Energie die er niet is, kun je met een mini-windturbine niet oogsten
Het is enkele lezers opgevallen dat ik dolenthousiast ben over grote windturbines en tegelijkertijd vernietigend schrijf over ‘innovatieve’ kleine windmolentjes voor thuis. Lijkt tegenstrijdig. Is het niet. Ik had natuurkunde in mijn pakket.
Johan Antonissen, docent energietransitie aan de Hogeschool Rotterdam, had ook natuurkunde in zijn pakket. Hij stoorde zich net als ik aan de recente golf aan gratis reclame voor de zoveelste mini-windturbine die nooit kan leveren wat zijn verkopers beloven. Johan pakte de relevante kengetallen en formules erbij en zet op LinkedIn uiteen hoeveel opbrengst je daadwerkelijk kunt verwachten van een turbine op je eigen dak. Hieronder zijn analyse, met toestemming ingekort en overgenomen.
De sommen gelden voor The Blade, die recent in vele kranten voorbijkwam, maar de conclusies zijn ook van toepassing op de Airturb, Flower Turbine en alle gelijkvormige ‘innovaties‘ die de komende jaren ongetwijfeld nog verschijnen.
Pas op voor mooie praatjes over The Blade mini-windturbine
In de afgelopen maanden ben ik een aantal keren ‘getipt’ over een ‘revolutionaire’ nieuwe kleine windturbine genaamd ‘The Blade’. Uit de renders kon ik opmaken dat het niets anders was dan een kleine verticale windturbine. Ik antwoordde dat het niets bijzonders was en dat bij kleine windturbines de prijs per energie nooit kon concurreren met die van een zonnepaneel.
Vandaag kwam ik een artikel tegen waarin met veel bombarie werd geclaimd dat deze windturbine tussen de 2500 en 3000 kilowattuur (kWh) per jaar kan produceren omdat hij de wind 2x gebruikt. Dat is absolute onzin, en dat leg ik graag uit.
Lift vs Drag-windturbines en de wet van Betz
De Betz-grafiek hierboven toont dat de maximale hoeveelheid energie die wij uit een luchtstroom kunnen halen ongeveer 60% is. Dat omdat als je energie uit de wind haalt de wind afremt. In het extreme geval (100% van de windenergie oogsten) komt de luchtstroom volledig tot stilstand. Een mooie analogie zijn de tolpoortjes in Frankrijk. Als er weinig auto’s zijn dan is er weinig opstopping. Op zwarte zaterdag staan er zoveel auto’s dat je uren in de rij moet staan. De Duitse natuurkundige Betz zocht het optimum en kwam er achter dat je de beste energiewinst hebt als je maximaal 60% van de energie uit de wind haalt.
Met uiteenlopende vormen windturbines is geprobeerd zo dicht mogelijk bij dat optimum te komen. Over het algemeen zien wij dat lift-turbines (in het groene vlak) het meest succesvol zijn. Links onderin zie je de veel minder effectieve drag-turbines. Drag is eigenlijk niets anders als luchtweerstand. Lift is de kracht die zorgt dat vliegtuigen vliegen. Drag en lift-windturbines herken je aan de hoeveelheid bladoppervak ten opzichte van de luchtstroom. Bij drag-turbines is dat heel hoog. Vaak zelfs alles, zoals ook bij The Blade. Bij lift-turbines is dat maar een fractie, zoals bijvoorbeeld bij de bekende 3 blads turbine.
Het verschil tussen lift en drag zien wij ook bij zeilboten. Bij drag-gedreven zeilen (voor de wind) staat het zeil recht op de wind en duwt de wind de zeilboot naar voren. Omdat de wind niet door het zeil kan, kan een zeilschip op deze manier nooit sneller varen dan de wind. Bij lift-gedreven zeilen (aan de wind) staat het zeil met een hoek van 45 tot 90 graden op de wind. De wind stroomt nu langs het zeil en kan ‘wegglippen’. Op deze manier kan een zeilschip sneller varen dan de wind.
Horizontal Axis Wind Turbine (HAWT) en Vertical Axis Wind Turbine (VAWT)
Render van The Blad (Credit: Cell Technologies)
Een tweede onderscheidend aspect is de as waar een windturbine rond draait. Over het algemeen zien wij dat de horizontale systemen beter presteren dan de verticale systemen. Verticale turbines hebben echter een aantal enorme voordelen. Zo hoeven verticale turbines niet in de richting van de wind te draaien, waardoor er minder ingewikkelde regeltechniek nodig is. Ook staat bij verticale turbines de generator op de grond terwijl bij horizontale turbines deze hoog in de lucht is geplaatst. Dit heeft gevolgen voor bijvoorbeeld de bereikbaarheid van de generator, wat een belangrijk aspect is van de repareerbaarheid.
Als we terugkijken naar de Betz-grafiek en deze vergelijken met afbeeldingen van The Blade, blijkt dat de ‘revolutionaire’ turbine simpelweg een Savonius-turbine is (gepatenteerd in 1926). Dit type turbine zet maximaal 15% van de wind die er doorheen stroomt om in elektriciteit. De bekende 3 blads turbine zet grofweg 50% van de energie uit de wind die er doorheen stroomt om. Dat is meer dan 3x meer!
Let op: deze 15% en 60% staan geheel los van de grootte van de turbine en de locatie van de turbine. Het feit dat de witte 3 blads turbine die wij kennen veel groter is en veel hoger staat en ook daarom veel meer elektriciteit opwekt, staat los van de hogere effectiviteit die simpelweg volgt uit de vorm van de turbine.
Hoeveel elektriciteitsproductie kun je van The Blade verwachten?
Allereerst de claim dat de revolutionaire windturbine de wind twee keer gebruikt. Dat is totale onzin. De belangrijkste wet van de natuurkunde is de wet van behoud van energie. De wind ‘2x gebruiken’ kan alleen door 2 turbines direct achter elkaar te zetten of door de wind achter de turbine een rondje te laten draaien en nogmaals door dezelfde turbine te leiden. Beide opties remmen de luchtstroom vrijwel volledig af. Met beide opties ben je dus al je energie kwijt.
Nu we zeker weten dat The Blade niets anders is dan een Savonius-turbine kunnen we benaderen wat deze werkelijk jaarlijks aan elektriciteit kan opleveren. Daarvoor moeten we eerst het vermogen in de wind zelf bepalen, met de volgende formule:
[Vermogen] = 0.5 x [luchtdichtheid] x [Oppervlakte windturbine] x [windsnelheid]3
De luchtdichtheid in Nederland is gemiddeld 1,225 kilo per kubieke meter. De afmetingen van The Blade zijn gegeven: 90 cm hoog en 60 cm diameter, dus de windturbine heeft een oppervlak van 0,54 vierkante meter. De gemiddelde windsnelheid op 10 meter hoogte (uitgaande van een turbine op het dak van een woonhuis) loopt uiteen van 3 meter per seconde in het oosten tot 5 m/s aan de kust. In het optimale geval (aan de kust) is er dan gemiddeld continu* 41 watt beschikbaar:
[Vermogen] = 0.5 x [1,225] x [0,54] x [5]3 = 41 watt
Dit gemiddelde vermogen 365 dagen per jaar en 24 uur per dag betekent dat een 100% efficiënte windturbine met het formaat van The Blade en gemonteerd op een dak aan de kust maximaal 359 kWh per jaar opwekt. De theoretisch maximale opbrengst is dus een fractie van de geclaimde maximale opbrengst van 3000 kWh.
Maar we zijn nog niet klaar. Hierboven hebben we de energie in de wind berekend. We hebben niet meegenomen dat The Blade maximaal 15% van de beschikbare energie omzet, zoals voor een Savonius-turbine in de Betz curve is te zien. Hiermee wordt de verwachte opbrengst per jaar [359*15%=] 54 kWh.
Net genoeg om elke week een uur te stofzuigen, en slechts 2% van de opbrengst die de verkopers van The Blade beloven.
*Aanvulling 10:30: De benadering hierboven gaat uit van een jaargemiddelde windsnelheid. In werkelijkheid varieert de windsnelheid. Dat is voor windenergie relevant omdat de windsnelheid in de derde macht terugkomt in de formule voor het vermogen. Bart Rosien heeft deze iets complexere analyse gedaan voor een windturbine als The Blade geplaatst in de regio Schiphol en komt tot een iets hoger geraamde jaaropbrengst: 150 kWh. Iets gunstiger maar nog steeds een fractie van wat de verkopers beloven.
Conclusie: De mensen achter The Blade begrijpen zelf niet wat ze verkopen of ze hopen dat jij niet begrijpt wat ze verkopen.
Toevoeging WattisDuurzaam: Waarom grote windturbines wel zeer de moeite waard zijn: Met precies dezelfde natuurkunde als hierboven kun je ook benaderen hoeveel opbrengst je van een moderne 3-bladige windturbine mag verwachten. De 3 wieken zijn zo’n 80 meter lang en beslaan een cirkel, dus een oppervlak van 20.000 vierkante meter. De luchtdichtheid is op 100+ meter hoogte ruwweg gelijk maar het waait aanmerkelijk harder, tot gemiddeld 9 m/s aan de kust.
[Vermogen] = 0.5 x [1,225] x [20.000] x [9]3 = 8.900.000 watt
Vooral vanwege het veel grotere oppervlak, de hardere wind op hoogte en de 3e macht in de formule maar ook vanwege het hogere rendement van de horizontale turbine levert een grote windturbine miljoenen kilowatturen per jaar. En daarom is de kritiek op kleine windturbines en het enthousiasme voor grote turbines alles behalve tegenstrijdig.
Bron: Johan Antonissen / Imagecredit: Henry Salomé, via Wikimedia Creative Commons
Oprichter WattisDuurzaam en duurzaamheidsadviseur bij We-Boost Transitions.
Ontdek meer van WattisDuurzaam.nl
Abonneer je om de nieuwste berichten naar je e-mail te laten verzenden.
Mooi die Betz en Drag uitleg erbij waarmee zo’n tollende verticale windvanger weer terugkeert als nutteloos (en ik ben niet snugger..) symbool op het dak.
En op de geproduceerde stroom moet je een terugleverboete betalen. Neem dat ook mee in de berekening. Ik heb al 12 jaar Zonnepanelen geen gas zelf stroom. Dat ging goed zonder terugleverboete. Deze week moet ik voor het eerst 1800 euro Terugleverboete betalen bij Greenchoice over afgelopen jaar. Dus betalen voor zelf geproduceerde stroom. Als je meer produceert moet je meer betalen. Als die kleine windmolen toch veel produceert moet je ook veel betalen aan terugleverboete. Neem het mee in de berekening volgende keer.
Wat dat betreft zijn de makers van dit dakornament zeer meedenkend, en houden ze de hoeveelheid terugleverboete in de praktijk zeer beperkt 😀
Ik had dezelfde leverancier en hetzelfde probleem. Daarom ben ik per 1 augustus overgegaan naar een dynamisch contract. Door alle grootverbruikers slim te gebruiken kan je een stuk goedkoper stroom in- en verkopen!
Tot nu toe zijn de kWh prijzen voor afname en terug leveren gelijk, dus ik saldeer tot nu toe 100%!
Wow , dit is een prima artikel van Thijs ten Brinck!
Ik had het reclame praatje van “de blade” ook al eens gelezen en dacht toen al dat het onzin was. Gewoon misleiding.
Hier wordt duidelijk uitgelegd hoe het werkelijk zit.
Zou wel eens een reactie willen horen van de Blade fabrikant, of echte praktijk metingen over een heel jaar van de Blade willen zien.
Groet Frans
Lang geleden had ik me aangemeld voor de Turby windmolen, maar wat ik daarvan geleerd had was dat alleen grote windmolens efficiënt kunnen werken alle kleine molens zijn weg gegooid geld. Zo ook de Blade.
Super uitleg!
Dankjewel 👍
Een paar dagen geleden heb ik dezelfde berekening gemaakt met vergelijkbare uitkomst. Past in één X-berichtje. Kleine windmolens is gewoon oplichterij.
Bravo!!
Natuurkunde is zooo belangrijk.
Fijn dat je het zo duidelijk uitlegt.
Doel van kleinwind (diameter rotor kleiner dan circa 200 cm) is anders dan commercieel je portemonnee vullen.
Het mag dan wel minder gunstig zijn maar de gehele distributie faciliteiten zijn minder nodig. Ook het transportverlies is minder. Indien deze molens 75% van het zelfverbruik zou kunnen opwekken dan scheelt dat heel veel in de opwekking. Met een kleine thuisbatterij zouden we zeer ver kunnen komen in de zelfvoorzienendheid en minder afhankelijk van de energiemarkt die alleen maar belang heeft bij……
@Will Eisinga Ik begrijp de mensen niet die zo graag stroom terug willen geven aan een energie leverancier,wek je eigen stroom op en gebruik het voor je zelf of vul er accus mee van mensen en vraag er geld voor.Maar terug leveren en dan een boete betalen ik zie de logica er niet van in eerlijk gezegd.
Geweldig artikel. Eindelijk een goede onderbouwing. Ik zei al tegen mijn buurman die 1 wilde, wacht eerst maar een jaar, kijken of ze dan nog bestaan
Wat een rare reacties toch weer. In Londen reden rond 1900 al electrische auto ‘s. Dan hoefde de dames de auto’s niet aan te slingeren. Dat het toen flopte wil niet zeggen dat we nu geen goede electrische auto ’s zouden kunnen maken. En ja, ik heb een molentje gehad, deed niet heel veel maar kwam gratis de nacht door. Maar doordat mijn buurman “last” had heb ik hem weggedaan. Zeker in de herfst ging dat goed. Ik zou zo weer instappen in een nieuw model. En de mensen die moeten betalen leveren gewoon te veel terug. Ik kan gratis mischien ook 10 liter diesel salderen bij de pomp, maar ik zou ook begrijpen als daar moeilijk over gedaan werd. Laat staan als ik 30.000 liter terug breng naar Shell, die moet dat ook weer afvoeren, en daar zitten kosten aan. Heel logisch allemaal.
Dankjewel voor de uitleg. Het vermoeden had ik al, maar goed om de onderbouwing te lezen.
Ik zal eens zoeken of iemand ’zilverstroom’ heeft uitgelegd. Dat klinkt ook onwaarschijnlijk. Maar het ontbreekt mij aan de kennis om er een vinger op te kunnen leggen.
Leuk artikel! Ik ga gewoon nog even afwachten wat de echte uitkomsten zijn in de praktijk. Met wind energie kan je, als het waait, ook snachts of in de winter energie opwekken. Dat gaat met zonenergie niet. Inderdaad zie ik in de zomer geen meerwaarde. Mss is de combinatie van beide toch enigzins een oplossing.
Hoewel ik na het lezen van de hierboven staande berekeningen mijn twijfels heb gekregen over de blade.
Toch ben ik zeer benieuwd naar de praktijk ervaringen.
Voor ieder die geïnteresseerd is in duurzame technieken zeer leuk!
Het leuke van wetenschap is dat je niet hoeft te wachten op praktijkervaringen.
Die jongens achter The Blade brengen dit product pas op de markt als ze met de juiste NEN normen een rendement vast hebben gesteld wat hoog genoeg is om The Blade een interessante investering te laten zijn.
Daarom worden de eerste leveringen ook pas eind 2025 verwacht.
Wind 2 x gebruiken is uiteraard bij wijze van spreken. Maar tegenwoordig lijkt het interessanter te ontdekken hoe je iets nadelig uit kunt leggen in plaats van te begrijpen wat de geïnterviewde bedoeld.
Helemaal mee eens, het lijkt nu onhaalbaar en misschien is het dat ook wel. Maar die jongens denken een grote stap te maken en ik geef ze het voordeel van de twijfel.
Arie Stuije
Wij wonen op het platteland in Spanje en zijn momenteel volledig afhankelijk van zonne-energie (met 45 kWh aan effectieve batterij capaciteit). Maar ook in Spanhe heb hd wel eens periodes dat het meerdere dagen zeer bewolkt is. Ik denk dat in ons geval een kleine (en zeer stille) windturbine wel zou helpen. We hebben nu zo’n 3 tot 5 dagen per jaar de generator nodig.
Als het echter gaat om goedkoop je eigen stroom te produceren dan lijkt mij hiervoor de opbrengst te klein en de prijs te hoog,
Opgewekte stroom als de zon schijnt moet je kunnen vasthouden (omzetten in warmwater bijvoorbeeld in grote tanks voor later gebruik om te verwarmen) aan accu’s heb je niets, zijn snel leeg. Stroom opwekken als de zon niet schijnt, kan alleen met een fatsoenlijke windmolen(en niet met de blade dus). Het beste resultaat bekijk je met “zorg ervoor dat je niet veel energie nodig hebt” daar ligt nog een wereld aan mogelijkheden.
Het artikel behandelt (heel helder) vooral het verschil tussen lift en drag turbines. Vraag die open blijft: zou een miniatuur lift-turbine voor thuis wél kunnen werken?
Waarom stijgt de hoeveelheid fossiele brandstof nog steeds verder?
We moeten dringend minder energie gaan gebruiken.
Alle zogeheten oplossingen zijn alleen maar goed voor de commerce.
Het energieverbruik per persoon moet dalen.
Zoals we bezig zijn stoken we de wereld op.
Walther
Een ander opvallend teken aan de wand is dat in publicaties over de verwachte opbrengst wordt gesproken over W/h in plaats van Wh. Je kunt je dus inderdaad afvragen of de bedenkers weten waar ze het over hebben. Voor mij is dit alleen al een reden om erg terughoudend te zijn over de claims. Dat neemt niet weg dat ik hoop ik heb ongelijk heb…
Heel duidelijke uitleg, enkel snel met de conclusie dat de blade hetzelfde is als een savonius turbine.
Ik zie wel wat de makers hebben willen bereiken. Namelijk dat de blade’s afhankelijk van de windrichting zo gedraaid staan dat zij de grootst roterende kracht geven aan het gehele draaiende mechanisme. Alsof het zeilen zijn waarmee een rondje wordt gevaren. Daarvoor zullen deze blades 180 graden moeten draaien waar het geheel 360 graden draait.
kromming van deze blades is daardoor niet mogelijk, of ze zouden dermate flexibel moeten zijn als ware het een zeil.
Je krijgt hierdoor met je blades naast drag (voor de wind) ook lift krachtmomenten (halve wind).
Of dit goed te construeren is weet ik niet (volgens is vorm van rotorbladen, zeil ook een belangrijke factor en die is hiermee beperkt)
In diverse rapporten die de regering heeft gepubliceerd, wordt vermeld dat de capaciteitsfactor van de windparken op de Noordzee minimaal 50% is. Dat halen ze nooit. Alleen als het specifiek vermogen van de windturbine veel lager wordt, alsmede het aantal MW/km2, is de Cf richting 50% te krijgen, het financiële rendement wordt dan ontzettend laag. Kleine windmolens hebben een kleine financiële impact, deze foute aanname kost ons als samenleving miljarden.