Verticale-aswindturbines: Een mondiaal perspectief op innovatie in hernieuwbare energie

Terwijl de wereld zoekt naar duurzame energieoplossingen, is windenergie een prominente speler geworden. Hoewel horizontale-aswindturbines (HAWT's) het landschap domineren, bieden verticale-aswindturbines (VAWT's) een aantrekkelijk alternatief met unieke voordelen en toepassingen, met name in stedelijke en decentrale opwekkingsscenario's. Dit artikel geeft een uitgebreid overzicht van de VAWT-technologie vanuit een mondiaal perspectief, waarbij het potentieel, de uitdagingen en de toekomstperspectieven worden onderzocht.

Wat zijn verticale-aswindturbines?

Verticale-aswindturbines hebben, zoals de naam al aangeeft, een rotoras die verticaal is opgesteld. In tegenstelling tot HAWT's, die op traditionele windmolens lijken en in de wind moeten worden gericht, kunnen VAWT's wind uit elke richting opvangen zonder dat ze opnieuw georiënteerd hoeven te worden. Dit omnidirectionele vermogen is een van hun belangrijkste onderscheidende kenmerken.

Typen VAWT's

VAWT's zijn er in verschillende ontwerpen, elk met zijn eigen reeks kenmerken:

• Darrieus-turbines: Deze worden gekenmerkt door gebogen bladen die lijken op een garde of een C-vorm. Darrieus-turbines staan bekend om hun hoge efficiëntie, maar hebben vaak externe energie nodig om te starten.
• Savonius-turbines: Deze turbines gebruiken luchtweerstand om te roteren en hebben schoepen of emmers die de wind vangen. Savonius-turbines zijn zelfstartend en robuust, maar over het algemeen minder efficiënt dan Darrieus-turbines. Ze worden gebruikt voor toepassingen met een lager vermogen.
• Giromill-turbines: Een variant van de Darrieus-turbine, giromills gebruiken rechte, verticale bladen. Ze bieden een balans tussen efficiëntie en eenvoud.
• H-rotor-turbines: Een type VAWT dat rechte bladen gebruikt die aan een centrale mast zijn bevestigd. Net als de Giromill zijn H-rotors relatief eenvoudig van ontwerp en kunnen ze efficiënt zijn.

Voordelen van verticale-aswindturbines

VAWT's bieden verschillende voordelen ten opzichte van traditionele HAWT's, wat ze aantrekkelijk maakt voor specifieke toepassingen:

• Omnidirectionele windacceptatie: VAWT's kunnen wind uit elke richting opvangen, waardoor er geen gier-mechanismen (systemen die de turbine in de wind richten) nodig zijn. Dit vereenvoudigt het ontwerp en vermindert het onderhoud.
• Lagere geluidsniveaus: VAWT's produceren over het algemeen minder geluid dan HAWT's, waardoor ze geschikter zijn voor stedelijke omgevingen en geluidsgevoelige gebieden.
• Schaalbaarheid: VAWT's kunnen worden verkleind voor kleinschalige toepassingen, zoals voor woningen of commerciële gebouwen, of worden opgeschaald voor grotere windparken.
• Esthetische aantrekkingskracht: Veel VAWT-ontwerpen zijn visueel aantrekkelijker dan HAWT's, waardoor ze acceptabeler zijn in stedelijke omgevingen. Sommige ontwerpen zijn zelfs geïntegreerd in de architectuur van gebouwen.
• Lagere startsnelheden van de wind: Sommige VAWT-ontwerpen, met name Savonius-turbines, kunnen bij lagere windsnelheden beginnen met het opwekken van stroom in vergelijking met HAWT's.
• Eenvoudiger onderhoud: De generator en de tandwielkast (indien aanwezig) bevinden zich doorgaans op grondniveau, wat onderhoud en reparatie vereenvoudigt in vergelijking met HAWT's, waar deze componenten hoog in de lucht zijn.
• Potentieel lagere milieueffecten: Sommige studies suggereren dat VAWT's een lagere impact kunnen hebben op vogels en vleermuizen, hoewel hier meer onderzoek naar nodig is.

Nadelen van verticale-aswindturbines

Ondanks hun voordelen hebben VAWT's ook bepaalde nadelen:

• Lagere efficiëntie: Over het algemeen hebben VAWT's een lagere aerodynamische efficiëntie in vergelijking met HAWT's. Dit betekent dat ze minder energie uit de wind halen voor een bepaalde rotorgrootte.
• Complexe aerodynamica: De aerodynamica van VAWT's kan complexer zijn dan die van HAWT's, wat de optimalisatie van het ontwerp een uitdaging maakt.
• Dynamische belasting: VAWT's ervaren meer cyclische belasting op hun bladen als gevolg van de variërende windomstandigheden die ze tijdens elke rotatie tegenkomen. Dit kan leiden tot vermoeidheid en een kortere levensduur.
• Beperkte grootte: Het opschalen van VAWT's tot de grootte van HAWT's op utiliteitsschaal brengt aanzienlijke technische uitdagingen met zich mee, met name wat betreft structurele integriteit en bladdynamica.
• Hogere kosten per kilowatt: Vanwege de complexiteit van het ontwerp en de lagere efficiëntie kunnen VAWT's soms hogere kosten per kilowatt geïnstalleerd vermogen hebben in vergelijking met HAWT's.

Wereldwijde toepassingen van verticale-aswindturbines

VAWT's worden wereldwijd in diverse toepassingen ingezet, wat hun veelzijdigheid en potentieel aantoont:

Stedelijke windenergie

Een van de meest veelbelovende toepassingen van VAWT's is in stedelijke omgevingen. Hun vermogen om wind uit elke richting te accepteren, lagere geluidsniveaus en esthetisch aantrekkelijke ontwerpen maken ze ideaal voor installatie op daken, langs wegen en in openbare ruimtes. Voorbeelden zijn:

• Woongebouwen: Kleine VAWT's kunnen worden geïntegreerd in woongebouwen om aanvullende stroom te leveren. Verschillende bedrijven bieden VAWT-systemen voor op het dak aan voor huiseigenaren.
• Commerciële gebouwen: Grotere VAWT's kunnen worden gebruikt om commerciële gebouwen van stroom te voorzien, waardoor hun afhankelijkheid van het elektriciteitsnet wordt verminderd.
• Straatverlichting: VAWT's kunnen worden gecombineerd met zonnepanelen om straatverlichting van stroom te voorzien, waardoor off-grid verlichtingsoplossingen ontstaan.
• Telecommunicatietorens: VAWT's kunnen stroom leveren aan telecommunicatietorens, met name op afgelegen locaties.

Voorbeelden zijn implementaties in steden als Londen (VK), New York (VS) en verschillende locaties in China, waar VAWT's worden getest en geïntegreerd in het stedelijk weefsel.

Decentrale opwekking

VAWT's zijn zeer geschikt voor decentrale opwekkingstoepassingen, waarbij stroom wordt opgewekt dicht bij het punt van verbruik. Dit vermindert transmissieverliezen en verhoogt de energiezekerheid. Voorbeelden zijn:

• Afgelegen gemeenschappen: VAWT's kunnen stroom leveren aan afgelegen gemeenschappen die niet zijn aangesloten op het elektriciteitsnet.
• Boerderijen en landbouwbedrijven: VAWT's kunnen worden gebruikt om boerderijen, irrigatiesystemen en andere landbouwactiviteiten van stroom te voorzien.
• Militaire bases: VAWT's kunnen back-upstroom leveren aan militaire bases en kritieke infrastructuur.
• Eilandstaten: VAWT's kunnen bijdragen aan de energieonafhankelijkheid van eilandstaten, waardoor hun afhankelijkheid van geïmporteerde fossiele brandstoffen wordt verminderd.

Landen met uitgestrekte afgelegen gebieden, zoals Australië, Canada en Rusland, verkennen actief de VAWT-technologie voor decentrale opwekking.

Hybride systemen

VAWT's kunnen worden geïntegreerd met andere hernieuwbare energiebronnen, zoals zonnepanelen en energieopslagsystemen, om hybride systemen te creëren die een betrouwbare en continue stroomvoorziening bieden. Voorbeelden zijn:

• Wind-zon hybride systemen: Het combineren van VAWT's met zonnepanelen kan een constantere stroomopbrengst opleveren, omdat wind- en zonnebronnen elkaar vaak aanvullen.
• Wind-diesel hybride systemen: In afgelegen gemeenschappen kunnen VAWT's worden gebruikt om de afhankelijkheid van dieselgeneratoren te verminderen, wat de brandstofkosten en emissies verlaagt.
• Microgrids: VAWT's kunnen worden geïntegreerd in microgrids, die een lokaal gebied van stroom voorzien en de energieveerkracht vergroten.

Veel onderzoeksprojecten wereldwijd richten zich op het optimaliseren van hybride systemen met VAWT's, zoals projecten in India, Afrika en Zuid-Amerika.

Onderzoek en ontwikkeling

Voortdurende onderzoeks- en ontwikkelingsinspanningen zijn gericht op het verbeteren van de efficiëntie, betrouwbaarheid en kosteneffectiviteit van VAWT's. Belangrijke onderzoeksgebieden zijn:

• Aerodynamische optimalisatie: Het ontwikkelen van nieuwe bladontwerpen en aerodynamische profielen om de energieopvang te verbeteren.
• Materiaalkunde: Het verkennen van nieuwe materialen die lichter, sterker en duurzamer zijn.
• Besturingssystemen: Het ontwikkelen van geavanceerde besturingssystemen om de prestaties van de turbine te optimaliseren en de belasting te verminderen.
• Computational Fluid Dynamics (CFD): Het gebruik van CFD-simulaties om de complexe aerodynamica van VAWT's beter te begrijpen en hun ontwerp te optimaliseren.
• Testen en validatie: Het uitvoeren van veldtesten om de prestaties van VAWT's in reële omstandigheden te valideren.

Onderzoeksinstellingen en universiteiten over de hele wereld, waaronder die in Denemarken, Duitsland, Nederland en de Verenigde Staten, zijn actief betrokken bij VAWT-onderzoek.

Casestudy's: Wereldwijde voorbeelden van VAWT-implementatie

Verschillende succesvolle implementaties van VAWT-technologie tonen het potentieel ervan aan:

• Het Garrad Hassan Building, Bristol, VK: Een verticale-aswindturbine werd geïnstalleerd op het dak van het Garrad Hassan-gebouw (nu onderdeel van DNV GL) om hernieuwbare energie voor het gebouw te leveren. Dit toonde de haalbaarheid van de integratie van VAWT's in stedelijke omgevingen.
• De Pearl River Tower, Guangzhou, China: Hoewel het niet strikt VAWT's waren die de hele toren van stroom voorzagen, waren geïntegreerde windturbines een ontwerpelement dat het potentieel voor in gebouwen geïntegreerde windenergie demonstreerde. Dit toont de wereldwijde interesse in het concept.
• Diverse off-grid installaties in Afrika: Verschillende projecten hebben VAWT's ingezet in afgelegen Afrikaanse gemeenschappen om stroom te leveren voor scholen, klinieken en huishoudens. Deze projecten benadrukken het potentieel van VAWT's voor decentrale opwekking in ontwikkelingslanden.
• Kleinschalige VAWT-installaties in Japan: Vanwege de beperkte ruimte en het complexe terrein heeft Japan VAWT's onderzocht voor residentiële en kleine commerciële toepassingen, wat hun aanpassingsvermogen in uitdagende omgevingen aantoont.

Uitdagingen en kansen

Ondanks hun potentieel staan VAWT's voor verschillende uitdagingen:

• Kostenconcurrentie: Het verlagen van de kosten van VAWT's is cruciaal om ze concurrerend te maken met HAWT's en andere hernieuwbare energiebronnen.
• Publieke perceptie: Het overwinnen van negatieve percepties over de efficiëntie en betrouwbaarheid van VAWT's is belangrijk voor een bredere acceptatie.
• Netintegratie: Ervoor zorgen dat VAWT's naadloos kunnen worden geïntegreerd in het elektriciteitsnet is essentieel.
• Standaardisatie en certificering: Het ontwikkelen van gestandaardiseerde test- en certificeringsprocedures voor VAWT's is nodig om vertrouwen in de technologie op te bouwen.

Er zijn echter ook aanzienlijke kansen:

• Groeiende vraag naar hernieuwbare energie: De toenemende wereldwijde vraag naar hernieuwbare energie creëert een gunstig klimaat voor VAWT's.
• Technologische vooruitgang: Voortdurende vooruitgang in materiaalkunde, aerodynamica en besturingssystemen verbetert de prestaties en betrouwbaarheid van VAWT's.
• Beleidsondersteuning: Overheidsbeleid en stimuleringsmaatregelen die hernieuwbare energie ondersteunen, bevorderen de acceptatie van VAWT's.
• Verstedelijking: De groeiende trend van verstedelijking creëert nieuwe kansen voor VAWT's in stedelijke omgevingen.

De toekomst van verticale-aswindturbines

De toekomst van VAWT's ziet er veelbelovend uit, met voortdurende onderzoeks- en ontwikkelingsinspanningen gericht op het verbeteren van hun prestaties, het verlagen van hun kosten en het uitbreiden van hun toepassingen. Naarmate de wereld overgaat naar een duurzamer energiesysteem, zullen VAWT's een steeds belangrijkere rol spelen bij het opwekken van schone, hernieuwbare energie, met name in stedelijke omgevingen en decentrale opwekkingsscenario's. Ze vertegenwoordigen een waardevol stuk van de wereldwijde puzzel voor hernieuwbare energie, als aanvulling op bestaande technologieën en bijdragend aan een meer gediversifieerde en veerkrachtige energietoekomst.

Belangrijke trends om in de gaten te houden

• In gebouwen geïntegreerde windturbines (BIWT): Toenemende integratie van VAWT's in gebouwontwerpen voor energieopwekking ter plaatse.
• Geavanceerde materialen: Gebruik van composietmaterialen en andere geavanceerde materialen om de bladsterkte te verbeteren en het gewicht te verminderen.
• Smart Grid-integratie: Ontwikkeling van slimme netwerktechnologieën om de integratie van VAWT's in het elektriciteitsnet te optimaliseren.
• Hybride hernieuwbare energiesystemen: Groei in de inzet van hybride systemen die VAWT's combineren met zonnepanelen en energieopslag.

Conclusie

Verticale-aswindturbines bieden een unieke en waardevolle benadering voor het benutten van windenergie. Hoewel ze horizontale-aswindturbines misschien niet volledig zullen vervangen, maken hun unieke eigenschappen ze een aantrekkelijke optie voor specifieke toepassingen, met name in stedelijke gebieden en decentrale opwekkingsscenario's. Met voortdurend onderzoek, ontwikkeling en ondersteunend beleid zijn VAWT's klaar om een belangrijke rol te spelen in de wereldwijde overgang naar een schonere en duurzamere energietoekomst. Terwijl wereldwijde gemeenschappen proberen hun ecologische voetafdruk te verkleinen en de energiezekerheid te vergroten, staat de VAWT-technologie als een waardevol instrument in de strijd tegen klimaatverandering.