Windturbines worden steeds groter. Grotere turbines wekken meer energie op, wat voor hevige concurrentie zorgt tussen fabrikanten om steeds grotere modellen uit te brengen. Hoelang we deze wapenwedloop nog volhouden blijft echter onzeker.
In oktober van 2024 kondigde het Chinese Dongfang Electric Corporation groot nieuws aan. In Zuid-China zouden ze voor het eerst een windturbine gebouwd hebben die 26 Megawatt (MW) kan opwekken. Dit gevaarte is maar liefst 340 meter hoog, de diameter van de bladen is 310 meter. Ter vergelijking: de Eiffeltoren is slechts 312 meter hoog.
Deze kolos is de grootste windturbine ter wereld. En het maakt deel uit van een wapenwedloop tussen windturbine fabrikanten om steeds grotere turbines te bouwen. In Europa wil Siemens dit jaar bijvoorbeeld een prototype neerzetten van 21,5 MW en een rotordiameter van 276 meter.
“Een grotere windturbine is kosten-efficiënter”, verklaart Jan Willem Wagenaar, Program Manager Wind Energy bij het TNO. “Bij een grotere turbine heb je maar één paal nodig, terwijl je er meer energie uithaalt. Het is echter niet vanzelfsprekend dat zoiets gebeurt. Wanneer je opschaalt neemt het elektrische vermogen kwadratisch toe, omdat de bladen meer wind vangen. Maar het volume van de turbine, en daarmee ook de kosten, neemt tot de derde macht toe. We slagen er toch in om dat efficiënter te maken dankzij heel wat innovaties.”
Die innovaties gaan van het ontwerp van de bladen en hoe we de turbines in elkaar zetten, tot de materialen die we gebruiken. “In alle aspecten van windturbines vond er innovatie plaats”, stelt Peter Eecen, Senior Business Developer Wind Energy bij het TNO. “Dat is ook nodig om turbines van deze grootte efficiënt te houden.”
Nieuwe bladen
Eén van de belangrijkste gebieden waarin innovatie plaatsvindt, zijn de bladen van de rotoren. Door die groter te maken kan zo’n turbine namelijk meer energie opwekken. Het Nederlandse bedrijf We4Ce is daar een belangrijke expert in. Arnold Timmer, mede-eigenaar en managing director van We4Ce zag over een periode van dertig jaar het ontwerp, de productie en de materialen veranderen.
“In de jaren ’80 en ’90 bouwden we alle bladen nog met handlaminaat”, vertelt Timmer. “Alles werd met de hand gerold. Sindsdien veranderde de ontwikkeling van het blad enorm. Vandaag gebruiken we glasvezels die met hars zijn verbonden. We bouwen die bladen door de hars via een vacuüm-infusieproces door de glasweefsels te trekken.”
Dat soort innovaties maakt dat bladen vandaag veel sterker zijn, en dus groter kunnen worden. Tegelijk werd het ook goedkoper om ze te bouwen. Dat laatste is een cruciaal element, want windturbines moeten zo goedkoop mogelijke energie leveren om te concurreren met fossiele brandstoffen.
“In 1996 dachten we dat we nooit verder zouden gaan dan bladen van dertig meter”, blikt Timmer terug. “Nu maken we al bladen van 147 meter uit één stuk. Dat doen we via steeds meer kennis en ontwikkeling. We onderzoeken in detail aan welke krachten de bladen onderworpen worden. We kunnen zo ons ontwerp fijnstellen, en lichter maken. Dat stopt trouwens niet. Waar we vandaag nog glasvezel gebruiken, kijken we al naar materialen als koolstofvezel. We staan nooit stil in deze sector.”
In 1996 dachten we dat we nooit verder zouden gaan dan bladen van dertig meter. Nu maken we al bladen van 147 meter uit één stuk.”
Volgens Timmer zullen we in de toekomst bijvoorbeeld mogelijk de bladen in twee delen. “Een bladtip gaat met een snelheid van 360 kilometer per uur rond. Dat zorgt voor meer erosie dan in de andere delen van het blad. Als je die tip er echter kan afhalen, en vervangen, dan zouden we groter kunnen bouwen. Daarnaast zou je ook grotere bladen makkelijker kunnen monteren. Dat vormt vandaag een uitdaging, want die steeds grotere bladen moeten in één stuk vervoerd worden.”
Trillingen en schommels
Ook software speelt een belangrijke rol in het steeds groter maken van windturbines. Hoe groter de turbine, hoe sterker de krachten die erop inwerken. Daardoor stijgt het risico op schade. Daarom maakt Sebastiaan Mulders, assistant professor aan de TU Delft, speciale algoritmen die de effecten van zulke krachten verminderen.
“Regelalgoritmes worden steeds complexer”, vertelt Mulders. “Naarmate de structuren groter worden, worden ze ook flexibeler. Dat brengt heel wat uitdagingen met zich mee. De lage en minder goed gedempte zijwaartse resonantiefrequentie van de toren kan door de rotatie van de bladen extreme trillingen veroorzaken. Hetzelfde geldt voor de trillingen van de bladen zelf.”
De toren wordt zo door de turbine bij elke rotatie onder druk gezet. Dat kan voor trillingen zorgen die, mogelijk door resonantie, de structuur schade toebrengen. “Resonantie kun je vergelijken met een schommel”, legt Mulders uit. “Als die naar voren en achteren beweegt, dan heeft dat een bepaalde frequentie. Als ik op exact die frequentie een duw geef, wanneer de schommel zich op het hoogste punt bevindt, dan zal die steeds hoger en hoger gaan, totdat de schommel overkop gaat.”
De algoritmen van Mulders detecteren en voorspellen dit soort trillingen en passen de werking van de turbine dynamisch aan. Zo zal die de bladen misschien iets trager doen draaien, zodat die niet de trillingen van de toren aanmoedigen. Tegelijk produceren ze nog steeds zoveel mogelijk energie.
Chinese concurrentie
De vraag is nu of er een limiet zit op deze innovatie. Kunnen we turbines steeds groter blijven maken? “Ik denk niet dat er onmiddellijk grote obstakels zijn”, vertelt Wagenaar. “Ik weet nog toen een 5 MW turbine werd geïntroduceerd. Er waren veel personen die dachten dat zoiets niet mogelijk was. Daarna dachten mensen dat 10 MW de limiet zou zijn. Dat plafond hebben we echter ook doorbroken. We gaan nu naar 20 of zelfs 30 MW. Dat zal weliswaar niet automatisch gebeuren. Maar ik zie niet in waarom het niet zou lukken.”
“Volgens mij zijn er twee belangrijke obstakels voor de steeds grotere turbines”, voegt Timmer toe. “Enerzijds moeten we afval verminderen. Rotorbladen zijn vandaag nog niet te recycleren, wat lastig is. Je kan ze bijvoorbeeld verhakselen en in beton verwerken. Maar we kunnen de materialen nog niet hergebruiken. Tegelijk moeten we leren de levensduur van de turbines te verlengen. Daarom kijken we nu bijvoorbeeld naar het vervangen van de rotortip.”
Een belangrijke druk voor grotere turbines komt vandaag uit China. Chinese windbedrijven brengen zo steeds grotere gevaartes uit, en dwingen Europese bedrijven om mee te gaan. “Ik ben er ietwat sceptisch over”, stelt Eecen. “De Chinese turbines worden natuurlijk erg groot, maar ze moeten wel twintig jaar meegaan. Ze moeten dus ook robuust zijn. We weten niet of de Chinese turbines dat echt zijn. Vaak hanteren ze een andere filosofie dan de Europese bedrijven, ze doen eerst en leren ervan. In Europa proberen we daarentegen alles goed uit te denken en te testen voordat we bouwen.”
Toch ondervinden Europese bedrijven een scherpe concurrentie uit het Oosten, en de vraag is of ze kunnen blijven meegaan. “China is een geduchte concurrent”, erkent Eecen. “We mogen daar niet blind voor zijn. Nu al zie je windparken die met Chinese turbines gebouwd worden. Of we dat willen laten gebeuren is ook een politieke keuze. Willen we dat de Chinezen een bijdrage leveren aan zo’n kritieke infrastructuur?”
China is een geduchte concurrent. We mogen daar niet blind voor zijn. Nu al zie je windparken die met Chinese turbines gebouwd worden.”
Adempauze
De vraag rijst daarnaast of we zo’n grotere turbines wel willen. Vandaag bevinden fabrikanten zich in een hevige concurrentiestrijd om steeds grotere modellen te leveren. Dat betekent dat ze hun bestaande modellen maar weinig kunnen optimaliseren, en dat er steeds nieuwe concepten moeten uitgewerkt worden. Sommige stemmen vragen daarom een adempauze.
“Er wordt weleens gesproken over een maximale grootte voor de turbine”, vertelt Eecen. “Tot nog toe is opschalen altijd kostenefficiënt geweest, maar de vraag is of dat ook zo blijft bij nog grotere turbines. Het instellen van een limiet zou ervoor kunnen zorgen dat we de kosten verlagen vanuit een ander oogpunt. Vandaag staan we namelijk heel ver weg van massaproductie, omdat er constant nieuwe, grotere, modellen uitkomen. Zo’n pauze zou ervoor kunnen zorgen dat we de productie veel efficiënter maken, en zo de kosten drukken.”
Ondertussen blijven de turbines echter in grootte toenemen. “In de komende jaren zullen we turbines zien van 20 MW en hoger”, vertelt Mulders. “Voorlopig zetten we de groei dus voort.”
Maar om dat mogelijk te maken, moet de technologie mee evolueren. Onderzoekers zoals Mulders mogen dus niet stil blijven staan. “Om vooruitgang te boeken is nieuwe technologie op allerlei vlakken nodig”, besluit hij. “We hebben betere regelalgoritmen nodig, betere materialen, betere aerodynamica en ga zo maar door. Het is een kwestie van alles tegelijk vernieuwen.”
