Met veel publiciteit is in juni 2016 door IBIS POWER het PowerNEST gelanceerd, een prefab dakopbouw voor duurzame energieproductie in de Gebouwde Omgeving met behulp van Wind en Zon. Een testmodel van het PowerNEST 1.0 is eind juni 2016 aangebracht op gestapelde zeecontainers in de Eemshaven. Metingen zullen de niet geringe beloofde energieprestaties moeten bevestigen. In oktober 2016 zijn de energieprestaties van het testmodel in de afgelopen periode nog niet gepubliceerd.

Naast het PowerNEST 1.0 wordt ook het PowerNEST 2.0 aangeboden, waarmee volgens de fabrikant het volledige dakoppervlak kan worden benut.

Voor EWF Hotel BREEZE is in een tweejarige onderzoeksperiode naar een oplossing gezocht voor een kosteneffectieve productie van windenergie in de Gebouwde Omgeving met behulp van verticale as windturbines (VAWT) op het dak. Hierbij werden achtereenvolgens de uitvoering en de prestaties het Powerdak 1.0, 2.0 en 3.0 geanalyseerd. Een dergelijk manier van energieproductie is als zodanig zonder meer mogelijk, maar de praktische toepassing voor Hotel BREEZE werd helaas onmogelijk door de prohibitief hoge kWh prijs die deze faciliteit opleverde. Dit was de directe aanleiding om het PowerNEST 1.0 eens onder de loep te nemen.

In de documentatie van IBIS POWER wordt voor het PowerNEST 1.0 een jaarlijkse energieprestatie geclaimd van 13,3…..30 MWh. De grote spreiding zit uiteraard in de hoogte van het gebouw, waarbij de laagste waarde betrekking heeft op een gebouw van 30m hoog, de minimum hoogte voor het concept.

In de navolgende analyse wordt een PowerNEST 1.0 geplaats op het 36 meter hoge Hotel BREEZE in Amsterdam IJburg. Hiervoor zijn bij de nader omschreven uitgangspunten jaarlijkse energieprestaties berekend van ≈ 6.100 kWh via PV panelen en ≈ 2.700 kWh via een VAWT, totaal ≈ 8.800 kWh, ruim een derde minder dan door Ibis Power geclaimd. Als de PV panelen rechtstreeks op het dak worden aangebracht resteert slechts een bescheiden 2.700 kWh aan windenergie. Als de geproduceerde windopbrengst wordt gewaardeerd met € 0,125 per kWh levert het PowerNEST een jaarlijkse besparing op van (2700 x 0,125) ≈ € 337,50. Het lijkt onmogelijk dat de ongetwijfeld hoge kosten van het PowerNEST met geïntegreerde VAWT door deze geringe besparing kunnen worden gerechtvaardigd. Een rendabele exploitatie lijkt derhalve niet mogelijk.

Bij toepassing van het PowerNEST 2.0, gepresenteerd als “Full Roof Solution” worden meerdere modules op het dak gekoppeld. De langsgevel van het gebouw moet hierbij op de overheersende windrichting georiënteerd zijn. Waar de VAWT in het PowerNEST 1.0 windrichting onafhankelijk is, geldt dit niet voor het PowerNEST 2.0. Bij bepaalde windrichtingen staan de turbines in elkaars zog hetgeen uiteraard de energieprestaties negatief beïnvloedt.

De bevindingen zoals hierna gedetailleerd omschreven zijn aan IBIS POWER voorgelegd met verzoek om commentaar. Hierop is in oktober 2016 nog niet gereageerd.

2 PowerNest 1.0

Figuur 1 toont een exploded view van het PowerNEST 1.0 , afmeting 6X6 meter, en uitgevoerd met een 3,6 kWp turbine en 24 zonnepanelen met een totaal vermogen 8 kWp. Voor de totale jaarlijkse energieprestatie van zon + wind bij plaatsing op een 30 m hoog gebouw wordt een waarde van 370 – 830 kWh.m-2 aangegeven, overeenkomend met (6*6)*(370-830) = 13.320 – 29.880 kWh.

Van de verticale as windturbine (VAWT) wordt een vermogen van 3,6kWp vermeld, maar de windsnelheid waar deze waarde betrekking op heeft is niet aangegeven. Verdere gegevens worden niet vermeld.

Figuur 1 laat zien dat het gaat om een H-rotor met een geschatte diameter van ≈ 2m en een rotorhoogte van ≈ 3,5m, geprojecteerd oppervlak 2*3,5 ≈ 7,0m2.

3 PowerNEST 2.0

Het PowerNEST 2.0 wordt gepresenteerd als “Full Roof Solution” voor “The entire surface of the building”, waarbij meerdere modules op het dak worden gekoppeld. De langsgevel van het gebouw moet hierbij op de overheersende windrichting georiënteerd zijn, voor Nederland globaal tussen Noordwest en Zuidwest.

Waar de VAWT in het PowerNEST 1.0 windrichting onafhankelijk is, geldt dit niet voor het PowerNEST 2.0. Bij bepaalde windrichtingen staan de turbines in elkaars zog hetgeen uiteraard de energieprestaties negatief beïnvloedt.

4 Zonne-energie

Bij 850 vollasturen per jaar is de jaarlijkse energieproductie van de zonnepanelen (850*8) = 6.800 kWh ≡ 6800/24 ≈ 283 kWh per paneel van 333 Wp. Het betreft hier mono kristallijne modules met hoog rendement van ≈ 20%. De vermogens degradatie van dergelijke panelen over een periode van 20 jaar kan worden gesteld op ≈ 1% per jaar. Over 20 jaar gerekend is de gemiddelde jaarlijkse energieproductie (0,9*6800)≈ 6.120 kWh.

24 horizontaal gelegde zonnepanelen, met afmetingen 1559 x 1046 mm, beslaan totaal een oppervlak van (24*1,559*1,046) =39,1 m², waarmee het beschikbare dakoppervlak optimaal wordt benut. Om zonnepanelen op een plat dak optimaal te laten presteren worden ze doorgaans onder een hoek van 13⁰….30⁰ graden opgesteld, maar het aantal te plaatsen panelen wordt hierdoor kleiner. De horizontale plaatsing van de panelen maakt het PowerNEST ook onafhankelijk van de oriëntatie en minder windgevoelig, hetgeen mogelijk door de ontwerpers ook is beoogd.

Door de horizontale plaatsing verliezen de zonnepanelen echter hun zelfreinigende eigenschappen, omdat regenwater niet of slecht wordt afgevoerd. Het (schoonmaak)onderhoud lijkt door de hoge vullingsgraad van het dak problematisch omdat zonnepanelen zijn in principe niet beloopbaar zijn. Figuur 1 laat niet zien hoe de hemelwaterafvoer van het dak is geregeld.

5 Windenergie – Uitgangspunten

5.1 Object en Locatie

Gekozen is voor het EWF Hotel BREEZE, locatie Amsterdam IJburg, coördinaten X128968 – Y 485281. Het gebouw heeft een hoogte van 36m.

5.2 Referentiewindsnelheid

Voor deze locatie is de statistische meso windsnelheid U_m (op 60m hoogte) volgens NPR 6097 teruggerekend naar U_z, de referentiewindsnelheden op 38m hoogte, ongeveer het midden van de geprojecteerde turbines. Voor de berekeningsmethodiek zie bijlage, ontleend aan mijn onderzoeksrapport “Natuurlijke Ventilatie en Wind” uit het onderzoek “Earth, Wind & Fire”(Bronsema, B. 2012).

5.3 Effectieve windsnelheid

Bij plaatsing van een windturbine in het vrije veld is de effectieve windsnelheid over het turbineoppervlak in het algemeen gelijk aan de referentiewindsnelheid. Bij plaatsing in of op een gebouw moet rekening worden gehouden met enkele correctiefactoren, te weten:

• Versnellingsfactor F_ac: De effectieve windsnelheid wordt hierbij versneld door venturiwerking of door een gekromde dakvorm.
• Blokkeerfactor F_bl: De effectieve windsnelheid wordt hierbij door de luchtweerstand van de constructie en door de ingebouwde windturbine verlaagd. De constructie blokkeert a.h.w. de vrije doorstroming, waarbij minder lucht door de turbine stroomt. Een deel van de luchtstroom wordt om de constructie heengeleid.

Beide factoren kunnen voor concrete gevallen met behulp van CFD worden berekend. Aangezien de energieproductie van windturbines evenredig is met de derde macht van de windsnelheid zijn ze van groot belang voor de bepaling van de energieprestaties.

Voor het PowerNEST 1.0 kan de vorm en de hellingshoek van de lamellen een positieve invloed hebben op de effectieve windsnelheid. Deze wordt echter naar alle waarschijnlijkheid sterk door de blokkeerfactor gereduceerd. Bij de navolgende schattingen van de energieproductie is uitgegaan van F_ac = 1,15 en F_bl = 0,9 waardoor het totaaleffect ongeveer neutraal wordt verondersteld.[1]

5.4 Windstatistiek

De frequentie van de windsnelheden op de betreffende locatie is ontleend aan NPR 6097 – Frequentietabel van de 60 meter windsnelheid.

5.5 Vermogenscoëfficiënt C_pow

De windsnelheidsafhankelijke vermogenscoëfficiënt C_pow van de geprojecteerde VAWT is niet bekend. Uitgegaan is van de prestaties van een Hercules turbine type Darrieus van de Zwitserse firma ENESSERE –zie figuur 2. De waarden liggen in dezelfde grootteorde als die van de Windspire turbine type H-rotor, zoals september 2015 gemeten in het Von Karman Institute, en gelden inclusief generatorverliezen. [1] Een optimistische schatting.

6 Raming energieprestatie VAWT

Tabel 1 geeft een samenvatting van de berekeningen, uitgevoerd in MS EXCEL. Het piekvermogen van de VAWT bij de uitgangspunten ad paragraaf 3 is ≈ 2,9 kW en de jaarlijkse energieproductie bedraagt 2.673 kWh.

Um	z	z0	Uz	Facc	Ebl	Ueff	h.a-1	h.a-1	ρ	A	Cpow	P	Pdist	Pcum
m.s-1	m	m	m.s-1			m.s-1		distr.	kg.m-3	m2		W	kWh.a-1	kWh.a-1
0,5	38	0,5	0,41	1,15	0,90	0,42	131,3	131,3	1,2	7	0,000	0	0	0
1,5	38	0,5	1,22	1,15	0,90	1,26	575,6	444,3	1,2	7	0,000	0	0	0
2,5	38	0,5	2,03	1,15	0,90	2,11	1276,8	701,2	1,2	7	0,000	0	0	0
3,5	38	0,5	2,85	1,15	0,90	2,95	2142,9	866,1	1,2	7	0,000	0	0	0
4,5	38	0,5	3,66	1,15	0,90	3,79	3126,4	983,5	1,2	7	0,000	0	0	0
5,5	38	0,5	4,48	1,15	0,90	4,63	4153,1	1026,7	1,2	7	0,030	13	13	13
6,5	38	0,5	5,29	1,15	0,90	5,48	5106,4	953,3	1,2	7	0,090	62	59	72
7,5	38	0,5	6,10	1,15	0,90	6,32	5965,5	859,1	1,2	7	0,177	187	161	233
8,5	38	0,5	6,92	1,15	0,90	7,16	6704,6	739,1	1,2	7	0,233	359	265	499
9,5	38	0,5	7,73	1,15	0,90	8,00	7294,0	589,4	1,2	7	0,245	527	311	809
10,5	38	0,5	8,55	1,15	0,90	8,84	7737,8	443,8	1,2	7	0,250	726	322	1132
11,5	38	0,5	9,36	1,15	0,90	9,69	8073,5	335,7	1,2	7	0,251	958	322	1453
12,5	38	0,5	10,17	1,15	0,90	10,53	8314,9	241,4	1,2	7	0,252	1235	298	1752
13,5	38	0,5	10,99	1,15	0,90	11,37	8484,6	169,7	1,2	7	0,254	1569	266	2018
14,5	38	0,5	11,80	1,15	0,90	12,21	8591,3	106,7	1,2	7	0,256	1959	209	2227
15,5	38	0,5	12,61	1,15	0,90	13,06	8660,7	69,4	1,2	7	0,255	2384	165	2392
16,5	38	0,5	13,43	1,15	0,90	13,90	8703,8	43,1	1,2	7	0,238	2684	116	2508
17,5	38	0,5	14,24	1,15	0,90	14,74	8731,7	27,9	1,2	7	0,210	2825	79	2587
18,5	38	0,5	15,06	1,15	0,90	15,58	8749,4	17,7	1,2	7	0,180	2861	51	2637
19,5	38	0,5	15,87	1,15	0,90	16,43	8757,5	8,1	1,2	7	0,154	2866	23	2661
20,5	38	0,5	16,68	1,15	0,90	17,27	8761,7	4,2	1,2	7	0,136	2941	12	2673

Tabel 1- Spreadsheet berekening energieproductie VAWT

Figuur 2 brengt de vermogenscoëfficiënt, het vermogen en de stroomproductie in beeld als functie van de windsnelheid.

7 Conclusies

Bij de omschreven uitgangspunten wordt de jaarlijkse energieprestatie van het PowerNEST 1.0 berekend op maximaal ≈ 6.100 kWh via PV panelen en ≈ 2.700 kWh via een VAWT, totaal ≈ 8.800 kWh, ruim een derde minder dan door Ibis Power geclaimd. De energieprestatie van het PowerNEST 2.0 liggen naar verwachting per module nog substantieel lager.

Als de PV panelen rechtstreeks op het dak worden aangebracht resteert slechts een bescheiden 2.700 kWh aan windenergie. Als deze wordt gewaardeerd met € 0,125 per kWh levert het PowerNEST een jaarlijkse besparing op van (2700 x 0,125) ≈ € 337,50. Het lijkt onmogelijk dat de ongetwijfeld hoge kosten van het PowerNEST met geïntegreerde VAWT door deze geringe besparing kunnen worden gerechtvaardigd. Een rendabele exploitatie lijkt derhalve niet mogelijk.

 

8 Referenties

• Bronsema, B. 2012. “Earth, Wind & Fire”- Airconditioning zonder ventilatoren” (II) Thema Wind: Onderzoek Natuurlijke Ventilatie, Wind en het Ventecdak. Eindrapport Maart 2012 www.bronconsult.org
• Bronsema, B. 2013. EARTH, WIND & FIRE NATUURLIJKE AIRCONDITIOING. Proefschrift TU Delft – ISBN 978 90 5972 762 5