Vuistregels bij bepalen van de geschatte energieopwekking

Het vooraf inschatten van de energieopbrengst van een miniwindturbine of een kleine windmolen op een beoogde locatie is (hoofdzakelijk) afhankelijk van twee factoren: het lokale windaanbod en het rendement van de gekozen windmolen.

Bij het inschatten van het windaanbod kijken we naar de aanwezige gemiddelde windsnelheid. RVO stelt hiervoor op deze plek een handige tool beschikbaar (mogelijk voor een hoogte vanaf 20 meter boven maaiveld). Op basis daarvan kan een inschatting worden gemaakt van het windaanbod op de beoogde ashoogte van de windmolen. Echter, in de meeste gevallen spelen ook lokale factoren een belangrijke rol. Twee noemenswaardige factoren zijn windschaduw en turbulentie van de wind.

Windschaduw
Windschaduw ontstaat door objecten in de nabijheid van de beoogde plaatsingslocatie die zorgen voor hinder van windstromen. Wanneer een windmolen bijvoorbeeld pal naast een gebouw hoger dan zichzelf wordt geplaatst, is het evident dat wind uit de richting van dit gebouw het rendement van de windmolen zal beïnvloeden. In het andere uiterste is er sprake van geen enkel object in een bepaalde windrichting waardoor de wind uit deze richting het volledige rendement van de windmolen kan benutten.

De invloed van een obstakel is afhankelijk van enkele factoren, zoals afstand tot molen, verschil in hoogte tussen de kop van de windmolen en het obstakel, en de positie van het obstakel t.o.v. meest voorkomende windrichtingen. In 1983 publiceerden J. Wieringa en P.J. Rijkoort ‘Windklimaat van Nederland’, met in hun onderzoek onder meer aandacht voor zogenaamde windschaduw.

Indien de wind komt uit de richting van een obstakel, en het obstakel op dezelfde hoogte staat als de kop van de molen, zal het effect op de windsnelheid ongeveer aanhouden voor de afstand van 20 tot 30 keer de hoogte van beide objecten. Concreter, indien het obstakel in hoogte gelijk is aan de beoogde hoogte van de kop van de molen, is er op een afstand gelijk aan 10 keer de hoogte van het obstakel sprake van 30% minder wind indien het obstakel loodrecht op de windrichting staat.

Windturbulentie
Een andere factor is de mate van windturbulentie. Turbulente wind varieert snel van windrichting. Doordat de wind niet in een mooie gelijke stroom aanstroomt, maar bijvoorbeeld ook van onder en boven de windmolen benadert, wordt het oppervlakte van de windturbine minder optimaal benut en is er om die reden sprake van minder rendement. Voor windmolens met een horizontale as geldt bovendien dat als er sprake is van turbulente wind het lastig is om zichzelf uit te lijnen met de wind.

Een beeldend voorbeeld is een vierkant gebouw met een plat dak en enkele bomen die in hoogte gelijk zijn aan het gebouw. Plaatsing direct op het dak van het betreffende gebouw gaat voorbij aan de wind die als het ware ‘omhoog botst’ tegen de bomen, maar ook de wind die via de zijkant van het gebouw omhoog stroomt, en die daarmee een turbulent windgebied veroorzaakt dat hoger reikt dan de hoogte van het gebouw en de bomen. Dit impliceert dat de ideale hoogte van de kop van de molen qua windturbulentie hoger ligt dan de hoogte van het gebouw en de bomen, om zo boven het turbulente windgebied uit te komen.

Het rendement van de windmolen
Wanneer we het hebben over rendement en prestaties van windmolens wordt er vaak gesproken over nominaal vermogen om prestaties te omschrijven. Waar dit voor sommige apparaten prima kan, is het voor windturbines te kort door de bocht enkel te kijken naar het nominaal vermogen. Het vermelde nominale vermogen geeft informatie over het ideale punt van de toegepaste generator, maar geeft ons geen informatie over hoe vaak de windmolen op dit nominale vermogen draait – dit is namelijk direct afhankelijk van het windaanbod op de beoogde locatie, de ashoogte en de grootte van de rotor die het vermogen moet opwekken.

Windmolens worden in eerste instantie getest in windtunnels. Metingen die hier worden verricht, zijn niet altijd even goed te vertalen naar prestaties die worden bereikt in de werkelijkheid. Zo kan het voorkomen dat in een windtunnel de opgewekte wind als het ware ‘door de molen’ wordt gedrukt, omdat de wind geen andere uitwijkmogelijkheid heeft. Deze uitwijkmogelijkheid bestaat in de praktijk wel, wat zal leiden tot minder opgewekte windenergie dan in de windtunnel is gemeten. Hoe goed metingen van windmolens zijn verricht is lastig in te schatten, maar op basis van enkele natuurkundige vuistregels kan wel worden bepaald of het beloofde rendement realistisch is wanneer enkele molens worden vergeleken.

Volgens de wet van Betz ligt het theoretische maximum van de hoeveelheid energie die aan de wind kan worden onttrokken op 16/27 (59,3%). Theoretisch zou de ideale windmolen dus 59% van de aanwezige wind omzetten in energie. Daarnaast speelt het effectief omzetten van de opgevangen energie in de turbine een rol. Zo zal er in de keten tussen de rotor – waar de wind wordt omgezet in energie – en de omvormer – die de energie bruikbaar maakt voor de beschikbare bron – ook nog energie verloren gaan. Dit komt bijvoorbeeld door elektrisch verlies in de generator, de bekabeling en in de omvormer.

In 2006 publiceerde Erich Hau zijn onderzoek naar verschillende soorten horizontale windmolens en hun rendementsfactor, die dus theoretisch op 59% ligt. Windmolens die om een verticale as draaien scoren volgens Hau niet hoger dan 39%. Horizontale as-turbines scoren dus beter, waarbij driebladige windmolens weer beter scoren dan turbines met twee bladen.

Een ander belangrijk aspect is het gebied dat de rotorbladen beslaan. Hoe groter dit gebied, hoe meer energie aan de wind kan worden onttrokken. Hoe groter de bladen, hoe hoger de materiaalkosten, wat dus ook een effect heeft op het financieel rendement van de aankoop. In zijn algemeenheid geldt dat vergroten van het gebied van de rotorbladen voordelen heeft, maar ook nadelen. Er is niet één perfect ontwerp, en voor iedere specifieke locatie met zijn eigen windaanbod zal leiden tot andere wensen of eisen met betrekking tot de gewenste windmolen.