Fabrikanten van windturbines produceren rotorbladen die geschikt zijn voor rechtsom draaiende windmolens. Lijkt heel logisch, maar uit onderzoek is gebleken dat bij windparken linksom draaiende windmolens zo'n kwart méér energie kunnen opleveren. Alleen bestaan die molens niet. Tijd voor verandering, of gewoon maar afschaffen, die hobbelstroom?
In 2018 stonden er in ons land ongeveer 2.030
windturbines. Wereldwijd zijn er al meer dan 200.000. En ze hebben
allemaal iets gemeen: ze draaien in dezelfde richting, met de klok mee
vanuit het oogpunt van de wind die er naar toe stroomt. De
toonaangevende fabrikanten van windturbines hebben gekozen voor deze
draairichting.
Sindsdien produceren ze de rotorbladen van alle modellen met profielen
die de windturbine met de klok mee laten draaien. Waarom ook niet - de
"ouderwetse" molens doen dat toch ook?
In het geval van een windturbine die ergens eenzaam in de wind draait,
maakt de draairichting niet echt uit. Maar een windturbine staat
zelden op zichzelf. In een windpark staan altijd windturbines in de
slipstream van andere windturbines. Er zijn veel onderzoeken naar de
opstelling van windturbines gedaan en met welke tussen-afstanden
windturbines in een windpark moeten worden geïnstalleerd voor een
optimale energieopbrengst. Maar tot voor kort dacht niemand aan de
draairichting van de windturbines.
Maar nu kwam een werkgroep van het Duitse Zentrum für Luft- und
Raumfahrt onder leiding van Antonia Englberger en Andreas Dörnbrack
met
verrassende bevindingen
naar aanleiding van doorgevoerde computersimulaties van de
stromingsomstandigheden in de lucht achter windturbines:
linksdraaiende windturbines zouden een hoger rendement opleveren in
windparken.
In theorie zouden de achterliggende windturbines tot 23% méér energie
kunnen opwekken. Dat hogere rendement kan evenwel nu niet behaald
worden omdat de windturbines zich op het noordelijk halfrond bevinden
- en dat is momenteel het geval bij meer dan 90% van alle windturbines
wereldwijd.
De rechtsom draaiende (dus met de klok mee) windturbines ten zuiden
van de evenaar draaien al in de optimale richting. Een ander resultaat
van de simulatie-evaluatie: de hogere energieopbrengst op het
noordelijk halfrond bij naar links draaiende windturbines zou vooral
's nachts bereikt kunnen worden.
Op het eerste gezicht zijn de windcondities achter een windturbine
gemakkelijk te begrijpen: de windturbine haalt een deel van zijn
snelheidsenergie uit de binnenkomende wind en zet die om in
elektrische energie met behulp van een roterende generator. De wind
die achter de windturbine stroomt is wat zwakker.
De rotorbladen van moderne windturbines kunnen aanzienlijk meer dan
150 meter de lucht in steken. Overdag vermengt de warmte die oprijst
uit de warme aarde echter de onderste lagen van de lucht. In het
ideale meteorologische geval waait de wind daarom overdag op alle
hoogtes van een windturbine met dezelfde snelheid en vanuit dezelfde
richting. Onder deze windomstandigheden is de draairichting van de
rotorbladen niet relevant. De achterliggende luchtstromen worden
versneld doordat de omringende wind homogeen en in dezelfde richting
stroomt en met dezelfde snelheid de volgende windturbine bereikt.
's Nachts zijn de windomstandigheden echter complex. De luchtlagen
boven de gekoelde bodem worden nauwelijks turbulent gemengd en zijn
stabiel boven elkaar. In de laagste luchtlaag is de windsnelheid het
laagst door de wrijving op de grond. De windsnelheid wordt groter bij
een toenemende hoogte. Daardoor neemt ook de
coriolis-kracht toe bij
een toenemende hoogte, die net zo goed de wind beïnvloedt als elk
lichaam doet dat beweegt ten opzichte van de roterende aarde.
Op het noordelijk halfrond buigt de corioliskracht de wind af in een
stromingsrichting naar rechts, op het zuidelijk halfrond naar links.
Met de luchtgelaagdheid, die 's nachts bijzonder stabiel is, waait de
wind in het bovenste deel van een windturbine niet alleen sterker,
maar ook vanuit andere richtingen dan de binnenkomende winden eronder:
de windrichting is hoger op de windturbine op het noordelijk halfrond
verder naar rechts gedraaid.
Deze nachtelijke windschering resulteert in andere
stromingsomstandigheden achter linksom draaiende windturbines dan
achter rechtsom draaiende turbines. De rotorbladen worden door de wind
in beweging gezet, maar oefenen op hun beurt een kracht in
tegengestelde richting op de wind uit. In het kielzog achter naar
rechts draaiende rotorbladen heeft de wind dus een extra
bewegingscomponent: hij draait linksom.
De computersimulaties van het onderzoeksteam laten zien dat de linksom
draaiende vervolgwind en de rechtsom draaiende omgevingswind elkaar
verzwakken. Het gevolg is dat de winden in het kielzog achter een
windturbine slechts langzaam weer op snelheid komen. Een linksom
draaiende windturbine zou daarentegen betere windomstandigheden bieden:
de rotorbladen zouden de uitgaande winden een draai naar rechts geven.
In dit geval zouden de bewegingscomponenten van de vervolgwinden en de
omgevingswinden die steeds meer van onder naar boven worden "gestuurd",
beter bij elkaar passen. De snelle omgevingswind kan de langzame
vervolgwind goed opvangen en versnellen.
De conclusie van de onderzoekers: bij een van de hoogte afhankelijke
windstroom die naar rechts beweegt, zoals 's nachts vaak voorkomt op
het noordelijk halfrond, bereikt de wind achter naar links draaiende
rotorbladen met een hogere snelheid het volgende windwiel dan de wind
achter een rechtsom draaiend windwiel. Linksom draaiende windturbines
kunnen daarom - althans in theorie - de energieopbrengst van de
achterliggende windturbines verhogen.
De vraag is natuurlijk of het echt de moeite waard is om bij de
productie voor het noordelijk halfrond over te schakelen naar linksom
draaiende windturbines. Het is niet alleen nodig om de
rotorbladprofielen te veranderen, want ook de tandwieloverbrenging,
die de langzame rotatie van de rotor vertaalt in een snelle rotatie
van de stroomgenerator en die wordt blootgesteld aan hoge belastingen
afhankelijk van de windomstandigheden, zou ook opnieuw moeten worden
ontworpen en vervaardigd.
Desalniettemin zijn Antonia Englberger en haar collega's van mening
dat hun studie meer dan alleen academische aandacht moet krijgen. Ze
verwijzen naar de eenjarige meetreeks van een weerstation in de
Amerikaanse staat Iowa, waarin de windomstandigheden die werden
aangenomen in hun simulatie van een stabiele atmosferische laagvorming
zich voordeden in 76% van alle nachten, gedurende elk tien uur.
Bernhard Stoevesandt, hoofd van de afdeling aerodynamica van het
Fraunhofer Instituut voor Windenergiesystemen IWES in Oldenburg (Dld.),
moet er echter van uitgegaan worden dat de werkelijke
windomstandigheden waarschijnlijk zullen verschillen met de
windomstandigheden die in de studie zijn beschreven. In een
heuvellandschap bijvoorbeeld of in een groter windpark stroomt de wind
ook 's nachts min of meer turbulent, wat het beschreven effect
vermindert. Dat is echter niet het geval bij de enorme windparken in
de Noordzee. Stoevesandt's conclusie is dat hoewel de dag/nachtverschillen
in windomstandigheden in bijvoorbeeld Duitsland niet zo opvallend en
uniform zijn, er bijvoorbeeld een duidelijke dag/nacht-cyclus in grote
delen van de Great Plains in de VS waar te nemen is, waar 's nachts
een verandering in de stabiele atmosferische laagvorming wordt
opgebouwd. Daarom kan zo'n overweging relevant zijn in dergelijke (vlakke)
regio's of op zee.
Maar hij ziet nog een ander probleem: “Het feit dat alle windturbines
tot dusver altijd in dezelfde richting draaien, geeft het landschap
een rustiger uiterlijk. Nieuwe windturbines die plotseling in de
andere richting draaien, kunnen mensen in de war brengen".
N.B. Voor de toevallige bezoeker die ons niet kent: bovenstaand
artikel houdt niet in dat wij fans zijn van windenergie. Integendeel:
wij zijn faliekant tegen deze hobbelstroom, waarvan het maar hopen is
dat er op het juiste moment genoeg wind staat. Door creatief boekhouden doet onze
regering het vóórkomen alsof deze vorm van energie, en dan vooral de
enorme windparken op de Noordzee, je van het is. Maar het is in feite
rondpompen van veel (belastinggeld): zo verdiende de familie Lubbers
door hun joint venture met Strukton, Hollandia Offshore,
scheepsladingen met geld, en plempt het sinds 2009 de beste visgronden
van de Noordzee vol met windturbine-achterbuurten (het veel gebruikte
woord "park" is in dit verband geheel misplaatst). Over de vele
belangenverstrengelingen tussen politiek en klimaatlobby (en de EU)
hebben wij recentelijk in onze nieuwsbrief geschreven.
[12 juni 2020]
