De dalende prijs van zonne-energie krijgt meer pers, maar er gebeuren ook grote dingen in de windtechnologie. En ik bedoel groots.

De wiskunde over windturbines is vrij simpel: Groter is beter. Er zijn twee manieren om in een bepaald gebied meer stroom uit de wind te halen.

De eerste is met grotere rotors en bladen om een groter gebied te bestrijken. Dat verhoogt de capaciteit van de turbine, d.w.z. zijn totale potentiële productie.

De tweede is de bladen hoger in de atmosfeer te brengen, waar het harder waait. Dat verhoogt de “capaciteitsfactor” van de turbine, d.w.z. de hoeveelheid stroom die hij daadwerkelijk produceert ten opzichte van zijn totale potentieel (of in de volksmond: hoe vaak hij draait).

De geschiedenis van de ontwikkeling van windenergie is de geschiedenis geweest van de engineering van steeds hogere turbines met steeds grotere bladen. Het is een lastige en delicate zaak. Lange, magere dingen, geplaatst in hogere winden, hebben de neiging te buigen en te buigen. Als lange turbinebladen buigen, kunnen ze in de toren of naaf storten, zoals dit Deense systeem in 2008 deed nadat de “rem” het begaf en het uit de hand liep:

Dus de derde technische uitdaging is om ontwerpen en materialen te vinden die bestand zijn tegen de spanningen die samengaan met hoogte en hogere winden. Die spanningen zijn behoorlijk intens – zie deze video van ingenieurs die een enorm turbineblad testen door het heen en weer te trekken met “het gewicht van ongeveer 16 Afrikaanse olifanten.”

Hoe dan ook, turbines groter en groter maken is de naam van het spel. Als het gaat om turbines op het land (onshore), begint dat proces op verschillende niet-technische beperkingen te stuiten – transport en infrastructurele knelpunten, bezorgdheid over landgebruik, zorgen over uitzicht, grote vogels, schaduwen, enz.

Maar vooral in Europa verplaatst windenergie zich steeds meer naar zee. En in de oceaan, met land nauwelijks in zicht, is de enige beperking op de grootte de techniek. Bijgevolg zijn offshore turbines vandaag nog sneller omhoog aan het schieten dan onshore turbines de afgelopen tien jaar hebben gedaan.

Een levendig voorbeeld van deze trend dook op in maart 2018 (toen ik dit verhaal voor het eerst publiceerde). GE Renewable Energy kondigde aan dat het 400 miljoen dollar zal investeren om een nieuwe monsterturbine te ontwikkelen: de Haliade-X, die (in ieder geval tot de volgende grote aankondiging) de grootste, hoogste en krachtigste ter wereld zal zijn.

Het is indrukwekkend als technisch hoogstandje, maar het belang van de groeiende turbine-omvang gaat veel verder dan dat. Grotere turbines oogsten meer energie, stabieler; hoe groter ze worden, hoe minder variabel en betrouwbaarder ze worden, en hoe makkelijker ze in het net te integreren zijn. Windenergie is nu al concurrerender dan andere bronnen op de groothandelsmarkten voor energie. Na nog een paar generaties groei zal het niet eens meer een wedstrijd zijn.

Wat windturbines worden

Om een idee te krijgen van hoe groot deze nieuwe GE turbine is, laten we beginnen met wat vergelijkingen.

Ik belde Ben Hoen, een onderzoekswetenschapper bij het Lawrence Berkeley National Laboratory om de laatste cijfers te krijgen over de grootte van windturbines. (Hij benadrukt dat dit voorlopige cijfers zijn – LBNL heeft een rapport hierover dat over een paar maanden uitkomt, maar hij verwacht niet dat deze cijfers veel zullen veranderen, als ze al veranderen.)

Volgens Hoen was de gemiddelde totale hoogte (van basis tot tip) van een onshore Amerikaanse turbine in 2017 142 meter (466 voet). De mediaan van de turbines was dichter bij 152 meter (499 voet). In feite, zei Hoen, nadert de mediaan het maximum. Met andere woorden, na verloop van tijd lijken de onshore turbines in de VS te convergeren naar ongeveer die hoogte. Waarom? Omdat als je hoger dan 499 voet bouwt, de Federal Aviation Administration een aantal extra stappen in hun goedkeuringsproces vereist, en blijkbaar vonden de meeste ontwikkelaars dat niet de moeite waard.

De allerhoogste onshore turbines in de VS staan op het Hancock Wind project in Hancock County, Maine. Deze – Vestas V117-3.3s, als je moet weten – zijn ongeveer 574 voet hoog.

Dus dat is onshore. Hoe zit het met offshore? Nou, tot nu toe, de VS heeft een en slechts een operationele offshore windinstallatie, het Block Island Wind Farm voor de kust van Rhode Island. De turbines reiken tot ruwweg 590 voet.

Hoe verhoudt de Haliade-X zich tot dat alles? Volgens GE zal hij 853 voet hoog worden. Javier Zarracina

Dat zou, voor zover ik weet, de hoogste windturbine ter wereld zijn. Voor zover ik kan zien uit googlen (zoals ik al zei, deze dingen veranderen snel), de vorige recordhouder is een 809-voet onshore turbine in Duitsland.

Grote turbines betekenen meer vermogen, vaker

Hoogte is niet het enige dat telt, dat wel. De Haliade-X kan ook bogen op een paar andere superlatieven.

Rotordiameter is een maat voor de volledige uitslag van de schoepen van de turbine (de diameter van de cirkel die ze afbakenen). Als al het andere gelijk is, betekent een grotere rotordiameter dat de turbine meer wind kan oogsten.

In 2017, vertelde Hoen me, hadden Amerikaanse windturbines een gemiddelde rotordiameter van 367 voet. De Haliade-X zal een rotordiameter van 722 voet hebben, ruwweg het dubbele van het gemiddelde. De wieken zullen reusachtig zijn, 351 voet lang elk, langer dan een voetbalveld en langer, aldus GE, dan enig ander offshore-wiekblad tot op heden.

De enorme rotordiameter, plus de constante offshore-wind, plus de turbine van 12 MW (onshore gemiddeld ongeveer 3MW; offshore ongeveer 6MW), betekent dat de Haliade-X een ongewoon hoge capaciteitsfactor zal hebben.

Dit citaat uit het 2016 Wind Technologies Market Report van het Department of Energy laat zien hoe de capaciteitsfactoren van wind in de loop der tijd zijn geëvolueerd: “De gemiddelde 2016 capaciteitsfactor onder projecten gebouwd in 2014 en 2015 was 42,5 procent, vergeleken met een gemiddelde van 32,1 procent onder projecten gebouwd van 2004-2011 en slechts 25,4 procent onder projecten gebouwd van 1998 tot 2001.”

Ter vergelijking, in 2016 had de Amerikaanse nucleaire vloot een gemiddelde capaciteitsfactor van ongeveer 92 procent. (Gezien de huidige markten is kernenergie alleen economisch wanneer zij continu draait, als basislast). Steenkool en aardgas hadden respectievelijk 55 en 56 procent. (Aardgas is zo laag omdat het vaak op- en afregelt om schommelingen in de vraag te volgen. Steenkool zat vroeger op bijna 80, maar het is steeds minder rendabel om kolencentrales te laten draaien.)

Dus de moderne windenergie in de VS zit op 42,5 procent en aardgas op 56 procent. De Haliade-X zal volgens GE een capaciteitsfactor van 63 procent hebben. Dat is krankzinnig, hoewel het niet de hoogste ter wereld zou zijn – de drijvende offshore turbines in het Hywind Schotland project haalden onlangs 65 procent.

Tel dat allemaal bij elkaar op en op een “typische Duitse Noordzee locatie,” zegt GE, zal elke Haliade-X ongeveer 67GWh per jaar produceren, “genoeg schone stroom voor tot 16.000 huishoudens per turbine, en tot 1 miljoen Europese huishoudens in een 750 MW windpark configuratie.” (Het volstaat te zeggen dat het aantal kleiner zou zijn voor energieverslindende Amerikaanse huishoudens). Dat is “45 procent meer energie dan enige andere offshore-windturbine die vandaag beschikbaar is”, aldus het bedrijf.

De eerste Haliade-X is momenteel in aanbouw in Rotterdam, Nederland. GE zei in april dat het later dit jaar elektriciteit zal beginnen te produceren.

Grote turbines die vaker draaien, gaan alle concurrenten verpletteren

Laten we eens kijken wat deze stijgende capaciteitsfactoren betekenen voor wind.

Ik keer vaak terug naar deze post uit 2015 van energieanalist Ramez Naam over het ultieme potentieel van windenergie. “Wind met een capaciteitsfactor van 60%,” schreef hij, “zelfs bij dezelfde prijs per kwh van vandaag, zou enorm veel waardevoller zijn dan nu, met minder grenzen aan hoeveel we ervan zouden kunnen gebruiken.

Waarom is dat? Verschillende redenen.

• Hoe veranderlijker een bron is, hoe meer back-up nodig is om hem betrouwbaar te maken. (Tegenwoordig wordt de back-up meestal verzorgd door aardgascentrales, hoewel batterijen steeds meer worden gebruikt). Door wind minder variabel en betrouwbaarder te maken, verlagen hogere capaciteitsfactoren de back-up kosten.
• Variabele hernieuwbare energie (zon en wind) heeft de neiging “zijn eigen lunch op te eten”. Omdat alle energie op hetzelfde moment wordt geproduceerd (als de zon schijnt of de wind waait), heeft de volgende toename van de toegevoegde capaciteit tot gevolg dat de verrekenprijs voor alle andere toenames daalt. Hoe meer energie tegelijk online komt, hoe lager de prijs. Door de energie over een langere periode te spreiden – ruwweg het dubbele van de 32 procent van de turbines van 2011 – vermindert en vertraagt een turbine met een capaciteitsfactor van 60 procent dit prijsonderdrukkende effect.
• Door de werkingsuren te verlengen, zal een turbine met een hoge capaciteitsfactor waarschijnlijker produceren tijdens de vraagpieken, wanneer stroom het meest waardevol is.

Een capaciteitsfactor van meer dan 60 procent is niet helemaal “basislast”, maar het ziet er zeker een stuk minder variabel uit. Dus turbines zoals de Haliade-X zouden waardevoller zijn, zelfs als de prijs van windelektriciteit hetzelfde zou blijven.

Maar natuurlijk zal die niet hetzelfde blijven; hij is sinds 2009 met 65 procent gedaald. Een recent NREL-rapport voorspelde dat innovaties in windenergietechnologie (waarvan grotere turbines er een is) de prijs tegen 2030 met nog eens 50 procent zouden kunnen doen dalen. (Onderzoekers aan de Universiteit van Virginia werken aan een ontwerp voor een offshore turbine die, geen leugen, 1.640 voet zal uittorenen, hoger dan het Empire State Building.)

Stel dat nieuwe Amerikaanse windturbines tegen 2025 een gemiddelde naafhoogte van 460 voet bereiken, wat ruwweg overeenkomt met de huidige projecties. Volgens gegevens van NREL zouden dergelijke turbines capaciteitsfactoren van 60+ procent kunnen bereiken over meer dan 750.000 vierkante mijl van het Amerikaanse grondgebied, en 50+ procent over 1,16 miljoen vierkante mijl.

Zoveel wind, bij die capaciteitsfactor, met de te verwachten vooruitgang in windtechnologie, zal energie produceren die goedkoop genoeg is om alle concurrenten absoluut te verpletteren. En 2025 is niet zo ver weg.