Fundamenteel onderzoek

Verduurzamingspioniers Amstelius en Dutch Green Company hebben in samenwerking met Ben Bronsema begin 2014 een innovatiesubsidie bij RVO verkregen voor het verder ontwikkelen en realiseren van het eerste concrete (n) zero-energy gebouw ter wereld met het innovatieve ‘Earth, Wind & Fire’ concept (EWF-concept). Dutch Green Company heeft als penvoerder in samenwerking met diverse onderzoekspartners van TKI EnerGO (RvO) een subsidie verkregen ter grootte van ca. €500.000,-.

VENTECDAK

In het EWF-concept werd een Ventecdak (ofwel Powerdak 1.0) ontwikkeld met als belangrijkste functie de natuurlijke afzuiging van ventilatielucht. Windenergie werd hierbij opgewekt met behulp van windturbines in de overdrukruimte. Het rendement bleek onvoldoende door een lage opbrengsten en hoge kosten. Geen kosteneffectieve oplossing dus.

Geïnspireerd door het Powerdak 1.0 ontstond tussen Bert Blocken van de TU Eindhoven (TU/e) en Ben Bronsema van de TU Delft het idee om het Powerdak 1.0 aan te passen door gebruik te gaan maken van verticale as-windturbines en daarbij onder andere gebruik te maken van de verhoogde windsnelheden in het venturidak. Dit werd het Powerdak 2.0 genoemd.

HET POWERDAK 2.0

Het doel van het aanvullende fundamenteel onderzoek was de powercoëfficiënt van de turbines te optimaliseren om zo te komen tot rendabele opwekking van windenergie in de bebouwde omgeving. De windturbines in het windpark in het venturidak moesten hiervoor voldoen aan specifieke aerodynamische en elektromechanische eisen, te weten:

• De morfologie van het dak;
• De bladvorm van de turbines;
• De te verwachten energieproductie.

De standaard turbines op de markt presteerden in die tijd onvoldoende waardoor gezocht moest worden naar een maatwerk oplossing voor het BREEZE project. Een aanvullende subsidieaanvraag voor het ontwikkelen van een prototype van de winturbine door de TU/e werd helaas afgewezen. De theoretische modellen lieten op basis van voorlopige simulaties met 40 turbines in het Powerdak 2.0 zeer hoge energieopbrengsten van 200.000 kWh zien. Helaas bleek de productie van windenergie door de beoogde turbines in de praktijk gemiddeld ≈ 62.000 kWh per jaar. Dit leverde definitief geen rendabele business case op.

HET POWERDAK 3.0

Vervolgens is besloten om een Powerdak 3.0 te ontwikkelen waarbij de verticale as-turbines stonden opgesteld op het dak op een meervoudig gekromd vlak, waardoor evenals bij het Powerdak 2.0 gebruik wordt gemaakt van versnellingseffecten van de wind. Met behulp van simulaties werd de morfologie van de dakvorm geoptimaliseerd. In samenwerking met Luc Heijnen van Troades werd een verticale as-turbine bij Windspire in de Verenigde Staten aangeschaft voor nader onderzoek in een windturbine van The Von Karman Institute for Fluid Dynamics (VKI) te Leuven. Op basis van deze praktijktest kon de effectiviteit van het bladprofiel en de bladhoek worden onderzocht met behulp van het door de TU/e ontwikkelde simulatiemodel. Globale berekening met de gegevens van de fabrikant gaven aan dat dit een rendabele business case zou kunnen opleveren. De test van de verticale as-turbine in de windtunnel van het VKI liet helaas wederom matige resultaten zien. Aansluitend zijn nog enkele alternatieven met 28 respectievelijk 20 verticale as-turbines van ca. 3m hoogte bestudeerd maar de geschatte jaarlijkse opbrengst daarvan was ≈ 100.000 kWh. Dit was nog steeds onvoldoende voor de realisatie van het Powerdak 3.0 op het BREEZE project voor het realiseren van een energieneutraal gebouw.

POWER FAÇADE & ROOF

Het alternatief dat wij vervolgens hebben onderzocht was het opwekken van zonne-energie met behulp van maatwerk BIPV op de gevel, in de zonneschoorstenen, op de luifel en het dak. Dit heeft geresulteerd in de Power Façade & Roof van het huidige BREEZE project. De totale energieopbrengst daarvan is ≈ 200.000 kWh per jaar.

Tijdens het fundamenteel onderzoek in de periode 2014-2015 had Ben Bronsema de leiding over de verdere ontwikkeling van het EWF-concept voor Hotel Breeze. Voor de uitwerking van de technische onderdelen van dit concept werd door ons samengewerkt met ‘s werelds meest vooruitstrevende bedrijven en de technische universiteiten Technische Universiteit Delft, Technische Universiteit Eindhoven en het gerenommeerde Von Karman Institute for Fluid Dynamics.