Wat bepaalt de efficiëntie van een windturbine en hoe kan deze worden geoptimaliseerd?

De theoretische limiet voor de efficiëntie van een windturbine wordt gegeven door de Betz-limiet Cp (=16/27), die de maximale efficiëntie van de energieomzetting uit wind beschrijft. In de praktijk wordt deze efficiëntie echter beperkt door verschillende factoren, die verder gaan dan de ideale voorwaarden. Twee van de belangrijkste factoren die de prestaties van een windturbine beïnvloeden, zijn de snelheid waarmee een wiek de aankomende wind onderschept en de turbulentie van de wind. Een wiek kan de energie van een gestroomlijnde luchtstroom (oftewel ongestoorde, incidentele wind) efficiënter omzetten dan van turbulente wind.

De TSR (tip-speed ratio), aangeduid met λ, is de verhouding van de tangentiële snelheid van de wiekpunt tot de snelheid van de incidentele wind. Dit geeft aan hoe snel de wiek zich beweegt ten opzichte van de snelheid van de wind. Deze verhouding hangt af van het aantal wieken in de rotor en is gerelateerd aan de maximale waarde van de vermogenscoëfficiënt (Cpmax) voor de turbine. Een rotor met slechts één wiek kan niet alle wind die door het geveegde gebied beweegt op elk moment onderscheppen. Daarom zijn meer wieken nodig om de algehele efficiëntie van de turbine te verbeteren.

Er zijn enkele belangrijke observaties te maken over de TSR:

• Als de wiek te langzaam beweegt ten opzichte van de windsnelheid (d.w.z. de TSR is te klein), dan stroomt een groot deel van de wind door het gebied zonder onderschept te worden, waardoor de waarde van Cp voor de rotor laag is.

• Als de wiek te snel beweegt, komt hij in de turbulentie die door de vorige wiek is achtergelaten, wat leidt tot een verlies van efficiëntie in de energieopbrengst. Dit vermindert wederom de waarde van Cp.

Het is opvallend dat naarmate het aantal wieken in de rotor toeneemt, de snelheid van de punt van de wiek afneemt. Dit betekent dat rotors met meer wieken langzamer bewegen. In de praktijk blijken de hoogste waarden van de vermogenscoëfficiënt plaats te vinden bij een TSR-waarde dicht bij 6. Bovendien ontwikkelen rotors met een groter aantal wieken een groter koppel in de as, wat ze beter geschikt maakt voor toepassingen zoals tillen en pompen.

Naast de efficiëntie die wordt bepaald door de turbine zelf, speelt ook de windsnelheid en de kwaliteit van de wind een cruciale rol in de energieproductie. De snelheid van de wind neemt meestal toe met de hoogte. Daarom worden torens van 60 tot 90 meter of hoger gebruikt om de energieopbrengst te maximaliseren. De snelheid van de wind wordt echter beïnvloed door het terrein waarover de wind beweegt. Gebieden met ruw terrein zorgen ervoor dat de windstroming verandert van gestroomlijnd naar turbulent. Dit heeft invloed op de prestaties van de turbine.

De kwaliteit van de wind is sterk afhankelijk van de ruwheid van het terrein, wat wordt uitgedrukt in de ruwe lengteschaal. Vlakke oppervlakken hebben kleine ruwe lengteschalen, terwijl grote steden met hoge gebouwen een grotere lengte hebben. Daarom is het essentieel dat voor een effectieve energieopwekking door een turbine, de omgeving vrij is van obstakels die de luchtstroom verstoren.

Bovendien kan de snelheid van de wind worden voorspeld met behulp van empirische wetten zoals de logaritmische en de machtswet, die de variatie van de windsnelheid met hoogte beschrijven. Voor een optimaal rendement is het noodzakelijk dat uitgebreide windmetingen over een langere periode (minimaal een jaar) worden uitgevoerd op de beoogde locatie van de windturbine, voordat er een investering in het project wordt gedaan.

Om de prestaties van de windturbine te maximaliseren, moeten verschillende factoren in overweging worden genomen:

• De windsnelheid op de hoogte van de as moet groot zijn, wat betekent dat de toren zelf zo hoog mogelijk moet zijn.

• De lengte van de wieken moet groot zijn, aangezien de opgebrachte energie afhankelijk is van het geveegde gebied, dat op zijn beurt afhankelijk is van het kwadraat van de lengte van de wieken.

• Het terrein moet zo min mogelijk obstakels bevatten om turbulentie te voorkomen, oftewel er moet een goede "windfetch" zijn.

• Er moet voldoende windmonitoring plaatsvinden op de geplande locatie van de windturbine voordat besluiten over installatie worden genomen.

De power curve van een windturbine geeft de prestaties van de turbine weer in relatie tot de snelheid van de wind. Elke turbine heeft een zogenaamde cut-in snelheid (meestal rond de 3,5 m/s) waaronder geen bruikbare energie wordt geproduceerd, en een cut-out snelheid (meestal rond de 30 m/s), waarbij de efficiëntie van de turbine sterk afneemt. De power curve beschrijft hoe de vermogensoutput verandert naarmate de windsnelheid toeneemt en is dus essentieel voor het begrijpen van de prestaties van een turbine.

Hoe Hernieuwbare Energie de Energiearmoede kan Verminderen

De handel in fossiele brandstoffen heeft een lange geschiedenis en heeft de nodige infrastructuur, kennis en ervaring opgebouwd die essentieel zijn voor de vestiging van fossiele brandstoffen in de wereldwijde energiemarkt. Deze handel wordt vergemakkelijkt door organisaties zoals OPEC en OPEC+, die de bevoorrading en prijs van fossiele brandstoffen in hun voordeel kunnen beheersen. Fossiele brandstoffen profiteren verder van belastingvoordelen en subsidies die door nationale overheden aan bedrijven worden verleend. Terwijl hernieuwbare energie (RE) nog maar een relatief nieuwe speler is op de wereldwijde energiemarkt, heeft deze het moeilijk gehad om te concurreren met fossiele brandstoffen. Dit kwam doordat de fossiele brandstofsector sterk werd bevoordeeld, zowel door financiële stimulansen als door bestaande infrastructuur en marktmacht. Het begin van de 21e eeuw bracht echter nieuwe drijfveren voor verandering met zich mee, zoals de VN Duurzame Ontwikkelingsdoelen (SDG's) en de oprichting van het Klimaatverdrag van de Verenigde Naties (UNFCCC). Deze veranderingen markeerden het begin van een verschuiving in de mondiale energieverhoudingen.

Tot het einde van de 20e eeuw werd hernieuwbare energie geconfronteerd met onterecht sterke concurrentie van fossiele brandstoffen. Dit kwam door de voordelen die fossiele brandstof-exporterende landen hadden, die belastingvoordelen en subsidies ontvingen van hun regeringen. Dit gebeurde allemaal binnen een systeem dat fossiele brandstoffen in een bevoorrechte positie plaatste. Met de recente mondiale verschuivingen, zoals de SDG’s en klimaatactie via de UNFCCC, begint de situatie te veranderen. Hernieuwbare energie, hoewel een relatief nieuwe speler op het wereldtoneel, heeft een groeiend aandeel in de wereldwijde energiemix en heeft het potentieel om de toekomstige energietoevoer te hervormen.

In 2014 leefden wereldwijd 1,2 miljard mensen zonder toegang tot elektriciteit, wat 16% van de wereldbevolking uitmaakte. Dit percentage was bijzonder hoog in de armste delen van de wereld, zoals sub-Sahara Afrika, waar 60% van de bevolking geen toegang had tot elektriciteit. Tegelijkertijd hadden 2,7 miljard mensen geen toegang tot schone kookfaciliteiten, wat hen afhankelijk maakte van traditionele biomassa. De gevolgen van deze situatie zijn niet alleen economische, maar ook sociale en gezondheidsgerelateerd. In 2022 was er echter sprake van vooruitgang: het aantal mensen zonder toegang tot elektriciteit was gedaald tot 774 miljoen (9,6% van de wereldbevolking). De Sub-Saharaanse landen zagen een daling naar 600 miljoen mensen zonder toegang.

Deze statistieken tonen aan dat er verbetering is, maar er is nog steeds veel werk te doen. Hernieuwbare energie biedt een belangrijke oplossing voor deze problematiek. Elektriciteit en schonere kooktechnologieën kunnen de kwaliteit van leven aanzienlijk verbeteren. De VN Duurzame Ontwikkelingsdoelen (SDG’s) en de klimaatactie via het Klimaatverdrag van de VN benadrukken de dringende behoefte aan toegang tot betaalbare, betrouwbare, duurzame en moderne energie voor iedereen, wat de uitdaging van energiearmoede direct aanpakt.

Toch speelt cultuur een belangrijke rol in het energieverbruik van huishoudens. In veel gebieden hangt de keuze voor een energiebron niet alleen af van de economische situatie, maar ook van culturele voorkeuren. Zelfs wanneer de inkomens van huishoudens stijgen, kan de overgang naar schonere energiebronnen vertraagd worden door diepgewortelde gewoonten en de beschikbaarheid van alternatieven. Dit benadrukt dat energiearmoede een complex vraagstuk is dat niet alleen door economische groei kan worden opgelost, maar dat ook culturele en sociale factoren een rol spelen in de acceptatie van hernieuwbare energieoplossingen.

De verandering in de energiemix van fossiele brandstoffen naar hernieuwbare energie is een langzaam proces, maar de verschuiving naar schonere, duurzamere energiebronnen is noodzakelijk voor het verbeteren van de levensomstandigheden van de armste bevolkingsgroepen wereldwijd. Het succes van deze overgang zal afhangen van de voortdurende samenwerking tussen overheden, internationale organisaties en bedrijven, evenals de bereidheid om culturele en sociale obstakels te overwinnen.