In windparken kunnen turbines elkaar in de weg zitten. Hoe voorkom je dat de ene molen de wind wegneemt van de andere? „Ik denk dat er weinig wetenschappers zijn die op zulke schaal hun idee kunnen testen.”
Mees van Vondelen bij de windmolenopstelling in een gebouw van de TU Delft.
Mees van Vondelen (28) wilde absoluut nooit een PhD doen. „Ik wilde het bedrijfsleven in. Studeren vond ik op zich prima, maar het was meer een moetje.” PhD’ers zaten de hele dag in hun eentje achter een laptop en waren niet zo sociaal, dacht hij. Niets voor hem.
Van Vondelen staat in het lab op de TU Delft waar hij een groot deel van zijn promotieonderzoek uitvoerde. Het is er uitgestorven, vlak voor de kerstvakantie. Alleen twee medewerkers zitten in hun kantoor. Alle muren zijn van glas. Naast de grote ruimte met allerlei testopstellingen – een hijskraan, autostoel met stuur en een manshoge windmolen – zit nog een kleinere glazen ruimte. Daarin staat de ‘windtunnel’: tien aan elkaar gemaakte stellages die nog het meest op podiumdelen van een halve meter breed bij twee meter hoog lijken, maar dan met glazen muren en plafond. Erin staan drie miniwindturbines van een halve meter hoog.
Hier ontwierp Van Vondelen een algoritme om windmolens als vogels „mee te laten surfen op de voorganger – maar dan juist tegenovergesteld: met meer weerstand. Nu is het nog elke turbine voor zich.”
Het was laatst groot nieuws: windmolens houden elkaar uit de wind en produceren minder energie dan verwacht. Dat bleek uit onderzoek van onder andere de TU Delft. Nederland rekende misschien op een te grote opbrengst. „Het werd gebracht als breaking news, dat er fouten zijn gemaakt”, zegt Van Vondelen. „Maar dat is echt al heel lang bekend. Al sinds het bouwen van windparken weten we: ze kunnen elkaar in de weg zitten. Dat is een gegeven.” Het lijkt hem onwaarschijnlijk dat er „zo’n basale fout is gemaakt”. „Uiteindelijk is het aan de industrie en de wetenschap om daar oplossingen voor te bedenken. En dat is waar wij ook mee bezig zijn.”
Het probleem met windturbines is dat de voorste molens de wind van de rest wegkapen. 10 tot 20 procent minder efficiënt worden ze daarvan, zegt Van Vondelen. „Een significant getal.” Dit zogeheten zog-effect kan wel vijftien rotordiameters – 3,5 kilometer bij de grootste turbines op zee – lang zijn, afhankelijk van de omstandigheden. Er zijn verschillende oplossingen bedacht, vertelt Van Vondelen, maar allemaal „erg statisch”. De voorste turbine wat zachter laten draaien, bijvoorbeeld. Maar dat blijkt nauwelijks effect te hebben op de productie van de turbine erachter.
De onderzoeksgroep van de TU Delft bedacht iets anders – nog voordat Van Vondelen erbij zat, overigens. Ze lieten de wieken op een bepaalde manier om hun as draaien, zodat de lucht erachter in een spiraalvorm kwam. „Een soort wokkel. Die noemen we de helix.” En dan gebeurt er wat grappigs, zegt Van Vondelen: de snelstromende lucht om de helix heen wordt naar binnen getrokken, waardoor de gemiddelde windsnelheid toeneemt. De productie van het hele park neemt zo toe. Die uitvinding, nog niet in echte windturbines getest, patenteerde de TU Delft.
Van Vondelen kan het wel even demonstreren. Hij start de computer op die direct buiten de windruimte staat en er recht op uitkijkt. Maar de desktop kan geen verbinding maken met de windcomputer. Van Vondelen probeert verschillende knoppen en websites en vraagt dan de labmedewerkers om hulp. Ze rommelen met snoeren, poorten en IP-adressen.
„Ah, de kabel zat er nog niet in!” Van Vondelen: „We zijn live.” Hij zet de wind aan. Tientallen kleine computerventilatoren aan de rechterkant van de tunnel beginnen te zoemen. De achterste van de drie kleine windturbines begint te draaien. „Die staat al onder de goede hoek, de andere bladen pas ik nu aan.”
Op het beeldscherm beginnen lijnen in grafieken op te lopen. „Die roze, dat is de achterste turbine. Die blauwe is de tweede, de rode is de voorste. En de donkerblauwe is alles bij elkaar opgeteld. Dus je ziet al dat die voorste superveel energie produceert.” De rode lijn klimt stukken hoger dan de andere twee. „Dat is een bizar verschil. Ze staan nu ook precies in full wake overlap. Dit is het worstcasescenario.”
Tijd om de uitvinding aan te zetten. Van Vondelen priegelt met wat waardes in het programma: „Het zou fantastisch zijn als het in één keer werkt.” „De frequentie komt erin, nu zie je dat de bladen gaan trillen.” We zitten recht naast de voorste windmolen. Het zijaanzicht van de draaiende wieken vervormt. De lijn van de productie van de voorste molen duikt op het scherm wat omlaag. Maar de andere twee klimmen omhoog, net als de totale productie.
Na zijn bachelor werktuigbouwkunde deed Van Vondelen de master systems & control, ook aan de TU Delft. Zijn afstudeeropdracht deed hij bij Siemens Gamesa, dat windturbines bouwt. „Dat was de eerste keer dat ik de theoretische kennis van mijn master kon toepassen op een industrieel probleem. Er kwamen resultaten uit die daadwerkelijk nuttig waren voor het bedrijf: dat vond ik heel leuk om mee te maken.” Halverwege die opdracht vroeg zijn begeleidende professor ineens of hij er een PhD aan vast wilde plakken in hetzelfde onderzoek. „Ik schrok enorm.” Hij, een PhD?
Met drie grote windenergiebedrijven zette de universiteit een nieuw onderzoeksproject op, dat uiteindelijk getest zal worden in het nieuwe windpark Hollandse Kust Noord. Naarmate hij er langer over nadacht, zag Van Vondelen het eigenlijk steeds meer zitten. Het eindresultaat zou in een echt windmolenpark getest worden, hij kon veel samenwerken. „Dus ja, toen ben ik het gaan doen. Het is een unieke mogelijkheid: ik denk dat er weinig wetenschappers zijn die op zulke schaal hun idee kunnen testen.”
Zijn onderzoeksvraag: of het concept van de helix ook op de tweede turbine in de rij werkt. Dat is een stuk ingewikkelder dan bij de eerste turbine, want de lucht komt al in spiraalvorm binnen, legt Van Vondelen uit. „Je kan het zien als een resonantie: als hij een bepaald faseverschil heeft, dan versterkt hij elkaar. Dus dat is best wel een interessant proces. Want wat blijkt: als het elkaar versterkt, betekent dat eigenlijk dat de windsnelheid daarachter nog hoger wordt.”
Hij bedacht een algoritme dat op basis van de trillingen van de wieken precies kan construeren wat de fase is van de binnenkomende wind – het zog. En de turbine past zich vervolgens zelf daarop aan. Van Vondelen deed eindeloos veel simulaties en testen, met „allemaal heel positieve resultaten”. Ook deze uitvinding werd gepatenteerd. Met deze techniek zou je de windmolens zelfs dichter op elkaar kunnen bouwen, zegt Van Vondelen. En vooral bij weinig wind is zijn algoritme interessant: dan werkt-ie het best én is de elektriciteitsprijs hoog. Boven de 10 tot 12 meter per seconde, windkracht 5 à 6, voegt het niks toe: dan leveren alle turbines sowieso wel genoeg.
Meer onderzoek voor de volgende turbines in de rij is niet nodig. „Het probleem doet zich voornamelijk voor als je heel laminaire wind hebt; met weinig turbulentie. Dat is voornamelijk op zee, want daar heb je weinig obstakels. Dan is het zog ook heel lang. Op het land heb je meer turbulentie, door bomen, bergen of gebouwen is de lucht al gemixt. In een windmolenpark heb je eigenlijk hetzelfde: zodra die voorbij de tweede turbine is, zie je dat het eigenlijk niet zoveel meer toevoegt, dan heb je al inherente mixing.”
En er zitten ook nadelen aan. „Door het continu bewegen van de bladen creëer je meer trillingen. En trillingen wil je vermijden: daardoor slijten turbines sneller.” Hoeveel sneller, dat hangt af van de situatie. „Maar je kan er wel serieuze schade mee aanbrengen als je er geen rekening mee houdt.” Daar ligt de grootste uitdaging, zegt Van Vondelen: de trillingen onder controle houden. De hele turbine zou ervoor geoptimaliseerd moeten worden. „Als je een turbine achteraf iets anders laat doen dan waar hij voor gemaakt is, dat is altijd een slecht idee.”
Achteraf is het doen van onderzoek hem erg goed bevallen: „Het was superleuk om vier jaar ergens helemaal in te kunnen duiken. De autonomie en de vrijheid die je hebt om je onderzoek je eigen richting te geven, was echt geweldig. En ik heb het geluk gehad dat ik heel leuke collega’s had.” Een PhD: hij kan het iedereen aanraden.
Op de hoogte van kleine ontdekkingen, wilde theorieën, onverwachte inzichten en alles daar tussenin
Source: NRC