Draaien zonder tandwielkast

Onrustig draaien acht blauwe windmolens langs het Noordhollands Kanaal bij Petten hun rondjes. De masten vertonen hier en daar een roestplek, één windmolen is onthoofd. Het rijtje Lagerwey's is uniek in Nederland. Meer en meer verdwijnen de karakteristieke molens uit het landschap en maken ze plaats voor een driebladige variant. "Tweebladige molens maken meer geluid dan driebladige molens en ze geven een onrustiger beeld", zegt Henk Lagerweij, tot 2003 directeur van Lagerwey Windturbines en nu eigenaar van ingenieursbureau Lagerwey Wind in Barneveld.

De keus voor twee bladen was destijds vooral ingegeven door de lagere fabricagekosten, aldus Lagerweij. "Als windturbinebouwer sta je onder enorme druk om steeds grotere molens te bouwen. Om te kunnen concurreren tegen de lage energieprijzen van die tijd, bracht ik daarom in 1985 deze 80 kilowattmolen met twee bladen op de markt."

Bijna tien jaar later komt er vanuit de markt echter steeds meer vraag naar driebladige molens en ook Lagerweij gaat in 1995 om. Hij maakt van de gelegenheid gebruik om een "compleet nieuw concept" op de markt te brengen, de 750 kilowattmolen. De grootste verandering zit in het turbinehuis. "Ik vond dat ik op moest houden met het gebruik van tandwielkasten, die de draaiende beweging van de molen versnellen. Windmolens werden steeds groter en hoe groter de molen, hoe kwetsbaarder de tandwielkast. In plaats daarvan paste ik de zogenaamde direct-drivetechniek toe, waardoor de generator direct door de rotor wordt aangedreven, zonder tussenkomst van een tandwielkast."

Die verandering is aan de buitenkant van de molen goed zichtbaar. Het blauwe, vierkante bakje bovenop de mast heeft plaatsgemaakt voor een grote, verticale schijf direct achter de rotor: de generator. "Omdat je geen tandwielkast gebruikt, moet je een zogenaamde langzaam draaiende generator toepassen", legt Lagerweij uit. "In het algemeen geldt dat een langzame generator veel groter moet zijn dan zijn snelle broertje, wil hij hetzelfde vermogen op kunnen wekken."

Minder onderhoud

Lagerwey Windturbines was samen met de Duitse bouwer Enercon destijds de enige die deze stap aandurfde. "Sterke kant van de direct-drivetechnologie is de eenvoud", zegt Theo de Lange, unitmanager windenergie bij Energieonderzoek Centrum Nederland (ECN) in Petten. "Het ontbreken van de tandwielkast betekent simpelweg minder onderhoudsgevoelige onderdelen. Iets wat er niet in zit, kan ook niet kapot. Zeker op zee is dat een groot voordeel."

Welke techniek uiteindelijk de overhand krijgt in windenergieland, kan De Lange niet zeggen. "De verbetering van de tandwielkasten gaat nog volop door. Toch is het ontwikkelperspectief van direct-drive veel groter. Je ziet dat vooraanstaande fabrikanten deze techniek niet oppakken, omdat ze veel te druk zijn met het produceren en verbeteren van hun huidige modellen." Dat diverse Nederlandse fabrikanten zich nu op direct-drive storten, juicht hij daarom sterk toe. "Ik denk dat de tijd rijp is voor een grootschalige fabriek in ons land. Als je iets nieuws wilt opstarten, moet je het nu doen."

Dit is het derde deel in een serie over windenergie

Een tweede leven

De tweewiekige Lagerweymolens die uit Nederland verbannen worden, beginnen steeds vaker een tweede leven in het buitenland. Vooral in landen als Canada en India vinden de opgeknapte molens gretig aftrek. "Het geeft aan dat er in die landen markt is voor kleine turbines van pakweg 80 tot 300 kilowatt", zegt Theo de Lange van ECN. "De kosten van deze turbines zijn relatief laag en kunnen daar gemakkelijk terugverdiend worden, zelfs zonder subsidie."

Het Nederlandse bedrijf Wind Energy Solutions (WES) in Zijdewind springt op deze vraag in neemt het meer dan twintig jaar oude ontwerp van Lagerweij nagenoeg ongewijzigd weer in productie. Bijzonder aan de tweewiekige Lagerweymolen is dat de bladen scharnierend aan de naaf zijn verbonden, aldus Bart Roorda van Polymarin, het bedrijf dat de bladen voor WES gaat produceren. "Bij een normale molen treden op de plaats waar de bladen aan de naaf bevestigd zijn grote krachten op. Door de bladen scharnierend aan de naaf te bevestigen, verdwijnen deze krachten. De middelpuntvliedende kracht zorgt ervoor dat de bladen toch nagenoeg recht blijven als de molen draait."

Ook de manier waarop de wieken zichzelf in de wind draaien, maakt de kleine Lagerweymolen uniek. "Tegenwoordig maken we bij de grote molens gebruik van actieve bladregeling. Dat betekent dat we de stand van de bladen zo aanpassen aan de windsnelheid, dat de molen de windenergie zo effectief mogelijk omzet in elektrische energie. Bij harde wind kunnen we de bladen bijvoorbeeld zo zetten dat de molen iets zachter gaat draaien. Lagerweij kwam echter met het idee van passieve bladhoekregeling. De doorsnede van de bladen is zo ontworpen dat ze zichzelf op elk punt tijdens een omwenteling in de meest optimale stand zetten. Daardoor bevat de molen aanzienlijk minder componenten en is hij dus minder gevoelig voor onderhoud en een stuk goedkoper."

Dat huidige molenproducenten deze "schitterende technologie" niet gebruiken bij hun grote ontwerpen, heeft er volgens Roorda mee te maken dat het ontwerp "toch wat kritisch is." "Je kunt het proces moeilijk zelf in de hand houden."

Onderzoekscentrum ECN onderzoekt of ze de bladen van grote offshore turbines actief én individueel gedurende een omwenteling meerdere malen kunnen verstellen. De Lange: "Nu is het bij actieve bladhoekverstelling zo dat de bladen allemaal tegelijkertijd versteld worden en dat ze gedurende een omwenteling altijd in dezelfde stand staan. Als het blad langs de mast komt, is de belasting anders dan wanneer hij bovenaan staat. Door de bladen elke omwenteling individueel te draaien, kun je de opbrengst verhog en en de belastingen op de bladen reduceren."

Edel handwerk

Het maken van rotorbladen is een ambacht. Het kost niet minder dan 350 manuren om een blad van ruim 25 meter in elkaar te zetten. Geen wonder dat de helft van de productiekosten -25.000 tot 30.000 euro- opgaat aan arbeidsloon. Maar het proces automatiseren is voorlopig niet aan de orde. Geen enkele machine kan een blad binnen deze tijd en tegen deze kosten produceren, aldus rotorbladenfabrikant Polymarin.

Het proces begint met het maken van de dragende constructie, de gording, waarvan de doorsnede de vorm van een I heeft. "Deze balk moet alle krachten opvangen", aldus Marco de Haan, hoofd van de productieafdeling bij rotorbladenfabrikant Polymarin. "Je moet er dus voor zorgen dat de rest van het blad -dat belangrijk is voor de aerodynamische eigenschappen- geen spanningen aantrekt. Oftewel: de gording moet zo stijf mogelijk zijn en het zogenaamde vormdeel zo elastisch mogelijk."

Polymarin krijgt dit voor elkaar door te spelen met de richting van de glasvezels waaruit het blad is opgebouwd. "De glasvezels in de balk liggen in de lengte van het blad", demonstreert De Haan als hij de vezels over een mal trekt. "Voordat we ze in de mal leggen, gaan ze door een bak met tweecomponentenhars. Voor elke boven- en onderkant van de I-balk trekken we zo tachtig bundels glasvezel over de mal."

Na het uitharden van de hars leggen de werknemers van Polymarin de boven- en de onderkant van de balk in twee mallen die beide één helft van de wiek vormen. Deze mal leggen ze vervolgens vol met glasvezelmatjes. "De vezels van deze matjes leggen we niet in de lengte van het blad, maar onder een hoek van 45 graden", aldus De Haan. "Bovendien maken we voor een groot deel van het blad gebruik van een zogenaamde sandwichconstructie: twee dunne lagen glasvezelversterkt kunststof met daartussen een polymeerschuim."

Als alle glasvezel- en polymeerschuimmatjes op hun plaats liggen, wordt de mal toegedekt met een folie. Vervolgens zuigt Polymarin alle lucht uit de glasvezels en laat het deze volstromen met hars. Binnen een halfuur zitten beide bladhelften vol met zo'n 600 liter hars. Zodra ze voldoende uitgehard zijn, monteert de producent in één ervan het staande deel van de I-balk en lijmt hij beide delen aan elkaar. Een hogetemperatuurbehandeling zorgt ervoor dat het blad verder uithardt.

Een groot deel van de tijd zit in de afwerking van het blad. "Binnen twee uur kort een machine het begin van het blad af en boort er tientallen gaten in, waardoor het blad aan de rotornaaf bevestigd kan worden", aldus De Haan. "Na het afwerken van het bladoppervlak worden de bladen met de hand geverfd. Een van de laatste stappen is het samenstellen van een drietal bladen die we door het toevoegen van verzwaarde hars uitbalanceren zodat het zogenaamde statisch moment van de drie bladen exact gelijk is."

Het produceren van rotorbladen is precisiewerk. Toch zijn ze volgens De Haan zo eenvoudig te maken dat Polymarin van plan is de productie uit te besteden aan lagelonenlanden, zeker als het om massaproductie gaat. "Als het gereedschap maar goed is. Het maken van de mallen en de nulseries blijft daarom in Nederlandse handen."

Regelen met generator

Het hebben van de grootste windturbine ter wereld, is voor grote windmolenbouwers al lang niet meer speerpunt nummer één. Hun belangstelling gaat steeds meer uit naar het middensegment, de megawattklasse. Ook de Nederlandse bouwer Emergya Wind Technologies (EWT) mikt hierop en bouwt voort op de 750 kilowattmolen waarmee Lagerwey in 1995 naam maakte. EWT ziet voor deze molen niet alleen markt in gebieden waar de toegankelijkheid beperkt is, maar ook in Nederland. "Grote windturbines ondervinden in Nederland steeds meer weerstand. Ik verwacht dat deze megawatters 15 procent van de mondiale markt voor hun rekening zullen nemen", zegt Bart Roorda, directeur van rotorbladenbouwer Polymarin, die 80 procent van zijn wieken verkoopt aan EWT.

EWT gebruikt net als Lagerwey geen tandwielkasten, maar geeft aan de technologie een eigen draai, waardoor de molens zich volgens Roorda onderscheiden van andere direct-drivemachines. "Iedere direct-drivegenerator bevat een ring met magneten en daaromheen een ring met koperen spoelen. De eerste ring zit vast aan de naaf en draait dus mee met de wieken, de tweede blijft op z'n plaats. Zodra de magneten gaan bewegen, wekken ze een elektrische stroom op in de spoelen. Het bijzondere van de techniek die EWT toepast, is dat ze geen permanente magneten gebruiken zoals iedereen die kent, maar elektromagneten, componenten die zich gedragen als een gewone magneet zodra er een elektrische stroom door loopt."

Voordeel van het toepassen van elektromagneten is volgens Roorda niet alleen dat ze beter regelbaar zijn, maar ook dat de draaisnelheid van de molen niet alleen geregeld kan worden door de bladen te draaien, maar ook door de generator te regelen. "Hoe meer stroom er door een elektromagneet loopt, hoe sterker het magnetisch veld is en hoe langzamer de molen draait. Oftewel: het koppel is groter. Gevolg is dat de generator meer stroom levert, terwijl hij langzamer draait. Vergelijk het met een boormachine van 100 watt. Als deze onbelast draait, verbruikt hij geen 100 watt. Zodra je echter boort, gaat het verbruik omhoog en draait de boor langzamer."

Natuurlijk kan de stroom in de elektromagneten niet onbeperkt opgevoerd worden. Het koppel zou dan zo groot worden, dat de molen stil zou staan. "Voor het beste rendement is het daarom altijd zoeken naar de optimale combinatie van toerental en koppel", aldus Roorda. "Bij dat optimum haal je de meeste energie uit de wind."

Ontworpen voor zee

"Foto's maken van het productieproces? Nee, nee, gevoelige informatie. Voor je het weet, gaat de concurrent ermee aan de haal." Toch wil Michael Malik van Harakosan, een Japanse windmolenbouwer met een vestiging in Den Helder, niet op z'n geweten hebben dat een fotograaf van het Reformatorisch Dagblad voor niets naar de marinestad is afgereisd. Na wat telefoontjes: "Goed, je mag foto's maken vanaf het kantoor op de eerste verdieping, vanachter glas."

De windmolenmarkt is heet, zo blijkt in Den Helder. De diverse bouwers in Nederland proberen zich met kleine variaties op de direct-drivetechnologie te onderscheiden van de concurrent. Toch betwijfelt Hans Duivenvoorden, manager windenergie bij Ecofys, of zulke variaties op de foto te zien zijn. "Econcern, waar ook Ecofys onder valt, laat zijn DarwinD-molens door Harakosan produceren. Maar volgens mij zien alle direct-drivemolens er nagenoeg hetzelfde uit."

Harakosan bouwt voort op de 2 megawattturbine die voor Lagerwey Windturbines een maat te groot bleek. DarwinD gaat nog een stap verder en is bezig met de ontwikkeling van een 4,5 megawattwindmolen, speciaal ontworpen voor gebruik op zee. Belangrijk verschil met de molens van EWT is dat beide merken gebruikmaken van permanente magneten, aldus Duivenvoorden. "Hierdoor is de turbine lichter en efficiënter. Toegegeven: het scheelt niet veel, hooguit een paar procent, maar alle beetjes helpen."

Ook met de generator onderscheiden Harakosan en DarwinD zich van de concurrent. "Onze generatoren leveren een wat hogere spanning dan die van de concurrent, zogenaamde middenspanning in plaats van laagspanning. Hierdoor treden er bij het transport van elektriciteit minder verliezen op. Zeker als de afstanden tot het elektriciteitsnet groot zijn -en dat is bij wind op zee vaak het geval- is dat een voordeel."

Voor Duivenvoorden is het belangrijk dat de productie van de windmolens in Nederland blijft. "Je moet hier niet alleen kennis opbouwen maar die ook toepassen in je eigen producten. Doe je dat niet, dan verdwijnt met de bedrijven ook de kennis een keer uit Nederland en is onze rol in de windenergiesector uitgespeeld."

Deze tekst is geautomatiseerd gemaakt en kan nog fouten bevatten. Digibron werkt voortdurend aan correctie. Klik voor het origineel door naar de pdf. Voor opmerkingen, vragen, informatie: contact.

Op Digibron -en alle daarin opgenomen content- is het databankrecht van toepassing. Gebruiksvoorwaarden. Data protection law applies to Digibron and the content of this database. Terms of use.

Printen