Hoe een windturbine met een gat windenergie goedkoper kan maken

Inmiddels zijn we bekend met windturbines: hoge, witte, stevige constructies die deel uitmaken van het landschap, zowel op het land als op zee. Een Nederlandse startup heeft er een gebouwd met een gat in het midden en beweert dat dit windenergie goedkoper maakt.

Het concept is bedacht door een groep ingenieurs van de Technische Universiteit Delft, die een turbine voor ogen hadden waarbij de bladen aan een ring zijn bevestigd in plaats van aan een omvangrijke naaf. Na een turbulente start heeft een nieuwe eigenaar Mega Windforce in 2020 opnieuw gelanceerd.

Het bedrijf haalt momenteel 1,5 miljoen euro op via een crowdfundingronde om zijn windturbineconcept in productie te brengen: een 12 tot 30 meter hoge toren met een rotordiameter van 10 meter, die 20 kW aan elektriciteit kan leveren. Vorig jaar bouwde het bedrijf een proof of concept met een rotor van twee meter diameter, waarmee werd aangetoond dat de technologie werkt.

‘We hebben er gewoon een gat in gemaakt’

Bij conventionele windturbines zijn de bladen bevestigd aan een naaf, en bevindt de generator zich in de gondel, de capsule bovenop de toren. De WhisperRing van Mega Windforce is een ringconstructie met directe aandrijving, wat betekent dat de rotorbladen rechtstreeks aan de generator zijn gekoppeld; deze ringconstructie draagt de bladen en laat magneten in een grote cirkel ronddraaien.

“Zo simpel is het: we hebben er een gat in gemaakt. Dat voorkomt de turbulentie en de belasting op de toren die gepaard gaan met een grote, massieve gondel die veel wind tegenhoudt”, zegt Reinoud Blom, COO van het bedrijf.

Een gepatenteerde magnetische overbrenging brengt het koppel over naar een externe generator, een schijf bovenop de ring. "De grote draaiende ring drijft een kleine as aan, en omdat de ring zoveel groter is, zorgt zelfs een langzame rotatie van de ring ervoor dat de as zeer snel draait. Die snelle rotatie is precies wat een generator nodig heeft", legt Blom uit.

Het bedrijf zegt dat dit het onderhoud vergemakkelijkt, het gebruik van standaardgeneratoren mogelijk maakt en slijtage en energieverlies vermindert, omdat er geen wrijving is bij de magnetische overbrenging.

Links een close-up van het ontwerp van de ring en rechts een inzoom op de generator – © Mega Windforce

Een ontwerp dat helpt de elektriciteitsproductie te maximaliseren

Het idee om een gat in de kern van de turbine te maken, lijkt misschien contra-intuïtief. Toch is het midden van de rotor het minst productieve deel. Omgekeerd zijn de uiteinden van de bladen het meest productieve deel van de turbine, omdat ze het snelst bewegen, waardoor de turbine wind efficiënter in elektriciteit kan omzetten.

Mega Windforce maakt gebruik van deze kennis om onder dezelfde windomstandigheden meer energie op te wekken. De ring is, net als een vliegtuigvleugel, zo ontworpen dat een deel van de wind die door het midden stroomt naar de uiteinden wordt geduwd, waardoor de potentiële energie die door het gat verloren gaat, wordt gecompenseerd.

"Daardoor is de vermogenscoëfficiënt – het deel van de windenergie dat de rotor omzet in elektriciteit – zelfs hoger dan bij vergelijkbare turbines met hetzelfde veegoppervlak", zegt Blom.

Bovendien zijn de ring en de vakwerktoren gemaakt van CFRP, een koolstofvezelcomposiet dat vijf keer lichter is dan staal, terwijl de kosten vergelijkbaar zijn. Hierdoor is de turbine eenvoudiger te installeren.

Goedkoper zonder groter te worden

Voor de WR20kW schat het bedrijf de genivelleerde energiekosten (LCOE) op ongeveer € 110 per megawattuur op een referentielocatie nabij de luchthaven Schiphol. LCOE is een maatstaf die wordt gebruikt om de gemiddelde netto contante kosten van elektriciteitsopwekking over de levensduur van een installatie te beoordelen en te vergelijken. Volgens de berekeningen van het bedrijf liggen de kosten voor vergelijkbare kleine turbines in Nederland boven de € 200.

Op termijn is de startup van plan twee grotere modellen te introduceren: een turbine van 500 kW in 2029 en een van meer dan 3 MW in 2031. De eerste zou geschikt zijn voor energiehubs en windparken op het land, terwijl de tweede geschikt zou zijn voor grootschalige windparken op het land en op zee.

Mega Windforce verwacht dat het volgende 500-kW-model uitkomt op € 35 tot € 40 per megawattuur. Uit studies van het Amerikaanse National Renewable Energy Laboratory blijkt dat recente onshoreprojecten uitkomen op € 50 tot € 70, uitgaande van een referentieturbine met een diameter van 130 meter. "Je hebt geen enorme turbines nodig om lage energiekosten te realiseren", zegt Blom.

Geschikt voor afgelegen locaties

Dit model van 20 kW is bedoeld voor boerderijen, bedrijventerreinen en locaties die niet op het elektriciteitsnet zijn aangesloten. De eerste afzetmarkten zijn Griekenland en Schotland. Op veel Griekse eilanden wordt elektriciteit voornamelijk opgewekt met dieselgeneratoren. Een windturbine helpt brandstof te besparen. De hoge energieprijzen op de Schotse markt en het zwakke elektriciteitsnet in afgelegen gebieden maken de turbine van Mega Windforce tot een geschikte oplossing, zeker gezien de overvloed aan wind. Voor deze markten is het bedrijf van plan een LCOE van € 70-90/MWh aan te bieden.

Naast de crowdfunding - op het moment van schrijven is er al meer dan € 1,2 miljoen opgehaald - gaat Mega Windforce door met het sluiten van deals. Vorige week tekende de startup een overeenkomst met de Turkse fabrikant Gimas en het Duitse bedrijf BaltiCo om de ontwikkeling van een CFRP-productiefabriek te onderzoeken.

Blom doet niet alsof het een uitgemaakte zaak is. "Het risico is groot", zegt hij. Toch wijst hij erop dat de turbine grotendeels beproefde technologieën combineert, "wat veel beter is dan innovatie plus innovatie plus innovatie." De echte test volgt in de komende maanden, wanneer het prototype van tien meter klaar is.