themaEen frisse wind4200958themaEen frissewind1Hybride windmolen levert 20% meer energie58_63_9_Windmolen 58 11-06-2009 17:54:51Een frisse wind 42009 59133 m voor een windmolen is ongebruikelijk hoog. Ter vergelij-king: in Duitsland ­ op het gebied van windenergie koploper inEuropa ­ houdt het vaak op bij 80 of 90 m. En in Nederland zijnwindmolens van 70 m al heel wat. Maar op grotere hoogtes is erdoorgaans meer wind en, misschien nog wel belangrijker, is dewind constanter. Daarom kwam het werktuigkundige ingenieurs-bureau Mecal met het idee om windmolens van meer dan 100 mte bouwen. Samen met Hurks Groep en Juwi Holding werd deJoint Venture ATS (Advanced Tower Systems) opgericht. Dezeorganisatie realiseerde een 133 m hoge `hybride' windmolen ineen testpark voor windenergie in Grevenbroich, tussen Mönchen-gladbach en Keulen. De lengte van de bladen is 45 m waardoor detop zelfs maximaal 180 m boven de grond uitsteekt. De energie-opbrengst van deze windmolen is 20% hoger dan een windmolenvan 100 m. De meerkosten worden na vier jaar terugverdiend.Het ATS hybride torenconcept is in de afgelopen acht jaarontwikkeld. Vanwege de grote hoogte zijn afmetingen nodig vanmeer dan 4,30 m in doorsnede. Bij dergelijke afmetingen is staalgeen reële optie meer. Grotere stalen segmenten zijn immers nietmeer over de weg te vervoeren. En het aanvoeren van kleinerestalen elementen en montage op de bouwplaats zou de kostenenorm opvoeren. De ondermast is daarom opgebouwd uitprefab-betonelementen. Hierbij is gekozen voor een bijzondereaanpak, die is gepatenteerd door ATS. De ondermast wordt nietopgebouwd uit hele of halve prefab-betonringsegmenten ­ eenveel toegepaste bouwmethode voor masten vanwege het krach-tenspel en montagestabiliteit ­ maar uit langwerpig verticaalgeplaatste elementen. Onder licentie van ATS is men inmiddelsop verschillende plekken in de wereld bezig met dit systeem.ComplexDe constructie van de mast lijkt op het eerste gezicht simpel, dehoofdvorm kent een eenvoudige verschijningsvorm. Tochvormt de mast een complexe opgave. De constructie wordtdoor de rotorbladen, via de windturbine dag in dag uit belastmet enorme krachten. Dit is een statische maar ook dynami-sche belasting uit alle richtingen. De windturbine richt zichimmers optimaal op de wind. Het ontwerp was extra uitdagendomdat hoofdafmetingen, constructieschema's, elementafmetin-gen, gedrag van verbindingen, productie, transport en montageallemaal invloed hadden op het meest economische ontwerp.Er is veel geïnvesteerd in samenwerkingsverbanden. Dat wasnoodzakelijk omdat verschillende partijen het project vanuitdiverse culturen benaderden. Werktuigbouwkundige kennis isbijvoorbeeld gecombineerd met kennis van de prefab-beton-constructie. Zo is de constructie mede ontworpen en uitge-werkt door een Duits ingenieursbureau. Hierdoor kon goedworden gecommuniceerd met een certificatie-instelling.OntwerpDe betonnen ondermast is 76,5 m hoog. Aan de voet is dedoorsnede 8,20 m; aan de top 5,0 m. De stalen opbouw isonderin 4,3 m. Deze sprong wordt opgevangen door een zoge-noemde adapter. De mast is geplaatst op een in het werkgestorte betonnen plaat met een dikte van 2,0 m en een diame-ter van 20 m. Hij is op staal gefundeerd.ElementenEr is gekozen voor een vierkante mastdoorsnede met afgerondehoeken. De mast is opgebouwd uit 15 m lange verticaal geplaatsteprefab-betonelementen (foto 2). In de hoeken zijn gelijkvormigeelementen toegepast. Hiervoor is maar één mal nodig. Het tapseverloop van de mast wordt gerealiseerd door tussen de hoekele-menten vlakke tussenwanden te plaatsen die naar boven toesteeds smaller zijn uitgevoerd. De elementen wegen maximaal 38ton en zijn daardoor nog goed te transporteren.ir. Rob HuijbenHurks Delphi Engineering1 Windmolen in het proefveld in Grevenbroich2 Productie betonelementenIn het Duitse Grevenbroich is op 14 mei 2009 een windmolenvan maar liefst 133 m hoogte in gebruik genomen. Het isdaarmee de hoogste windmolen ter wereld. Toepassing vanalleen staal is bij deze afmetingen niet meer haalbaar. Eenaantal partijen ontwikkelde daarom een hybride constructie:het onderste deel beton en het bovenste deel staal.258_63_9_Windmolen 59 11-06-2009 17:54:53themaEen frisse wind42009603 Een deel van de elementen is al op de grond gemonteerd4 Voorspankabels in de schacht5 De krachten uit de voorspaneenheden worden in deadapter overgedragen naar de stalen mast6 Geïnstalleerd vermogen windenergie EUbron: Wind Energy Barometer 2008VoorspanningVanwege de grote belastingen in relatie tot de slanke doorsnedewordt gebruikgemaakt van extern aangebrachte voorspaneen-heden (foto 4). Deze zijn bovenin bevestigd aan de adapter enonderin aan de fundatieplaat. Het zijn twaalf spaneenheden,drie in elke hoek, die elk opgebouwd zijn uit negentien stren-gen, 150mm2/streng, FeP1770. De voorspaneenheden zijn gele-verd en aangebracht door DSI.De sterkteklasse van de prefab-betonelementen is C70/85. Dewandelementen zijn 250 mm dik uitgevoerd. Dit geeft eenverticale spanning van 25-30 N/mm2(UGT). Om de prefab-betonmast te berekenen is hij uiteindelijk volledig ingevoerd ineen 3D eindige-elementenprogramma. Daaraan voorafgaand iser gewerkt met handberekeningen en staafwerkmodellen.AdapterDe vormgeving van de prefab betonnen adapter vergde veel tijden aandacht (foto 5). De krachten uit de omvangrijke voor-spaneenheden worden hier overgedragen naar de fijnmazigIn totaal zijn vijf ringen van elk acht elementen geplaatst. Vandeze acht elementen werden er telkens 2 x 3 op de grond voor-gemonteerd (foto 3). De 2 tussenstukken werden later ophoogte ingehesen. Het totale aantal hijsbewegingen van deenorme kraan ­ met 1200 ton een van de grootste mobielekranen ter wereld ­ werd zo beperkt. Deze aanpak bleek hetmeest efficiënt, wat betreft productie, transport én montage.Ook het bouwtempo lag opvallend hoog. In drie dagen stondde gehele prefab onderbouw.De betonnen schacht is inwendig volledig open en wordt nietextra afgesteund door bijvoorbeeld vloeren. Het vraagstuk`partiële wandstabiliteit' lag dan ook duidelijk op tafel. Mededaarom zijn de elementen horizontaal momentvast met elkaarverbonden. Daartoe zijn de verticale naden aangestort. Dehorizontale voegen zijn verbonden met stekken en gaines.358_63_9_Windmolen 60 11-06-2009 17:54:55Een frisse wind 42009 61Windenergiewinning op land blijkt volgens diverse bronnentwee tot vier maal goedkoper te zijn dan op zee. Dit vormt duseen drijfveer om serieus naar de inpassing op land te kijken.Toch ontstaat er ook steeds meer weerstand tegen de groei vanhet aantal windmolens op land. Zo is geluidsoverlast een veelgehoord nadeel. De turbine in Grevenbroich blijkt op maaiveldechter fluisterstil te zijn. Er is een geluideis van 35-40 dBgesteld voor de woonhuizen in de omgeving. Ook wordt hori-zonvervuiling gezien als een negatief aspect. Maar omdat debetreffende masten zo hoog zijn hoeven ze niet in weilanden teworden gesitueerd, maar kunnen ze bijvoorbeeld ook meerverborgen in een coulisselandschap worden geplaatst en/ofworden gecombineerd met andere bestemmingsplannen.Schone energie met behulp van hoge windturbinemasten opland is dus zeker het onderzoeken waard. )verdeelde voorgespannen boutverbindingen van de stalen mast.De vraag was hoeveel excentriciteit de adapter kon opnemenzonder te veel te vervormen. Deze vervorming beïnvloedt opzijn beurt weer de draagkracht van de onderliggende schacht-wand. De adapter is 2,5 m hoog, 5,0 m breed en weegt 70 ton.Voor het vervoer was speciaal transport nodig.Zowel de adapter als de elementen voor de schacht zijn doorHurks geproduceerd en mede geëngineerd.WindenergieDe windmolen is voorzien van een Siemens turbine met eenvermogen van 2,3 MW. Deze levert een jaarlijkse energiepro-ductie op van 6000 - 8000 MWh. Een Nederlands huishoudenverbruikt jaarlijks 3500 kWh elektriciteit. Dat wil zeggen dat éénmolen voldoende is voor circa 1800 huishoudens. In Nederlandstaan momenteel windturbines met een vermogen dat meestalkleiner is dan 800 kW op een hoogte van 30 tot 60 m.Volgens Wind Energy Barometer 2008 is er in Nederland2200 MW aan windenergievermogen geïnstalleerd. In Duits-land is dat bijna 24 000 MW (december 2008, fig. 6). Om het tekunnen vergelijken met continu producerende energiecentralesmoet dit vermogen worden vermenigvuldigd met een continuï-teitsfactor van circa 1/3. Deze factor zou omhoog kunnen bijhoog geplaatste windmolens omdat de wind daar constanter is.Uitgaande van factor 1/3 is er in Duitsland in totaal 24 000 x1/3 = 8000 MW continuvermogen opgesteld. Dat is gelijk aanvijf grote elektriciteitscentrales. Voor de totale vraag naar elek-triciteit in Nederland is slechts 3x meer nodig. Nederland zoudus voldoende hebben aan 3x het totaal geleverde vermogenwindenergie in Duitsland! En de ontwikkelingen gaan verder.Er zijn al windturbines met een vermogen van 5,0 MW.23902,816740,33736,53404,03287,93179,92862,02224,61021,01002,7994,9985,0451,1383,6158,0149,7143,0124,078,365,043,327,010,95,1050001000015000200002500030000DuitslandSpanjeItaliëFrankrijkGroot-BrittanniëDenemarkenPortugalNederlandZwedenIerlandOostenrijkGriekenlandPolenBelgiëBulgarijeTsjechiëFinlandHongarijeEstlandLitouwenLuxemburgLetlandRoemeniëSlowakijeMW45658_63_9_Windmolen 61 11-06-2009 17:54:59