Elektriciteit uit wind

Windenergie is de kinderziektes ontgroeid. Windturbines die de kinetische energie van de wind omzetten in elektriciteit met generatoren van 500 kilowatt en meer maken gebruik van bewezen technologie en hebben de kosten van windenergie aanzienlijk verlaagd. Gedreven door een marktvraag naar grotere turbines is een technologie ontwikkeld voor machines met een nominaal vermogen van drie tot vijf megawatt.

Denemarken heeft zich tot doel gesteld om 50 procent van de elektriciteitsproductie uit windenergie te betrekken. Als gevolg daarvan is een ontwikkeling op gang gekomen voor windparken op zee. Behalve Denemarken hebben ook Nederland, het Verenigd Koninkrijk en Zweden ervaring opgedaan met windparken net uit de kust (de zo geheten near-shore windparks), gebaseerd op bestaande technologie van de windturbine-industrie en van aannemers voor de civiele techniek en offshore.

Een windturbine is een gecompliceerd apparaat waarin de nieuwste kennis op gebied van aerodynamica, werktuigbouwkunde en elektrotechniek samenkomt. De rotor onttrekt kinetische energie aan de wind en zet die om in een draaiende beweging, die vervolgens door een generator wordt omgezet in elektrische energie. De hoeveelheid energie in de luchtstroom hangt af van de windsnelheid (tot de derde macht). De windsnelheid waarbij de turbine zijn nominale vermogen begint te leveren, wordt de nominale windsnelheid genoemd. Bij een hogere windsnelheid moeten de bladen van de rotor meer in de wind gedraaid worden om mechanische of elektrische overbelasting te voorkomen. Wanneer de bladen nog verder in de wind gedraaid worden treedt overtrek op (stall in het Engels) waardoor het draaimoment op de rotor sterk vermindert en de remmende weerstand toeneemt. Bij een goed ontwerp komen de bladen bij hoge windsnelheid automatisch in overtrek terecht zonder tussenkomst van een regeling.

In de huidige windturbines zijn drie verschillende typen generatoren gangbaar. Het Deense type, zo genoemd omdat de meeste Deense turbines op die manier werken, maakt gebruik van een versnellingsbak om het toerental van de rotor op te werken voor de aandrijving van de (inductie)generator. Bij de inductiegenerator (in de industrie bekend als ‘squirrel cage’ of eekhoornkooi generator) loopt de rotor (het roterende deel) altijd iets achter bij het roterende magnetische veld dat aangeboden wordt door de stator (het omhullende vaste deel van de generator). Die achterstand of ‘slip’ varieert een beetje met het geleverde vermogen. Desondanks gaat men ervan uit dat dit type generator met constante snelheid draait.

Zo’n constante-snelheid turbine is relatief eenvoudig qua ontwerp, robuust van constructie en daardoor betrouwbaar in bedrijf. Nadelen zijn het ontbreken van een regeling voor actief en reactief (blind) vermogen en de grote fluctuaties in het geleverde vermogen bij wisselende windsterkte omdat er geen energiebuffer voorhanden is in de vorm van een grote roterende massa. Een ander zwak punt in het ontwerp is de versnellingsbak die erg te lijden heeft onder de wisselende windkracht en variërende torsie op de aandrijfas.

Een ander veelgebruikt concept is de dubbel gevoede inductiegenerator. Bij dit type generator heeft zowel de stator als de rotor  een driefasenwikkeling, waarmee door aansluiten van een driefasenspanning  een draaiveld kan worden opgewekt. De rotorwindingen worden vanuit het elektriciteitsnet gevoed door een elektronische vermogensomzetter. Die compenseert het verschil tussen het toerental van de rotor en de netfrequentie (de ‘slip’ bij het Deense type) door een rotorstroom aan te bieden met een variabele frequentie. Het toerental en de wisselstroomfrequentie zijn hierdoor feitelijk ontkoppeld. Dat maakt het binnen bepaalde grenzen mogelijk om het toerental van de rotor te variëren teneinde de geluidsoverlast te beperken of om het elektrische vermogen te maximaliseren. In praktijk wordt de vermogenselektronica vooral gebruikt om het blindvermogen te beheersen. De stand van de bladen regelt het inkomende vermogen van de wind.

Het meest recente concept is dat van de rechtstreeks aangedreven (direct drive) windturbine zonder versnellingsbak. De omzetting van mechanische naar elektrische energie gebeurt hier met een synchrone generator met meerdere polen die geschikt is voor lage snelheden. De rotor kan windingen bevatten of permanente magneten. De windingen van de stator zijn niet direct aan het elektriciteitsnet verbonden, maar via vermogenselektronica. Hierdoor kan de turbine met variabele snelheid bedreven worden terwijl het windvermogen geregeld wordt via de stand van de bladen.

Doordat vermogenselektronica goedkoper en betrouwbaarder is geworden, valt te verwachten dat windturbines met variabele snelheid de toekomst hebben. Variabele snelheid biedt namelijk de mogelijkheid om voor iedere windsnelheid de optimale rotorsnelheid in te stellen, waardoor er meer energie aan de wind onttrokken kan worden dan met een turbine die op een constant toerental draait. Dat verschil is groter dan de verliezen die optreden in de vermogenselektronica.

De afweging tussen een dubbel gevoede of een direct drive generator is gecompliceerd. Bij de dubbel gevoede generator hoeft de vermogenselektronica slechts een derde van het nominale vermogen aan te kunnen (wat scheelt in de kosten), maar er is nog wel een kwetsbare versnellingsbak nodig. De direct drive heeft geen versnellingsbak, maar de generator zelf is groter en duurder en de vermogenselektronica moet zwaarder worden uitgevoerd.