Wind energie is booming in de VS; de natie hernieuwbare energiecapaciteit is meer dan verdrievoudigd in de afgelopen negen jaar, en wind-en zonne-energie zijn grotendeels verantwoordelijk. Nu willen bedrijven nog meer windenergie benutten, tegen een lagere prijs – en een van de beste manieren om de kosten te verlagen is grotere turbines te bouwen. Daarom ontwerpt een samenwerkingsverband van zes instellingen onder leiding van onderzoekers van de Universiteit van Virginia ’s werelds grootste windturbine van 500 meter hoog – bijna een derde van een mijl hoog, en ongeveer 57 meter hoger dan het Empire State Building.

Turbines zijn al merkbaar groter dan ze 15 of 20 jaar geleden waren. De grootte varieert, maar de typische windmolenparken van vandaag zijn ongeveer 70 meter hoog, met wieken van ongeveer 50 meter lang. Hun vermogen hangt af van de grootte en de hoogte, maar ligt doorgaans tussen één en vijf megawatt. In het hoogste segment is dat genoeg om ongeveer 1100 huizen van stroom te voorzien. “Een van de redenen waarom reuzenturbines rendabeler zijn, is dat de wind op grotere hoogte sterker en constanter waait. Daardoor “vang je meer energie” met een hogere structuur, zegt Eric Loth, projectleider van het reuzenturbineproject, dat wordt gefinancierd door het Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E) van het Amerikaanse ministerie van energie.

Een andere reden waarom winddeskundigen zeggen dat groter beter is: langere turbinebladen vangen de wind ook efficiënter, en hogere torens maken langere bladen mogelijk. Het vermogen van een turbine is direct gerelateerd aan het “slagoppervlak” – het cirkelvormige gebied dat door de rotatie van de bladen wordt bestreken – legt Christopher Niezrecki uit, een professor werktuigbouwkunde en directeur van het Centrum voor Windenergie aan de Universiteit van Massachusetts Lowell. En deze relatie is niet lineair – als de lengte van de wieken verdubbelt, kan een systeem vier keer zoveel energie produceren, legt Niezrecki uit. Hij merkt op dat grotere turbines ook een lagere “cut-in” snelheid hebben, de windsnelheid waarbij ze kunnen beginnen met het opwekken van energie.

Loth’s team wil een 50-megawatt systeem ontwerpen met bladen van 200 meter lang, veel groter dan de huidige windturbines. Als de onderzoekers daarin slagen, denken ze dat de turbine tien keer krachtiger zou zijn dan de bestaande apparatuur. Maar de wetenschappers zijn niet van plan om conventionele ontwerpen simpelweg te vergroten; ze veranderen de structuur van de turbine fundamenteel. De ultragrote machine zal twee bladen hebben in plaats van de gebruikelijke drie, waardoor het gewicht van de structuur wordt verlaagd en de kosten worden gedrukt. Loth zegt dat het verminderen van het aantal bladen normaal gesproken een turbine minder efficiënt zou maken, maar zijn team maakt gebruik van een geavanceerd aërodynamisch ontwerp dat dit verlies volgens hem grotendeels compenseert.

Het team ziet deze gigantische constructies ook op minstens 80 kilometer uit de kust staan, waar de winden meestal sterker zijn en waar mensen op het land ze niet kunnen zien of horen, aldus Loth. Maar krachtige stormen treffen dergelijke plaatsen aan de Amerikaanse oostkust in de Atlantische Oceaan, bijvoorbeeld, dus het team van Loth stond voor de tweestrijd om iets massiefs te maken dat ook relatief licht is en nog steeds bestand is tegen orkanen. Om het probleem aan te pakken, keken de onderzoekers naar een van de ontwerpoplossingen van de natuur zelf: palmbomen. “Palmbomen zijn erg hoog maar structureel erg licht, en als het hard waait kan de stam buigen”, zegt Loth. “We proberen hetzelfde concept te gebruiken – om onze windturbines zo te ontwerpen dat ze enige flexibiliteit hebben, dat ze kunnen buigen en zich kunnen aanpassen aan de stroming.”

In het ontwerp van het team bevinden de twee bladen zich benedenwinds van de toren van de turbine, in plaats van bovenwinds zoals bij traditionele turbines. De bladen veranderen ook van vorm naargelang de windrichting, zoals bij een palmboom. “Als de bladen naar benedenwinds buigen, hoef je ze niet zo zwaar of sterk te bouwen, dus kun je minder materiaal gebruiken”, legt Loth uit. Dit ontwerp vermindert ook de kans dat sterke wind een draaiende wieken naar de toren zal buigen, waardoor de hele constructie zou kunnen instorten. “De bladen passen zich aan hoge snelheden aan en beginnen zich in te vouwen, zodat er minder dynamische krachten op komen te staan”, zegt Loth. “We willen graag dat onze turbines winden van meer dan 253 kilometer per uur aankunnen” in niet-operationele omstandigheden. Boven een windsnelheid van 80 tot 95 kilometer per uur zou het systeem uitschakelen en zouden de bladen weg van de wind buigen, zodat ze bestand zouden zijn tegen hevige rukwinden, voegt Loth eraan toe.

De 500-meter turbine staat nog steeds voor uitdagingen – er zijn goede redenen waarom nog niemand er een heeft gebouwd die in de buurt van deze grootte komt: “Hoe maak je 200-meter bladen? Hoe zet je ze in elkaar? Hoe zet je zo’n hoge toren op? Hijskranen gaan maar tot een bepaalde hoogte. En bij offshore-windenergie komen daar nog complicaties bij”, aldus Niezrecki. Het ontwerp van het team omvat een gesegmenteerd blad dat ter plaatse in stukken kan worden geassembleerd, maar Niezrecki merkt op dat de windindustrie nog niet helemaal heeft uitgevonden hoe de bladen moeten worden gesegmenteerd. “Er zijn veel onderzoeksvragen die moeten worden beantwoord,” zegt hij. “Het is zeker een groot risico, maar er is ook een potentieel voor hoge beloning. Ik denk niet dat die problemen onoverkomelijk zijn.” Hall vraagt zich ook af of zo’n enorme turbine wel de optimale grootte heeft. “We komen er steeds meer achter dat groter beter is. De vraag is alleen: hoeveel groter? We moeten de juiste plek vinden”, zegt hij. “We gaan veel leren van dit project.”

Loth en zijn team moeten nog een prototype testen; ze ontwerpen momenteel de structuur en het controlesysteem van de turbine, en deze zomer bouwen ze een model dat veel kleiner is dan het echte ding – ongeveer twee meter in diameter. Volgende zomer willen ze een grotere versie bouwen met twee bladen van 20 meter lang, die minder dan een megawatt aan vermogen zal produceren en in Colorado zal worden getest. Loth zelf is er niet 100 procent zeker van dat de mammoetturbine van zijn team werkelijkheid zal worden, maar hij is er zeker van dat het het proberen waard is. “Dit is een heel nieuw concept, dus er zijn zeker geen garanties dat het zal werken,” zegt hij. “Maar als het werkt, zal het een revolutie betekenen voor offshore windenergie.