De wereld heeft veel meer windenergie nodig

"Wat we zien is dat overheden in de strijd tegen klimaatverandering wereldwijd ongelooflijk ambitieus zijn als het gaat om groene energie", zegt Daniele Ragni, onderzoeker aeroakoestiek bij de afdeling Windenergie van de TU Delft. "De EU wil bijvoorbeeld dat in 2030 al 45% van de energie afkomstig is van hernieuwbare energiebronnen." Om deze doelstellingen te halen heeft de wereld veel meer windenergie nodig, maar windturbines hebben een enorme impact op het leven van de mensen die in de buurt wonen. Vooral het geluid is een grote zorg en de bouw van windparken op land leidt vaak tot verhitte discussies en zelfs polarisatie in gemeenschappen.  

Uit onderzoek blijkt dat mensen het geluid van windturbines in vergelijking met andere vormen van geluidsoverlast bijzonder vervelend vinden vanwege het repetitieve 'zwiepende' geluid dat ze maken. De Wereldgezondheidsorganisatie erkent geluidsoverlast van windturbines zelfs als een officieel gezondheidsprobleem wanneer de blootstellingsniveaus te hoog zijn. Daarom heeft de WHO richtlijnen uitgevaardigd om het geluid van windturbines te beperken. 

Minder geluid betekent meer opbrengst

Ragni: “Om mensen te beschermen tegen geluidsoverlast, moeten windturbines in bewoond gebied voldoen aan strenge geluidsnormen. Maar deze normen beperken op hun beurt ook de energieopbrengst. Veel turbines moeten op bepaalde momenten, zoals ’s nachts, zachter draaien. Dan wekken ze dus tijdelijk minder energie op. Daarnaast is een gevolg van de geluidsnormen dat er simpelweg minder land geschikt is voor het plaatsen van windturbines. Er bestaan al wel oplossingen die het geluid van windturbines enigszins dempen, maar er is dringend behoefte aan betere. Met de innovatieve add-on de wij ontwikkelen, kunnen we echt een groot verschil maken en geluidsoverlast van windturbines genoeg dempen om het probleem met het productieverlies te verhelpen.”

Technologie met de potentie om geluid drastisch te verlagen

Terug in 2017 startten Ragni met collega-onderzoekers het project IPER-MAN. In dit project gingen ze op zoek naar oplossingen voor geluidsvermindering van zowel vliegtuigen als van windturbines. Ragni: “Voor beide geldt dat de voornaamste geluidsoverlast wordt veroorzaakt door interactie van luchtstroming met de achterrand van het vleugelprofiel. Dit heet ook wel trailing edge noise. In feite is deze ‘trailing edge noise’ voor windturbines de meest dominante bron van geluid. In IPER-MAN hebben we van een schuimachtig luchtdoorlatend materiaal – permeable material –  een add-on (hulpstuk, red.) ontwikkeld die zorgt voor geluidsdemping op vliegtuigvleugels en windturbinebladen. Gezien de urgentie van geluidsoverlast en klimaatverandering, was het potentieel van de add-on voor toepassing bij windenergie op land direct duidelijk.”

De technologie tot leven brengen

Gezien de belofte van IPER-MAN besloot een team van technische experts en ondernemers een bedrijf op te richten om deze technologie toe te passen op windturbinebladen: MuTech. Friso Hartog, een van de oprichters van MuTech, vertelt hoe het bedrijf tot stand kwam. “Ik leerde Daniele kennen toen ik met een aantal collega’s onderzoek deed naar permeable materials. Onze focus lag alleen niet op vermindering van geluid, maar op het minimaliseren van luchtweerstand. Toch bleek er grote overlap met het onderzoek van het team van Daniele. We zijn toen om tafel gaan zitten en hebben besloten om een bedrijf te starten. Hiermee konden we de add-on niet alleen technisch verbeteren, maar ook commercieel interessanter maken.”

De ‘Valley of Death’ oversteken

Ondanks de belofte van de technologie waren er nog steeds grote risico’s verbonden aan het op de markt brengen. Hartog legt uit: “Veel innovaties belanden in de valley of death, het gebied waarin een innovatie niet meer interessant genoeg is voor verder fundamenteel onderzoek, maar ook nog niet voor commerciële toepassing. We hebben al in een vroeg stadium contact gezocht met partners uit de industrie om het commerciële potentieel te beoordelen en om te bepalen welke verdere technologische ontwikkeling nodig is. Er was veel belangstelling bij windturbinefabrikanten, maar het was ook duidelijk dat zij de risico’s niet zelf wilden dragen. Wij durfden de stap wel te zetten en hebben begin 2022 MuTech officieel gelanceerd in de Aerospace Innovation Hub.”

Een geluiddempende slipper

Naarmate het onderzoek vorderde, begon het add-on ontwerp van het MuTech-team vorm aan te nemen. De add-on kreeg ook een naam: MuteSkin®. Hartog: “In het eerste prototype verving het doorlaatbare materiaal een groot deel van de achterkant van het blad. Na wat aanpassingen is het uiteindelijk een soort slipper geworden die aan de achterkant van het blad aan één kant kan worden bevestigd. Het voordeel van zo’n add-on is dat je het niet alleen eenvoudig kunt aanbrengen bij de productie in de fabriek, maar ook op bestaande turbines. En als je een verbeterde versie hebt, kun je de add-on eenvoudig verwijderen en vervangen.”   

De werkelijkheid simuleren in windtunnels

Het team deed allerlei windtunneltests met schaalmodellen van MuteSkin® om te zien wat wel en wat niet werkte. “Tijdens de tests hebben we onder meer gekeken welke parameters de prestatie van MuteSkin® beïnvloeden,” zegt Hartog. “Voorbeelden hiervan zijn de grootte of de hoek waaronder je ‘m aanbrengt op het blad. Op basis van deze inzichten hebben we MuteSkin® zo kunnen aanpassen dat de prestaties nog veel beter en robuuster zijn dan in de academische onderzoeken. Afgelopen mei hebben we voor het eerst de werking van het huidige model van MuteSkin® op ware grootte aangetoond in een windtunneltest. Dat was een heel spannend moment.”

De ultieme test - op echte, grote windturbines in het veld

De resultaten uit de windtunneltests op ware grootte gaven het team het vertrouwen dat  MuteSkin® klaar was voor de ultieme test: op echte windturbines in het veld. Deze tests zijn nu ook mogelijk door de samenwerking met partners zoals energieleverancier Eneco,  een van de partners in het BEST-project (zie kader). Bieke von den Hoff, PhD-kandidaat en Head of Acoustics bij MuTech, vertelt wat het belangrijkste doel van de test is. “We willen aantonen dat het model van de windtunneltest ook in de praktijk succesvol is. In een gesimuleerde omgeving kan alles prachtig werken, maar in de echte wereld heb je altijd te maken met interactie-effecten en onvoorziene zaken. Die hopen we met de praktijktest voor het voetlicht te brengen.”

Op weg naar een duurzamere én stillere wereld

Uit de praktijktesten moet blijken of MuteSkin® daadwerkelijk de impact kan maken die uit de windtunneltesten naar voren kwam: een geluidsvermindering tot 6 dB. Hartog legt uit wat zo’n besparing kan betekenen. “Het zorgt in de eerste plaats natuurlijk voor aanzienlijk minder geluidsoverlast voor de omgeving. Dit is niet alleen gezonder, maar zorgt ook voor een groter maatschappelijk draagvlak voor de rol van windenergie in de groene energietransitie. Bovendien kan het gebruik van de add-on de energieproductie van windturbines met wel 15% verhogen. Ook zal er ruwweg twee keer zoveel land geschikt zijn voor het plaatsen van de stillere windturbines. Dat alles levert dus enorme productiewinst op van goedkope, duurzame stroom.”

Wat Hartog vooral mooi en fascinerend vindt aan MuteSkin® is hoe een ‘gek idee’, zoals hij het zelf noemt, vanuit fundamenteel onderzoek z’n weg vindt naar de industrie. “Het lijkt misschien vanzelfsprekend, maar dat is het zeker niet. Dat we met ons kleine en toegewijde team de valley of death hebben doorkruist, is echt een hele mooie prestatie. Ook de bijdrage die we hiermee leveren aan het oplossen van een maatschappelijk probleem vind ik heel mooi. Voor zowel de gezondheidskant als de duurzame energiekant. De innovatie is een mooi voorbeeld van waar de TU Delft voor staat: impact for a better society en pioneering for change. In ons geval is dat de weg naar een duurzamere én stillere wereld.”