Inhoudstafel
- Wat is de definitie van een mini- en microwindturbine?
- Welke technologieên zijn op de markt beschikbaar?
- Wat zijn de voor- en nadelen van de verschillende windturbinetechnieken?
- Welke parameters beïnvloeden de energieproductie?
- Wat is de impact van windturbines op de stedelijke omgeving?
- Rendabiliteit van de windturbines
- Welke regelgeving moet worden gevolgd op het gebied van windenergie in de stad?
- Welke steun en premies zijn er beschikbaar?
- Toepassingsvoorbeelden
- Meer weten
Wat is de definitie van een mini- en microwindturbine?
De termen mini en micro worden in deze voorziening gebruikt om windturbines van klein en zeer klein formaat aan te duiden die aangepast zijn aan de stedelijke omgeving (vermogen van minder dan 10 kW). Onderstaande tabel vat de kenmerken van deze windturbines samen, evenals die van grotere windturbines:
| Familie | Definitie |
Bestreken oppervlakte [m²;] |
Equivalente diameter [m] |
Nominaal vermogen [kW] |
|---|---|---|---|---|
| Microwindturbine | Winturbine voor thuisgebruik die zeer beperkte behoeften en geïsoleerde locaties dekt | A ≤ 5 | 0,3 < D < 2 | 0,3 < P < 1 |
| Miniwindturbine | Windturbine voor residentieel gebruik | 5 < A ≤ 80 | 2 < D < 10 | 1 < P < 10 |
| Kleine windturbine | Windturbine voor industrieel gebruik | 80 < A ≤ 200 | 10 < D < 16 | 10 < P < 50 |
| Grote windturbine | Winturbine met middelgroot of groot vermogen, windturbineparken | A > 200 | D > 16 | P > 50 |
Merk op dat de referentienorm IEC 61400-2 (2013) generatoren met een bestreken rotoroppervlakte van maximaal 200 m²; in de categorie "kleine windturbines" indeelt, dat wil zeggen een rotordiameter van 16 m en een equivalent nominaal vermogen van ca. 50 kW. De andere termen (micro-, mini-, grote windturbines) zijn arbitrair gekozen en kunnen verschillend worden gebruikt, afhankelijk van de bron.
Welke technologieên zijn op de markt beschikbaar?
Er zijn tal van mini- en microwindturbines op de markt beschikbaar. Ze onderscheiden zich door een groot aantal technische kenmerken: rotorarchitectuur, elektromechanische stellen, bedieningssystemen.
De meest gebruikte classificatiemethode is evenwel gebaseerd op de rotatieas: windturbines met horizontale as ( HAWT , Horizontal Axis Wind Turbine ) of windturbines met verticale as ( VAWT , Vertical Axis Wind Turbine ). De huidige markt wordt gedomineerd door windturbines met horizontale as.
Verdeling van windturbines over de markt
| Categorie | Varianten |
|---|---|
| Geometrie | Horizontale as (HAWT) of verticale as (VAWT) of hybride |
| Mast en fundering | Zelfdragend of getuid |
| Regeling | Aerodynamisch of elektronisch met vaste wieken of variabel instelbare wieken |
| Windoriêntatie | Gemotoriseerd of met roer |
Windturbines met horizontale as
Het voornaamste kenmerk van deze windturbines is de rotoras. Die is parallel aan de windrichting en draait dwars op die windrichting. Machines met horizontale as onderscheiden zich door de aanwezigheid van de rotor aan de loef- of aan de lijzijde. De rotor kan worden geïnstalleerd op een buisvormige toren of op een vakwerkmast.
Er bestaan tal van varianten op het klassieke type, zoals het shrouded type (windturbines met een convergerende of divergerende leiding die extern is aan de rotor) en het type "Darrieus" met horizontale as.
Weergave van windturbines met horizontale as aan de loefzijde(links) en aan de lijzijde (rechts)
Darrieus
Darrieus
Darrieus
Carénée
Carénée
Windturbines met verticale as
Een windturbine met verticale as kenmerkt zich door een rotor die dwars op de windrichting draait, terwijl de wieken in dezelfde richting bewegen. De verticale as maakt efficiênt gebruik van het aerodynamische draagvermogen. Deze windturbines kunnen worden onderverdeeld in de volgende subcategorieên, die elk ook weer meerdere varianten kennen:
- Savonius : Toestel bestaande uit twee of drie wieken die in de dwarssectie een" S" vormen.
- Darrieus : Rechte, verticale wieken die via horizontale steunelementen aan de centrale toren zijn verbonden.
- Hélicoïdal : Schoepvorm op basis van het model "troposkein", ofwel spiraalvormig. De rotor bestaat uit 2 of 3 wieken.
Savonius
Savonius
Darrieus
Darrieus
Hélicoïdal
Hélicoïdal
Hybride windturbine
Er worden ook hybride modellen aangeboden. Deze windturbines combineren goed renderende Darrieus windturbines met Savonius toestellen, die voor een maximaal koppel zorgen bij weinig wind.
In deze categorie zijn ook windturbines gekoppeld aan zonnepanelen te vinden. Zo wordt tegelijk of afwisselend gebruikgemaakt van wind- en zonne-energie om stroom te produceren.
Wat zijn de voor- en nadelen van de verschillende windturbinetechnieken?
| Voordelen | Nadelen | |
|---|---|---|
| Windturbines met horizontale as |
|
|
| Windturbines met verticale as |
|
|
Welke parameters beïnvloeden de energieproductie?
Basisparameters
Het onmiddellijke vermogen van een windturbine is:
ρ;: de dichtheid van de lucht (ca. 1,2 kg/m³);
A: de door de wieken van de windturbine bestreken zone;
v: windsnelheid;
r: straal van de rotor (lengte van de wieken).
We merken dus op dat het vermogen van een windturbine afhankelijk is van de windsnelheid tot de derde macht: een twee keer zo snelle wind levert een onmiddellijk vermogen op dat 8 maal zo hoog is. Langere wieken leveren eveneens onmiddellijk een hoger vermogen op.
Andere parameters
Andere, indirecte factoren hebben invloed op de energieproductie:
-
factoren in verband met de windturbine:
- hoogte van de mast;
- startsnelheid;
- vermogen om effectief energie te onttrekken aan de lage windsnelheden die typerend zijn voor stedelijke omgevingen;
-
factoren in verband met de wind:
- stabiliteit van de windrichting;
- laminaire of turbulente wind.
In Brussel bedraagt de gemiddelde windsnelheid +/- 3,5 m/s (gegevens KMI Ukkel). Leefmilieu Brussel heeft een « Identificatie sites, opzetten indmetingscampagnes en uitvoering van haalbaarheidsstudies in het Brussels Hoofdstedelijk Gewest » laten uitvoeren om het potentieel van windenergie te evalueren.
Beoordeling van de impact van de invloedparameters
Een specifieke windstudie voor de locatie (type CFD) is essentieel om de invloedfactoren te kunnen beoordelen. Zo'n studie maakt het mogelijk om:
- de meest geschikte technologie te kiezen voor de locatie;
- het vermogen van de windturbine zo goed mogelijk te dimensioneren;
- de theoretische jaarproductie te beoordelen. Voor dit laatste volstaat het niet om alleen het nominale vermogen van de machine te bekijken, maar moet ook rekening worden gehouden met de vermogenscurve van de startsnelheid tot aan de maximumsnelheid.
Een goede voorspelling van de jaarlijkse energieproductie vormt steeds de basis voor de beoordeling van een project voor de plaatsing van een kleine windturbine. Hiervoor is het project idealiter gebaseerd op vermogenscurven die zijn getest of gecertificeerd door erkende testlaboratoria zoals bijvoorbeeld het National Renewable Energy Laboratory (NREL - USA). De fabrikanten van kleine windturbines zijn evenwel niet verplicht om de dure certificatieprocedures te volgen die voor grote windturbines gelden.
De conformiteit van windturbines met specifieke normen zoals AWEA uit 2009, Renewable UK uit 2014 en IEC uit 2013 zou moeten helpen om de windturbines op de markt performanter en betrouwbaarder te maken en zo de markt te verstevigen.
Wat is de impact van windturbines op de stedelijke omgeving?
Windturbines kunnen een impact hebben op de menselijke omgeving (vooral in de stedelijke omgeving) en op de natuurlijke omgeving. Bij de beoordeling van een project moet rekening worden gehouden met de volgende elementen: lawaai en trillingen, veiligheid, slagschaduw, visuele impact en impact op de biodiversiteit.
Lawaai en trillingen
Het geluid dat een windturbine produceert, wordt veroorzaakt door de wrijving van de wieken met de lucht en in mindere mate door de generator. Het geluid kan worden beperkt door de keuze van een aangepast model en door de draaisnelheid van de rotor aan te passen.
Bij een in het gebouw geïntegreerde installatie kan de windturbine trillingen overdragen aan het gebouw, hetgeen een impact kan hebben op het pand (barsten, stabiliteitsproblemen). Er moet daarom worden nagegaan of het gebouw geschikt is voor een dergelijk project en er moet eventueel worden bekeken welke maatregelen kunnen worden toegepast om die trillingen te minimaliseren (silent blocks, isolatiecaissons voor de mast, dak bestaande uit een dikke betonplaat enz.).
De risico's moeten voorwerp zijn van analyse door een ervaren studiebureau. Er is vaak sprake van overlast als gevolg van de trillingen bij installaties op het dak, ook als het gaat om een betonnen dak. Deze kwestie is des te belangrijker als het om een bestaand pand gaat en het windenergieproject geen deel uitmaakte van het oorspronkelijke ontwerp.
In het Brussels Hoofdstedelijk Gewest vallen geluidsoverlast en trillingen onder:
- het besluit van de Regering van het Brussels Hoofdstedelijk Gewest van 21/11/2002 betreffende de strijd tegen de geluidshinder en de trillingen voortgebracht door de ingedeelde inrichtingen ;
- het besluit van de Regering van het Brussels Hoofdstedelijk Gewest van 21/11/2002 betreffende de strijd tegen de geluidshinder van buren .
Deze besluiten leggen de te respecteren geluidsnormen vast in functie van het moment van de dag. Deze informatie is ook in samengevatte vorm te vinden op de site van Leefmilieu Brussel . Tijdens de beoordeling van een project is het dus opportuun om de geldende normen te raadplegen en die te vergelijken met de door de fabrikant van de beoogde windturbine verstrekte geluidsniveaus om de geluidsimpact van het project te beoordelen.
Veiligheid
De markt voor kleine windturbines is relatief jong in vergelijking met die voor grote windturbines. Die laatste heeft een lange periode van ervaring achter zich in open zones en offshore. Er bestaat op dit moment een grote verscheidenheid aan merken en modellen voor kleine windturbines. De prijzen variêren. Met deze diversiteit gaat een wisselende ontwerpkwaliteit en dus een variabele betrouwbaarheid gepaard. Modellen van slechte kwaliteit kunnen een risico vormen voor personen die de exploitatiesite bezoeken en/of voor omwonenden van het project.
Voor wat de fabricage van de windturbine betreft , moeten normen of certificeringen zoals de norm IEC 61400-2 of de certificering MCS 006 worden geraadpleegd om een kwaliteitsuitrusting te garanderen dat de beste betrouwbaarheid biedt vanuit veiligheidsoogpunt.
Er bestaat ook een risico dat in de winter ijs wordt weggeslingerd indien zich dat op de wieken van de rotor vormt. Het is daarom geboden een ijsdetectiesysteem te voorzien dat op de bedieningssystemen van de windturbine is aangesloten of de installatie systematisch stil te leggen tijdens vorst- en dooiperiodes.
Voorts moet regelmatige controle en onderhoud worden voorzien om een goede continue werking van de windturbine gedurende de volledige levensduur te voorzien. Die levensduur wordt op 20 jaar geschat.
Slagschaduw
De schaduw die door de rotatie van de wieken in de zon wordt geworpen, kan overlast veroorzaken voor de omwonenden. Die schaduw verplaatst zich in functie van de positie van de zon in de hemel (per dag en per seizoen). Het is belangrijk hier bij de uitwerking van het project rekening mee te houden via slagschaduwstudies om zo de locatie van de windturbine te kiezen.
Om te veel overlast te vermijden, kan de werking van de machine bij een bepaalde hoeveelheid zon worden beperkt (bijv. max. 30 minuten per dag, max. 30 uur per jaar).
Visuele impact
De visuele impact in de stedelijke context is een belangrijke factor voor de aanvaarding. Een goede integratie in de bebouwing maakt het mogelijk de aanwezigheid van windturbines in het stadslandschap te harmoniseren en zal de aanvaarding door de omwonenden bevorderen.
Impact op de biodiversiteit
Een kleine windturbine betekent minder risico voor hoog vliegende en trekvogels dan grote windturbines. Toch kan een kleine windturbine een impact hebben op andere, meer lokale beschermde soorten, zoals vleermuizen, zwaluwen, gierzwaluwen… De impact van het project op dergelijke dierenpopulaties moet dus worden nagegaan.
Rendabiliteit van de windturbines
Investering
De markt voor kleine windturbines is nog niet volwassen genoeg (veel projecten bevinden zich nog in de onderzoeks- en ontwikkelingsfase) om van schaalvoordelen te kunnen profiteren. Met de installatie- en aansluitingskosten meegerekend wordt vaak een prijs van € 5 000 tot € 10 000 per geïnstalleerde kW genoemd. Dit is dus een dure elektriciteitsproductietechnologie.
De installatieprijs hangt af van diverse factoren, zoals :
- de vraag of de windturbine op de grond of op een gebouw wordt geïnstalleerd (gebruik van een kraan of lift, type fundering of verankering aan het gebouw …);
- het type en de hoogte van de windturbine : een windturbine met een grotere rotordiameter die beter is aangepast aan zones met minder sterke wind is duurder dan een windturbine die aan sterke wind is aangepast (kleinere rotordiameter);
- het type en het vermogen van de batterijen en de lengte van de kabel die moet worden getrokken om de windturbine op het net aan te sluiten.
De installatiekosten kunnen zo de helft tot wel 100% van de investeringskosten bedragen. Tot slot kan een installatie op een gebouw ook een impact hebben op de kosten van de structuur van het gebouw (extra belasting en trillingen).
Onderhoud
De onderhoudskosten bedragen ± 3% van de investering per jaar.
Er moet overigens worden toegezien dat er wordt voorzien in een plaats die makkelijk toegankelijk is voor het onderhoud en de demontage van de verschillende stukken, zonder een beroep te moeten doen op een kraan.
Return on investment
De rendabiliteit van de kleine windturbines is afhankelijk van het gekozen model en het antwoord ervan op de parameters die een invloed hebben op de productie ervan. Momenteel is die rendabiliteit gering en zelfs onbestaande, aangezien de investering te groot blijft ten aanzien van de productie aan elektriciteit. Ze zijn bijgevolg niet geschikt voor een woonbestemming waar er veeleer geopteerd zou worden voor fotovoltaïsche energie, maar ze zouden een plaats kunnen hebben in de dienstensector als de bouwheer zich wil inschrijven in een sterke en zichtbare visie op de elektriciteitsproductie uit hernieuwbare bronnen.
Welke regelgeving moet worden gevolgd op het gebied van windenergie in de stad?
In het Brussels Hoofdstedelijk Gewest worden winturbines beschouwd als ingedeelde inrichtingen in functie van hun vermogen. Het vermogen waarmee rekening moet worden gehouden, is het gecumuleerde vermogen in het geval dat meerdere windturbines op eenzelfde elektrische kring worden geplaatst (er is dan sprake van een windpark).
Voor een vermogen van 1 tot 250 kW (mini-, kleine en grote windturbines) verloopt de indeling op basis van rubriek 55-2A van de gecoördineerde lijst van ingedeelde inrichtingen . De installatie is dan onderworpen aan een vergunning klasse 1C , hetgeen betekent dat een voorafgaande verklaring bij Leefmilieu Brussel moet worden ingediend die de volgende elementen omvat:
- beschrijving van het project,
- precieze lokalisatie op plan,
- technische fiches van de beoogde windturbinemodellen,
- milieu- en veiligheidseffectrapportage.
Na analyse van het dossier en eventueel bijkomende vragen verstrekt Leefmilieu Brussel een kennisname met de passende exploitatievoorwaarden (geldigheidsduur), zodanig vastgelegd dat de activiteit begeleid wordt en de eventuele impact van het project op de openbare veiligheid en het milieu wordt geminimaliseerd. Deze voorwaarden moeten tijdens de exploitatieduur van de installatie steeds worden nageleefd.
Vanuit stedenbouwkundig oogpunt is de plaatsing van een windturbine of een windpark steeds onderworpen aan een stedenbouwkundige vergunning, ongeacht het vermogen van het project.
Om meer te weten over de milieuvergunning, zie de Administratieve Gids op de Leefmilieu Brussel website.
Welke steun en premies zijn er beschikbaar?
In het Brussels Hoofdstedelijk Gewest wordt de productie van windenergie gesteund met een systeem van groenestroomcertificaten. Daarnaast kunnen subsidies, premies en fiscale vrijstelling worden verkregen.
Toepassingsvoorbeelden
De hedendaagse architectuur biedt voorbeelden van integratie van windenergie in de gevel. Er is echter weinig doorslaggevende ervaring met windturbines die in het gebouw zijn geïntegreerd. Naast een reêel antwoord op de klimaatproblematiek dragen ze op dit moment bij aan de bewustmaking van de bevolking.
Onderstaande voorbeelden laten zien dat windturbines een essentieel architecturaal element kunnen worden, waardoor het project een sterk imago krijgt.
In de volgende gevallen is de windturbine "onzichtbaar" en volledig in de architectuur van het pand geïntegreerd:
World Trade Center in Bahrein (gerealiseerd)
Greenway Self-Park in Chicago (gerealiseerd)
Strata SE1-gebouw in Londen (gerealiseerd)
Cor Building in Miami (niet gerealiseerd)
Clean Technology Tower in Chicago (niet gerealiseerd)
Rotating Tower in Dubai (niet gerealiseerd)
Pearl River Tower à Guangzhou (réalisé)
Pearl River Tower in Guangzhou (gerealiseerd)
Dynamic Tower - Dubai (niet gerealiseerd)
Meer weten
In de Gids
Andere publicaties van Leefmilieu Brussel
- Leefmilieu Brussel (2010), Geluid in Brussel - basisgegevens voor het plan - Deel 37. De in het Brussels Gewest gebruikte geluids- en trillingswaarden (Documentatiefiche over de geluids- en trillingswaarden in het BHG)
- Leefmilieu Brussel (2010), Geluid in Brussel - basisgegevens voor het plan - Deel 56. Trillingen: normen en regelgevingskader in het Brussels Gewest (Documentatiefiche over de normen en het regelgevingskader voor trillingen in het BHG)
- Standaardclausules voor de uitwerking van een openbaar bestek voor de levering en exploitatie van fotovoltaïsche installaties
Websites
- UrbanWind (site van het Wineur-project (Wind Energy Integration in the Urban Environment))
Bibliografie
- IEA Wind (2016), IEA Wind TCP - 2015 Annual Report
- RenewableUK (2015), Small and Medium Wind UK Market Report
- Arribas L., Testing and certification for small wind turbines (SWT): challenges and actions to address them , Presentatie tijdens de workshop 'Needs and Gaps on Standardisation for Renewable Energy: Actions to facilitate the best use of standardisation for renewables', CIEMAT
- Cace J. et al. (2007), Guidelines for small wind turbines in the built environment , rapport van het WINEUR-project, gesteund door het Europese programma Intelligent Energy Europe
- Celik A.N.(2003), Energy output estimation for small-scale wind power generators using Weibull-representative wind data , Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 91, pp. 693-707
- Drew, D. et al. (2015), The importance of accurate wind resource assessment for evaluating the economic viability of small wind turbines , Renewable Energy 77, pp. 493-500
- Elliot D. and Infield D. (2014), An assessment of the impact of reduced averaging time on small wind turbine power curves, energy capture predictions and turbulence intensity measurements , Wind Energy 17.DOI: 10.1002/we.1579, pp. 337-342
- Gsanger S. (2014), Small wind world report 2014 , World Wind Energy Association
- Edwards J, Wiser R, Bolinger M. (2004), Evaluating State Markets for Residential Wind Systems: Results from an Economic and Policy Analysis Tool Rep , Lawrence Berkeley National Laboratory
- Brusa A. Guarnone E.Smedile E. (2010), Micro-Eolico Rep. P.E.R.
- Gupta R. Das R. Sharma K.K..(2011), Experimental study of a Savonius- Rarrieus wind machine
- Hoen B. Wiser R. Cappers P. Thayer M. Sethi G. (2009), The Impact of Wind Power Projects on Residential Property Values in the United States: A Multi-Site Hedonic Analysis Rep , Lawrence Berkeley National Laboratory
- Wiser R, Bolinger M.(2011), Understanding Trends in Wind Turbine Prices Over the Past Decade Rep , Lawrence Berkeley National Laboratory
- Grignoux T. et al. (2006), Eoliennes en milieu urbain - Etat de l'art , ARENE, Paris
- Petites éoliennes en milieu urbain , projet Wineur
- VUB, ULB, 3E (2014), Identificatie sites, opzetten windmetingscampagnes en uitvoering van haalbaardheidstudies in het Brussels Hoofdstedelijk Gewest - Eindrapport , Brussel
Normen
- Norm IEC (International Electrotechnical Commission) 61400-2:2013 - Wind turbines - Part 2: Small wind turbines
- Norm AWEA ( American Wind Energy Association ) 9.1 - 2009 - Small Wind Turbine Performance and Safety Standard
