Om meer duurzame energie op te wekken en minder afhankelijk te zijn van fossiele brandstoffen, verschijnen in ons land steeds meer windmolens aan de horizon. Vooral op zee, want daar staan ze niet alleen niemand in de weg, er is vooral veel meer ruimte dan op het land. En er is nóg een voordeel. Waar windmolens eerst nog keurig in een park in het gelid stonden, drijven ze sinds 2030 en is de structuur van de parken dynamisch. “Als een team van slimme, zelfrijdende auto’s werken ze samen en zoeken continue waar ze idealiter zouden moeten staan om enerzijds zoveel mogelijk energie te produceren en anderzijds zo min mogelijk last te hebben van turbulentie, zodat ze zo lang mogelijk meegaan. Dat samenwerken is mogelijk, omdat in de toekomst elke windmolenturbine meetapparatuur heeft om de windkracht, de richting en de trilling te bepalen. Die data wordt vervolgens via algoritmen verwerkt om te voorspellen wat voor elke turbine de beste plek is”. 

Jan-Willem van Wingerden, die bij het Delft Center for Systems and Control (DCSC) onderzoek doet op het gebied van meet –en regeltechniek van grootschalige mechatronische systemen die gedreven worden door een verstoring zoals bijvoorbeeld wind of golven, ziet het al helemaal voor zich. Hij denkt dat drijvende windmolenparken in de toekomst een enorme potentie hebben: ze kunnen wel veertig procent meer energie opwekken. Bovendien gaan ze veel langer mee, omdat ze minder belast worden. En dat komt allemaal, omdat drijvende windmolens, beter dan de huidige windmolens die stil staan, kunnen omgaan met het zog. Dat zit zo: als een turbine energie uit de wind haalt, neemt de windsnelheid af en ontstaat er bovendien een turbulente stroming. Daar heeft de windmolen die er achter staat last van, omdat deze door minder wind niet alleen minder energie kan produceren; door de trillingen gaan de rotorbladen bovendien eerder stuk. Hoe dichter de windmolens in een park op elkaar staan, hoe groter die twee negatieve effecten. Daar wil Van Wingerden graag iets aan doen.  

Jan-Willem van Wingerden

Drijvende windmolenparken zijn echter nog geen gemeengoed. Boven Schotland is in oktober 2017 het eerste drijvende park ter wereld geopend en in Japan dobberen al een paar molens. In Nederland is het nog niet zover, met name omdat de Noordzee ondiep genoeg is om windmolens te verankeren. Als we verder op zee energie willen opwekken, of als er rond 2030 blijkt dat alle offshore molens beter kunnen drijven, dan komt ook hier floating in beeld. Tot het zover is, ziet Van Wingerden nog tal van andere mogelijkheden om de bestaande windparken te verbeteren. “We kunnen twee andere vrijheidsgraden van bestaande windmolens gebruiken. De eerste is de turbine een beetje scheef laten staan ten opzichte van de wind, door middel van een lichte rotatie om de as, om zo het zog af te laten buigen. Dat noemen we yaw-control. Het tweede wat we kunnen doen is de eerste turbine minder hard laten draaien, zodat er meer wind voor de tweede turbine overblijft om energie mee op te wekken”. 

Het doel is dus om de energieproductie te maximaliseren, en tegelijk  de belasting op de windmolen te minimaliseren. “Die twee zijn met elkaar in strijd. Als je minimale belasting wil hebben, dan kun je je windmolen het beste stil laten staan. Alleen dan produceer je geen energie. Wil je maximale energie produceren, dan zijn de vermoeiingsbelastingen heel erg hoog. Dus het is echt een mooi optimalisatieprobleem”, zegt Van Wingerden. Om windmolens te optimaliseren werkt hij onder meer samen met het National Renewable Energy Lab (NREL) in Amerika. “Daar hebben ze met een laser op een windmolen het zog gemeten en gekeken of ze het kunnen bijsturen. In onze simulatie lieten we al zien dat dat mogelijk was, maar zij hebben het voor het eerst in de praktijk aangetoond. Dat is de state-of-the-art op dit vlak”. Ook de TU Delft doet binnenkort veldexperimenten. In een Europees project zal ze op een Italiaans windpark van General Electrics meten wat er precies in het zog gebeurt. 

Helaas is het nog te kostbaar om elke windmolen in een park met honderd turbines uit te rusten met meetapparatuur. Daarom werkt Van Wingerden met CFD (Computational Fluid Dynamics) simulaties, waarbij hij bij een bepaalde windrichting de stroming kan simuleren als de windmolens allemaal ietsje scheef staan en het zog iets naar links of rechts wordt gestuurd. Wat blijkt? Een beetje scheefstand levert volgens zo’n computerprogramma al 10 tot 12 procent meer energie op. Hij denkt dat als je windmolens dynamisch zou kunnen volgen, er nog veel meer winst te halen is. Daarom onderzoekt Van Wingerden hoe windmolens met elkaar kunnen gaan samenwerken, iets wat nu nog niet mogelijk is. De TU Delft werkt met het National Renewable Energy Lab (NREL) in Amerika aan het ontwikkelen van regeltechniek om zowel de optimale Yaw-hoek te vinden als de optimale inductie; hoeveel wind de windmolen doorlaat en hoe snel deze dan moet draaien. “En wat nog uitdagender is: als je ervan uit gaat dat je het zog kunt sturen, zou je ook opnieuw kunnen kijken waar je in toekomstige parken het beste de turbines kunt plaatsen. Omdat je weet hoe je het zog langs andere turbines kunt sturen, kun je de windmolens dichter op elkaar plaatsen. Dat betekent dat je meer windmolens op hetzelfde oppervlak zou kunnen zetten en zo per vierkante meter meer energie kunt opwekken”. Van Wingerden durft zelfs nog meer out-of-the-box te denken: “In theorie zou je een turbine ook kunnen tilten, ofwel verticaal kunnen draaien. In de praktijk bestaat die vrijheidsgraad nog niet, want dan zou er een nieuw ontwerp voor windmolens moeten komen. Ook daar denken we over na, dus ik voorspel  dat windmolens er in de toekomst anders uit gaan zien”.

De grote uitdaging voor wetenschappers is om de industrie mee te krijgen. “Een turbinefabrikant geeft garantie op z’n turbine, maar een windmolenpark is van een energieleverancier. Dat zijn twee verschillende partijen. Wij zullen dus als onderzoekers niet alleen met simulaties moeten aantonen wat windmolenparken optimaliseert, maar ook zoveel mogelijk in de praktijk”.

Tekst: Desiree Hoving