Windenergie thuis nagenoeg onrendabel!

Je hebt zonnepanelen op jouw dak liggen, maar die leveren ‘s avonds, ‘s nachts en in de winter niet zo heel veel op. Nu vroeg ik mijzelf af of je dit gemis kunt compenseren door wind-energie in te zetten. Vattenfall, de grote energieleverancier, zegt over windenergie voor huishoudens het volgende: “Een kleine windmolen voor particulieren heb je al voor onder de € 1000. Zo’n klein model levert een vermogen van ongeveer 0,5 kW. Deze wekt alleen bij lange na niet genoeg stroom op voor een heel huishouden. Door het kleinere formaat zijn ze niet krachtig genoeg om veel windenergie op te wekken. Grotere modellen hebben een hoger vermogen van rond de 6 kW. Maar die kunnen tot wel tienduizenden euro’s kosten.Kleine windmolens hebben een gemiddelde levensduur van 20 jaar. In de praktijk duurt het terugverdienen van de investering langer dan die 20 jaar. Ook als zo’n windmolen de maximale hoeveelheid stroom levert. Daar komen ook nog de kosten bij voor de vergunning, een eventueel bouwtechnisch onderzoek, installatie en aansluiting op het stroomnet. Kortom, een kleine windturbine is voor veel huishoudens op het moment nog niet winstgevend.” Maar ja, Vattenfall is wel belanghebbende; zij willen immers ‘hun’ groene stroomleveranties beschermen en dus heb ik zelf een klein onderzoekje uitgevoerd. Voor allen die zelf er aan zitten te denken om ook duurzame energie op te wekken, anders dan via zonnepanelen, wil ik jullie dit niet onthouden.

Zonder ingrepen in de groepenkast is het makkelijkst maar kan niet altijd

De groepenkast (ook wel installatiekast genoemd) is het hart van de elektrische installatie in gebouwen. De benaming wordt vooral gebruikt voor de verdelers in woningen en gebouwen met een klein zakelijke toepassing. Bij grotere gebouwen wordt vaak gesproken over verdeelsystemen. De kast verdeelt de energie over het pand. De kast is opgebouwd uit onderdelen zoals een hoofdschakelaar, een of meer aardlekschakelaars, installatieautomaten en/of aardlekautomaten. Om risico’s zo veel mogelijk uit te sluiten en bij calamiteiten snel in te kunnen grijpen gelden er regels voor de meterkast en de groepenkast. Ze zijn met name vastgelegd in de NEN 2768 (voor meterkasten), de NEN 1010 (de norm voor het aanleggen van veilige laagspanningsinstallaties) en de productnorm NEN-EN-IEC 61439-3 voor groepenkasten. Groepenkasten en onderdelen daarvan moeten zijn voorzien van een CE-markering. Deze geeft aan dat het product voldoet aan de geldende regels binnen de Europese regelgeving. En net als bij andere normen geldt dat de kast moet voldoen aan de eisen die golden op het moment dat de installatie werd aangelegd of aangepast.

Wil je de windenergie die jij opwekt overal in huis kunnen gebruiken, dan zul je die op jouw net moeten aansluiten en volgens NEN 1010 zoals die vanaf 2015 op dit punt is gewijzigd moet dat dan op een vrije groep (zie verderop). Heb je die niet, dan zul je die bij moeten (laten) maken (kosten circa € 300,-). Omdat er enige tijd geleden in mijn groepenkast een extra aardlekautomaat bij geplaatst moest worden voor onze inductiekookplaat in de keuken (we gaan langzaam ‘van het gas af’) heb ik er nog twee extra groepen bij geplaatst; dat kon en mocht omdat op elke aardlekautomaat 4 groepen mogen worden aangesloten.

Maar wat als je géén vrije groep meer hebt? In de NEN1010 van vóór 2015 stond dat je maximaal 600 Watt aan vermogen mocht toevoegen aan een bestaande groep ¹⁾ en die 600 W mocht van een fotovoltaïsche installatie afkomen en daarmee vergelijkend dus ook van een windturbine. Is jouw groepenkast van vóór 2015, dan levert dat géén probleem op en blijf je aan de regelgeving voldoen. En als je het al lukt om 300 Watt continue, dag in dag uit aan het net terug te leveren (want het waait toch wel elke dag) dan zou dat op jaarbasis ruim 2500 kWh zijn; voor windenergie is die 600 Watt maximaal niet echt een beperking.

De noodzaak van een Grid-Tie-inverter

Een windmolen produceert wisselstroom (AC) met een frequentie gelijk aan het toerental van de wieken. Dit wordt eerst omgezet in gelijkstroom (DC). Daar wordt met een omvormer weer AC van gemaakt met een vaste frequentie, 50Hz in Europa. Let erop dat de spanning, 12, 24 of 48V, van de omvormer en generator overeenkomt. Om veevuldig aan/uit schakelen van de Grid-Tie-Inverter te voorkomen zal er sprake moeten zijn van een zekere overcapaciteit van de windmolen ten opzichte van de Inverter, zodat er een zekere buffering kan plaatsvinden. Daarom zal de windmolen een minimale capaciteit van 1500 Watt moeten hebben, zodat bij een windkracht 5 ongeveer 50 Watt wordt opgewekt (in stroomsterkte 250 mA)
Verder is een dumpload nodig die de windmolen en omvormer beschermt tegen overbelasting. Er zijn verschillende versies en soms zitten ze ook in de omvormer zelf. Zo’n dumpload bestaat uit een aantal weerstanden die warmte opnemen om te voorkomen dat andere componenten overbelast raken. Als er geen grid is, moet de molen zijn energie immers ergens kwijt. Hetzelfde geldt als het te hard waait. De molen wordt dan geremd door overtollige energie door de dumpload te laten gaan. De dumpload kan hierdoor erg warm worden. Een ander gevaar is dat de molen tijdens een storm te veel energie wil terugleveren en op hol slaat als dat niet kan. Bij een windvlaag kan de hoeveelheid opgewekte energie hoger zijn dan de specificaties en als de omvormer hier niet op berekend is, kan hij defect raken. Dat klinkt onschuldig, maar het kan gevaarlijk zijn: oververhitting, knallende condensatoren, smeltende soldeertin en in het ergste geval brand. Als de rotatiekrachten te hoog worden, kunnen de wieken afbreken en als projectiel gelanceerd worden. Als de rotorbladen regelbaar zijn kan dit worden voorkomen – het vermogen blijft dan min of meer constant, ongeacht de windsnelheid.

Als omvormer zou deze dienst kunnen doen, een Grid-Tie-Inverter, die heb je voor € 418,- thuis vanuit Polen: de omvormer kan worden aangesloten op elke wandcontactdoos van het elektriciteitsnet in huis. Hij is weliswaar 1000 Watt en zou dus voor een 2000 Watt windmolen te klein zijn, maar de meeste windmolens met dat vermogen leveren eerst bij windsnelheden boven de 12 m/s een vermogen groter dan 100 Watt, dus in 95% van de tijd voldoet deze; als we kijken naar de dagen van de afgelopen 3 jaar dan zien we dat op 5 dagen het opgewekt vermogen van een 2000 Watt windturbine die 1000 Watt bij mij in de straat overschreed met maximaal 200 Watt en daar zal de omvormer toch niet echt van schrikken. Mocht de molen meer opwekken dan wordt het meerdere via de dump-load in warmte afgevoerd. De kleine net-inverter bewaakt het voltage, frequentie en fase van het huis elektriciteitsnet, produceert een zuivere sinus wisselspanning en zorgt er voor dat de frequentie en fase zijn dezelfde als op het net. Zodra de windturbine stroom levert binnen het bereik van de net-inverter, wordt er 230V geproduceert die je kunt gebruiken of die aan het net terugvloeit. We zullen verderop zien dat het terugleveren aan het net nagenoeg niet zal voor komen: de windmolen in jouw achtertuin in de bebouwde omgeving levert daarvoor te weinig op. Het vermogen zal zelden uitstijgen boven het gewone verbruik op dat moment, zodat jouw apparaten dan door de wind worden gevoed en er niets over blijft om aan het net terug te leveren. Misschien ‘s nachts, wanneer mijn koelkast, diepvries, waterpomp van de CV, oplader van de iPhones, wekkerradio e.d. niet meer dat 50 Watt verbruiken.

Theorie rondom het vermogen van een windturbine

In deze tijd van klimaatverandering en opwarming van de aarde wordt hoe langer hoe meer geïnvesteerd in besparing van energieverbruik en in nieuwe soorten van opwekking van duurzame energie. Op die markt komen veel cowboys voor die het snelle geld-verdienen als mogelijkheid zien. Zo ook de bedenker van Kubie, een apparaatje dat je in jouw meterkast hangt en die tot een besparing zou moeten leiden van 8-20% van jouw verbruik; de Kubie kost € 549,- voor een 1-fase aansluiting. Wat de Kubie doet is jouw netspanning verlagen, waardoor jouw verbruik zou moeten afnemen en er meer geld in jouw portemonnee blijft zitten. Nou, de enige wiens portemonnee daar bij gebaat is, is die van de bedenker van Kubie. Door verlaging van de spanning neemt inderdaad het vermogen van jouw apparaten af, maar helaas dan ook de prestaties: de wasmachine moet langer draaien om de was schoon te krijgen, de kookplaat doet er langer over om jouw piepers gaar te krijgen, de stofzuiger doet minder goed zijn werk waardoor je langer stof moet zuigen etc. etc. etc. Bij Kubie hebben ze in ieder geval nog nooit gehoord van de Wet van behoud van energie. Waarom dit voorbeeld? Op het gebied van windenergie zie je de laatste tijd hoe langer hoe meer artikelen in tijdschriften over windmolens waarin types worden beschreven die hogere rendementen zouden behalen dan conventionele types; op basis daarvan hebben nieuwe windmolens/turbines het licht gezien en worden consumenten (en zelfs milieuclubs en gemeentebesturen) op het verkeerde been gezet. Veel van die ontwerpen doen mij dan denken aan de Kubie, vandaar.

Tijd dus voor een theoretische benadering van windenergie. Windenergie is een vorm van kinetische energie, de energie die in de beweging zelf zit; in lucht zit bijvoorbeeld ook nog warmte als vorm van energie maar dan heb je een andere winningsvorm nodig (een warmtewisselaar bijvoorbeeld). De vraag is dan hoeveel energie kan een apparaat (ik noem dat apparaat hier voortaan turbine, maar het kan elke andere vorm hebben, zoals een windmolen, wokkel etc.) maximaal uit de bewegende lucht halen. Stel een schijf lucht met oppervlak O gelijk aan de omvang van de turbine en breedte b gaat door onze turbine met een snelheid v. De kinetische energie van deze schijf is volgens de natuurkundewet gelijk aan: E_k=½m.v² waarin m de massa is van de schijf lucht en v de snelheid daarvan. De massa van de schijf is m=φ^.b^.O, waarbij φ de soortelijke massa is van lucht. De hoeveelheid energie van die schijf lucht wordt dan E_k=½φ^.b^.O^.v²

Het luchtpakketje heeft een snelheid v en legt de afstand b af in een tijd van t = b/v. Aangezien het vermogen gelijk is aan de hoeveelheid energie per seconde, krijgen we het vermogen P door de energie te delen door de tijd en dat levert de volgende formule op: P=E/t=(½φ^.b^.O^.v²)/(b/v)=½φ^.O^.v³ Omdat de soortelijke massa van lucht (bij een luchtdruk van 1000 hPa) gelijk is aan 1,225 kg/m³ wordt dan het vermogen

P=0,613^.O^.v³

Als de turbine alle energie uit dat pakketje lucht zou halen, dan wordt de pakket lucht volledig afgeremd tot een snelheid 0. Helaas stopt dan ook de turbine onmiddellijk, omdat er geen lucht meer door de turbine kan: de turbine raakt verstopt. De Duitse natuurkundige Albert Betz (1885-1968) heeft onderzoek gedaan naar de vraag hoeveel energie er maximaal uit stromende lucht kan worden onttrokken. Deze is volgens de Wet van Betz maximaal 59,3% (dus een factor 0,593). Deze 59,3% is het maximale rendement die een turbine kan halen. De prestatiecoëfficient C_p voor een turbine is naast de Limiet van Betz, ook nog afhankelijk van het rendement van de turbine zelf T_g (tegenwoordig tussen de 70 en 90%) en het rendement van de generator N_g waarmee de elektriciteit wordt opgewekt (tegenwoordig tussen 95-98%): C_p=0,593^.T_g^.N_g. We maken de formule nu compleet met deze prestatiecoëfficient C_p en dan krijgen we

P=0,613^.C_p^.O^.v³

In de praktijk blijkt dat het rendement van de turbine ook afhankelijk is van windsnelheid: hoe lager de windsnelheid is, hoe lager het rendement. Onder een bepaalde windsnelheid (de start windsnelheid, V_min) is die zelfs 0. En daarnaast zit er ook gewoon een mechanisch maximum aan de turbine zelf; ook al waait het harder, de turbine gaat niet sneller draaien en levert dan ook niet meer vermogen. Dit laatste wordt bij elke turbine aangegeven als Rated Wind Speed. En tenslotte: neemt de windsnelheid nog toe tot boven de Rated Wind Speed, dan zal de prestatiecoëfficient weer gaan afnemen. De grafiek hierboven is de prestatiecoëfficient van de S4-600 windmolen die we verderop nog uitgebreid zullen tegekomen; zijn startsnelheid is 1 m/s, zijn Rated Wind Speed is 11 m/s en zijn C_{p max}=0,48. Zie voor meer info deze pagina van de TUDelft

Conclusie: Laat je niet gek maken! Het maximale vermogen dat je uit een windturbine kunt halen is alleen afhankelijk van het door de windturbine bestreken oppervlakte en de windsnelheid. Uit een oppervlakte van 1,5 bij 1 meter kun je bij een windsnelheid van 11 m/s (windkracht 6) maximaal 725 Watt halen. De efficiency van jouw generator bepaalt hoeveel er werkelijk van die 725 Watt over blijft om te gebruiken. En om de vergelijking even compleet te maken: diezelfde turbine levert bij een windkrachtvan 3,7 m/s (de gemiddelde windsnelheid in Nederland op het platteland) maximaal 27 Watt; meer vermogen zit er simpelweg niet in die bewegende lucht!

De theorie in de praktijk

Voor de E-70 windmolen van Enercon (71 meter rotor, 2300 kW), bijgenaamd de Amstelvogel, is door de fabrikant de C_p proefondervindelijk vastgesteld en die varieert van 0,27 bij een windsnelheid van 3 m/s tot 0,50 bij 8 m/s ²⁾. Daarmee bedraagt de efficiëncy van de molen dan respectievelijk 45% en 84%. Maar het opgewekte vermogen is bij die lage windsnelheid van 3 m/s gemeten slechts 20 kW ( 0,86% van het maximale vermogen) en berekend 17,68 kW (0,613 x 0,27 x π (71/2)² x27). En dit geeft ook onmiddellijk het probleem aan: voor gebruik van windenergie rondom je huis of je camper ben je gebonden aan een plaats dicht bij de grond waar in de regel lage windsnelheden heersen. En ook al zou de prestatiecoëfficient gelijk zijn aan de Limiet van Betz van 0,593, dan nog zou het opgewekte vermogen van deze 2300 kW bij een windsnelheid van 3 m/s niet boven de 40 kW uitkomen (< 2% van het maximum). Tot slot over deze Amstelvogel: het vermogen zou op basis van de formule bij windkracht 6 (10 m/s) 1500 kW zijn en zijn maximale vermogen (2300 kW) wordt bereikt bij 14 m/s (windkracht 7) en hoger.
In België draait sinds december 2016 een kleine windmolen waarvan je de opbrengst op een openbare portal in real time kunt zien. Het gaat hier om een windmolen met wieken: de Enair 70. Hij heeft een vermogen van 5000W, heeft een diameter van 4,3m en is gemonteerd op 12m hoogte. De kosten waren 14.310 euro, vermoedelijk exclusief montage. In 2017 was de jaaropbrengst 3592kWh en in 2021 haalde hij de 1000 kWh niet eens meer; hij is kennelijk aan het eind van zijn latijn, gelet op de stelselmatig verder teruglopende opbrengsten.

Pas op voor reklamepraat!

Reklamejongens hebben de onbedwingbare neiging om de produkten mooier aan te prijzen dan ze werkelijk zijn. Als voorbeeld wil ik hier maar even de Black600 over het voetlicht brengen. Dit is een windmolentje met een rotor-diameter van 1,6 m en volgens de gegevens van de producent behaalt hij dat vermogen bij een winsnelheid van 9,36 m/s. Om dat te kunnen halen zou deze Black600 een Cp moeten hebben van 0,613. Dat is een onhaalbaar wereldrecord want boven de absolute limiet van Betz, maar ik denk dat de reklame-jongen ½φ uit de formule wel goed uit kwam want dat is precies 0,613; goed, laten we dat dan eens terugschroeven tot de hoogste categorie Cp voor een kleine windmolen (Cp=0,48) dan is dit de opbrengst van de Black600 in grafische vorm weergegeven uit een rapport van het Bau-amt in Duitsland (zeg maar het lokale Bouw- en Woningtoezicht).

Niet gehinderd door enige kennis gaat de reklamejongen verder: “Bij deze generator handelt het zich om een hoogwaardige van Neodym magneten voorziene drie fase wisselstroom generator, deze is als uitloper gerealiseerd, wat u vele voordelen bied. Zie onderstaande tabel”

En laat dit nu weer de tabel zijn van de kinetische Energie van lucht, waarbij die ½φ een rol speelt! Opzet? Ik denk het wel! Ik heb het al vaker geroepen: ik zou artikel 326 Wetboek van Strafrecht (oplichting) op reklame-uitingen van toepassing willen zien. Maar hij gaat nog verder: “De Wind generator draagt zijn benaming 600 uit het vermogen in Watt, welke hij bij 9,36 m/s bereiken zal.” Nou, wij weten wel beter en het Bau-Amt ook, want die schatten die 600 Watt in bij een windsnelheid van 10,5 m/s! Die 600 Watt bij 9,36 m/s is de kinetische energie die er in die bewegende lucht zit die deze Black 600 gelet op zijn gootte maximaal kan behandelen en niet de door de Black 600 opgewekte energie uit die lucht bij die windsnelheid; zoals je uit de grafiek kunt afleiden is het vermogen teruggelopen van 600 naar net géén 500 Watt. Jammer van die reklame-jongen, want op zich is het best wel een goed windmolentje!

Welke soort windmolen?

Windturbines kunnen in twee hoofdtypen worden gegroepeerd: windturbines met een horizontale (bijna altijd windmolens, de meest beproefde vorm) en windturbines met een verticale as. Woon je op het platteland of aan de kust, dan zou je het best kiezen voor een windturbine met een horizontale as. Als je in een dicht bebouwde omgeving woont, zou het verstandiger kunnen zijn om voor de windturbines met een verticale as te kiezen, te weten het Darrieus-type en het Savonius-type, ook wel de windwokkel genoemd; deze produceren minder geluid, maar werken ook bij tubulentie, iets wat tussen gebouwen altijd optreedt.

Dit is de raditionele windmolen en die heeft ook het hoogste rendement. Niet gek als je bedenkt dat volgens de theorie de windsnelheid in hoge mate bepalend is voor het maximaal vermogen. Juist vanwege het zoveel mogelijk opvangen van hoge windsnelheden zijn windmolens robuust en hoog met grote wieken, maken ze daardoor veel lawaai en veroorzaken ze slagschaduw; daardoor zijn ze niet geschikt voor plaatsing in woonwijken. Nu zijn er wel kleinere varianten, maar wil je enig vermogen hebben dan blijken ze toch weer niet zo klein te zijn en moet je wel een meter of 10 de lucht in. Kortom: alleen maar geschikt als je in het buitengebied woont.

Hoewel verticale turbines vrij energie-efficiënt kunnen zijn, kunnen ze nooit het rendement halen van traditionele windmolens. De opbrengst bij gelijke omvang is altijd lager. Een verticale windmolen heeft geen wieken en is aangewezen op zijn eigen geprojecteerde oppervlak, dat normaliter veel kleiner is dan dat van een molen met wieken. Doordat het oppervlak veel kleiner is, is de opbrengst ook veel lager. Een verticale turbine leidt er ook altijd toe dat één deel door de wind wordt aangedreven en een ander deel tegen de wind in terug moet. De netto wind-aandrijving wordt daardoor veel minder en ook dat beperkt het rendement. Daarnaast is het aerodynamisch rendement, doordat hij op weerstand werkt en niet op lift, op zijn beurt ook nog weer eens lager. Dat alles maakt dat zijn prestatiecoëfficient maximaal 0,40 kan zijn. Een voordeel is wel, dat hij veel minder lawaai maakt (ongeveer de helft van de traditionele windmolen)

Tot slot de stilste variant, een zogenaamde windwokkel (Savonius-type). Qua werking is de Savonius één van de simpelste windturbines. Zelfs in het Persische Rijk van Alexander de Grote (3e eeuw voor Christus) kenden ze dit soort windturbines al! De werking is gebaseerd op de lucht die een twee- of drietal schoepen in beweging brengt. Omdat de schoepen aan de rugkant bol zijn, ervaren ze op de tweede helft van de rotatie (tegen de wind in) minder luchtweerstand dan op de heenweg. Dit verschil levert een netto kracht op, die ervoor zorgt dat de Savonius draait en blijft draaien. De Savonius is daarmee een compacte, stille en robuuste windturbine, die ook onder extreme omstandigheden prima blijft functioneren. Omdat hij nauwelijks afhankelijk is van de windrichting, is een Savonius vooral geschikt voor plaatsen waar veel turbulente wind is. Denk bijvoorbeeld aan het dak van een hoog gebouw in de stad. Omdat de Savonius gebruik maakt van luchtweerstand en totaal niet van de liftkracht, is het uiteindelijke rendement vele malen lager dan andere turbines; zijn hoogste prestatiecoëfficient komt daarmee op 0,15. Daarnaast draait deze turbine relatief langzaam om zijn as, wat nadelig is voor elektriciteitsproductie. Het toevoegen van een set tandwielen zou hier kunnen helpen, maar de toegevoegde weerstand hiervan voorkomt dat de turbine zichzelf kan opstarten. Deze Savonius-turbine heeft een veel lagere opbrengst dan de Darrieus-turbine, maar heeft wel als voordeel dat hij absoluut stil is; hij produceert een geluid van 13 dB(A) en onze hoorgrens begint bij 10 dB(A)³⁾. Dankzij de Chinese markt is hij betrekkelijk goedkoop. Je hebt al een windwokkel voor nog geen € 450,-.

Uit de grafiek worden drie aspecten duidelijk:
1. De prestatiecoëfficient is laag bij lage windsnelheden om daarna snel te stijgen: het snelst bij de Savonius, vervolgens de Darrieus en tenslotte de windmolen.
2. De Savonius heeft de laagste prestatiecoëfficient; de Darrieus en de Windmolen doen niet veel voor elkaar onder.
3. Het koppel is van de Darrieus het laagst; dat betekent ook dat hij zeer slecht tot niet zelf zal starten. In onderstaande video treffen we een typische verkoper aan: van de Savonius niets dan goed. Reinhard Mey zong het al in “Mein Testament”: “Daß man von dem frisch Gestorb’nen immer Gutes sagen muß.”

Tja, en om de simpele Natuurkunde kun je natuurlijk niet heen!

De Europese Windturbine voor huishoudens

De AtlasX van Tesup, gemaakt in Turkije overigens, heeft volgens de verkooppraat op de site een vermogen van 4 kW bij een windsnelheid van 15 m/s (windkracht 7). Natuurkundig gezien is het maximale vermogen bij een rendement van 100% van de generator echter slechts 450 Watt! Stel dat hij een C_p heeft van 0,25, dan levert hij volgens de formule op basis van zijn afmetingen (79cm bij 46 cm) van de turbine een vermogen van 190 Watt. Bij een windkracht van 3 ,7 m/s zou dat volgens de formule (en bij gelijkblijvende prestatiecoëfficient, hetgeen niet haalbaar is) afnemen naar 3 Watt!! De Verkooppraat gaat door: “met zijn compacte vorm heeft hij de laagste startwindsnelheid en een groter windvanggebied, waardoor hij bij lagere windsnelheden elektriciteit kan opwekken.” Tja 3 Watt, wat kun je daarmee? Op jaarbasis is dat 26 kWh of in geld tegen de huidige kWh-prijs € 13,- Ik heb de berekeningen ook nog even doorgevoerd over deze AtlasX met een 100% rendement (dan zou hij de eerste ter wereld zijn die dat haalt). De berekende waarden zijn dan: maximale vermogen bij 15 m/s 445 Watt, vermogen bij 3,7 m/s 6,7 Watt, en dit levert een jaaropbrengst op van 58 kWh. Eigenlijk zouden we de Reclame Code Commissie hier moeten inschakelen.

Uit Oostenrijk komt deze Wind2Eenergy, een start-up in Wenen. Veel is er nog niet bekend, hun exemplaar staat hoog in de Alpen te testen. De windturbine levert 500 Watt onder alle omstandigheden vanaf 4 m/s (windkracht 3) en kan tegen ijs, sneeuw, storm etc. In de loop van 2023 wordt er meer duidelijk over deze bijzondere windturbine. Uitgaande van een diameter van 1,5 meter en dus een oppervlakte van 1,75 m² van de turbine kan die maximaal een vermogen hebben van 40 Watt bij een windsnelheid van 4 m/s. Die 500 Watt kan die dan alleen maar leveren bij een windsnelheid van 10 m/s

Green Hybrids, een Nederlands bedrijf is ontstaan vanuit de passie voor Duurzame Groene Energie. Het maakt onder andere de windwokkel ter vervanging van de vlaggenmast en richt zich voornamenlijk op bedrijven. De vormgeving van de Windwokkel™ is gracieus en hij is verkrijgbaar in diverse maten en uitvoeringen. De Windwokkel™ is leverbaar in vrijwel elke kleur en kan worden voorzien van elke reclame-uiting en/of logo. De C_p-waarde bedraagt op basis van de data hieronder 0,23 (en daarmee ver boven de gemiddelde maximale waarde van 0,15). De lichtste vorm waarvan de data hierboven zijn weergegeven kost € 5999,- excl. BTW en deze windwokkel zou op het open veld op Eindhoven Airport in 2020 bijna 400 kWh opgeleverd hebben; dat is dus verre van 1250-1750 kWh die de fabrikant aangeeft.

Het Nederlands Airturb heeft één model in zijn portfolio. De Model One Boost is 1,55m hoog en gemaakt van vezelversterkt polyester. Volgens het bedrijf is deze geschikt voor ‘commerciële en residentiële locaties’. Het berekende maximale vermogen is 250W bij 11m/s, waarmee zijn prestatiecoëfficient C_p=0,153 zou zijn. Daarmee zou maximaal circa 2000kWh aan stroom geproduceerd kunnen worden, maar dat is in een niet-realistisch scenario van 8000 draaiuren per jaar op vol vermogen bij voortdurende windkracht 6! In een interview met het Technisch Weekblad werd vermeld dat de benodigde windsnelheden alleen aan de kust haalbaar zijn. Tegenover het AD noemde het bedrijf een opbrengst van 0 tot 5000kWh, wat een vrij brede schatting is. Het bedrijf zou uitgaan van ‘zeker 1000kWh’. Op basis van de oppervlakte van deze turbine (2,05 m²) en een C_p van 0,153 kom ik bij een gemiddelde windsnelheid van 3,7 m/s op een vermogen van 6 Watt en de gemiddelde jaaropbrengst derhalve op 51 kWh. Airturb schat het te behalen resultaat dus inderdaad sprookjesachtig hoog in. Een Airturb kost € 4235 inclusief installatie en met een levensduur van 20 jaar, is dan de opbrengst 1000 kWh; 1 kWh kostte dan € 4,24.

Dan hebben we nog de Archimedes van het Nederlandse KETech (dat zijn produkten weliswaar in Zuid-Korea laat maken), een Savonius-type turbine maar dan op zijn kant gelegd waardoor het wel een verticale-as turbine wordt, maar dan met de nadelen van de Savonius. Dat blijkt ook als we naar de datasheet kijken. Volgens die datasheet heeft de Archimedes een vermogen van 150 Watt bij 14 m/s. Met zijn diameter van 0,75 m bij 0,91 m levert dat een C_p op van 0,14, hetgeen exact binnen de theoretische grens van het Savonius-type valt, dat weer wel. Bij een windsnelheid van 3,7 m/s zou deze Archimedes rond mijn woning bijna 3 Watt opbrengen en dat is 25 kWh op jaarbasis. Hier kun je de brochure van Archimedes zien. Tekenend is wel dat het prototype in 2016 al de beurzen heeft gezien maar dat het apparaat zelf nog steeds niet in produktie is; verkooppraat genoeg (tot en met uitslagen van testen in windtunnels), maar geproduceerd is er nog geen één. Ik denk dat Google de oplossing al heeft, want die zegt “Permanent gesloten”.

De nieuwste loot aan de boom is de Windboom: een Franse ‘uitvinding’ die zich presenteert op de markt voor de toepassing van stedelijke/huishoudelijke windenergie. Het patent is aangevraagd en verkregen in 2012 en het laatste you-tube filmpje dateert van 2016. Het maximale vermogen van één blaadje zou op basis van de natuurkundige berekening 3,5 Watt bedragen bij een windsnelheid van 4 m/s. Elke windboom bevat, afhankelijk van de grootte 18-30 Aeroleafs, waarmee dan het vermogen op 63 – 106 Watt komt ( 550-930 kWh per jaar) Hij zou € 37.000,- per boompje moeten kosten; de ‘windboom’ wordt dan aantrekkelijk bij een kWh-prijs van € 3,98. Over desinvestering gesproken. In maart 2021 zou het eerste prototype op het Place de la Concorde in Parijs zijn ‘geplant’ maar ik heb er nog niets zien verschijnen. Wellicht is ook dit initiatief een stille dood gestorven, maar de berichtgeving in de ‘groene’ wereld dendert voort.

En hier de al eerder genoemde Black 600 uit Duitsland. Deze windmolen, speciaal ontworpen voor de consumentenmarkt heeft een rotor-diameter van 1,6 m, een 600 Watt generator die bij 10,5 m/s zijn hoogste vermogen levert. Uitgaande van een C_p=0,48 (de gegevens zijn onvoldoende om die op basis van de data vast te stellen) levert deze molen bij 3,7 m/s een vermogen van 18 Watt, 429 Watt op een dag en 156 kWh per jaar. Hij kost daarentegen € 1000,- incl. verzendkosten; daarmee komt de totale investering op € 1500,- en met een opbrengst van € 265,- door de huidige hoge kWh-prijs (€ 0,83 per kWh) is dat dan net in 6,5 jaar terug te verdienen.

De één na laatste in het rijtje Europese windturbine’s de Icewind RW100 uit IJsland. Hij heeft een opgegeven vermogen van 100 Watt en de ‘wokkel/Darrieus’ is 1,5 m hoog en 1,1 m breed. Uit de opgegeven waarden blijkt deze een Cp te hebben van 0,14 en levert deze molen bij 3,7 m/s een vermogen van 3 Watt, 78 Wh per dag en 28 kWh per jaar. Onbekend is hoeveel deze kost, maar je kunt het wellicht opvragen bij de producent zelf Gelet op zijn extreem lage opbrengst heb ik hem verder niet meer in de lijstjes opgenomen.

Tot slot de IstaBreeze, een windmolen die zijn oorsprong vindt in Turkije in tal van varianten met een vermogen van 700 tot 2000 Watt bij 15 m/s en een rotor-diameter van 2,20 m presteert goed voor zijn € 350,- tot € 735,- Op basis van die gegevens heeft hij een C_p van 0,43 dus je mag aannemen dat hij zelfs nog beter presteert dan uit de specificaties blijkt. Op Vliegveld Eindhoven zou de 1000 Watt variant over de laatste drie jaren gemiddeld 540 kWh opgeleverd hebben. Hoewel het een Turks bedrijf is, worden de molens in Bulgarije gemaakt en dus heb je geen last van invoerrechten en accijnzen. De technische gegevens alsook de installatie-handleiding kun je hier downloaden.

Een Amerikanen die niet jokt

Een uitzondering op de regel dat de fabrikant het vermogen doorgaans schromelijk overdrijft is deze Flower Turbine uit de Verenigde Staten. Je kunt hem kopen voor $ 750,- (exclusief verzendkosten), maar er is een Nederlandse start-up in Rotterdam die hem in licentie wil maken.

De bladen van deze bloem-turbine zijn 1,15 m hoog en 55 cm breed en volgens de fabrikant levert die 5-10 Watt bij een windsnelheid van 6 m/s; hij overlegt daarbij de grafiek van de tests uit de windtunnel. Volgens de formule en uitgaande van een C_p van 0,15 (de gebruikelijke waarde voor een Savonius-turbine) komt het vermogen dan op 12,5 Watt. Op mijn carport zou deze turbine bij een windsnelheid 3,7 m/s (de gemiddelde windsnelheid ter plaatse) 26 kWh per jaar opleveren.

De Chinese Turbines

De verschillende aanbieders op de Chinese markt doen niet veel voor elkaar onder. Zie hier een Chinese wokkel van 800 Watt van 1,12m hoog en 0,35 m breed voor ongeveer € 450,00 met de hiernaast opgenomen specificaties. Op basis van die gegevens is het natuurkundig maximale vermogen 540 Watt. Wat er waar is van die chinese melding van 800 Watt vermogen zullen we hieronder nog zien.
Naast de Savonius moeten we zeker ook kijken naar een Darrieus-turbine. Die zijn wel wat lawaaieriger dan de Savonius, maar met een geluidsproductie van rond de 20 dB(A) (de stilteruimte in de bibliotheek) zul jezelf en de buren toch geen last hebben.

Deze Darrieus heeft volgens de Chinese site een vermogen van 800 Watt, heeft een bladgrootte van 1,06 m en een diameter van 0,60 m; op basis van deze gegevens heeft hij een maximaal vermogen van 300 Watt. Het probleem van de Darrieus is dat hij niet tot heel slecht zelf start; dat wordt met deze constructie van gebogen “wieken” die ook lift produceren opgeheven. Deze Darieus start altijd. Wat er in werkelijkheid van die 800 Watt overblijft zullen we hieronder zien. Hij kost € 735,-

Hiernaast de Darius-turbine van Smaraad SR-800 met een omvang van 88cm bij 1,10 m. Volgens de fabriek heeft hij een vermogen van 800 Watt bij 13 m/s en dat zou dan uitkomen op een C_p van 0,61; natuurkundig levert deze Darrieus maximaal 770 Watt. UItgaande van een werkelijke C_p van 0,4 levert deze turbine bij 13 m/s een vermogen van 525 Watt en bij 3,7 m/s een vermogen van 12 Watt. Hij kost € 611,- incl. verzending

Deze S4-600 windmolen heeft een opgegeven vermogen van 600 Watt bij een windsnelheid van 11 m/s en rotor-diameter van 140 cm; op basis van deze gegevens heeft hij een C_p van 0,48 hetgeen zou kunnen. Natuurkundig is zijn maximale vermogen 740 Watt. Laten we daar vanuit gaan hoewel een C_p van 0,45 meer gebruikelijk is voor een kleine windmolen. Bij een windsnelheid van 3,7 m/s levert deze molen dan een vermogen van 24 Watt, 575 Wh op een dag en 210 kWh op jaarbasis. Hij kost € 294,- (in 3-5 wieken-uitvoering) en wordt vanuit Polen verzonden. Hij is bestand tegen windsnelheden tot 48 m/s (173 km/u; orkaan) en aangezien de hoogst gemeten snelheid ooit in Nederland 145 km/u is geweest, zitten we daar nog ver onder. Hij kan dus gevoeglijk op mijn carport blijven staan. Je kunt de bladen eventueel verlengen tot 90 cm, waardoor het potentieel vermogen toeneemt tot 1350 Watt.

Om je een idee te geven heb ik S4-600 met 5 wieken even op mijn carport geprojecteerd.

De gemiddelde windkracht in Nederland per regio:

En wil je de actuale windkracht (in Knopen per uur; vermenigvuldig met 1,7 en je krijgt hem in km/u) zien, kijk dan op https://nl.windfinder.com/#8/51.6589/5.7843

Wat mag je verwachten als opbrengst?

Dat is een wat lastige vraag. Er zijn wel een paar refentiepunten op basis waarvan een goede schatting is te maken:
1. Op dit moment worden miniturbines nog niet structureel gemonitord. Daarom is het niet bekend hoe ze presteren en hoe ver ze verwijderd zijn van hun maximale rendement. Binnen de NWEA (Nederlandse WindEnergie Associatie) is afgesproken dat voor het maken van opbrengstvoorspellingen zal worden uitgegaan van een specifieke opbrengst in de gebouwde omgeving van 150-250 kWh/m2/jaar
2. In de gemeente Schoondijke in Zeeland heeft een testopstelling gestaan met 12 verschillende kleine windmolens voor de consument waar ze gedurende een aantal jaren de resultaten van hebben bijgehouden; 3 ervan gingen tijdens de test-periode stuk. Het rapport kun je hier downloaden. Na twee jaar meten kan de conclusie worden getrokken dat het windaanbod op deze locatie veel te laag
is om uitspraken te kunnen doen over de energieopbrengsten van miniturbines. De gemiddelde windsnelheid bedroeg namelijk 3,7 m/s in plaats van de verwachte 6 m/s. Ondanks het feit dat niet alle doelstellingen bereikt zijn, leverde het project een aantal waardevolle resultaten op. Het maakte duidelijk dat veel miniturbines technische mankementen vertonen en dat hun opbrengsten bij lage windsnelheden achter blijven bij de verwachte opbrengsten. Ook bleek dat twee van de geplaatste turbines wel aardig in de richting komen van de beloofde opbrengsten. Uit de praktijk in Schoondijke blijkt dat de vuistregel van de NWEA goed werkt voor de HAT-turbines. Tevens blijkt dat de VAT-turbines (zoals de Darrieus- en Savonius-typen) beduidend lagere opbrengsten halen per vierkante meter rotoroppervlak dan vergelijkbare HAT-turbines. Voor kleine windturbines kun je uit de praktijk afleiden dat een Cp van 0,42 haalbaar is, voor Darrieus-typen een Cp van 0,35 en voor Savonius-typen een Cp van 0,12 haalbaar lijkt. Om turbines onderling op prestaties te kunnen vergelijken is het belangrijk dat de door de leverancier opgegeven opbrengstgegevens in de praktijk zijn bewezen of dat deze door een onafhankelijke expert zijn gevalideerd. Daar zal nog wel enige tijd over heen gaan.
3. Het Warwick Wind Trials Project in het Verenigd Koninkrijk (waarvan je het eindrapport hier kunt downloaden) verzamelde gegevens over de elektriciteitsopbrengst van 26 kleine windturbines van 5 fabrikanten, geplaatst op verschillende locaties in heel Groot-Brittanië. De windturbines in de test waren (tussen haakjes het maximum vermogen volgens de fabrikant): Ampair 600 230 (600 watt), Eclectic StealthGen 400 (1.000 watt), Zephyr Air Dolphin Z1000 (400 watt), Windsave WS 1000 (1.000 watt), Windsave WS 1200 (1.250 watt) en Swift (1.500 watt). De gemiddelde opbrengst van de turbines bedroeg 78 kWh per jaar (inclusief de referentiesite, een kleine windturbine op een ideale plaats vlak bij zee). Dat komt overeen met een gemiddeld vermogen van 8,9 watt – ongeveer het verbruik van een draadloze modem. Gemiddeld leverden de turbines 17 keer minder energie dan beloofd. Gerelateerd aan de prognoses op basis van de gemiddelde windsnelheden en de natuurkundige formule voor de opbrengsten, was de prognose 1,7 tot 3,4 te hoog, vooral door een foutieve ‘schatting’ van de prestatiecoëfficient. ⁴⁾;
4. Het KNMI houdt secuur de gemeten windsnelheden bij en op basis daarvan kan ook de gemiddelde opbrengst aan de hand van bovenstaande gegevens worden berekend.

Op basis van al deze gegevens heb ik eerst de verschillende prestatie-coëfficienten voor de verschillende turbines in beeld gebracht. Uit de theorie is af te leiden dat deze C_p berekend wordt voor de windsnelheid waarbij het maximaal vermogen wordt bereikt. Bij lagere windsnelheden én bij hogere windsnelheden is deze prestatie-coëfficient dan lager; zie de grafiek hierboven voor de S4-600 die bij 11 m/s zijn maximaal vermogen haalt. Vervolgens zijn van het KNMI de gemiddelde windsnelheden per dag in mijn omgeving over de periode november 2019 t/m november 2022 gedownload en met de formule waarbij C_p is gecorrigeerd voor de alsdan geldende windsnelheid, de op die dag te behalen opbrengst bepaald (weergegeven over de jaren 2020, 2021 en 2022). Voor de Savonius-typen (Flower Turbine en R-800) is daarbij uitgegaan van een maximale C_p van 0,15, voor de andere typen een maximale C_p van 0,48.
Je kunt deze module hier downloaden (het is een excel-bestand; even een tip: de formules zijn niet beveiligd, dus maak een kopie en ga daarmee werken. Mocht je dan een formule per ongeluk wissen kun je terugvallen op het origineel)

Hiernaast zijn van de genoemde windturbines de gegevens opgenomen, als ook de berekende opbrengsten waarbij als basis de werkelijk gemeten windsnelheden hebben gediend. Als je naar dit lijstje kijkt dan doet de Flower Turbine niet onder voor de R-800, maar schieten beide toch schromelijk tekort om van enige betekenis te kunnen zijn voor het leveren van energie voor ons huishouden met hun geleverde energie van amper 30 kWh op jaarbasis. De FX-800 Darrieus presteert al aanmerkelijk beter, maar 90 kWh aan energie loont ook nog steeds de moeite niet, want de Connect-Box van Ziggo verbruikt per jaar al meer energie in de stand-by stand. De SR-800 Darrieus komt een beetje in de buurt met een opbrengst van 130 kWh (in geld: bij een kWh-prijs van € 0,83 levert dat € 124,50,- op en is hij samen met de hierboven genoem Grid-Tie-Inverter in 6 jaar terugverdiend, maar dat is eigenlijk wel te lang om economisch verantwoord te zijn. Je ziet dus wat ook te verwachten was op basis van de theorie: hoe groter de oppervlakte, hoe beter de turbine functioneert en daarom zijn eigenlijk alleen windmolens rendabel. Economisch is de Ista-Breeze uit Bulgarije het voordeligst: met zijn gemiddelde opbrengst van 800 kWh/jaar levert hij € 660,- per jaar op en is de terugverdientijd incl. Grid-Tie-Inverter iets minder dan 2 jaar. Op basis van de vuistregel van de NWE zou de jaar-opbrengst 810 kWh zijn (200*3,7) en dat komt overeen met mijn berekening.

Maar op basis van al die berekeningen heb ik besloten om niet te gaan experimenteren met windenergie! De opbrengsten zijn zodanig laag dat het in een bebouwde omgeving absoluut géén zoden aan de dijk zet en voor hogere opbrengsten krijg je absoluut geen vergunning voor het plaatsen van de veel grotere windturbine.

(Oorspronkelijk opgesteld: 9 november 2022) Laatstelijk aangevuld: 17 januari 2024

---

1) Die maximaal 600 W heeft te maken met de gebruikte diameter van de bekabeling in jouw huis. Door de weerstand van de kabel wordt die kabel warm als je er grotere stroomsterktes doorheen stuurt; daarom worden kabels altijd afgezekerd. In jouw huis is dat voor de huisinstallatie gewoonlijk 16A. In de ‘oude’ NEN1010 werd er vanuit gegaan dat de bekabeling ook nog wel 18A zou kunnen verdragen (en dat is ook zo), vandaar dat je 600 W (is 2,4A) meer op de bekabeling mag zetten. <terug>
2) Hier is de tabel van die proef:

<terug>
3)De normering “industrielawaai” ligt vast in artikel 2.17 van het Activiteitenbesluit milieubeheer en dat geeft een maximaal toelaatbaar geluidsniveau voor de nachtperiode aan van 40 dB(A) op de erfgrens. Nu is die windwokkel niet te vergelijken met industrie en daarom kun je beter kijken naar het algemene lijstje van geluidsproductie. Daaruint blijkt dat je 13 dB(A) kunt vergelijken met een vallend boomblaadje. Heb je die wel eens gehoord? <terug>

4) Ter vergelijking: in Uden is de gepatenteerde Windwokkel^TM van GreenHybids opgesteld en in werking. Deze 1200 Watt windwokkel heeft een opbrengst van 2000 kWh tot 4000 kWh op jaarbasis volgens de fabrikant. De evaluatie van de gemeente volgt in het najaar van 2023, maar zowel de tests in Zeeland als in het VK beloven niet veel goeds.  Hij kost € 7360,- incl. BTW. Niet iets wat je even in jouw tuin neerzet.<terug>