabrikant CSSC Haizhuang.

Vierdelige serie WIndenergie op Zee: Wind op zee is de energiebron van de toekomst. De opschaling gaat gepaard met grote uitdagingen. Hoe zijn windturbines efficiënter te maken? Hoe passen ze in het energiesysteem? Waar moeten de materialen vandaan komen? Hoe is schade aan de natuur, de scheepvaart en de visserij te voorkomen? En wat is het lot van afgedankte turbines? Over deze vragen en mogelijke oplossingen gaat onze nieuwe, vierdelige serie Windenergie op zee.

Koolstofvezels

Deze lange bladen mogen niet te zwaar zijn en moeten bestand zijn tegen de kracht van de wind. Daarom worden ze slank ontworpen en gemaakt van een lichter en sterker materiaal dan voorheen. Hagenbeek: ‘Tot nu toe maakten we de bladen van een composiet van glasvezel en polyesterhars. Van glasvezel stappen we nu vaak over op een lichtere koolstofvezel. Daarnaast wordt tegenwoordig vaak een hoogwaardiger hars gebruikt, zoals een vinylester- of epoxyhars.’ Die combinatie maakt dat het blad meer belasting aankan dan een glasvezel-polyester blad en het geeft meer stijfheid. Hagenbeek: ‘Dat is belangrijk, want als lange bladen teveel buigen, zwiepen ze tegen de mast aan.’

Stalen bussen

De lange bladen vergen een stevige bevestiging aan de rotor. Op deze verbinding komen enorme krachten te staan. De klassieke manier om de bladen vast te maken is met hamerkopbouten ofwel T-bouten. Maar hoe groter de wiek, hoe meer hiervan nodig zijn om de krachten te weerstaan. Op een gegeven moment past dat simpelweg niet meer, vanwege de brede kop van deze bouten .

Om die reden werkt men steeds vaker met root bushings. Daarbij worden al tijdens de constructie van het composieten turbineblad getande stalen bussen in de ‘wortel’ verankerd – dus in het deel van het blad dat aan de rotor wordt vastgemaakt. Omdat de bussen minder plek innemen dan T-bouten, kunnen er ongeveer 30 procent meer van worden aangebracht.

Constructie met root bushings. Credits: We4Ce

Het rotorbladenbedrijf We4Ce uit Almelo maakt turbinebladen met zulke bushings, gebruikmakend van een vacuüminfusietechniek. ‘Daarbij worden de droge vezelmatten die het geraamte van de constructie vormen samen met alle onderdelen voor de verbinding in een mal geplaatst en onder vacuüm gezet’, legt Hagenbeek uit, ‘en daarna wordt de hars geïnfuseerd.’ Het resultaat, na de uitharding van de hars, is een composieten constructie inclusief de stalen bushings. Twee jaar geleden is de technologie samen met TNO doorontwikkeld en getest. Trapeziumvormige bussen bleken het beste resultaat te geven. ‘En die zijn zo sterk dat het nu mogelijk is bladen van 120 meter toe te passen’, zegt Hagenbeek.

Dit is niet het volledige artikel. Het hele verhaal staat in De Ingenieur van mei 2023. Interessant? Neem eens een proefabonnement van drie nummers voor 25 euro.

Uit het zog

Technisch gesproken kan de energieopbrengst per turbine dus omhoog. Maar vergroot dit ook de opbrengst van het hele windpark? Om geen last van elkaars zog te hebben, moet er voldoende afstand tussen de turbines in een windpark zitten en dat effect neemt toe naarmate de turbines groter worden. ‘Het zog is de turbulente stroom die achter een draaiende turbine ontstaat’, zegt Simon Watson, windenergiespecialist bij de faculteit lucht- en ruimtevaart van de TU Delft. ‘Daaruit valt door andere turbines nauwelijks energie te oogsten.’ De lengte van het zog schaalt met de diameter van de rotor. Maar omdat het vermogen van de windturbine schaalt met het oppervlak van de draaicirkel – dus met het kwadraat van die diameter – loont het toch om de turbines groter te maken.

Daarnaast zoeken wetenschappers naar manieren om het zog te verminderen of af te buigen – door de bladen enigszins om hun as te draaien of de turbine te kantelen. Watson: ‘Of door het turbineblad op een bepaalde frequentie te fixeren. Daarmee zijn windpulsen te creëren die het mengen van het zog met de omringende lucht stimuleren, waardoor de windsnelheid sneller herstelt.’ Door dit soort aanpassingen gaat de opbrengst van het windpark als geheel omhoog.

Windtunnel

Met experimenten in een windtunnel en computermodellen onderzoeken wetenschappers aan de TU Delft, onder leiding van expert meet- en regeltechnieken windturbines Jan-Willem van Wingerden, hoe de opbrengst van het windpark is te optimaliseren. De toekomstdroom van Van Wingerden is dat de turbines in een windpark uiteindelijk gaan samenwerken, vertelde hij afgelopen jaar in een persbericht van de TU Delft. ‘Nu staan ze nog keurig op een rij, maar ik hoop dat ze vanaf 2030 als zelfdenkend team opereren: na overleg met de rest dobbert een windturbine dan naar de meest energie-efficiënte plek op zee, met als doel de energieproductie te maximaliseren en de belasting op de windmolens te minimaliseren.’

Kostenreductie

Naast de energie-efficiëntie is ook de kosten-efficiëntie een belangrijke factor bij het opschalen van windenergie. De drie belangrijkste turbinefabrikanten van Europa en Amerika, Vestas, General Electric en Siemens, hebben het momenteel zwaar, zegt Wagenaar. ‘Die lijden verlies, terwijl er werk te over is.’ Belangenvereniging WindEurope concludeerde na onderzoek dat dit vooral komt door de lange tijdsduur – mede vanwege de vergunningsprocedures – tussen het afsluiten van een contract en de start van de bouw. Wagenaar: ‘Daardoor zijn tussentijdse prijsstijgingen niet meer op te vangen en die komen voor rekening van de fabrikant.’ Wat ook meespeelt is de meedogenloze competitie tussen de fabrikanten, denkt Wagenaar. ‘Maar dat is helemaal niet nodig. De taart is groot genoeg.’

Het vergroten van turbines verlaagt de prijs per kilowatt windenergie, vooral omdat het kosten voor aanleg, bekabeling, onderhoud en logistiek reduceert. Wagenaar: ‘Simpel gezegd is er voor elke ondersteuningsconstructie, of daar nou een kleine of een grote turbine op staat, één paal en één schip nodig.’ Een andere manier om de prijs te reduceren, is minder conservatief ontwerpen. Watson: ‘We bouwen altijd een veiligheidsmarge in, om zeker te weten dat een turbine stevig genoeg is. Naarmate de kennis groeit, kan die veiligheidsmarge omlaag, en is er minder materiaal nodig voor de turbinebladen en -palen. In sommige gevallen kan er wel 50 procent vanaf.’

Dit is niet het hele artikel. Het volledige verhaal staat in het meinummer van De Ingenieur.

Openingsbeelds: Depositphotos