Vervolgonderzoek Energieopwekking in Ventecdak > Powerdak (3)

Considerans

De intramurale opwekking van windenergie in het Ventecdak, verder aangeduid met Powerdak, is in dit  onderzoek alleen theoretisch onderzocht. Om de potenties van dit concept nader te evalueren is verder wetenschappelijk en empirisch onderzoek nodig

Het Earth, Wind & Fire concept maakt op twee manieren gebruik van de omgevingsenergie van wind en zon:

•             Passief voor het tot stand brengen van de luchtstromingen voor een natuurlijke airconditioning. Het onderzoek heeft voor deze techniek gevalideerde rekenmodellen opgeleverd, die direct voor toepassing in de praktijk kunnen worden gebruikt. In een demonstratieproject zal hiermee ervaring worden opgedaan en worden aangetoond dat het innovatieve concept ook werkelijk rijp is voor toepassing in de bouwwereld – zie hierna.

•             Actief voor de opwekking van elektrische energie in het Ventecdak. Productiecijfers voor zonne-energie zijn relatief betrouwbaar te berekenen op basis van het rendement van de toegepaste PV-folie.  Voor windenergie zijn in het onderzoek theoretische rekenmodellen opgesteld, die echter wegens gebrek aan financiële middelen niet empirisch konden worden gevalideerd. Voor de verdere ontwikkeling van deze “intramurale” windenergie is daarom nader onderzoek nodig.

Windenergie

De huidige trend in de ontwikkeling van windenergie is de aanleg van grootschalige windparken in windrijke omgevingen, bijvoorbeeld op zee of aan de kust. Een dergelijke centrale energieopwekking met grote tot zeer grote windturbines is veel duurder dan traditionele grijze stroom; het kostenverschil wordt momenteel door subsidies opgevangen. Door de grote afstand tot de gebouwde omgeving treden hierbij transport- en omzettingsverliezen van de opgewekte energie op.

Er is een toenemende maatschappelijke weerstand tegen windturbines, die zijn oorsprong vindt in het gevaar dat ze opleveren voor vogels, de geluidsoverlast en slagschaduw voor omwonenden en de ervaren “horizonvervuiling”.  Deze problemen treden minder op bij kleinschalige opwekking van windenergie in de gebouwde omgeving, hetgeen daarom wordt beschouwd als een kansrijke technologie. Speciaal voor dit doel ontworpen kleine turbines zoals de Turby (http://www.turby.nl), een verticale as windturbine met een nominaal vermogen van 2,5 kW kunnen direct op het gebouwnet “achter de meter” worden aangesloten waardoor de opgewekte energie direct kan worden gebruikt voor eigen behoefte. De opbrengst van elke zelf benutte kWh is hierdoor gelijk aan de “vermeden kosten van inkoop”, die beduidend hoger is dan de huidige vergoeding voor terug levering, althans in Nederland.

Een nadeel van kleinschalige opwekking van windenergie in de gebouwde omgeving is dat de windsnelheden hier lager zijn dan in het open veld. Dit kan gecompenseerd worden door de turbine hoog te plaatsen, bijvoorbeeld op een hoog gebouw. Ook kan gebruik worden gemaakt van plaatselijk hoge winddrukken op gevels, of een plaatselijke verhoging van de windsnelheid door de architectonische vormgeving. Dit is het geval bij het hierna omschreven Ventecdak en het Powerdak.

Windturbines in het Ventecdak

Het Ventecdak is in eerste instantie ontworpen voor het opwekken van positieve en negatieve drukverschillen voor de natuurlijke airconditioning. Bij het onderzoek bleek dat de Klimaatcascade in veel gevallen voldoende positieve druk voor de luchtdistributie in het gebouw  levert. Beter dan de overdruk in het Ventecdak met behulp van bypasskleppen af te bouwen is ervoor gekozen in plaats hiervan windturbines te installeren.

Er zijn twee essentiële verschillen tussen windturbines in het Ventecdak en conventionele vrijstaande windturbines:

•             Een vrijstaande windturbine maakt gebruik van de dynamische winddruk, terwijl de turbine in het Ventecdak wordt aangedreven door statische drukverschillen.

•             Bij een vrijstaande windturbine stroomt de lucht gedeeltelijk om de rotor heen, hetgeen bij de turbine in het Ventecdak niet mogelijk is. Dit houdt in dat de zgn. Lancester-Betz limiet, de maximum  vermogenscoëfficiënt, hier niet van toepassing is.

•             De in het Ventecdak opgewekte drukverschillen zijn veel groter zijn dan drukverschillen in de open lucht. Met turbines in het Ventecdak kunnen daarom aanzienlijk hogere vermogenscoëfficiënten worden gerealiseerd dan met vrijstaande windturbines.

Naast de hogere vermogenscoëfficiënt hebben windturbines in het Ventecdakten opzichte van conventionele windturbines nog de verdere voordelen:

•            Eventuele geluidsproblemen zijn door de inpandige opstelling gemakkelijker op te lossen.

•            Er is geen omgevingsvergunning (Wabo) nodig.

•            De windturbines worden deel van de technische gebouwinstallaties, waardoor de afstemming van energieproductie en energiegebruik eenvoudiger wordt.

•            Onderhoud kan plaatsvinden vanuit de dakopbouw, een gemakkelijk toegankelijke en  beschermde techniekruimte.

Windturbines in het Powerdak

Het Powerdak is een doorontwikkeling van het Ventecdak, waarbij niet alleen gebruik wordt gemaakt van de  druk in de overdrukruimte, maar ook van de verhoogde windsnelheden in de pseudo-venturi. Met behulp van een aantal hierin te installeren verticale-as windturbines kan naar verwachting een aanzienlijke energieproductie worden gerealiseerd.

Het onderzoek

Het onderzoek omvat in hoofdlijnen:

  1. Het bepalen van de optimale afmetingen en geometrie van de dak overstekken voor het realiseren van maximale drukken in de dakopbouw.
  2. Het op macroniveau in kaart brengen van de drukken rondom het Powerdak, loefzijde, lijzijde, parallelle zijden en bovenzijde.
  3. Het bepalen van de optimale geometrische verhoudingen en bolling van het boven- en onderdak voor het maximaliseren van de energieproductie in de pseudo-venturi.
  4. Het valideren van de CFD simulaties aan de hand van de metingen in de windtunnel ad 5 en 6.

Punten 1 t/m 4 uit te voeren door de Unit Building Physics and Systems van de TU Eindhoven met behulp van CFD numerieke stromingssimulatie.

  1. Het maken van een schaalmodel van het Powerdak schaal 1:100 voorzien van de nodige meetpunten, met op basis van de CFD simulaties geoptimaliseerde dak overstekken en dak bolling.
  2. Het meten en vastleggen van de drukken ad 2 in de gesloten grenslaagtunnel van Peutz.
  3. Het overleg met de TU Eindhoven over simulaties en metingen.

Punten 5 t/m 7 uit te voeren in het windlaboratorium van Peutz te Molenhoek.

  1. Het maken van een schaalmodel 1:20 van het geoptimaliseerde Powerdak uit te voeren met meerdere openingen in de overdrukkamer, voorzien van gazen, voor het simuleren van de turbines.
  2. Het meten van luchtsnelheden en drukverschillen over de openingen bij verschillende windsnelheden en gaasdichtheden in de Open Straal windtunnel (Open Jet Facility -OJF) van de faculteit Lucht- en Ruimtevaart van de TU Delft.
  3. Het bepalen van de winddrukcoefficiënten Cp in de overdrukkamer, de lijzijde en de bovenzijde.
  4. Het bepalen van maximale aerodynamische rendementen, theoretische turbinevermogens en vermogens coëfficiënten bij verschillende configuraties.

Punten 8 t/m 11 uit te voeren door de faculteit Lucht- en Ruimtevaart van de TU Delft.

  1. Berekening van de geluidsproductie van de windturbines en het vaststellen van eventuele maatregelen ter beperking van geluidsoverlast binnen het gebouw en naar de omgeving.

Punt 12 uit te voeren door Peutz.

Energieopwekking met Zon en Wind

Het bovendak en het bezonde deel van het onderdak wordt voorzien van een dunne film PV-folie, bestaande uit een dunne laag foto-voltaisch materiaal aangebracht op een flexibele onderlaag. Anno 2011 is met deze technologie een rendement van 10% bereikbaar, en verwacht wordt dat een rendement van 15% binnen bereik ligt. Op basis van het referentiejaar NEN 5060:2008 kan met een rendement van 10% een jaaropbrengst van 100 kWh.m-2 worden berekend.

De gecombineerde energieopwekking met zon en wind is om twee redenen een interessante optie:

  • De profielen van de beschikbare windenergie en zonne-energie zijn over de seizoenen gerekend redelijk complementair. ’s Zomers veel zon en weinig wind. ’s Winters veel wind en weinig zon.
  • Het aandeel van de zonne-energie, gerekend per m2 vloeroppervlak neemt af bij stijging van het aantal bouwlagen en daardoor toenemende gebouwhoogte.  Het aandeel van de windenergie neemt hierbij door de hogere windsnelheid juist toe

Een gecombineerde toepassing van zon- en windenergie in Ventecdak en Powerdakis daarom een interessante optie. De karakteristieken van deze combinatie moeten voor verschillende gebouwhoogten- en geometrieën nader worden onderzocht.

Onderzoeksvoorstel

Voor een gedetailleerde omschrijving van het onderzoeksvoorstel wordt verwezen naar hyperlink

Financiering van het onderzoek

Binnen de TKI EnerGO[1] zijn anno 2013 geen mogelijkheden voor subsidiering van windenergie, wel voor zonne-energie. Voor de financiering van het vervolgonderzoek “Energieopwekking in het Ventecdak > Powerdak” zal, al dan niet in combinatie met subsidiering van het demonstratieproject ad (4),  in de 2e helft 2013 potentiele belangstellenden worden gezocht.

 

[1] Zie bij “Demonstratieproject Earth, Wind & Fire”(4)