Q-type-windturbine + boerderij: de sleutel tot energie-onafhankelijkheid

Onlangs nam een klant uit de Verenigde Staten contact met ons op. Hij exploiteert zijn eigen boerderij, die ongeveer drie kilometer van het dichtstbijzijnde openbare elektriciteitsnet verwijderd is. Op deze afstand zou het aansluiten van zijn boerderij op het openbare elektriciteitsnet dan ook zeer kostbaar zijn. Als hij dit echter niet doet, kunnen alle infrastructuuronderdelen die elektriciteit nodig hebben – zoals verlichting, koelkasten en televisies – niet naar wens worden gebruikt, wat hem al geruime tijd zorgen baart.

Ondertussen moeten zijn familie in de koudere maanden vertrouwen op elektrische vloerverwarming en directe waterverwarmers voor verwarming. Als gevolg hiervan bedraagt het dagelijkse elektriciteitsverbruik 15 tot 20 kilowattuur. 's Nachts, wanneer alle verwarmingsapparatuur tegelijkertijd draait, kan het momentane piekverbruik zelfs plotseling oplopen tot 5 kilowatt. Dit leidt niet alleen tot hogere elektriciteitsrekeningen, maar vormt ook een veiligheidsrisico. Daarom moet hij deze situatie dringend wijzigen.

Na het beluisteren van de beschrijving van de klant op dat moment, schoot er onmiddellijk een idee door mijn hoofd: dit is simpelweg een uitstekend toepassingsgebied voor een Q-type windturbine. Er zijn twee dingen waar klanten het meest mee worstelen: ten eerste is het dagelijkse elektriciteitsverbruik overdag — bijvoorbeeld voor verlichting, koelkasten en televisies — eigenlijk vrij beperkt; ten tweede is de verwarming in de winter, met elektrische vloerverwarming en een doorstroomverwarmer, die ’s nachts op piek wordt ingeschakeld met een vermogen van 5 kilowatt, waardoor het totale dagelijkse elektriciteitsverbruik 15 tot 20 kWh bedraagt. Deze gegevens zijn zeer belangrijk. Ze vertellen ons twee dingen: ten eerste dat het piekvermogen zich voordoet in de winteravonden; ten tweede dat het piekvermogen niet bijzonder hoog is en volledig kan worden gedekt door een middelgroot off-grid-systeem alleen.

De kern van het plan dat ik hem heb aanbevolen, is een Q-type windturbine. Waarom kiezen voor het Q-type? Omdat het gebied rond de boerderij meestal relatief open is en de windomstandigheden gunstig zijn, maar de traditionele driebladige windturbine hoge windsnelheidsvereisten heeft, veel lawaai maakt en lastig onderhoudt. Het Q-type is een verticale-as-ontwerp, met een lage startwindsnelheid — de turbine begint al te draaien bij ongeveer 2 m/s wind, en is niet gevoelig voor windrichtingswijzigingen. Zelfs bij turbulente wind, veroorzaakt door schuren en bomen rond de boerderij, kan deze turbine nog steeds stabiel elektriciteit opwekken. Belangrijker nog: hij is stil en zal klanten ’s nachts niet wakker houden door een ‘zoemend’ geluid.

Afhankelijk van de locatie van de klant bedraagt de gemiddelde jaarlijkse windsnelheid op de landbouwbedrijven in het Midden-Westen van de Verenigde Staten ongeveer 4–5 m/s. Een 5 kW Q-type windturbine, gecombineerd met een geschikte accupack, kan volledig voldoen aan de piekvraag van 5 kilowatt. Ik heb een berekening voor hem gemaakt: in de winter wordt er dagelijks 20 graden verwarmd, en de nachtelijke verwarming vindt voornamelijk plaats in de eerste helft van de nacht, gedurende ongeveer 4–5 uur. Op dat moment kan, indien de windturbine continu draait en de accu ontladen wordt, de volledige energiebehoefte worden gedekt. Overdag wordt minder stroom verbruikt en wordt de overtollige elektriciteit in de accu opgeslagen, waardoor een gesloten kring ontstaat.

Natuurlijk is het niet veilig genoeg om uitsluitend te vertrouwen op de windturbine. Ik stel voor dat hij een set kleine zonnepanelen toevoegt – niet voor de hoofdvoorziening, maar als aanvulling. Er zijn immers ook zonnige dagen zonder wind, en fotovoltaïsche energie vult juist deze kloof op. Met een LiFePO4-batterijpack is een opslagcapaciteit van 10 kWh overdag ruimschoots voldoende. De omvormer moet een zuivere sinusgolf leveren, met een vermogen van ongeveer 8 kilowatt, waardoor veiligheid en stabiliteit gewaarborgd zijn.

Wat klanten het meest bezighoudt op het gebied van kosten, is de vraag: "Hoeveel bespaart het systeem op het elektriciteitsnet?" Het aanleggen van een drie-kilometerlang elektriciteitsnet, inclusief telefoonpalen, transformatoren en bouwkosten, kost ruwweg minstens tienduizenden dollars. Een set bestaande uit een 5 kW Q-type windturbine, 5 kW zonnepanelen en een 10 kWh elektrische energieopslagsysteem heeft, inclusief apparatuur, installatie- en infrastructuurkosten, ten minste de helft minder gekost dan het elektriciteitsnet. Bovendien kan dit systeem gedurende 15 tot 20 jaar probleemloos worden gebruikt. Gedurende deze periode is bijna geen onderhoud nodig, behalve af en toe het smeren van de lager van de windturbine en het controleren van de batterijstatus. Elektriciteitsrekening? Nul.

Belangrijker is de veiligheid. De klant zette 's nachts alle verwarmingsapparatuur tegelijkertijd aan, wat neerkwam op het belasten van de stroomkring tot aan de grens; de oude leidingen en schakelaars konden hierdoor gemakkelijk oververhit raken en in brand vliegen. Bij het ontwerp van het netonafhankelijke systeem wordt rekening gehouden met een piekbelasting van 5 kilowatt, waarbij een zekere redundantie is ingebouwd. De omvormer beschikt over overloadbeveiliging, de accu heeft een temperatuurregeling en -beheer, en de takbeheersing is zo ingesteld dat bijvoorbeeld de vloerverwarming in de slaapkamer en die in de woonkamer een halfuur verschoven worden ingeschakeld, waardoor de piekbelasting kan worden verlaagd. Op deze manier is het systeem niet alleen voldoende, maar ook veiliger dan het oorspronkelijke stedelijke elektriciteitsplan.

We vertelden deze analyses één voor één aan de klant, en hij raakte ter plekke enthousiast. Uiteindelijk vroeg hij: "Als de verwarming in de zomer niet wordt ingeschakeld, wat gebeurt er dan met de overtollige elektriciteit?" We antwoordden glimlachend dat het toevoegen van een elektrische waterverwarmer of een kleine laadpaal om elektrisch gereedschap op de boerderij en toekomstige elektrische voertuigen te gebruiken helemaal geen verspilling is.

Dit geval is eigenlijk zeer typisch. Veel mensen denken direct aan "meer batterijen installeren en meer fotovoltaïsche panelen aanleggen" zodra er sprake is van het loskoppelen van het elektriciteitsnet, maar ze negeren vaak de voordelen van windenergie ’s nachts en in de winter. Q-type windturbine + fotovoltaïsche energie + energieopslag: deze combinatie van "landschapsopslag" is de sleutel waarmee afgelegen boerderijen daadwerkelijk energie-onafhankelijkheid kunnen bereiken.