De dominante windrichting op een locatie speelt een belangrijke rol bij het ontwerp van een nog aan te leggen windpark. Eenmaal gebouwd is het daarna meestal ‘iedere windturbine voor zich’ zodra de wind van kracht of richting verandert: met de neus in de wind dus, ongeacht of een verderop gelegen windturbine daar last van heeft. ‘Bij sommige windparken berekenen ze vooraf voor elke windrichting de optimale stand van alle windturbines in het park, zodat ze niet of minder in elkaars zog staan,’ zegt Maarten van den Broek, promovendus bij het Delft Center for Systems and Control. ‘Maar de daadwerkelijke winst in energieopbrengst daarvan is lager dan je op basis van die optimalisaties mag verwachten.’ Tijd voor een effectievere aanpak dus.

Duizend huishoudens

Ingewikkelde systemen hanteerbaar maken zodat je ze kunt aansturen en er daadwerkelijk winst uit kunt halen, dat is waar Maarten warm voor loopt. En een heel windpark met complexe wind-wervelingen, de ingewikkelde berekeningen om deze te reproduceren, en ook nog een optimalisatie daaroverheen, past precies in zijn straatje. ‘De uitdaging is om zo dicht mogelijk bij de fysica te blijven en toch een algoritme te hebben dat snel genoeg is om de optimalisatie van een heel windpark in real-time uit te voeren,’ zegt hij. Onder ideale statische omstandigheden kan dit een paar tot tientallen procenten hogere opbrengst opleveren. Over een heel jaar, waarin de wind continu fluctueert, is het misschien evenveel als een extra windmolen op een park. Dat is al gauw genoeg voor meer dan duizend huishoudens.

Wind vangen in lijnelementen

In het begin van zijn PhD probeerde hij met een tweedimensionaal rekenmodel tot een goede oplossing te komen, omdat dit veel minder rekenkracht vergt. Maar dat bleek niet nauwkeurig genoeg zodra de rotor van een windturbine ook maar een beetje uit de wind draait. Voor driedimensionale berekeningen past hij nu een zogenoemd Free-Vortex model toe, dat ideaal is voor werveldynamiek. ‘In plaats van een heel groot raster van punten door te rekenen, kijk je hiermee alleen naar de locaties waar daadwerkelijk verandering plaatsvindt. Je kan het hele stromingsstelsel achter een windturbine met een paar lijnelementen beschrijven.’ 

Een ander groot voordeel van zijn model is dat hij in één berekening het effect van windfluctuaties over een tijdspanne (van bijvoorbeeld 10 minuten) kan berekenen. ‘Bij een klassieke benadering van dit probleem moet je voor elke stap in de tijd een nieuwe simulatie draaien, wat veel rekentijd kost.’ 

Windtunnel

Wat betreft de fysica laat Maarten het modelleren van kleine turbulenties achterwege omdat je hiervan kan verwachten dat ze de energieopbrengst nauwelijks zullen beïnvloeden. Bovendien kunnen de windrichting en windkracht in werkelijkheid variëren over de hoogte van het rotorblad, terwijl hij aanneemt dat dat niet zo is. Een benadering van de fysieke werkelijkheid dus. ‘Daarom is het belangrijk dat ik de uitkomsten van mijn simulaties valideer aan de hand van windtunnelexperimenten.’

Bij de experimenten in Delft, waar hij aan meewerkte, draaide het om hoe goed zijn simulaties met het zog achter een enkele windturbine overeenkomen als die recht of scheef in de wind staat. Maar hij heeft ook data uit Duitsland gekregen voor twee achter elkaar geplaatste windturbines waarbij de windrichting met de hoogte varieerde, wat hij dus niet meeneemt in zijn berekeningen. Maarten: ‘In beide gevallen zijn de eerste resultaten heel bemoedigend. Zo komt de energieopbrengst van de achterste windturbine goed overeen met wat ik voorspel.’

Op naar de honderd

In de publicatie die hem de prijs voor Best Energy Paper opleverde, beschrijft hij zijn rekenmodel voor de situatie van twee windturbines achter elkaar. ‘Uiteindelijk wil ik dit nog voor het einde van mijn PhD opschalen naar een heel windpark van misschien wel honderd windturbines. Daarvoor probeer ik het park slim in verschillende blokjes op te delen zodat ik de berekeningen over meerdere processoren kan verdelen. Die wil ik dan individueel optimaliseren, terwijl ze elkaar wel beïnvloeden.’

Elke procent telt

In zijn PhD kijkt hij voornamelijk naar het iets uit de wind draaien van de rotor als geheel, zodat het zog zich verplaatst. ‘Deze yaw-misalignment is een methode die al mondjesmaat in de praktijk wordt toegepast,’ zegt hij. ‘Grote spelers op de windenergiemarkt zullen een verbeterde aanpak dan ook snel oppakken.’ Daarnaast is zijn methode ook geschikt voor een strategie waarbij de stand van de rotorbladen collectief wordt aangepast, wat het zog verstoort en dus de opbrengst van achtergelegen windturbines verhoogt. Dat hoeft niet om een eenmalige aanpassing te gaan, de bladen kunnen zelfs heen en weer schommelen bij een vaste windrichting. ‘We weten nog niet hoeveel winst dat op jaarbasis op kan leveren, maar bij windparken is werkelijk elke procent winst de moeite waard.’