De kleine windmolen, de natuurkunde

Ik schreef van de week een twitterdraadje over kleine windmolens naar aanleiding van de vele aandacht van RTL4 voor de Airturb. Ik besteed graag wat aandacht aan dit onderwerp omdat er altijd mensen zijn die denken “baat het niet dan schaadt het niet” maar het is toch veel geld dat aan “verduurzamen” wordt uitgegeven dat beter besteed had kunnen worden. Bovendien levert het nauwelijks CO₂,-reductie op en ondertussen worden er wel veel grondstoffen verwerkt in dit soort apparaten. CO₂, we must us it wisely we must.

Dit is dat draadje als echt blog met een correctie voor het feit dat je door de derde macht natuurlijk niet kan rekenen met de gemiddelde windsnelheid over een jaar, de uitschieters in windsnelheid tellen daardoor te weinig mee.

Het draadje van Twitter, aangevuld en verbeterd:

“Hij begint al te draaien bij windkracht 1”

Maar draaien is niet hetzelfde als energie leveren. Een windwokkel voor de lokale tabaksboetiek draait ook, levert geen energie.

Laten we hem eens bekijken met BINAS en wat basisnatuurkunde er bij uitrekenen hoeveel energie hij kan leveren. Eerst de maten.

Met een beetje goede wil staat er 0,63 m² wind te vangen. Als je een hele goede windmolen hebt kan je ongeveer 50% van de kinetische energie vangen. Veel meer lukt niet want als je een molen hebt die 100% van de kinetische energie vangt dan staat de wind achter de molen stil. Meneer Betz deed daar lang geleden al onderzoek naar, die berekende dat het theoretisch maximum 59% is.

Ik reken in het model met 30%, wat me een redelijke inschatting lijkt. 

Hoeveel kinetische wind energie zit er eigenlijk in bewegende lucht?  Want dát is de bron waaruit je gaat oogsten.

Da’s makkelijk weten we van de natuurkundeles:

Ekinetisch = ½ m⋅v²

Nu moeten we uitrekenen hoeveel kilo lucht er in een seconde tegen de molen aanwaait. Dit is  Swept Area ⋅ windsnelheid ⋅ soortelijk gewicht lucht = A⋅v⋅ρ

Ekinetisch = ½ A⋅v⋅ρ⋅v² = ½ A⋅v⋅ρ⋅v² = ½ A⋅ρ⋅v3

Let op de derde macht bij de windsnelheid! Hierdoor mag je niet de gemiddelde windsnelheid nemen om uit te rekenen hoeveel energie er in die wind zat. Gemiddeld zitten we in het binnenland op ongeveer 2,2 m/s. Maar zoals je in de grafiek hieronder ziet zijn er ook veel uren met hogere windsnelheden. Boven de 16 m/s begint de rotor trouwens te remmen om te voorkomen dat ie op hol slaat, dus de uren met 17 en meer m/s worden allemaal meegnomen als 16 m/s. Ik heb daarom bij het KNMI alle 8640 uurmetingen van 2019 opgehaald voor de Bilt.

Omdat ik toch bezig was heb ik ook de luchtdruk en temperatuur gelijk maar meegenomen want bij kou en hoge luchtdruk is lucht 15% “zwaarder” dan bij hoge temperatuur en lage luchtdruk. En dat tikt toch aan. Lang leve Excel.

Hieronder de eerste 7 uren/meetpunten van 2019, er volgen daarna nog 8633 regels. Vervolgens heb ik de uuropbrengsten opgeteld voor een behoorlijk nauwkeurige schatting van  de jaaropbrengst

We zien dat een realistische opbrengst van de windmolen ongeveer 73 kWh/jaar is voor een binnenlandlocatie. Dat is 1/3e van de opbrengst van een modern zonnepaneel.
Opmerking: de windsnelheidsmeter van het KNMI staat op een 20 meter hoge paal in het open veld dus deze data gebruiken voor een huiswindmolentje is echt bijzonder optimistisch ingeschat! (Er wordt bijvoorbeeld ook nog gerekend met een 100% rendement van de generator).

Maar die verkoper op dat dak in Rotterdam dan? Die molen draaide toch als een dolle!

Fair enough, als je aan de kust bovenop een flatgebouw staat waait het misschien wel gemiddeld 10 m/s.

We doen de som nog eens:

½ A⋅ρ⋅v3 x 8640 uur x 3600s / 3.600.000= 2700 kWh (ruwe schatting )

Hé! 37x keer zo veel energie uit hetzelfde molentje!

Welkom in de wereld van de natuurkunde! Zie hier de kracht van de derde macht! . ‘t Is wat het is met die natuurkunde.

En zo komen we bij de vloek van de kleine molen :

Kwadraten en derde machten want,

– de windsnelheid neemt toe met de hoogte (effect derde macht)

– als je toch de lucht in gaat kan je net zo goed meteen grotere wieken nemen

En door de formule voor het oppervlakte van een cirkel (π.r²) van een cirkel neemt de swept area kwadratisch toe.

Airturb kan zendtijd kopen tot ze een ons wegen maar kleine windmolens zullen nooit kunnen onderhandelen over natuurkundewetten.

½ A⋅ρ⋅v3 en π. … ‘t is wat het is

Zie trouwens ook de speelgoedwindmolentjes boven dit blog: een snel draaiend molentje op TV zegt niets, het gaat er om hoeveel energie je daadwerkelijk oogst.

Lars

Naschrift 1: Tweep @TomNijsen wees me er op dat die derde macht er ook voor zorgt dat je niet met gemiddelde windsnelheid mag werken want de meetpunten met een hogere dan de gemiddelde windsnelheid tellen dan veel te weinig mee. I stand corrected. Dus ik heb de uurdata van het KNMI van de Bilt voor heel 2019 (8640 metingen) er bij gepakt en ook maar gelijk gecorrigeerd voor luchtdruk en temperatuur omdat die  het soortelijk gewicht van lucht tot wel 15%  beïnvloeden.

Naschrift 2 : Dit type windmolen gebruikt een klein beetje stroom om de generator een zetje te geven omdat hij niet uit zichzelf start. Met een beetje pech kost de windmolen een groot deel van het jaar dus stroom ipv dat ie opwekt.

Naschrift 3: De lezer zou ten onrechte de conclusie kunnen trekken dat ik niks in kleine windmolens zie. Niets is minder waar, voor niche-toepassingen zijn ze geweldig of zoals Wim Stevenhagen me vertelde:

“Windenergie kan ook heel mooi, vogelvriendelijk, trillingvrij en echt muisstil zijn (0-5dB). Wij integreren Windturbines Offshore, op Antarctica, op Platforms & Offshore weerstations, vliegvelden, in/op Scholen, in/op Hoge Gebouwen (300-600m), etc. Radar vriendelijk en Windkracht 12 geen probleem”

Naschrift 4: Airturb heeft op zijn website een tabel staan waarin ze virtuele opbrengsten laten zien bij een GEMIDDELDE jaar windkracht van een bepaalde sterkte. Zoals we zagen mag je zo helemaal niet rekenen, je moet de integraal van alle jaarwindsnelheden nemen, waarvoor ik een goede benadering deed met uurgemiddeldes voor een heel jaar.

Als je dit artikel interessant en/of nuttig vond mag ik je dan wat vragen?

Mijn zoektocht naar slim lokaal vervoer (eerste verkenning)

<blog is nog lang niet af maar ik had beloofd mijn zoektocht te delen, dus dit is alvast hoe ver ik gekomen ben>

Inleiding

Verduurzamen, maar hoe dan? Dat is wat me al een hele poos bezighoudt. Toen ik 5 jaar geleden begon met mijn duurzaamheids-adviesbedrijf reed ik nog rond in een Diesel van de zaak. In stappen vergroende ik mijn autokilometers via een Plug-In Prius, een Elektrische Fiat 500 uit Californië en uiteindelijk een gecrowdfunde Nissan Leaf. Met die laatste reed ik de afgelopen twee jaar 60.000 kilometer van hot naar her om mensen te helpen plannen te maken. Maar langzaam begon me te dagen dat al die huisbezoeken helemaal niet zo slim waren.

Bedrijfsmodel

In de zomer van 2019 begonnen we daarom zaken te veranderen aan ons bedrijfsmodel. Ten eerste legden we de focus echt op “lokaler” (alleen Brabant en Limburg) en ten tweede begonnen we te Skypen omdat we op basis van plattegronden en wat gerichte foto’s plus een vragenformulier fase 1 van de planvorming online konden doen. Het bood ook nog een reeks voordelen die we niet voorzien hadden (je kunt het gesprek gelijk opnemen zodat de klant kan terugkijken, je bent productiever omdat je geen reistijd meer hebt en zo nog wat zaken). De situatie is nu zo dat we huisbezoeken, die we toch nog af en toe doen, alleen in de regio doen en dat we al Skypend inmiddels ook de grens over gaan :-).

Vervoersbehoeften

Daarmee werden de vervoersbehoeften heel anders. Ik werk nu drie dagen per week vanuit ons kantoor 12 kilometer van mijn woonhuis vandaan. En dan begint het te knagen dat je met een auto van 1500 kilo maar 25 kilometer heen en weer gaat. Daarnaast hebben we thuis ook nog een benzine-auto die maar twee keer per week 50 kilometer rijdt. Door de nieuwe realiteit van 2020 ben ik gaan nadenken over wat ik nou eigenlijk aan vervoersbehoeften nodig heb.

Wat is voor mij noodzakelijk?

  • 3 x per week 12 kilometer naar een kantoor waar ik liever niet drijfnat van het zweet aankom.
  • 1x per week een regio-bezoek aan huis, tot zo’n 50 kilometer ver (zie kaartje hierboven)
  • 1x per 2 weken een reis naar een plek ergens in Nederland, veelal Randstad of Den Bosch. (Amsterdam, Utrecht en Den Haag treinde ik geregeld, pre-Corona)
  • mijn vriendin mantelzorgt 2x per week in Asten (25 kilometer) en werkt verder vanuit Weert

Opties

Onlangs vroeg ik op Twitter om input voor dit blogje en binnen no time had ik een hele reeks opties waar ik zelf nog helemaal niet over nagedacht had. Dank daarvoor.

In aflopende mate van duurzaamheid en toenemende mate van overkill. De smiley’s zijn natuurlijk allemaal mijn perceptie nu. Ik ben benieuwd hoe ze gaan veranderen als ik me door de materie en proefritten heen werk. Ik zoek zoveel mogelijk Europese makelij, hoewel ik in deze speurtocht ook even kijk wat de Chinezen doen want ik volg de componenten-prijs ontwikkeling een beetje op AliExpress om te kijken waar de prijzen van accu’s, controllers en naafmotoren naar toe gaan.

Ik sta nu aan het begin van mijn zoektocht en mijn gevoel zegt dat ik met een 45 km/h eScooter een sweet spot tref. Eerlijkheid gebied mij te zeggen dat ik al jaren publiekelijk verkondig dat die keuze mij voor veel forensende Nederlanders een ideale keuze lijkt maar ik realiseer me nu dat ik daarin wellicht wat gekleurd ben geweest.  Dit is hoe ik me nu voel over de verschillende opties, terwijl ik aan het begin van de zoektocht sta.

Opmerking bij tabel : Ik ga geen geld lenen voor mijn aanschaf maar wel reserveren voor een nieuwe over 10 jaar. Dat zit in de vaste kosten dus, evenals onderhoud en verzekering.

Prijzen gebaseerd op schattingen (ergens aan de linkerkant van de schaal “instap tot extreem luxe”).

Daar gaan we!

De Racefiets

Eigenlijk een no-brainer…… 12 kilometer naar Soerendonk is een eitje op zo’n fiets. Het is gezond, drie keer in de week een kleine workout. Nul CO₂-uitstoot. Goedkoop.

Voordelen

Makkelijk opbergbaar. Super gezond. Goedkoop.

Nadelen

Je moet je omkleden voordat je er gebruik van kunt maken en je moet je opfrissen na gebruik.

Voorlopig oordeel

Mezelf kennende ga ik niet rustig aan doen en kom ik bezweet aan. Ik denk dat het een leuke optie is voor dagen dat ik niet naar een klant hoef en tijd genoeg heb. Komt op de wishlist…. voor erbij.

Pedelec

Enorm in opkomst. Populair als secundaire arbeidsvoorwaarde gezien de lease-aanbiedingen die je krijgt als je googled op Pedelec. Zeer laag energieverbruik.

Voordelen

Maakt grotere afstanden vermoedelijk makkelijk fietsbaar.

Nadelen

Helmplicht. Gevaarlijk door smalle bandjes?

Voorlopig oordeel

Ik denk niet dat ik het type ben dat met een Pedelec naar een klant gaat fietsen. Maar ik moest maar eens een proefritje maken. Ben wel benieuwd eigenlijk.

eScooter 25 km/h

Voordelen

Kost geen inspanning.

Nadelen

Met 25 kilometer per uur schiet het niet echt op, denk ik. Ga ik er mee naar Roermond? Ik denk het niet.

Voorlopig oordeel

Deze categorie sla ik even over. Het is echt een stadsoplossing, vind ik. Veel modellen uit de volgende categorie zijn trouwens ook verkrijgbaar als 25 km/h variant, dus wat ik daar ontdek is hier ook van toepassing.

eScooter 45 km/h

Voordelen

Kost geen inspanning. Lekker vlot. Hele coole modellen beschikbaar.

Nadelen

Je moet een helm op, maar dat wil je met die snelheden ook wel.

Voorlopig oordeel

Ja, ik word enthousiast van deze categorie. Veel fun. Lekker praktisch.

Merken en Modellen (die mij aanspreken en opvielen)

Op de website e-scooter.nl staan letterlijk honderden modellen van tientallen fabrikanten maar ik toon hier modellen die me aangeraden werden om eens verder te onderzoeken. Dus wederom, dit is mijn zoektocht en dit zijn mijn bevindingen! Ik vind de superstrakke high tec uitstralende modellen al jaren het gaafst, de retro-Vespa-stijl spreekt me niet aan.

Memo to self …. oh jee, ik moet iets vinden van de meest voorkomende accu technologieën….loodgel, lithium, en welke soort dan? LiFePo4 / LiMn2O4 / LiNiMnCo en celformaat 1650 / 2170… zucht 🙂

NL’s fabrikaat :

Etergo – Ja… dit is tof … een Nederlandse Tesla op twee wielen! Doe mij maar een matte. Maar wel bedenkingen… al 25 miljoen geïnvesteerd en nog geen scooter op de weg, je moet voorintekenen. €290 intekengeld voor een scooter van €4300. Ik hou hem goed in de gaten. Blij dat mijn zoektocht nog paar maanden gaat duren.

Brekr – Ja… dit is tof … een Nederlandse Tesla op twee wielen, alweer. Wat een tof design. Leverbaar in juni voor €4200 … ik zie een trend.

Nimoto – Mwa…. wel lekker grote wielen maar niet strak genoeg, te veel losse eindjes. Wel goed betaalbaar met zijn €2300

Europees : Vespa, Torrot Muvi

Chinees : NIU

Nog te behandelen vervoersmiddelen

Driewielige oplossingen 45 km/h – LEF, Carver en zo

Vierwielige oplossingen 45 km/h – Biro – achtigen

eMotor 80 km/h

eMotor 100 km/h

eMotor 120 km/h

Deel EV

Kleine EV erbij, tweede hands 

Kleine EV erbij, nieuw

Beste Gerrit – Vliegtuigwolken

Sorry voor het drammen Gerrit, ik verdiende je block en ik zit op mijn blaren. Maar ik wil je in deze blog graag uitleggen waarom ik zo’n punt maak van die #BlauweLuchten in relatie tot funvliegen.

Inleiding.

Ik mopper al een jaar of 10 op het vele onnodige gefunvlieg. Ikzelf heb door het buitenlandwerk van mijn pa in mijn jonge jeugd vermoedelijk meer vliegkilometers gemaakt dan menig mens in zijn leven zal vliegen en als boetedoening spring ik nogal eens op de zeepkist. Ik vlieg ook al tien jaar niet meer. Tijdens de uitbarsting van de IJslandse vulkaan onder de Eyjafjallajökull-gletsjer in 2010 hadden we een aantal strak blauwe dagen achter elkaar, juist toen er niet gevlogen werd en dat beeld is me altijd bijgebleven.

Stand van de Vliegtuigwolken Wetenschap

Ik begeef me hier op glad ijs, want het is jouw vakgebied, dat weet ik. En het is ook de kern van ons dispuut vrees ik. Jij vindt dat vliegtuig cirrus (sluierwolken) een natuurlijk fenomeen is, dat deze wolken vanzelf ontstaan, wel of geen vliegtuigen. Wetenschappelijke artikelen over het effect van vliegtuigwolken spreken echter duidelijke taal: het effect is er, en het is serieus.

voorbeelden van artikelen zijn

Global radiative forcing from contrail cirrus (2011)

We show that the radiative forcing associated with contrail cirrus as a whole is about nine times larger than that from line-shaped contrails alone.

On the Transition of Contrails into Cirrus Clouds (2000):

Observations and model estimates suggest that contrail growth is only weakly, if at all, affected by preexisting cirrus clouds.” (dus vliegtuigwolken worden echt door vliegtuigen gemaakt)

En zelfs de World Meteorological Organisation erkend de Cirrus Homogenitus

Wat mij verbaast is dat veel weerpersonen op TV stralende dagen aankondigen waarna er op de dag daarna met geen woord gerept wordt over de oorzaak van het feit dat veel van die dagen verloren gaan als grauwe sluierwolkdagen. Waterig zonnetje, niemand moppert, er was toch zon?

Klimaatzaak

Nu ben ik natuurlijk zwaar gekleurd in mijn mening. Ik heb er mijn vak van gemaakt om op een zinvolle manier een bijdrage te leveren aan de energietransitie. Funvliegen terugbrengen naar volhoudbare proporties is een van de zaken waar ik me hard voor maak. En de effecten van de funvliegerij benoemen is onderdeel van het uitleggen dat we op een andere manier naar onszelf moeten kijken. ‘t is wat het is.

Great Smog of 1952 leidde tot grote veranderingen

Nu dicht ik de weermannen van Nederland een grote rol toe in het benoemen van de rampzalige gevolgen van het vliegen. En ik wil hierbij graag “The Great Smog of London” uit 1952 noemen. Door ongelukkige atmosferische omstandigheden plus een explosieve groei van het verkeer en gebruik van vette kolen voor het verwarmen van huizen ontstond er een smog die in Londen 4.000 tot 6.000 mensen het leven kostte. Het feit dat dit actief benoemd is als “door de mens veroorzaakte mist” heeft er toe geleid dat er wetgeving kwam die de problemen voor het grootste gedeelte oploste. Er is dus een grote rol voor weerprofessionals om unieke atmosferische omstandigheden aan te grijpen om uit te leggen dat er dingen moeten veranderen. Mijn mening.

Corona-blauw

Eind maart 2020 werd het vliegverkeer wereldwijd grotendeels platgelegd. In onze regionen werd zelfs bijna helemaal niet meer gevlogen. Uren gingen voorbij waarin het luchtruim vliegtuig-vrij was, een enkele helikopter daargelaten die met vliegende spoed mensen naar IC’s door het land brachten, maar die vliegen onder de contrail-hoogte. Het toeval wilde dat net op dát moment een hogedrukgebied zich nestelde in onze buurt die zorgde voor noordenwind waardoor er schone droge lucht onze kant op kwam. Ik was niet de enige die overdonderd werd door kobaltblauwe luchten, gezien de hashtag #blauwelucht die trending werd. We kregen op sommige dagen fantastische schouwspellen te zien van wolken die onder “normale” omstandigheden aan flarden gevlogen worden door vliegtuigen. Elke Blauwe Dag die volgde benoemde ik dit, en elke dag hoorde ik dat het toeval was. Ik heb van dat toeval een grafiekje gemaakt. Als herinnering aan een tijd waarin er niet gevlogen werd en we met 17 miljoen mensen mochten genieten van blauwe luchten. De data wordt door het KNMI elke dag online gezet. De grafiek laat zien op welke dagen de zon meer dan 90% van de tijd scheen (kolom SP), een vertaling van ondergetekende voor “een strak blauwe dag”. We hebben dat soort dagen bijna elk jaar wel. In 2018 werden er zelfs 29 over het hele jaar geteld. In 2020 hadden we er tot nog toe 23 in de 60 dagen sinds er niet meer gevlogen werd. Inmiddels wordt er al weer aardig wat gevlogen. Het was een bijzonder experiment.

Samenvattend

Nogmaals, een welgemeend excuus voor dat ik je wellicht niet respectvol citeerde of doordramde. Ik sluit het #blauwelucht-dossier, er moeten weer huizen van een plan voorzien worden.

Yours truly,

Lars

ps 1. De documentaire “Gestolen Licht” laat mijns inziens heel mooi zien wat voor prachtig onderzoek er gedaan wordt naar vliegtuigwolkvorming.

ps 2. Een totaal “shoot from the hip” observatie die me bezighoudt. Het RCP4.5-scenario, wat zo ongeveer het zo goed als het kan gaan klimaatscenario is, gaat er van uit dat door de toename van broeikasgassen in de atmosfeer de radiative forcing ongeveer met 4,5 W/m² zal toenemen. De zon heeft een stralingsvermogen op het Aardoppervlak van ongeveer 1000 W/m² . Het negatieve effect van Cirrus Homogenitus is plusminus 1% (wordt geschat in de documentaire hierboven). Dat is 10 W/m². Dat is 2,5 keer het effect van alleen de broeikasgassen.