Kitepower is een Delftse start-up, die met een gigantische vlieger duurzame energie wil opwekken.
Het benodigde geld is met een crowdfundingsactie opgehaald. Journalist Laura Wismans schrijft erover in de NRC van 26 september 2022.
De vlieger heeft een oppervlakte van zestig vierkante meter. Hij is twintig meter breed en in het midden vier meter hoog. Zie onderstaande video.
Aangedreven door de wind trekt hij een lijn uit die een trommel laat draaien die met een dynamo is verbonden. Nadat de lijn helemaal uitgetrokken is, laat men de vlieger zakken en kan een elektromotor hem bij lagere windsnelheid weer inhalen.
De vlieger kan volgens journalist Wismans een vermogen van 100 kW opwekken, wat genoeg zou zijn voor 150 Nederlandse huishoudens. Gezegd wordt verder dat de lijn 5.000 kilo trekkracht moet aankunnen.
a) Welke eenheid voor kracht gebruik je in de natuurkundeles?
De kilogram is een eenheid van massa, niet van kracht. Voor kracht gebruik je de newton.
b) Wat zou er dan moeten staan in plaats van ‘5.000 kilo’?
Het gewicht van 1 kg is op aarde 9,8 N. De lijn moet een gewicht van 9,8 · 5.000 = 49.000 N kunnen dragen. Beter was dus ’49.000 newton trekkracht’.
c) Zoek op wat het gemiddeld energieverbruik is van een Nederlands huishouden.
Volgens milieucentraal.nl verbruikt een Nederlands huishouden gemiddeld 2.479 kWh per jaar.
d) Ga na of de bewering klopt dat 100 kW voldoende is voor 150 Nederlandse huishoudens.
Het gemiddeld vermogen is dus P = E/t = 2.479 kWh / (365 · 24 h) = 0,28 kW. Voor 150 huishoudens zou dan 42 kW nodig zijn. Als de vlieger 100 kW opwekt is dat dus zeker voldoende.
Verderop komen we hierop terug. Maar eerst kijken we naar hoe het vliegeren in zijn werk gaat.
De vlieger (zie figuur 1) begint met achtjes draaien op 100 meter hoogte en trekt dan de lijn uit tot hij op 300 meter hoogte zit. Dan wordt de vlieger gekanteld en vervolgens met zo min mogelijk energie teruggetrokken. Directeur Joep Breuer zegt in de krant: “80 Procent van de tijd zijn we aan het uitlieren, 20 procent aan het intrekken. Met het uittrekken wekken we gemiddeld 130 kilowatt op, het intrekken kost 20 kilowatt.”
Een zelfstandig werkende besturingscomputer regelt de stand van de vlieger, afhankelijk van windrichting, windkracht en trekkracht.
e) Welke energieomzetting is er tijdens het uitlieren?
Bewegingsenergie van de wind naar elektrische energie (opgewekt)
f) En tijdens het intrekken?
Elektrische energie (elektromotor) naar warmte (overwinnen luchtweerstand)
g) Waarom is het gemiddelde netto vermogen niet 130 kW minus 20 kW?
Omdat de tijd van opwekken met 130 kW langer is dan de tijd van intrekken met 20 kW.
h) Bereken het gemiddeld netto vermogen. (Neem aan dat de vermogensverliezen in de dynamo en de elektromotor verwaarloosbaar zijn.)
Stel het proces van uitlieren en intrekken tezamen neemt een tijd t (s) in beslag. Dan is de energie die wordt opgewekt tijdens het uitlieren is Euitlieren = 130 · 0,80 t (kJ). De energie die het intrekken kost bedraagt Eintrekken = 20 · 0,20 t (kJ).
Het netto opgewekt vermogen is dan Pnetto = (Euitlieren - Eintrekken)/t = 130 · 0,80 - 20 · 0,20 = 100 kW.
De vlieger beschrijft achtjes in de lucht. Daarbij gaat hij sneller dan de wind. Breurer vergelijkt dit met een waterskiër. Door naar links en rechts te bewegen legt hij een grotere afstand af dan de boot en gaat dus sneller.
i) Wordt in dat voorbeeld de vlieger vergeleken met de waterskiër of met de boot?
De snelheid van de vlieger die achtjes maakt komt overeen met de snelheid van de waterskiër die van links naar rechts gaat. De snelheid waarmee de lijn wordt uitgelierd komt overeen met de snelheid van de boot.
j) Ken je een ander voorbeeld waarbij de verkregen snelheid groter is dan de windsnelheid?
Bij ‘aan de wind’ zeilen (ook ijszeilen). Zie dit artikel.
k) Maak met de gegevens die hierboven staan een beredeneerde schatting van de snelheid waarmee de lijn wordt uitgelierd.
Er zijn twee gegevens bekend: de maximale trekkracht en het gemiddeld vermogen. De relatie tussen trekkracht en vermogen wordt gegeven door P = F · v. Dus v = P / F. Hieruit volgt dat de snelheid bij gemiddeld vermogen en maximale trekkracht v = 130.103 / 49.000 = 2,6 m/s bedraagt. De feitelijke trekkracht F is zeker kleiner dan het maximum. Het feitelijke vermogen P zal vaak groter zijn dan het gemiddelde. Dus de feitelijke snelheid v zal zeker groter zijn dan 2,6 m/s. Bijvoorbeeld 5 m/s.
Wismans werpt de vraag op of zo’n vlieger wel kan concurreren met een gewone windmolen. Breuer wijst erop dat de ontwikkelingen snel gaan. Dertig jaar geleden leverde een windmolen ook veel minder op dan nu. Het volgend doel van Kitepower is opschalen naar 500 kW. Hij zegt “Wij zijn geen oplossing voor morgen, maar voor overmorgen.” Bovendien kan de vlieger een oplossing zijn als bouw van een windmolen niet in aanmerking komt.
l) Zoek op wat het gemiddeld vermogen is van een gewone windmolen.
Een gewone windmolen (op het land) wekt gemiddeld 3 MW op. Dat is wel dertig keer zo veel, maar zo groot is het verschil nu ook weer niet. Wie weet wat de toekomst brengt.
m) Bedenk in welke omstandigheden zo’n reuzevlieger in het voordeel is vergeleken met een windmolen.
Anders dan een windmolen kan de vlieger verplaatst worden naar een andere locatie. (Bijvoorbeeld bij missies van Defensie, zegt Breuer.) De vlieger vangt de wind op veel grotere hoogte dan een windmolen. Daar zijn de windsnelheden groter.
Terug naar het aantal huishoudens. “Aangedreven door de wind trekt een enorme vlieger een lijn van 300 meter uit en kan zo 150 huishoudens van stroom voorzien”, luidt de onderkop in de krant.
n) Welke kanttekening kun je bij deze bewering plaatsen?
Er zullen altijd ook andere bronnen voor elektrische energie nodig zijn.
Het waait nu eenmaal niet altijd op tijdens dat er behoefte aan elektriciteit is, en omgekeerd. Tijdens het intrekken van de lijn wordt geen energie opgewekt, ook al is er dan wel behoefte aan elektriciteit.
