Windenergie

Windenergie is energie die gewonnen wordt door de stromingsenergie van lucht (wind) om te zetten in een bruikbare vorm, bijvoorbeeld in elektriciteit.

Windturbine op de Thorntonbank, België

Vroeger werd windenergie met windmolens direct omgezet in mechanische arbeid, bijvoorbeeld om graan te vermalen tot meel of om water te verpompen. Tegenwoordig wordt het woord windenergie vooral gebruikt voor de elektriciteit die met een windturbine uit de wind gewonnen wordt. Sommige producenten van windturbines spreken ook wel over windenergieconvertoren.

Geschiedenis

Opwekking van mechanische energie

Windenergie heeft via de zeilvaart een belangrijke bijdrage aan transport gegeven, maar zeilschepen worden tegenwoordig voornamelijk nog gebruikt voor de pleziervaart. Er zijn echter plannen en experimenten om ook vrachtschepen wederom uit te rusten met zeilen De eerst beschreven windmolen was die van Heron van Alexandrië in de 1e eeuw. In zijn beschrijving maakte hij gebruik van een door wind aangedreven wiel om lucht door een orgel te blazen. Uit andere bronnen is te halen dat er in het 4e-eeuwse China en Tibet al een type gebedsmolen voorkwam dat door wind werd aangedreven.

Waarschijnlijk is het dat sinds de 12e eeuw het gebruik van de windmolen in West-Europa opgang maakte. De oudste nog bestaande molen van de Lage Landen dateert uit 1183 en werd gebouwd in het graafschap Vlaanderen te Wormhout. Belangrijke toepassingen van windmolens waren het malen van graan, het pompen van water en ook het zagen van hout. Het gebruik van windenergie heeft in Nederland een grote vlucht genomen met de inpoldering en de droogmakerijen in de 17e eeuw. Dankzij het werk van deze windmolens kreeg Nederland zijn huidige aanzien.

Neergang

Bosman-molentje

Met de uitvinding van de stoommachine aan het eind van de 18e eeuw had men een krachtig en betrouwbaar hulpmiddel dat kon worden ingezet zonder afhankelijk te zijn van de wispelturigheid van de wind. Daardoor verdwenen windmolens langzamerhand uit het landschap. Alleen voor kleinschalige toepassingen bleef het gebruik van windenergie tot ver in de 20e eeuw gehandhaafd, uit Amerika kwam de windmotor en uit Piershil het Bosman-molentje. Deze laatste molenpomp, ook bekend als opbrengertje, was lang beeldbepalend in de Nederlandse polders.

Opwekking van elektriciteit

Met de ontwikkeling van de elektriciteit in de negentiende eeuw werden ook pogingen ondernomen om elektriciteit te winnen met behulp van windenergie. Door de hoge investeringskosten was elektriciteitsproductie door windenergie alleen op kleine schaal economisch in gebieden waar nog niet was geïnvesteerd in infrastructuur van elektriciteitstoelevering. In het Belgische Gistel liet de burgermeerster Alfred Ronse in 1933 achter zijn kasteel Ter Waere een molen bouwen (de Meerlaan) die vooral bedoeld was om elektriciteit op te wekken. Met behulp van riemen over de conische gedeelten slaagde men er effectief in om elektriciteit te produceren. Ulrich Hütter bouwde, in 1957 in Duitsland, een 100 kW horizontalea-swindturbine met aerodynamisch gevormde glasfiber vleugels met hoekverstelling (zie Windturbine-aerodynamica), het oermodel van de moderne windturbine. De jaren 60 en 70 van de twintigste eeuw kenmerkten zich door veel kleine particuliere initiatieven. Eenvoudige windmolens met generatoren van enkele kW tot enkele tientallen kW verrezen in polders op plaatsen waar behoefte was aan elektriciteit. Dankzij subsidiëring waren sommige experimenten zelfs rendabel. Pas na het doemscenario van de Club van Rome en de oliecrisis van 1973 begon het besef te groeien dat fossiele energie eindig is en dat te zijner tijd alternatieven zullen moeten worden gebruikt. De overheid stelde subsidies ter beschikking en er werd geëxperimenteerd met alternatieve bronnen van energie. In Tvind, Denemarken, verrees in 1977 de eerste Europese megawatt windturbine. Nieuwe verticaleas-windturbines als de Darrieus- en de Savoniusrotor werden onderzocht maar de vermogen/gewicht verhouding bleek laag in vergelijking met de horizontaleas-windturbine.

Na de uitvinding van de stoomturbine (1883) om de wisselstroomgenerator aan te drijven kon het wereldwijd elektriciteitsgebruik sterk toenemen. In 2003 was het vermogen mondiaal opgelopen naar 31 GW, tegen 2 GW twaalf jaar daarvoor.

Turbinevermogen en opbrengst

7,5 MW turbines E126 Windturbinepark Estinnes op 10 oktober 2010, voltooid

Zie Windturbinevermogen voor het hoofdartikel over dit onderwerp.

De energie-opbrengst van een windturbine is evenredig met het kwadraat van de rotordiameter en de derde macht van de gemiddelde windsnelheid.

Moderne windturbines worden ontworpen op ca 3000 vollasturen per jaar. Dat betekent dat de opbrengst op die plaats met wisselende wind, even groot is als wanneer de turbine 3000 uur op vol vermogen zou draaien. Dit is een economisch optimum. Met grotere vleugels op een hogere mast kan de turbine met dezelfde generator meer energie leveren, maar dat kost onevenredig meer.

Een vuistregel voor de opbrengst in MWh/a (megawattuur per jaar) is dus: turbinevermogen in MW maal 3000 vollasturen per jaar. Dat aantal vollasturen is wel gestegen, 10 jaar geleden was het nog ca 2000.

Eind 2016 stond in de wereld 487 gigawatt windcapaciteit opgesteld. Dit vermogen was in 5 jaar meer dan verdubbeld. Van de 487 GW stond 169 GW in China, 154 GW in de Europese Unie en 82 GW in de Verenigde Staten. Windparken genereerden 960 TWh, dat was 4% van de totale elektriciteitsopwekking in de wereld.

In Europa werd de mijlpaal van 100 GW geïnstalleerd vermogen overschreden in 2012.. De helft, 50 GW was in 2006 gehaald volgens Wind Europe. In 2015 werd 11% van de elektriciteit (eindgebruik) in de EU28 met windturbines geproduceerd. In Denemarken zelfs 46%, Portugal 25%, Spanje 21% en Duitsland 15%.

Energiegebruik

Tijdens de levenscyclus van een windturbine wordt niet alleen energie geproduceerd maar ook verbruikt voor winning van de benodigde grondstoffen, productie, onderhoud, regelelektronica en afbraak. Daarnaast bevat een windturbine onderdelen van uit aardolie afgeleide kunststof. Een windturbine verdient dit energieverbruik in een periode van 3 tot 6 maanden terug.

Beperkingen bij het plaatsen van windmolens

Technische beperkingen en regelgeving

Windturbines moeten op een bepaalde minimale afstand van elkaar staan. Een vuistregel voor de onderlinge afstand is vijf keer de diameter van de rotor. Een kleinere onderlinge afstand heeft tot gevolg dat de turbines niet optimaal profiteren van de wind: ze staan dan bij sommige windrichtingen in elkaars luwte.

Voor het plaatsen van windturbines moet een omgevingsvergunning worden verleend. Vaak zal ook een wijziging van het bestemmingsplan worden doorgevoerd.

In Nederland worden de milieueffecten gereguleerd via de AMvB (Algemene Maatregel van Bestuur) "Besluit Algemene Regels voor Inrichtingen Milieubeheer". In dit besluit is onder meer aangegeven dat woningen op een afstand van ten minste 4 maal de ashoogte dienen te liggen (Inmiddels is deze voorwaarde vervallen). Daarnaast zijn in dit Besluit geluidnormen opgenomen die ruimer zijn bij toenemende windsnelheid. In het algemeen geldt dat in landelijke gebieden bij specifieke windrichting en windsnelheid de windturbine goed hoorbaar is terwijl aan de geluidsnormen wordt voldaan. Verder is in een aantal speciaal aangewezen gebieden de Europese Vogel- en Habitatrichtlijn van toepassing.

Windturbines kunnen storingen op radarbeelden veroorzaken. Plaatsing in de buurt van radarstations is daardoor meestal niet mogelijk. Er wordt onderzoek gedaan naar de mogelijkheid om de rotor van windturbines te voorzien van een radarstralingabsorberende laag (zoals bij stealthvliegtuigen) en naar de mogelijkheid om radarstations uit te rusten met software die de radarreflecties van windturbines kan wegfilteren. Sinds 2005 blijkt het mogelijk om te overleggen met het ministerie van Defensie en afspraken te maken, ook als zij vroeger ergens maximale bouwhoogtes eisten.

Windturbines op zee vormen potentieel een obstakel voor de zeevaart. Hoewel windmolens, alleen al omwille van economische redenen, geplaatst worden op zandbanken of ondiepe plaatsen, kan plaatsing in de buurt van drukbevaren routes risico's opleveren. Hierbij kan worden gedacht aan situaties met slecht zicht en zwaar weer, als schepen van hun ankers lopen of problemen ervaren bij het handhaven van de voorgeschreven koers. Plannen voor plaatsing van windturbineparken op de Noordzee, zoals op de Thorntonbank, zijn daardoor niet onomstreden. Ondertussen zijn in België toch de nodige vergunningen afgeleverd voor een windmolenpark op de Thorntonbank.

Milieu- en hinderaspecten van windturbineparken

Ruimtebeslag

Een windturbinepark beslaat een grote oppervlakte. Van deze oppervlakte wordt echter slechts 1% ingenomen door de mastvoet en transformatorhuisjes. Hoge bebouwing van het gebied rond een windturbine (met een te korte mast) leidt tot een lagere opbrengst. Voor het overige kunnen windturbineparken met bijna alle activiteiten en landschapstypen worden gecombineerd, als dat gewenst is. Agrarische gebieden en industrieterreinen komen het meest voor. Maar omdat de commercieel beschikbare masthoogte ook toeneemt, komen ook bossen in aanmerking voor een windparklocatie. Daarin zijn ze bovendien voor de korte en middellange afstand visueel goed afgeschermd.

Veiligheid

Een windmolen kan schade aanrichten wanneer de veiligheidssystemen falen. Het grootste gevaar treedt op wanneer de reminrichting faalt en de windmolen bij sterke wind op hol slaat. De wieken versnellen dan tot ze bezwijken onder de rotatiekrachten. Een rondvliegende wiek kan tot enkele honderden meters verder schade aanrichten. Het plaatsen van windturbines in weinig bevolkte gebieden en terreinen met ongevaarlijke industriële activiteiten reduceert het risico sterk. Door oververhitting of een elektrisch defect kan brand optreden. Bluswerken worden bemoeilijkt door de grote hoogte.

Schaduwhinder

Wanneer de zon schijnt werpt de rotor van een windturbine een bewegende slagschaduw. Dit effect kan men als vervelend ervaren.

Afstand speelt een grote rol bij hinder van slagschaduw. Bij grotere afstanden is er minder hinder, doordat de wiek dan niet de hele zonneschijf kan bedekken en er geen volle schaduw meer valt. Ook de frequentie is belangrijk. Door de langzame draaiing van de molens van tegenwoordig is dat steeds minder geworden. De slagschaduw is merkbaar in een vlindervormig gebied. De slagschaduw verplaatst zich in de loop van de dag van west naar oost. In de zomer, als de zon hoog staat, is het gebied kleiner dan in de winter.

Microklimaat

Door de turbulentie (wervelingen) achter een draaiende windturbine worden hogere en lagere luchtlagen met elkaar gemengd. Dat veroorzaakt vooral 's nachts een hogere windsnelheid (tot enkele m/s) en hogere temperatuur (in de ordegrootte van een graad) op grondniveau.

Vogels

Vogels en vleermuizen kunnen schade ondervinden van windturbines door botsingen met windturbines en door verdringing van het leef- en broedgebied. Wanneer er in Nederland 1500 MW aan windturbines wordt opgesteld zal dit naar schatting 30.000 directe vogelslachtoffers per jaar maken. Ter vergelijking: het verkeer maakt jaarlijks twee miljoen vogelslachtoffers, de jacht anderhalf miljoen en hoogspanningsleidingen één miljoen. Het effect van verdringing van de biotoop is minder duidelijk.

Landschap

Het "Tauernwindpark" in Oostenrijk

Zeker met de toenemende masthoogtes zijn windturbines sterk in het landschap aanwezig. In de beginperiode van windenergie werden vooral individuele windturbines geplaatst wat een "rommelig" effect gaf. Tegenwoordig worden windturbines voornamelijk geplaatst in lijn- en clusteropstellingen die meer aansluiten bij bestaande elementen in het landschap zoals wegen en kanalen. Desondanks worden windturbine(parken) door velen als storend of lelijk ervaren. Men spreekt dan van horizonvervuiling of landschapsvervuiling. Zo werd een gepland windmolenpark voor de kust van Knokke uiteindelijk verplaatst naar een dieper in zee gelegen zandbank, de Thorntonbank, onder andere vanwege het horizonvervuilende aspect op de kustplaats. Zie ook hierboven bij 'Scheepvaart'.

De weerstand tegen landschapsvervuiling door windturbines is in sommige gevallen te verminderen door financiële compensatie, of betere inbedding in het landschap. De weerstand wordt bijvoorbeeld minder als omwonenden een geldbedrag ontvangen of mede-eigenaar van de windmolen zijn. Of als een rij windmolens een algemeen erkende grens markeren, zoals de Peelrand breuk of een dijk aan de kust. Op Kreta is een windmolenpark halfweg tussen Matala en Knossos een toeristische trekpleister vanwege het panoramische uitzicht. In Nederland zijn de geplande nieuwe locaties voor grote windmolenparken rond het IJsselmeer en de Afsluitdijk op forse weerstand gestuit, omdat het vlakke, rustige cultuurhistorische landschap erdoor zou verdwijnen.

Doordat er steeds grotere turbines op de markt komen, bestaat er een trend dat windmolens steeds verder uit elkaar komen te staan en dat projecten ook meer molens gaan omvatten. Daarbij kan volgens de betrokken landschapsarchitecten dan een grootser en mooier landschappelijk ontwerp worden gemaakt. Critici zien hierin eerder een verdere en meer omvattende aantasting van het landschap.

Windmolens kunnen tegenwoordig ook worden geplaatst in bossen. Doordat masten van moderne turbines ver boven de gebruikelijke hoogte van bomen uitsteken ondervinden ze geen hinder bij de windvang. De molens zijn in het bos niet te zien en vlak bij het bos staan ze achter de hoge horizon van de bosrand. Van enige afstand gezien steken ze wel duidelijk boven het profiel van het bos uit.

Geluid

Het geluid van een windturbine heeft twee oorzaken: het mechanische geluid van de bewegende delen in de gondel en het zoevende geluid van het draaien van de rotorbladen. Bij moderne windturbines is de gondel goed geïsoleerd en is alleen de geluidsproductie van de rotorbladen van belang.

De geluidsproductie van een windturbine neemt toe met de windsnelheid. Voor een moderne windturbine ligt de brongeluidssterkte in het bereik tussen 91 en 104 dB(A). Dit is het zogenaamde brongeluid van de windturbine. Dit is een berekend geluidsniveau, alsof al het geluid vanuit één punt wordt uitgezonden. In werkelijkheid wordt het geluid vooral door de wieken veroorzaakt, over het hele rotoroppervlak, maar met een hoger geluidsniveau wanneer er een wiek bij de mast passeert. Dit laatste wordt veroorzaakt door de reflectie van het geluid op de mast.

Op een afstand van 250 meter bedraagt het maximale geluid van één solitaire windturbine ongeveer 40 tot 43 dB(A). Dit geluidsniveau wordt slechts bereikt als de windturbine op zijn maximale vermogen draait. Dit komt overeen met een windsnelheid van ongeveer 8 m/s op 10 meter hoogte, wat maar ongeveer 10% van de tijd het geval is. Verder is het geluidsniveau afhankelijk van het type windturbine en van de hardheid van de ondergrond tussen de windturbine en de meetplaats. Vegetatie heeft namelijk een sterk dempend effect.

Wanneer een tweede windturbine op eenzelfde afstand wordt gezet als de eerste, dan verhoogt het geluidsniveau met 3 dB(A). Dit komt doordat de schaal waarop decibel wordt uitgedrukt, een logaritmische schaal is, en geen lineaire schaal.

Een eerste verbetering bij windturbines, om het geluidsniveau te verminderen, was het vermijden van een tandwielkast. Door minder snel draaiende onderdelen wordt het geluidsniveau in de gondel sterk gereduceerd. Dit type windturbines is te herkennen aan een korte gondel. Bij moderne windturbines met tandwielkast wordt de gondel tegenwoordig zodanig van geluidsisolatie voorzien dat het geluidsniveau niet hoger ligt dan bij de windturbines zonder tandwielkast.

Een tweede verbetering is een ander wiekprofiel, dat is te herkennen aan (kleine) dwarsvleugeltjes aan de tips van de wieken. Daardoor wordt de luchtstroom langs de tip minder chaotisch, waardoor het geluid ook afneemt. De tip is de grootste lawaaibron, omdat daar de luchtsnelheid het grootst is.

Afstand en sterkte spelen een rol bij de mate van hinder. Producenten van windenergie beweren dat als de afstand groter is dan 300 meter, er bijna geen sprake meer is van geluidshinder. Onderzoek door Frits van den Berg van de Universiteit Groningen toont echter aan dat vooral het geluid tijdens de nachtperiode hinderlijk kan zijn, zelfs tot op een afstand van 2 kilometer. In de nacht gaat de wind op grondniveau vaak liggen, maar op grote hoogte kan het juist extra hard gaan waaien. De rekenmodellen voor geluid zijn vaak gebaseerd op de windsnelheden op 10 meter hoogte, terwijl een windturbine tot 80 meter hoog kan zijn. Door ontbreken van achtergrondgeluid van wind en verkeer in de nacht, is het geluid van de bladen van de turbines dan juist extra goed hoorbaar, met name omdat het geluid van de turbines in de loop der tijd varieert (Van den Berg 2006).

De metingen die aan de basis liggen van deze studie zijn echter niet met de juiste procedures bekomen. Dit impliceert een grote onnauwkeurigheid in de meetresultaten. Er wordt kritiek geleverd op de meetprocedures die gebruikt worden om normoverschrijding vast te stellen, zonder dat er vermelding wordt gemaakt van het vele onderzoek dat ten grondslag ligt aan deze procedures. Het betreffen hier genormaliseerde procedures die tot doel hebben elke situatie gelijk te kunnen beoordelen. Dat deze modellen daarom afwijken van de realiteit is onvermijdelijk, de afwijkingen blijven immers steeds binnen de bestudeerde perken (bron: LBPartners, 'Beoordeling geluidrapport “Hoge Molens vangen veel wind”', 13 februari 2003).

Integratie in het elektriciteitsnet en zekerheid van de elektriciteitsvoorziening

De vrees bestond dat de integratie van windturbines in het elektriciteitsnet bemoeilijkt wordt door de kwaliteit van de elektriciteit (frequentie), de beschikbaarheid van een geschikt elektriciteitsnet in de buurt, de variatie en beperkte voorspelbaarheid van de windsnelheid en ten slotte de beperkte opvang van de fluctuatie in elektriciteitsproductie door de conventionele centrales. In periodes van te veel of te weinig wind moet de energiebehoefte van het net geleverd worden met gas of kolen gestookte centrales. Met name bij het snel wegvallen van de wind moet een zogenoemde piekscheerder worden ingezet. Deze wordt aangedreven door een snelstartende gasturbine die ongeveer de helft van het rendement heeft van een conventionele centrale. Er dient dan ook een goed evenwicht te bestaan in het energiesysteem tussen windturbineparken en conventionele centrales, bijv. niet te veel reservevermogen, om nog van een CO₂-voordeel te kunnen spreken. Een zeer kritische studie noemt besparing van fossiele brandstof en CO₂ door windturbines een onbewezen veronderstelling en concludeert dat ze nog ongeschikt zijn om elektriciteit te leveren. Beweerde besparingen zijn niet bevestigd door metingen.

Maar in de grote Amerikaanse studie op dit gebied, van het National Renewable Energy Laboratory (NREL) van de VS is berekend dat het technisch mogelijk is dat in 2020 de extra uitstoot van CO₂ door conventionele centrales om windvariaties te compenseren, te verwaarlozen zal zijn, zelfs als 1/3 van de elektriciteit met zon en wind opgewekt wordt. In deze studie wordt wel verondersteld dat de elektriciteitsmarkt onbelemmerd functioneert en het elektriciteitsnet optimaal benut wordt. Het model kiest steeds de meest economische samenstelling van aanbieders om aan de vraag te voldoen met optimaal transport over het net. Opmerkelijk is dat het vrije markt mechanisme leidt tot compensatie van de windvariatie met de regeling van vooral gascentrales, niet van waterkracht, zodat deze studie relevant is voor Nederland.

Een scenariostudie zoals de NREL studie is niet een veronderstelling of een voorspelling van het effect van meer zon en wind in het bestaande systeem van elektriciteitvoorziening, maar een mogelijke ontwikkeling van de verdringing van fossiele brandstof door duurzame bronnen in dit systeem door aanpassing aan het nieuwe aanbod. Windturbines zijn wel geschikt om elektriciteit te leveren maar het bestaande systeem is nog ongeschikt om van dit aanbod optimaal gebruik te maken. De elektriciteitvoorziening is een gigantisch complex en kostbaar systeem dat uiterst betrouwbaar moet zijn. De beheerders zijn dus zeer voorzichtig zaken aan te passen die onvoorziene effecten kunnen hebben. Ze zijn bovendien gebonden aan contractuele verplichtingen. Ook in Duitsland vergt de overgang naar duurzame energie veel tijd en aanpassing.

In meer recent onderzoek worden windparken niet als lokale bronnen beschouwd die ingepast moeten worden in de door fossiele brandstof gedomineerde elektriciteitsvoorziening. Windenergie wordt in een groot netwerk, verbonden met waterkracht, zonne-energie, biobranstof en andere duurzame bronnen, gesimuleerd met computerprogramma's. Dan blijkt dat de hele energievoorziening, niet alleen elektriciteit, betrouwbaar duurzaam kan worden in de komende decennia. Zie Wereldenergievoorziening_met_wind,_water_en_zon.

Bronnen, noten en/of referenties

Bronnen, noten en/of referenties Veel tekst in dit artikel is overgenomen uit https://nl.wikipedia.org/wiki/Windenergie