TU Delft wil weten uit welke hoek de wind waait

“Dit is mijn speeltje”, zegt Jan-Willem van Wingerden trots. Het Wind AI Lab geeft de onderzoeker in Delft nieuwe, ongekende mogelijkheden. In ‘klassieke’ tunnels is de windsnelheid vrijwel overal gelijk, met de nieuwe windtunnel kan hij sinds oktober experimenteren met windvelden met variabele snelheden. “Dat is heel belangrijk. Doordat windmolens steeds groter worden, met soms wel een diameter van 220 meter, is de windsnelheid nooit op iedere plek van de rotorbladen gelijk”, legt de onderzoeker uit.

Hij wijst naar het grote apparaat met een achterwand van op elkaar gestapelde kleine ventilatoren die los van elkaar kunnen worden aangestuurd. “Daarmee kunnen we zwakke tot stormachtige winden nabootsen. Op de bodemplaat kunnen we twee tot drie kleine windmolens achter elkaar plaatsen om de onderlinge invloed van molens op elkaar te testen.”

Bij de experimenten in het Wind AI Lab wordt vooral gekeken naar zogenoemde zog: dat is wind die is veranderd nadat deze door een windturbine is gestroomd. Omdat een turbine energie onttrekt uit de wind, neemt de snelheid ervan af en wordt zij turbulenter en wilder door luchtwervelingen. Dit verlaagt de energieproductie van de windturbines die achterin het park liggen en zorgt voor extra slijtage.

Met behulp van een teamlid laat Van Wingerden zien wat dat zog-effect is. Met enig lawaai blazen de ventilatoren met een snelheid van 5 meter per seconde (‘een derde van de capaciteit, als we vol gaan worden de bovenburen niet blij’) rook langs twee kleine windmolens. De rook maakt het zog zichtbaar. In het lab is het zog een paar meter groot, in werkelijkheid gaat het om een gebied van enkele honderden meters achter de turbine.

Minder verlies
Meetapparatuur laat zien dat als de wind door turbines stroomt, zijn snelheid afneemt. Dit effect is te vergelijken met een ander voorbeeld: als je vlak achter een andere fietser rijdt, heb je flink minder tegenwind. In het geval van de windmolens leidt een verlaagde windsnelheid ertoe dat achtergelegen windturbines daar last van hebben en minder energie opleveren. Maar met slimme regeltechnieken kan de hinder en het verlies aan energieopbrengst in parken wel worden beperkt.

“Met onze innovatie kun je het zog-effect op verschillende manieren bestrijden. Allereerst kun je het zog kapotmaken. Dan moet je twee dingen doen. De drie rotorbladen van de molens afzonderlijk instellen, waardoor je trillingen in de lucht opwekt. Bovendien laat je ze met lage frequentie draaien – 100 seconden per omwenteling. Dan maak je het zog kleiner en krijg je uiteindelijk een zogeheten helix, een wokkelstructuur van wind achter de turbine en gaat het zog kapot. Daarmee blijft het vermogen van de eerste turbine constant en leveren de molens erachter meer op. In een volledig zog levert de tweede turbine 0,7 megawatt, vrij van zog 3,0 megawatt", aldus de professor. De opbrengt neemt minimaal met 20 procent toe.

“Een andere manier is met scheefstand van de molens. Dan stuur je het zog geheel of deels langs de molen erachter waardoor het rendement stijgt. Met die scheefstand wordt per molen minder energie opgewekt omdat hij niet frontaal in de wind staat, maar met alle turbines in het park boek je in totaal wel winst.” Die technologie wordt door fabrikanten al getest en toegepast. “Omdat de omstandigheden, bijvoorbeeld de windcondities, variëren, moet je die scheefstand voortdurend kunnen bijsturen. Dan kun je windmolens dichter bij elkaar zetten en maak je een efficiënter gebruik van de beschikbare percelen. Het filmpje dat ik over deze methodieken had gemaakt, liet ik zien bij mijn intreerede. Het werd opgepikt door de industrie en leidde tot een aantal vervolgprojecten. Natuurlijk proberen we deze technieken nog te verbeteren. Testen doen we in stappen. Eerst hier met kleine molentjes, dan met turbines van 400 kilowatt op land, en in 2025 met elf megawatt turbines binnen het windpark Hollandse Kust Noord.”

De energie-efficiëntie waaraan Van Wingerden een bijdrage levert, is van groot belang. Verschillende landen waaronder Nederland willen grote windparken aanleggen in de Noordzee. In 2050 moeten die parken 70 gigawatt kunnen opbrengen, tien keer zoveel als de huidige capaciteit.

Hollandse Kust Noord
In een van de drie gebieden die de Nederlandse overheid heeft aangewezen voor de ontwikkeling van windenergie op zee, Hollandse Kust Noord, mag Van Wingerden dus in 2025 laten zien wat zijn innovatie waard is. Met het windpark, op bijna 20 kilometer van de kust bij Egmond aan Zee, moeten straks ruim een miljoen huishoudens van groene stroom worden voorzien. “Dat we daar mogen testen geeft zo veel energie. Zo’n kans krijg je zelden. Het blijft natuurlijk spannend, maar tot nu toe wijst alles erop dat wat we hebben bedacht ook echt werkt. Hiermee staan we aan het begin van belangrijke innovatie”, aldus de onderzoeker, die samenwerkt met Crosswind, een gezamenlijk project van Eneco en Shell, en bouwer van windturbines Siemens Gamesa. “Het is goed die grote industriële partij erbij te hebben. Zij zien hoe groot de belasting en eventuele slijtage van de molens is als we de nieuwe technologie toepassen.”

Van Wingerdens Wind AI Lab staat op wielen. Dat heeft een reden. “Het is de bedoeling om de tunnel op termijn in onze sleeptank te gebruiken, waar we golven kunnen maken. Dan kun je wind en water combineren in schaalmodellen en kijken naar het gebruik van drijvende windmolens voor een mogelijk nog grotere energieopbrengst.” Dus speeltuin? “Ja, speeltuin!”

Noorwegen en Schotland
Volgens de professor zijn drijvende windparken de toekomst. Schotland en Noorwegen werken er al aan en dat gaan we hier ook doen. Je kunt de molens bijvoorbeeld op zeskantige onderstellen, (hexapotjes) zetten en in golvend water enige bewegingsvrijheid geven. “Met een dynamisch platform gaat het zog misschien sneller kapot en kun je molens dichter bij elkaar zetten.” Intelligente windmolens die continu met elkaar in verbinding staan, kunnen zich zelfstandig groepsgewijs aanpassen aan windcondities voor het beste rendement. Dan hebben de turbines ook een langere levensduur en kan de kostprijs van windenergie omlaag.

Voor drijvende windmolens is de Noordzee echter te ondiep. “Om die molens in balans te houden, heb je onder water een flinke dobberconstructie nodig”, verklaart de expert van de TU Delft. Hij wijst er overigens op dat bij de ontwikkeling van een windpark meer nodig is dan alleen nieuwe technologie. “Het aanleggen is een vak apart. Dan moet je bijvoorbeeld ook rekening houden met wat er al op de zeebodem ligt. Aan bekabeling, aan oude munitie. Ook vaarroutes en routes van trekvogels zijn van belang.”