Het Spaanse bedrijf Vortex Bladeless heeft turbines ontwikkeld die gebruik maken van vorticiteit, de draaiende beweging van lucht of andere vloeistoffen. Wanneer de wind een cilindervormige turbine passeert, wordt de benedenwindse zijde van de cilinder afgeknepen in een draaiende draaikolk of vortex. Die draaikolk oefent vervolgens kracht uit op de cilinder, waardoor deze gaat trillen. De kinetische energie van de oscillerende cilinder wordt omgezet in elektriciteit door middel van een lineaire generator, vergelijkbaar met die welke worden gebruikt om golfenergie te benutten.
David Yáñez, een van de medeoprichters van het bedrijf, kwam voor het eerst met het concept in aanraking toen hij als student de instorting van de Tacoma Narrows Bridge in Washington bestudeerde. De brug stortte in 1940 in als gevolg van buitensporige trillingen die werden veroorzaakt door de draaiende beweging van de wind toen die langs de brug blies en is een schoolvoorbeeld van een technische mislukking. Yáñez leerde echter een andere les. “Dit is een zeer goede manier om energie van een vloeistof naar een structuur over te brengen,” zegt hij.
Het lichtgewicht cilinderontwerp van Vortex heeft geen tandwielen of lagers. Yáñez zegt dat het elektriciteit zal opwekken voor 40 procent minder dan de kosten van stroom uit conventionele windturbines. Het bedrijf heeft $ 1 miljoen aan particulier kapitaal en overheidsfinanciering in Spanje ontvangen en zoekt nog eens $ 5 miljoen aan risicokapitaalfinanciering. Yáñez zegt dat het bedrijf van plan is om in 2016 een systeem van vier kilowatt uit te brengen en een veel groter apparaat van één megawatt rond 2018.
De Vortex-turbine klinkt veelbelovend, maar zoals elk radicaal nieuw alternatief energieontwerp hebben blaasloze turbines veel sceptici.
“Als je een gewone windturbine van het propellertype hebt, heb je een groot gebied dat door de bladen wordt schoongeveegd,” zegt Martin Hansen, een windenergiespecialist aan de Technische Universiteit van Denemarken. “Hier heb je gewoon een paal.”
Naast het feit dat ze minder energie opvangen, kunnen oscillerende cilinders niet zoveel van die energie omzetten in elektriciteit, zegt Hansen. Een conventionele windturbine zet doorgaans 80 tot 90 procent van de kinetische energie van zijn draaiende rotor om in elektriciteit. Yáñez zegt dat de op maat gemaakte lineaire generator van zijn bedrijf een omzettingsefficiëntie van 70 procent zal hebben.
Yáñez geeft toe dat het oscillerende turbineontwerp een kleiner gebied zal bestrijken en een lagere omzettingsefficiëntie zal hebben, maar zegt dat aanzienlijke verlagingen in fabricage- en onderhoudskosten zullen opwegen tegen de verliezen.
Als Vortex grotere apparaten bouwt die winden met een hogere snelheid verder van de grond vangen, zal het ook oplopen tegen andere uitdagingen die inherent zijn aan de fysica van vloeistofmechanica. Lucht of andere vloeistoffen die zich bij lage snelheden langs cilinders met een kleine diameter bewegen, stromen in een vloeiende, constante beweging. Vergroot echter de diameter van de cilinder en de snelheid waarmee de lucht erlangs stroomt, en de stroming wordt turbulent, waardoor chaotische wervelingen of vortices ontstaan. De turbulente stroming zorgt ervoor dat de oscillerende frequentie van de cilinder varieert, waardoor hij moeilijk te optimaliseren is voor energieproductie.
“Met zeer dunne cilinders en zeer langzame snelheden krijg je zingende telefoonlijnen, een absoluut zuivere frequentie of toon,” zegt Sheila Widnall, een hoogleraar luchtvaart- en astronautica aan het MIT. “Maar als de cilinder heel groot wordt en de wind heel hoog, dan krijg je een scala aan frequenties. Je zult er niet zoveel energie uit kunnen halen als je zou willen, omdat de oscillatie fundamenteel turbulent is.”
Widnall trekt ook de bewering van het bedrijf in twijfel dat zijn turbines stil zullen zijn. “De oscillerende frequenties die de cilinder doen schudden zullen lawaai maken,” zegt ze. “Het zal klinken als een goederentrein die door je windmolenpark rijdt.”
Oscillerende cilinders zijn slechts een van de vele opkomende technologieën die erop gericht zijn meer wind te oogsten voor minder. Makani Power ontwikkelt een vastgemaakte “energievlieger” (zie “Vliegende windmolens”). Hij vliegt in een grote cirkel, vergelijkbaar met het uiteinde van een conventioneel turbineblad, terwijl hij windenergie opwekt via kleinere turbines aan boord. Astro Teller, hoofd van Google X, de semi-geheime onderzoeksfaciliteit van Google die Makani in 2013 verwierf, zei in maart dat het bedrijf binnenkort zou beginnen met tests van een vlieger op ware grootte van 600 kilowatt.
John Dabiri, een hoogleraar luchtvaart en bio-engineering aan Caltech, test verschillende configuraties van verticale as-turbines, die in wezen windmolens zijn die draaien als een draaimolen in plaats van op een horizontale as zoals een fietswiel. Gewoonlijk worden windturbines ver van elkaar geplaatst om de energieproductie te optimaliseren. Op basis van dezelfde principes die vissen gebruiken om energie te besparen door in scholen te leven, ontdekte Dabiri dat dicht bij elkaar geplaatste turbines meer energie kunnen produceren dan turbines die ver uit elkaar staan.
“Je kunt de werking van meerdere windturbines zo coördineren dat het geheel groter is dan de som van de delen,” zegt hij.
Dabiri zegt dat dergelijke synergetische effecten ook kunnen worden toegepast op conventionele windmolens met een horizontale as of zelfs op oscillerende turbines. De laatste vormen een grotere uitdaging omdat het zog van dergelijke turbines zeer chaotisch is, maar ook een potentieel voordeel omdat het zog veel energie verpakt, zegt hij.
Veel moet nog worden afgewacht met de oscillerende turbine van Vortex, zegt Dabiri, maar hij voegt eraan toe dat hij enthousiast is over het concept van het bedrijf. “Iedereen die zegt dat de turbine met drie bladen het beste is wat we kunnen doen, ontbreekt het aan visie.”
Teken inSchrijf u nu in