Energietransitie

Laat windmolens tegen de klok in draaien, dat levert meer energie op

Beeld Julia Gazenbeek

Moderne windmolens draaien allemaal met de klok mee. Voor het rendement van een windmolenpark is tegen de klok in draaien beter. Op het noordelijk halfrond tenminste.

De wind waait waarheen hij wil, tot hij een machine tegenkomt die hem zijn energie ­afpakt. Tegenwoordig zijn dat geen houten ­molens meer, maar enorme turbines, rij na rij in windparken, met wieken die meer op gedraaide vliegtuigvleugels lijken, met grote precisie gevormd om zoveel mogelijk windvermogen in elektriciteit om te zetten.

Des te verbazender is het, dat het meest voor de hand liggende aspect van windturbines het resultaat is van historische toevalligheden: van voren gezien, met de wind in de rug dus, draaien ze steevast met de klok mee. En dat zou wel eens net de verkeerde kant op kunnen zijn als het gaat om windparken op het noordelijk halfrond, volgens een onderzoek dat eerder deze maand werd gepresenteerd op de jaarvergadering van de European Geosciences Union – vanwege de coronacrisis alleen online.

Een artikel met de resultaten is aangeboden aan – maar nog niet geaccepteerd door – het vakblad Wind Energy Science. Naar de invloed van de draairichting was ­natuurlijk al eerder gekeken, en van verschil was nooit iets gebleken. Maar daarbij waren dan steeds individuele molens onder de loep genomen.

Computermodel

Onderzoekers van het Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), de University of Colorado en het National Renewable Energy Laboratory in Golden, Colorado bedachten dat het wel degelijk uit zou kunnen maken voor molens die achter elkaar in een windpark staan. In een computermodel simuleerden ze de luchtstromingen en krachten rond een windturbine die links- of rechtsom draait, en berekenden het mogelijke effect op een tweede turbine benedenwinds.

Overdag, zo concludeerden ze, maakt het inderdaad niets uit. Maar ‘s nachts viel er voor turbine twee een hoop te winnen: het opgewekte vermogen zou tot maar liefst 23 procent hoger kunnen zijn als je de bovenwindse turbine tegen de klok in laat draaien. Dat verschil tussen dag en nacht ontstaat, doordat de onderste paar honderd meter van de atmosfeer overdag doorgaans door de zon flink door elkaar wordt geroerd. Lucht die aan de grond is opgewarmd wervelt daar omhoog en afgekoelde lucht valt weer omlaag.

In zo’n turbulente grenslaag is de windsnelheid overal hetzelfde. Een wiek van een windturbine ondervindt dezelfde kracht, of hij nu boven of onder draait. ’s Nachts, als de grond is afgekoeld, is dat vaak anders. De grenslaag stabiliseert en de wind past zich daarop aan. De lucht stroomt langzamer bij de grond, waar wrijving is met planten op land en golven op zee, en sneller naarmate je hoger komt, waar van die wrijving steeds minder te merken is. De wieken ondervinden dus de meeste windkracht als ze bovenaan zijn.

Coriolis-effect

Bij een moderne, hoge windturbine met zijn enorme wieken is dat verschil in windsnelheid zo groot, dat een tweede bijzonder effect toeslaat: de stromende lucht wordt uit de koers geduwd door de draaiing van de aarde. Dat ‘Coriolis­­-effect’ doet op het noordelijk halfrond de wind ruimen, een beetje naar rechts draaien. Daardoor ontmoet een wiek die in zijn laagste stand een westenwind tegenkomt, als hij bovenaan arriveert een iets noordwestelijker wind. Op het zuidelijk halfrond gaat het de andere kant op.

Dat ‘ruimen met de hoogte’ is wat de ene draairichting van een windturbine superieur lijkt te maken aan de andere, zegt Antonia Englberger van DLR. Dat komt doordat die draaiing van de wind met hoogte een gunstige of ongunstige invloed kan hebben op het zog van de windmolen, de vertraagde en verstoorde luchtstroming achter de wieken.

Hoe dat zog zich kan ontwikkelen, is belangrijk voor het vermogen dat de benedenwindse turbine opwekt. De turbulent wervelende lucht wordt ingehaald en aangeduwd door de stabiele stroming eromheen, die de molen niet heeft geraakt, zodat zijn snelheid weer toegenomen is tegen de tijd dat hij een volgende molen tegenkomt.

Tegengestelde reacties

Cruciaal voor het onderzoek van Englberger en collega’s is dat de wieken van de eerste molen het zog ook een draaiing meegeven, in de tegengestelde richting. Dat is een kwestie van actie en reactie. Als de wind ­tegen een wiek aankomt, gaat die naar links als hij door zijn vorm de lucht naar rechts doet afbuigen, en omgekeerd. Bij de gebruikelijke draairichting van wieken, met de klok mee, draait het zog dus tegen de klok in. De bovenkant naar links, de onderkant naar rechts. Maar dat past net niet lekker bij de met de hoogte ruimende wind op het noordelijk halfrond. Die waait immers op grotere hoogte juist iets meer naar rechts. Het zog wordt daardoor verstoord, en gaat op de lange duur zelfs de andere kant op draaien.

Bij tegen de klok in draaiende wieken gaat het veel beter en blijft het zog over langere afstand intact. En in dat laatste geval lukt het de omringende stabiele wind veel beter om de lucht in het zog weer op snelheid te brengen. De benedenwindse turbine maakt daar dankbaar gebruik van. Een verbetering van 23 procent is natuurlijk het allerbeste geval dat uit de modelberekeningen kwam rollen. In de praktijk zal de winst bescheidener zijn, afhankelijk van de weersomstandigheden, de plaatselijke topografie, de posities van de turbines en de wind zelf.

Waar het om gaat, zegt Englberger, is te laten zien dat de draairichting iets is waar je misschien rekening mee moet houden bij het ontwerp van windparken.

Gespiegeld

Of er over een paar jaar op het noordelijk halfrond opeens windmolens verschijnen die tegen de klok in draaien, hangt af van de te ­behalen winst en de kosten van het ombouwen van de windturbinefabrieken. Want het is niet met een paar ­gespiegelde wieken bekeken; zo’n beetje alle elementen van een windturbine zijn gefabriceerd met als uitgangspunt de krachten die met de klok meedraaiende wieken uitoefenen.

Daar komt nog bij dat het huidige ontwerp hoe dan ook het beste zal zijn voor het zuidelijk halfrond. En daar staat nu nog maar 4 procent van het wereldwijd opgestelde vermogen.

Rechtshandige molenbouwers?

Voor hetzelfde geld hadden de molens op het noordelijk halfrond allemaal in de betere richting gedraaid: tegen de klok in. Want dat is ook de richting waarin de traditionele molens in Europa draaien. Voor die molens maakt het geen verschil als de wind ’s nachts draait met hoogte, daarvoor zijn ze te klein. Wat dan wel de reden is voor die hardnekkige keuze, daarover wordt in molenaarskringen en daarbuiten al jaren gediscussieerd.

Een van de theorieën is dat het hout van een boomstam, omdat de zon er elke dag omheen draait, tijdens de groei een lichte spiraalvorm krijgt, de wrong. Als je zo’n stam gebruikt als as, zullen de wieken de spiraal uit elkaar proberen te draaien of juist vaster aandraaien, afhankelijk van de draairichting. Het laatste is natuurlijk beter, het voorkomt scheuren. En dat is de tegen-de-klokrichting.

Een ­andere verklaring, die meer aanhang heeft, is dat de bouwers en gebruikers van de molens in meerderheid rechtshandig waren. Een molenwiek bestaat uit roeden waar een hekwerk op is bevestigd. Bij het bouwen daarvan was het gemakkelijker om de heklatten van de naar beneden staande wiek naar links aan de roeden te bevestigen. Is de molen eenmaal in gebruik, dan moet de molenaar in de wiek klimmen om de op de roede bevestigde zeilen op- of uit te rollen en ook dat is voor de meesten gemakkelijker als het met de rechterhand kan gebeuren. Met het hekwerk in die stand duwt de wind de wieken tegen de klok in rond.

Voor de eerste windturbines werd automatisch ook die richting gekozen. Maar omdat het voor de aerodynamica niet uit leek te maken, koos een van de ontwerpers van het eerste uur, de Deen Erik Grove-Nielson, in 1978 voor draaien met de klok mee. Dat onderscheidde zijn product van de concurrentie. Bedrijven­­ die voor zijn ontwerp kozen en erop voortbouwden, werden uiteindelijk marktleider.

Lees ook:

Windmolens blijven een graat in de keel - ook voor groene provinciebesturen

De afgelopen maanden verschenen in alle provincies veelbelovende coalitieakkoorden, het ene nog groener dan het andere. Maar daaruit blijkt één ding: de worsteling met windmolens gaat komende jaren door.

Meer over

Wilt u iets delen met Trouw?

Tip hier onze journalisten

Op alle verhalen van Trouw rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright@trouw.nl.
© 2020 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden