Naast het verhaal van de huidige commercieel succesvolle, propellertype, horizontale as windturbine (HAWT), is er het minder bekende verhaal van de verticale as windturbine (VAWT). VAWT’s, die ooit werden gezien als een concurrent die de norm stelde voor het ontwerp van windturbines, zijn steeds minder gebruikelijk geworden. Toch verschijnen er van tijd tot tijd nog prototypes van VAWT’s voor utiliteitsdoeleinden, omdat wordt getracht de verticale-astechnologie ingang te doen vinden op een markt die volledig wordt gedomineerd door machines met een horizontale as. Dit is een retrospectief overzicht van VAWT-projecten op nutsschaal, met turbines van 100 kW of meer.
Er zijn gegevens over windturbines met verticale as die teruggaan tot het Perzië van de 9e eeuw of zelfs de Afghaanse hooglanden van de 7e eeuw v. Chr. Deze vroege VAWT’s waren eenvoudige apparaten gebaseerd op aërodynamische weerstand; één kant van de turbine was bedekt en de wind duwde eenvoudigweg de bladen aan de andere kant. De veel efficiëntere VAWT op basis van aërodynamische lift werd pas in de jaren twintig van de vorige eeuw uitgevonden door Georges Darrieus in Frankrijk, die patent nam op zowel de VAWT met gebogen bladen (hier gewoon Darrieus-turbine genoemd) als de VAWT met rechte bladen (hier H-rotor genoemd). Hoewel Darrieus zelf een aantal kleine gebogen en rechte modellen bouwde, werden de eerste aërodynamisch-lift gebaseerde VAWT’s gebouwd door Fransman Jean-Baptiste Morel, die in de jaren 1950 in Zuid-Frankrijk een aantal Darrieus-turbines met rechte bladen bouwde, tot 7 kW.
Onderzoekers van de National Research Council of Canada (CNCR) vonden de VAWT halverwege de jaren 1960 opnieuw uit, kennelijk zonder kennis van de lang vergeten eerdere Franse pogingen.
Het Canadese onderzoek werd in de jaren zeventig herontdekt door Sandia National Laboratories, dat naast zijn hoofdtaak van het ontwikkelen van kernwapens door het Amerikaanse ministerie van Energie was aangewezen voor het onderzoek naar alternatieve energiebronnen.
Sandia bouwde in 1976 een Darrieus-turbine van 60 kW in de buurt van Albuquerque, NM, die destijds de grootste VAWT werd die ooit was gebouwd. Hoewel Sandia in de jaren zeventig en tachtig een centrale rol speelde bij de ontwikkeling van VAWT’s in Noord-Amerika, bouwde het slechts één VAWT op nutsschaal (waarmee wij hier ≥100 kW bedoelen), een Darrieus-turbine van 500 kW die in 1988 in Bushland (TX) werd gebouwd. Deze experimentele turbine had een variabel toerental, een ontwerp zonder stutten en was zo ontworpen dat de meeste onderdelen voor onderzoeksdoeleinden konden worden gewijzigd. Het ontbreken van stutten was waarschijnlijk de belangrijkste factor bij het bereiken van een vermogenscoëfficiënt (verhouding tussen elektrisch vermogen en windenergie-input) van 0,43, wat waarschijnlijk nog steeds een record is voor VAWT’s van nutsbedrijfformaat.
Noord-Amerikaanse Darrieus-inspanningen
In samenwerking met of met gebruikmaking van technologie van CNRC of Sandia begonnen verscheidene bedrijven in de jaren 1970/80 VAWT’s van het Darrieus-type op de markt te brengen.
In Canada was de aluminiumfabrikant DAF Indal de belangrijkste VAWT-samenwerker met CNRC geworden en in 1977 braken zij het door Sandia het jaar daarvoor gevestigde record in grootte met hun 230 kW Darrieus-turbine, die werd geïnstalleerd op Magdalen Island in de Golf van Saint Lawrence in Quebec, Canada. Deze turbine is ook beroemd omdat hij bewees dat VAWT’s inderdaad zelfstartend kunnen zijn. In 1978 lieten technici de rotor ’s nachts losgekoppeld van de aandrijflijn, maar door de harde wind ging de rotor ’s nachts overtoeren, wat resulteerde in een breuk in de tuien en de rotor die zichzelf uiteindelijk op de grond kurkentrok.
In 1983-84 bouwde DAF-Indal drie 500 kW turbines, die in feite hogere nominale versies waren van de 230 kW turbine. Een van de turbines, die werd geplaatst in de San Gorgonio Pass bij Palm Springs, CA, stortte in tijdens een afspanningstest vóór de inbedrijfstelling, waarbij een ingenieur, die er bovenop stond, helaas om het leven kwam toen de turbine viel. Een andere turbine, die zich op Prince Edward Island bevond, viel eveneens op de grond, na een bladfout in 1985. DAF-Indal zette zijn VAWT-programma uiteindelijk in 1991 stop.
In de late jaren zeventig begon het in Pittsburgh, PA, gevestigde aluminiumbedrijf ALCOA VAWT’s te ontwikkelen in het kader van een overeenkomst voor technologieoverdracht met Sandia. ALCOA bouwde een aantal grote Darrieus-turbines, waaronder drie machines van 500 kW, die in 1980 de grootste VAWT werden die tot dan toe was gebouwd. Een van de 500 kW turbines, gelegen in de San Gorgonio Pass,
CA, stortte in vlak voor de conferentie van de California Energy Commission in 1981 in het nabijgelegen Palm Springs. Een stroomstoring had tot gevolg dat de rotor oversloeg en de bladen losbraken van hun onderste bevestiging en de tuikabels afsneden alvorens over een afstand van ongeveer 300 m weg te vliegen, waarna de turbine op de grond viel. Uiteraard moest de geplande demonstratie worden geannuleerd, maar in plaats daarvan werd tijdens de conferentie een moedige video van het incident vertoond, die een staande ovatie van het publiek kreeg. Uiteindelijk annuleerde ALCOA haar VAWT-programma, hoewel delen ervan werden verkocht aan de pas opgerichte VAWTPOWER Inc, die tussen 1983 en 1984 40 turbines installeerde in de San Gorgonio Pass. Deze faciliteit, het eerste echte VAWT-bedrijf, was vanaf 1988 operationeel.
Als het om VAWT-bedrijven gaat, komt FloWind in beeld. FloWind installeerde meer dan 500 turbines in de Tehachapi Pass bij Los Angeles en de Altamont Pass in het San Francisco Bay gebied. Hun modellen van 170 kW en 200 kW werden geïnstalleerd tussen 1983 en 1986 en de totale geïnstalleerde capaciteit bedroeg ongeveer 95 MW. Tegen de tijd dat de laatste FloWind-turbines in bedrijf werden genomen, in 2004, hadden ze tijdens hun levensduur in totaal bijna 1 TWh aan elektriciteit opgewekt. In 2010 waren alle FloWind-turbines verwijderd, hoewel er nog overblijfselen te vinden zijn in de vorm van een wegversperring op een heuvelkamdoorgang in de Tehachapi Pass.
In 1986 had een FloWind-19 een catastrofale storing waarbij een blad in een aangrenzende meetwagen terechtkwam en de DOE/Sandia-computer binnenin werd vernietigd. Dit was het begin van het einde, omdat investeerders hierdoor werden afgeschrikt en FloWind failliet ging.
Net als de andere hierboven genoemde Darrieus turbine-ontwikkelaars, gebruikte FloWind aluminium bladen, die waren ontworpen om te buigen. Omdat aluminium slecht bestand is tegen cyclische belasting, leidde dit tot door vermoeidheid veroorzaakte defecten. Deze problemen leidden ertoe dat de turbines van FloWind meer stilstonden dan de windturbines met horizontale as die op datzelfde ogenblik in Californië werden geïnstalleerd. Na een reorganisatie in het begin van de jaren negentig werden twee prototypes met glasvezelbladen gebouwd, maar dit bleek te weinig en te laat, en een van de turbines met glasvezelbladen stortte in tijdens harde wind.
Een enigszins ongebruikelijk Darrieus-turbineontwerp werd gebruikt door het Canadese bedrijf Adecon, dat een extern vakwerk gebruikte ter vervanging van de tuikabels. In 1984 bouwden zij een 17 m, 125 kW turbine op Prince Edward Island. De turbine, waarvan de rotor 17 m boven de grond was geplaatst, werkte slechts enkele uren voordat hij overtoeren draaide en zichzelf vernietigde.
Na een reorganisatie installeerde Adecon tien turbines van 150 kW in de buurt van Pincher Creek, Alberta. Deze turbines hadden geen draagconstructie voor de rotor, maar gebruikten wel vakwerkmasten in plaats van tuien. De vakwerkmasten induceerden resonanties, wat resulteerde in defecte onderdelen. Hierdoor vielen twee van de turbines om en waren de meeste andere turbines het grootste deel van de tijd buiten bedrijf. In 2006 waren alle tien turbines verwijderd.
Een absolute aanrader is de machtige ÉOLE (Frans voor Aeolus, de heerser van de wind in de Griekse mythologie), die in 1987 werd voltooid en zich bevindt in Cap-Chat, aan de zuidoever van de Saint Lawrence-rivier in Quebec. Met een totale hoogte van 110 m, een roterende massa van 880 ton en een nominaal vermogen van 3,8 MW brak ÉOLE alle eerdere records en is nog steeds verreweg de grootste VAWT die ooit is gebouwd.
Dit staalbladige, met variabele snelheid werkende monster werkte tot 1993, toen het onderste lager brak. Het is verheugend te kunnen melden dat ÉOLE er nog steeds staat en dat er in de zomer rondleidingen worden gegeven. Een bezoek is zeer aan te bevelen: ÉOLE is een legende voor liefhebbers van windenergie en het prachtige schiereiland Gaspé is in het algemeen een geweldige plek. Het is handig dat de rondleiding in het Engels kan worden gegeven en als u een paar dollar extra betaalt, kunt u naar het bovenste platform van ÉOLE worden gebracht, vanwaar het uitzicht spectaculair is.
Er zijn andere Darrieus-turbines op nutsschaal geweest, zelfs enkele die in de jaren tachtig in Europa zijn gebouwd. Maar serieuze pogingen zijn steeds zeldzamer geworden. De problemen met bladmoeheid, de noodzaak van een vlak terrein voor de bevestiging van scheerlijnen en de nadelen van de rotor zo dicht bij de grond waren er allemaal de oorzaak van dat de Darrieus “eiklopper” er niet in slaagde zich te vestigen als concurrent van de HAWT’s.
Terwijl in Europa
Deels overlappend met de Noord-Amerikaanse Darrieus-ontwikkelingen werden VAWT’s ook in Europa onderzocht, maar hier ging de meeste aandacht uit naar het H-rotorconcept, dat een aantal voordelen heeft ten opzichte van de conventionele Darrieus-turbine.
Het bekendste en wellicht meest ambitieuze Europese VAWT-project was dat van het Britse bedrijf VAWT Ltd in de jaren tachtig/90, dat voortkwam uit onderzoek onder leiding van Peter Musgrove van de Reading University in het Verenigd Koninkrijk.
In eerste instantie was het concept van VAWT Ltd voorzien van variabele geometrie, waardoor de bladen konden worden gevouwen om het vermogen te regelen. Maar na evaluatie van een 130 kW turbine met variabele geometrie, die in 1986 in Carmarthen Bay in Wales was gebouwd, was men van mening dat het vermogen net zo goed kon worden geregeld met vaste, rechte bladen. Het daaropvolgende prototype van 500 kW, dat in 1990 werd gebouwd, had dan ook rechte bladen. Deze turbine kende verschillende defecten in verband met de krachtoverbrenging en uiteindelijk een verwoestend falen van een van de glasvezel bladen. Kort daarna werd de overheidsfinanciering stopgezet en het project uiteindelijk beëindigd.
In de jaren negentig begon de Duitse uitvinder en ondernemer Götz Heidelberg met de ontwikkeling van een H-rotorconcept met variabele snelheid en PM-magneet bij het in München gevestigde bedrijf Heidelberg Motor GmbH. In 1991 werd hun eerste grootschalige (300 kW) prototype geïnstalleerd in Kaiser-Wilhelm-Koog aan de Duitse Noordzeekust. Het gebruikte een aan de grond bevestigde generator en werd ondersteund door tuidraden die verbonden waren met een toplager waardoor de hele toren kon draaien (zoals bij een Darrieus-turbine). Na het verlaten van de grondgenerator werden vijf nieuwe prototypes van 300 kW ontwikkeld, waarbij de grote meerpolige ringgenerator bovenop een driepoottoren was geplaatst. Nadat een lasprobleem begin 1995 tot de vernieling van één turbine had geleid, werden de andere machines buiten bedrijf gesteld en uiteindelijk in 1997 ontmanteld. Dit leidde ook tot het stopzetten van een door de EU gefinancierde ontwikkeling van een 1,2 MW-versie van het concept en dat was ook het einde van deze VAWT-onderneming.
Hierbij moet worden vermeld dat Heidelberg zijn kleinere, 20 kW, extreme-omgevingsversie heeft geïnstalleerd in een Duitse onderzoeksfaciliteit op Antarctica, die naar verluidt 15 jaar heeft gefunctioneerd voordat hij in 2008 buiten bedrijf werd gesteld.
Voortdurende inspanningen
Als zelfs de Duitse ingenieurs er niet in slaagden VAWT’s in elkaar te laten houden, zou men kunnen denken dat het concept na het midden van de jaren negentig zeker moest zijn opgegeven. Dat was niet het geval, hoewel het tot 2010 duurde voordat het volgende H-rotor-prototype op nutsschaal werd gebouwd, ditmaal door het Zweedse bedrijf Vertical Wind AB.
In 2010 bouwden zij een 200 kW, direct aangedreven, variabel toerental-prototype in de buurt van Falkenberg aan de Zweedse westkust. De turbine, met een gelamineerde houten toren en een in eigen huis geproduceerde direct-drive, meerpolige PM-generator, is voornamelijk gebruikt voor metingen maar is nog steeds operationeel, zij het met beperkte windsnelheid. Vertical Wind stopte zijn ontwikkeling na het verliezen van een belangrijke investeerder in 2010, maar produceert nog steeds generatoren.
Zoals de VAWT-programma’s van DAF Indal en ALCOA in de jaren zeventig/tachtig initiatieven van aluminiumproducenten waren, is het Poolse VAWT-bedrijf Anew Institute, dat nog steeds actief is, een dochteronderneming van staalproducent Stalprodukt SA. Anew bouwde in 2015 een prototype van 200 kW en in 2017 een prototype van 1,5 MW, dat qua geïnstalleerd vermogen op de tweede plaats komt na ÉOLE, de grootste VAWT ooit.
Hoe zit het met drijvende VAWT’s?
Drijvende windturbines zijn (bijvoorbeeld door brancheorganisatie WindEurope) aangemerkt als een belangrijke faciliterende technologie voor grote uitbreidingen van offshore windenergie. Het lage massacentrum van de VAWT combineert goed met een drijvend platform en dit heeft geleid tot een opleving van de belangstelling voor het concept, met een aantal drijvende VAWT-projecten die in de jaren 2010 zijn opgestart.
MODEC, een Japans bedrijf dat gespecialiseerd is in drijvende platforms voor de olie- en gasindustrie, heeft bijvoorbeeld een drijvend hybride systeem voor de opwekking van wind- en getijdenstroom ontwikkeld onder de naam skwid (Savonius Keel and Wind Turbine Darrieus). Het concept bestond uit een H-rotor boven het wateroppervlak en een Savonius turbine die de stromingen eronder oogstte. Hun 500 kW prototype zonk echter twee keer tijdens de inbedrijfstelling in 2013/14 en MODEC liet zijn VAWT-ambities varen.
Een andere poging om drijvende VAWT’s te commercialiseren werd gedaan door het Franse bedrijf NENUPHAR, dat streefde naar de ontwikkeling van een multi-MW, twin-turbine drijvend offshore platform.
Er is nooit een grote, drijvende VAWT ingezet, maar NENUPHAR installeerde in 2014 een 600 kW onshore prototype in Fos-sur-Mer aan de Franse Middellandse Zeekust, waarvoor verschillende bladconfiguraties werden getest. In 2018 ging NENUPHAR echter failliet nadat het door een industriële partner in de steek was gelaten.
Er kunnen nog verschillende andere drijvende VAWT-ontwikkelingsinspanningen worden genoemd die de ambitie hebben om binnenkort grote prototypes in te zetten. Maar deze korte terugblik beperkt zich tot projecten die, ongeacht het uiteindelijke resultaat, de daadwerkelijke bouw van verticale as-turbines op utiliteitsschaal omvatten. Deze “papieren” projecten blijven hier dus buiten beschouwing, maar kunnen het onderwerp zijn van een toekomstig verslag.
Drijvende niche herleeft belangstelling
Samenvattend kan worden gesteld dat het concept van windturbines met verticale as, dat bijna was uitgestorven, de laatste jaren opnieuw in de belangstelling is komen te staan, met name voor drijvende offshore-platforms. De concurrentie met het horizontale-asconcept, dat technologisch steeds verder is ontwikkeld sinds het in de jaren tachtig de VAWT’s als windturbinestandaard heeft verslagen, wordt steeds moeilijker, maar de drijvende nichemarkt zou wel eens de kans kunnen zijn waar verticale-as-windturbines op hebben gewacht.
Auteursinformatie: Erik Möllerström The Rydberg Laboratory for Applied Sciences, Halmstad University, PO Box 823, SE-301 18 Halmstad, Sweden ()
Voor meer details over de genoemde VAWT’s en andere kleinere VAWT-projecten die hier niet aan bod komen, is het volgende document open-access beschikbaar: Möllerström E, Gipe P, Beurskens J, Ottermo F, ‘A historical review of installed vertical axis wind turbines rated 100 kW and above’, Renewable & Sustainable Energy Reviews, Vol 105 (2019).