10 - 03 - 2020

Windmolens draaien op chemie (en wind)

In het kort

  • Via materialen voor windmolens draagt chemie het meest bij aan CO2-reductie.
  • Een windmolen levert binnen een half jaar meer energie dan het kostte om deze te maken en te installeren.
  • Nederlandse windmolens hebben in 2018 4400 miljoen kilo CO2-uitstoot voorkomen.

 

Van voet tot kruin gevuld met chemisch vernuft

Kunststof wieken maken steeds grotere windmolens mogelijk. Die produceren steeds goedkopere schone elektriciteit. Via materialen voor windmolens, van koolstofvezel en speciale smeerolie, tot speciale mortel en coatings, draagt de chemie bij aan vermeden emissie in de energiesector.


Door: Marga van Zundert

Windmolenbouwers denken altijd groter. “Een tienmaal grotere windmolen levert niet tienmaal zoveel energie, maar zo’n honderdvijftig maal”, verklaart Gerard van Bussel, hoogleraar Windenergie aan de TU Delft. Dat komt omdat het oppervlak van de wieken dat de wind ‘vangt’ kwadratisch toeneemt met de wieklengte én omdat het in hogere luchtlagen harder waait. Een hoge molen – kenners spreken liever over windturbine – betekent dus meer energie per geïnvesteerde euro én per kilo benodigde grondstoffen.

Op de Maasvlakte staat sinds eind vorig jaar een prototype van de tot nu toe grootste windturbine ter wereld: de Haliade-X van GE Renewable Energy. De molen is met 260 meter bijna net zo hoog als de Eiffeltoren, heeft wieken van meer dan 100 meter lang en is de grootste draaiende machine op aarde. Die ene molen is goed voor een vermogen van 12 megawatt, waarmee je zo’n 16.000 huishoudens van stroom kunt voorzien. In de Noordzee zijn drie windparken gepland met deze molens. Ze moeten in 2023 klaar zijn en dan 3,6 gigawatt opleveren, genoeg voor 3,5 miljoen huishoudens.

De wieken van de steeds grotere windmolens moeten licht zijn en tegelijkertijd zeer sterk en stijf om de enorme krachten die erop komen te weerstaan. “Dat lukt zeker bij de grootste molens alleen met wieken van koolstofvezel-versterkte composiet”, vertelt Pieter Boon, CEO van AnQore, dat de grondstof voor koolstofvezels produceert: acrylonitril. De windmolenindustrie is een steeds belangrijkere afnemer, aldus Boon. “Daar zat de afgelopen jaren de grootste groei en dat zet naar verwachting zeker door.”

 

Energietransitie

Windenergie is onontbeerlijk in de energietransitie. Nederland zet daarom fors in op wind om de doelstellingen van Parijs te halen. In 2030 moet Nederland volgens het Energieakkoord 11 gigawatt aan windenergie hebben, nu is dat ruim 4 gigawatt (1 op zee en ruim 3 op land). Zeker gezien het feit dat de Noordzee een van de windrijkste gebieden op aarde is, is onze windoogst bescheiden. Wereldwijd is er inmiddels 565 gigawatt aan windmolens gebouwd. Koplopers zijn China (221 GW) en de VS (97 GW), binnen Europa: Duitsland (60 GW) en Spanje (23 MW).

Uit levenscyclusanalyses blijkt dat moderne windmolens binnen een half jaar meer energie opleveren dan het kostte om ze te maken en te installeren. Bij landmolens lukt dat meestal al binnen 3 maanden. Met een gemiddelde levensduur van 20 jaar, levert een windmolen dus zeker 19,5 jaar stroom zonder CO2-uitstoot. MilieuCentraal berekende dat Nederlandse windmolens in het jaar 2018 de uitstoot van 4400 miljoen kilo CO2 hebben voorkomen, vergelijkbaar met een derde van alle jaarlijks gereden kilometers op de weg in ons land. De ICCA (International Council of Chemical Associations) stelde in 2017 dan ook dat de chemische industrie het meest bijdraagt aan vermijding van CO2-uitstoot via de materialen die ze levert voor windmolens.

Foto: GE Renewable Energy | Productie van de 107 meter lange wiek voor de Haliade-X bij LM Wind Power in Cherbourg. 


Enorme wieken

Dat begint bij de enorme wieken. Om ze te maken, worden gewoven matten van synthetische vezels in een mal overgoten met een epoxy- of polyesterhars die snel uithardt. Zo ontstaat een licht maar tegelijkertijd zeer sterk materiaal. “Composieten met koolstofvezels worden al decennialang gebruikt in bijvoorbeeld racefietsframes, formule 1- auto’s en vliegtuigen. Nu de eisen aan windmolenwieken steeds hoger worden, wordt het materiaal daar ook steeds vaker toegepast”, vertelt Boon van AnQore. De supersterke koolstofvezel wordt gemaakt uit gesponnen polyacrylonitril. Bij zeer hoge temperaturen worden eerst de waterstofatomen en daarna ook de stikstofatomen uit het materiaal ‘gestookt’, waarbij grafietachtige, lange koolstofkristallen ontstaan die de hoge sterkte verklaren. Boon: “We maken de grondstof acrylonitril uit aardolie of aardgas. Maar sinds dit jaar kunnen we ook Econitril aanbieden: gecertificeerd acrylonitril geproduceerd uit biomassa. Dat heeft een 60 procent lagere CO2-uitstoot.”

Foto: GE Renewable Energy/LM Wind Power | Grootste windturbine ter wereld, de Haliade-X, staat op de Maasvlakte.


Smeerolie

Een windmolen bevat ook zeker 1000 liter smeerolie. De meeste turbines hebben een ‘versnellingsbak’ die de draaiing van de wiekas omzet naar een toerental dat optimaal is voor stroomopwekking. “Op de tandwielen van dat systeem staan enorme krachten”, vertelt Jan Otterman, engineering manager van ExxonMobil. Speciale smeerolie laat de tandwielen toch soepeltjes in elkaar grijpen. Het gaat om een synthetische, zeer zuivere olie. Otterman: “Windmolenfabrikanten willen het liefst een olie die 20 jaar meegaat, zodat je nooit olie hoeft te verversen gedurende de levensduur van een windmolen.” Dat is namelijk een ingewikkelde en dure klus op grote hoogte, zeker op zee. De kwaliteit van de olie moet dus zeer hoog zijn. Otterman: “Die 20 jaar is nog niet mogelijk, maar onze smeerolie gaat nu zeker 10 jaar mee, en we werken continu aan verdere optimalisering.”

 

 

Ook de stroomopwekking is afhankelijk van chemie. Veel windmolens gebruiken elektromagneten: koperspoelen om een ijzerkern. Robuust en betrouwbaar, maar ze vragen zelf stroom en zijn vrij zwaar. Een steeds vaker gebruikt alternatief zijn permanente magneten. De lichtste en krachtigste bestaan uit een legering van ijzer, neodymium en boor. Een stelregel bij windmolens luidt dat er per megawatt 1000 kilo aan magneetmateriaal in zit, waarvan circa 30 procent neodymium, dat behoort tot de ‘zeldzame aarden’.

 

Marinecoatings

Op land staat een windmolen verankerd in een betonnen fundament, op zee op een stalen monopaal die de zeebodem is ingeheid. In beide gevallen wordt de installatie met gietmortel ‘aangegoten’ om een stevige verbinding te maken tussen de fundering en molen. Die moet immers bestand zijn tegen golfbewegingen en belasting en trillingen door (harde) wind. Daarvoor gebruiken constructeurs ‘speciale mortel met ultrahoge sterkte- en vermoeiingsweerstand en lange levensduur’, zoals producent BASF het omschrijft.

En ten slotte: een windmolen kan niet zonder beschermende ‘jas’, zeker niet op zee. De hele installatie moet bestand zijn tegen hitte, kou, zonlicht, storm, ijzel en regen, golfslag en zeezout. De 66 turbines van het Merkur-windmolenpark, 45 kilometer uit de kust van het Duitse Waddeneiland Borkum, kregen bijvoorbeeld een coating van slijtvaste en corrosiewerende ‘epoxy’. “De coatings moeten voldoen aan zeer zware criteria”, vertelt Hans Gonlag van Hempel, leverancier van marinecoatings. Zo moet de coating een aantal testen van een half jaar doorstaan onder extreme condities, waarbij aan de coating op een testplaat niets mag mankeren en op een kunstmatig aangebrachte kras slechts een zeer geringe hoeveelheid roest mag ontstaan. Ook voor Hempel is de windenergiebranche een groeimarkt, bevestigt Gonlag.

Foto: Ad Meskens/Wikimedia Commons | Prinses Amalia-windmolenpark voor de kust van IJmuiden.

Dalende kostprijs

De afgelopen jaren is de gemiddelde kostprijs (LCOE, levelized cost of energy) van windenergie op land onder die van kolen- en gascentrales gezakt. De precieze prijs hangt natuurlijk af van de locatie en het type molen. Wereldwijd zakte de kostprijs per kilowattuur tussen 2010 en 2018 met zeker 35 procent. En de prijs daalt nog steeds, omdat de nieuwste molens groter zijn en ‘massaproductie’ op gang komt. Sinds 2017 zijn windmolenparken op zee ook mogelijk zonder subsidie, blijkt uit de aanbestedingen. De overheid betaalt wel de kosten van de stroomaansluiting naar het vaste land.

 

Nadelen

Windenergie heeft ook nadelen. Zo is composiet lastig te recyclen. De vezels en hars kunnen niet worden ontward, bij verhitting smelt de hars niet. Veel afgedankt composiet gaat naar de verbrandingsoven, soms wordt het vermalen en gebruikt als vulstof. Wetenschappers zijn driftig op zoek naar hoogwaardiger hergebruik. De Duitse scale-up CFK Recycling ontwikkelde een proces waarbij de hars verbrandt maar de koolstofvezels intact blijven en opnieuw kunnen worden gebruikt.

Voor overschotten aan windenergie is energieopslag nodig. De eerste ‘megabatterijen’ zijn al geïnstalleerd, bijvoorbeeld een opslag van 10 megawattuur bij het windmolenpark in de Rotterdamse haven. Een land als Noorwegen slaat een ‘teveel’ aan windenergie op door water omhoog te pompen naar voorraadbekkens van waterkrachtcentrales. Maar er wordt vooral gezocht naar efficiënte methoden om windenergie op te slaan als (transport)brandstof, bijvoorbeeld in de vorm van waterstof of methanol.

In het drukbevolkte Nederland staan windmolens al snel in iemands ‘achtertuin’, wat protest oproept vanwege geluidsoverlast, slagschaduw en ‘horizonvervuiling’. Het Energieakkoord richt zich mede daarom vooral op ‘zeewind’, maar uit recente tellingen blijkt dat de 38 windmolens van Windpark Noordoostpolder jaarlijks ruim duizend vogels uit de lucht slaan.

Windturbines met permanente magneten, circa een kwart van alle windmolens, bevatten duizenden kilo’s neodymium. Het element wordt gewonnen uit monazietzand, dat ook andere lanthaniden bevat, en die zijn lastig van elkaar te scheiden. De winning gebeurt met slimme combinaties van extractiemethoden, ion-uitwisseling en elektrolyse. Dat levert veel en toxische afvalstoffen op. De streek Bayan Obo in China is ernstig vervuild. Duurzamere productie vindt plaats in Australië, Nieuw-Zeeland en Estland en recycletechnieken zijn in ontwikkeling.


Lees meer over dit onderwerp via de tag(s):
Chemie Magazine

Onderdeel van dossier(s):