Tweeduizend jaar lang werden windmolens gebouwd uit materialen die recycleerbaar of herbruikbaar zijn: hout, steen, baksteen, metaal, canvas. Toen de eerste windturbines verschenen aan het einde van de negentiende eeuw, bleven de gebruikte materialen dezelfde. Het is pas met de komst van plastic wieken in de jaren 1980 dat windenergie een bron van afval is geworden.

Nieuwe technologie maakt het mogelijk om grotere windturbines opnieuw uit hout te bouwen –- niet alleen de wieken, maar ook de toren en de rest van de structuur. Dit zou niet alleen het afvalprobleem oplossen, maar ook de productie van windturbines grotendeels onafhankelijk kunnen maken van fossiele brandstoffen en mijnbouw.

Door de ruimte tussen de windturbines vol te planten met bomen, kan meteen het hout voor de volgende generatie windturbines worden geleverd. De windturbine kan zo een schoolvoorbeeld worden van de circulaire economie.

Hoe duurzaam is een windmolenwiek?

Windturbines worden voorgesteld als een schone en duurzame bron van elektriciteit. Maar hoewel ze wel degelijk elektriciteit kunnen produceren met een lagere CO2-uitstoot dan fossiele brandstoffen, veroorzaken ze ook een berg afval. De energie is hernieuwbaar, maar de windturbine zelf is dat niet. Op het eerste gezicht lijkt het probleem relatief beperkt. Ongeveer 90% van de massa van een windturbine is staal, voornamelijk in de toren. Staal wordt gerecycleerd en dit verklaart waarom windturbines zo snel de energie hebben terugverdiend die nodig was om ze te maken –- het gerecycleerde staal kan worden gebruikt voor de productie van nieuwe onderdelen voor windturbines, en dat kost minder energie.

Helaas zijn de wieken van een moderne windturbine gemaakt van met glasvezel versterkt plastic, een volumineus materiaal dat onmogelijk te recycleren is. Hoewel de massa van de wieken beperkt is in vergelijking met de totale massa van de windturbine, is ze niet verwaarloosbaar. Een wiek van 60 meter lang weegt 17 ton, wat betekent dat alleen al de drie wieken van een windturbine van 5 MW meer dan 50 ton onrecycleerbaar afval opleveren.

Een windturbinewiek bestaat uit een combinatie van epoxy –- een petroleumproduct –- versterkt met glasvezel. De wieken bevatten ook vulmaterialen en bekledingen op basis van kunststof, zoals polyvinylchlorideschuim en polyurethaan beschermlagen. ¹²³⁴

In tegenstelling tot het staal in de toren kan het plastic in de wieken niet worden gerecycleerd om er nieuwe windmolenwieken van te maken. Het materiaal kan alleen worden “gedowncycled”, bijvoorbeeld door het te versnipperen, wat schade toebrengt aan de vezels zodat die alleen maar kunnen dienen als vulmateriaal voor de productie van cement of asfalt. Er worden andere methodes onderzocht, maar die hebben allemaal hetzelfde probleem: niemand wil het “gerecycleerde” materiaal. Sommige architecten hebben afgedankte windmolenwieken hergebruikt voor de bouw van zitbanken en speeltuinen, maar we kunnen uiteraard niet alles uit afgedankte windmolenwieken bouwen.

Alleen al de wieken van een windturbine van 5 MW leveren meer dan 50 ton onrecycleerbaar afval op.

Gezien de beperkte opties voor recyclage of hergebruik belanden windmolenwieken dan ook op het stort (in de VS) of in de verbrandingsoven (in de EU). Die laatste optie is niet duurzamer, omdat het verbranden van de wieken het materiaal slechts gedeeltelijke reduceert –- 60% ervan blijft over en moet alsnog worden gestort. De rest wordt omgezet in luchtvervuiling. Bovendien kan er niet of nauwelijks energie worden gerecupereerd – glasvezel is nu eenmaal onbrandbaar. ¹²³⁴

Afvalverwerking met 25 jaar vertraging

De meeste van de ongeveer 250.000 windturbines die wereldwijd staan opgesteld, zijn minder dan 25 jaar geleden opgesteld –- en dat is hun verwachte levensduur. Maar de snelle groei van windenergie tijdens de laatste twee decennia zal zich binnenkort vertalen in een alsmaar toenemende en nooit eindigende toevoer van afvalmaterialen. Zo verhoogt het aandeel windturbines in Europa dat ouder is dan vijftien jaar van 12% in 2016 tot 28% in 2020. In Duitsland, Denemarken en Spanje stijgt hun aandeel zelfs tot 41-57%. Alleen al in 2020 zullen deze landen elk 6.000 tot 12.000 windturbinewieken moeten afdanken. ⁵

Afgedankte wieken zullen niet alleen talrijker maar ook groter worden. De windturbines die 25 jaar geleden werden gebouwd, hadden wieken van 15 tot 20 meter lang, terwijl de wieken van vandaag 75-80 meter of langer zijn. ³ Schattingen op basis van huidige groeicijfers voor windenergie voorspellen dat tegen 2028 jaarlijks 330.000 ton plastic wieken zullen worden afgedankt. Tegen 2040 zijn dat 418.000 ton plastic wieken per jaar. ¹

De opmars van windenergie tijdens de laatste twee decennia vertaalt zich binnenkort in een alsmaar toenemende en nooit eindigende toevoer van afvalmaterialen.

Dit zijn conservatieve cijfers, want een aanzienlijk aandeel wieken faalt en moet vroegtijdig worden vervangen. Bovendien zorgt de voortdurende ontwikkeling van efficiëntere wieken met een hogere energieopbrengst ervoor dat wieken vervangen worden voor ze hun geplande levensduur bereiken. ¹⁶ Tot slot is dit afval afkomstig van windturbines geïnstalleerd tussen 2005 en 2015, toen windenergie slechts maximaal 4% van het wereldwijde elektriciteitsverbruik leverde. Als dat een meer wenselijke 40% van het (huidige) elektriciteitsverbruik zou zijn, dan zou de plastic afvalstroom van windmolenwieken drie tot vier miljoen ton per jaar bedragen.

De geschiedenis van de windmolenwiek

Een blik op de geschiedenis van windenergie laat nochtans zien dat plastic geen essentieel materiaal is. Het gebruik van windkracht voor mechanische energieproductie begon al in de Oudheid, terwijl de eerste elektriciteit producerende windmolens –- nu windturbines genoemd -– al opdoken in de jaren 1880. Maar plastic wieken begonnen hun opmars pas honderd jaar later. Ongeveer tweeduizend jaar lang waren windmolens van welk type dan ook volkomen recycleerbaar.

Ouderwetse windmolens hadden torens gebouwd uit hout, steen of baksteen, terwijl hun wieken meestal werden gemaakt van een houten raamwerk bedekt met canvas of houten planken. In latere eeuwen werden ook meer metalen onderdelen gebruikt – ook recycleerbaar.

Toen er nieuwe ontwerpen werden toegepast in de achttiende, negentiende en twintigste eeuw, bleven de gebruikte materialen dezelfde. ⁷ De enige nieuwigheid in de twintigste eeuw was het gebruik van aluminium – opnieuw perfect recycleerbaar. In tegenstelling tot moderne windturbines, die regelmatig en in hun geheel moeten worden vervangen, konden ouderwetse windmolens bovendien decennia of zelfs eeuwen in werking blijven dankzij voortdurende reparaties.

Een blik op de geschiedenis van windenergie laat zien dat plastic geen essentieel materiaal is.

De eerste windturbine in de VS, gebouwd door Charles F. Brush, had een rotordiameter van 17 m met 144 dunne wieken van hout. De eerste windturbine in Europa, gebouwd door Paul La Cour in Denemarken, had vier traditionele wieken met een rotordiameter van 22,8 meter. La Cour’s ontwerp werd gekopieerd door lokale bedrijven in Denemarken, wat resulteerde in duizenden windturbines op boerderijen tussen 1900 en 1920. Tijdens de eerste helft van de twintigste eeuw werden tientallen andere experimentele windturbines gebouwd, inclusief een aantal met stalen wieken. ⁸

In 1957 bouwde Johannes Juul – een student van Paul La Cour – de Gedser windturbine. Ze had drie wieken en een rotor diameter van 24 meter. De wieken bestonden uit stalen roedes met aluminium omkleding, ondersteund door houten ribben. De wieken werden extra verstevigd door ze met een structuur van staaldraad onderling te verbinden.

De Gedser windturbine bleef de meest succesvolle windturbine tot halverwege de jaren 1980. De machine draaide elf jaar lang zonder onderbrekingen, en produceerde tot 360.000 kWh elektriciteit per jaar. Toen de turbine eind jaren 1970 werd opgeknapt en getest, bleek ze beter te presteren dan de eerste windturbines met plastic wieken. ⁸⁹

Het belang van de rotordiameter

De eerste windturbine met kunststof wieken werd in 1978 geïnstalleerd in Denemarken, waar ze elektriciteit leverde aan een school. Met een rotordiameter van 54 meter was de Tvind turbine de grootste windturbine ter wereld. Na 1980 werden plastic wieken standaard in Denemarken en het “Deense design” werd vervolgens over heel de wereld gekopiëerd. De kunststofwiek, zo lijkt het wel, ligt aan de basis van de moderne windturbine. En dat stelt ons voor een dilemma.

De overgang naar kunstofwieken werd gedreven door het verlangen om steeds grotere windturbines te bouwen. Hoe groter een windturbine, hoe lager de kost per kilowattuur opgewekte elektriciteit. Dat komt omdat de windsnelheid toeneemt met de hoogte, en omdat het verdubbelen van de radius de energieopbrengst verviervoudigt. De trend naar steeds grotere molens drijft de industrie nog steeds vooruit. Rotordiameters namen toe van 50 meter halverwege de jaren 1990 tot 120 meter halverwege de jaren 2000. De grootste off-shore windturbines hebben nu een rotordiameter van meer dan 160 meter, en in Nederland wordt een windturbine van 12 MW met een rotordiameter van 220 meter gebouwd. ³⁶¹⁰

Echter, naarmate de diameter van de rotor toeneemt, neemt ook de massa van de wiek toe, zodat er steeds lichtere materialen nodig zijn. Langere wieken buigen ook meer door, zodat hun structurele stijfheid steeds belangrijker wordt om een optimale aerodynamische prestatie te behouden, en om te vermijden dat het uiteinde van de wiek de toren raakt. Kortom, grotere windturbines met langere wieken stellen steeds hogere eisen aan de gebruikte materialen –- en die eisen overschrijden de capaciteiten van recycleerbare materialen. ¹¹¹² Windturbines worden efficiënter, maar ook minder duurzaam.

Grotere windturbines met langere wieken stellen steeds hogere eisen aan de gebruikte materialen

Op dit moment is deze trend duidelijk te observeren in het toenemend gebruik van met koolstofvezels versterkt plastic, dat nog sterker, stijver en lichter is dan met glasvezelfs versterkt plastic. ¹¹ Het gebruik van koolstofvezels is nu standaard geworden voor de grootste wieken, vooral op sterk belaste locaties zoals de “wortel” van de wiek. Bijgevolg zijn we alweer een nieuw tijdperk binnengetreden waarin windmolenwieken zo groot zijn geworden dat ze niet meer alleen uit met glasvezel versterkt plastic kunnen worden gebouwd.

De windmolenwiek heruitvinden

Een sector die zichzelf duurzaam en hernieuwbaar noemt, kan het zich niet permitteren om miljoenen tonnen onrecycleerbaar plastic per jaar te produceren. Kunnen we windturbinewieken opnieuw uit recycleerbare materialen bouwen? En hoe groot kunnen we ze dan zijn? Tot op welke hoogte kunnen efficiëntie en duurzaamheid met elkaar worden verzoend?

Het meeste onderzoek naar duurzamere wieken houdt vast aan plastic als belangrijkste materiaal. Eén onderzoekspiste is het gebruik van “thermoplasten” (zoals PVC) in plaats van “thermoharders” (zoals epoxy). Thermoplasten kunnen hersmolten worden, wat het mogelijk maakt om nieuwe windmolenwieken te maken uit afgedankte exemplaren. Maar omdat thermoplasten veel minder sterk en stijf zijn, is het erg lastig om grote wieken te maken. Tot nu toe zijn ze niet langer dan 9 meter gebouwd, en dat is korter dan de wieken van ouderwetse windmolens. ¹¹³

Een andere onderzoekspiste is het gebruik van composieten gemaakt uit natuurlijke vezels, zoals hout of vlas. Probleem is dat deze niet of nauwelijks duurzamer zijn dan met glasvezel of koolstof versterkte epoxies. Het van petroleum gemaakte epoxy is immers schadelijker dan de glasvezel of de koolstof, en composietmaterialen op basis van natuurlijke vezels hebben meer epoxy nodig. ^{121415 1617}

Een aantal onderzoekers en ingenieurs volgt een ander pad en grijpt terug naar meer traditionele houtconstructies, zonder het gebruik van epoxy. Deze wieken zijn samengesteld uit een holle aerodynamische omkleding en een intern raamwerk van ribben en dragers, ondersteund door een roede – allemaal gebouwd van gelamineerd fineerhout.

Gelamineerde houten wieken

Gelamineerd hout - een product dat opkwam tijdens de jaren 1980, heeft een belangrijk voordeel ten opzichte van massief hout. De eigenschappen van hout kunnen variëren, zelfs in dezelfde boom. De lengte van de houten roeden in preïndustriele windmolens was dan ook beperkt door de langste boomstammen met een consistente kwaliteit. De grootste traditionele windmolen die ooit werd gebouwd, de Murphy Mill in San Francisco (1900), had een rotordiameter van 35 meter.

De productie van fineerhout -– waarbij het hout van de boom wordt afgeschild en dan in dunne lagen terug aan elkaar wordt geplakt –- spreidt defecten zoals knopen uit over een veel groter oppervlak, zodat de stijfheid van het materiaal consistenter wordt. Hoewel fineerhout ongeveer 2,5% kunsthars bevat (de lijm), is het aandeel van deze onduurzame component vele malen lager dan in het geval van composieten.

Gelamineerd hout is veel goedkoper en lichter dan glasvezel composiet. En hoewel hout minder sterk en stijf is, wordt dat nadeel deels gecompenseerd door het lichtere gewicht van de wiek, die dus ook minder sterk en stijf moet zijn. ¹² Niettemin maakt de relatief beperkte stijfheid het moeilijk om het doorbuigen van hele grote wieken te voorkomen.

Een studie uit 2017, die focust op een windturbine van 5 MW met wieken van elk 61,5 meter lang, berekende dat een even lange wiek gemaakt uit fineerhout 2,8 keer zwaarder zou zijn dan een plastic wiek (47 in plaats van 17 ton), en dat het laminaat meer dan 50 cm dik zou zijn. ¹² Dus hoewel het technisch mogelijk is om een houten wiek van meer dan 60 m lang te maken, is het duidelijk geen praktische optie. Het extra gewicht zorgt er immers voor dat ook de rest van de turbine veel steviger moet worden gebouwd.

Dit kan op twee manieren worden opgelost. De eerste manier is een geheel uit fineerhout gebouwde wiek te versterken met roeden gemaakt uit met koolstofvezel versterkt plastic, en vervolgens de hele wiek te bedekken met een laag glasvezel composiet. In de hierboven vermelde studie werd geconcludeerd dat zo’n 61,5 meter lange hybride wiek stijf genoeg kan worden gebouwd. Bovendien is de wiek ook drie ton lichter is dan een volledig uit plastic gemaakt exemplaar. ¹² Een andere studie kwam tot een soortgelijke conclusie, al is de hybride wiek in dit geval net iets zwaarder dan de plastic wiek. ¹⁴

Een met koolstofvezel composiet versterkte houten wiek kan 60 meter lang zijn.

Hoewel er in dit geval nog steeds onrecycleerdbaar plastic wordt gebruikt, is de hoeveelheid wel een stuk kleiner en zijn de materialen niet met elkaar vermengd, wat recyclage, hergebruik of verbranding een stuk makkelijker maakt. Maar volgens de hier aangehaalde onderzoeken bevat zo’n wiek nog altijd 2,5 ton [14] tot 6,2 ton [12] kunststof, wat betekent dat een windturbine van 5 MW nog steeds 7,5 tot 18,4 ton onrecycleerbaar materiaal produceert.

Kleinere windturbines dan maar?

We kunnen argumenteren dat die kleinere hoeveelheid afval aanvaardbaar is, als we ze vergelijken met de grotere hoeveelheid afval van een conventionele wiek. Maar daarmee is het afvalprobleem niet van de baan. En hoe meer windturbines er bij komen, en hoe groter die worden, hoe groter ook de afvalstroom zal worden. Als tweede oplossing kunnen we er daarom ook voor kiezen om de wieken opnieuw volledig uit hout te bouwen – ook als dat betekent dat windturbines opnieuw kleiner zouden worden.

Door efficiëntie in te leveren, kan er heel wat aan duurzaamheid worden gewonnen

Er is een extra argument om onze focus op efficiëntie in vraag te stellen: het zijn niet alleen de wieken die steeds minder duurzaam worden. Ook andere onderdelen van windturbines worden in de naam van de efficiëntie steeds vaker uit plastic gemaakt, met name de gondel (die de generator beschermt) en de neuskegel. ¹²³⁴

Andere trends zijn het toenemende gebruik van elektronica (die niet kan worden gerecycleerd) en van permanente magneetgeneratoren (die goedkoper zijn dan een mechanische versnellingsbak maar wel ten koste van een meer destructieve mijnbouw). Grotere windturbines doden ook meer vogels en vleermuizen. ¹⁸

Door een deel efficiëntie in te leveren, kan er heel wat aan duurzaamheid worden gewonnen. Voorstanders van windenergie zijn het daar mogelijk niet mee eens, omdat windenergie op die manier duurder zou kunnen worden dan stroom opgewekt uit fossiele brandstoffen. Maar duurdere windstroom kan altijd worden gecompenseerd door fossiele brandstoffen duurder te maken.

Het echte probleem is dat we goedkope fossiele brandstoffen als een maatstaf nemen om de levensvatbaarheid van windturbines te bepalen. Het is net door te concurreren met fossiele brandstoffen –- en dus door te proberen om de energie te leveren voor een levensstijl gebaseerd op fossiele brandstoffen –- dat windturbines steeds minder duurzaam worden. Als we het energieverbruik zouden verlagen, dan zijn kleinere en minder efficiënte windturbines helemaal geen probleem.

Hoe groot kunnen we windturbines bouwen als de wieken volledig uit gelamineerd hout bestaan? Niemand die het weet. Ik vroeg het aan Rachel Koh, de onderzoekster die de eigenschappen berekende voor een volledig uit hout gebouwde wiek van 61,5 meter, maar ze kon me niet helpen: “Ik maakte alleen de berekening voor die lengte. Het zou hypothetisch mogelijk zijn om een andere studie uit te voeren om je vraag te beantwoorden, maar dat is geen kleine onderneming.” Ze merkt ook op dat de stijfheid van gelamineerd hout verder zou kunnen worden verbeterd door innovaties in het productieproces.

Een woud van windturbines

Of we nu kiezen voor volledig houten wieken of houten wieken versterkt met plastic en koolstofvezels, in beide gevallen kunnen we ook de toren en de gondel uit gelamineerd hout bouwen. In 1984 werd er zo een kleine windturbine gebouwd in Denemarken, en in 2012 bouwde het Duitse Timbertower een houten toren van 100 meter hoog voor een turbine van 1,5 MW. Houten torens lijken naast de kwestie, omdat ze een deel van een windturbine vervangen dat nu al perfect recycleerbaar is.

De productie van een windturbine met houten wieken en toren is grotendeels onafhankelijk van fossiele brandstoffen.

Niettemin biedt een windturbine waarvan de volledige structuur uit hout is gebouwd interessante voordelen. Ten eerste zou de productie van windturbines op die manier bijna volledig onafhankelijk worden van fossiele brandstoffen en mijnbouw, met uitzondering van het raderwerk en de elektrische onderdelen (en het kan nog duurzamer als er, wanneer mogelijk, voor directe mechanische energieproductie wordt gekozen). ¹⁹ Ten tweede zouden windturbines niet alleen klimaatneutrale elektriciteit leveren, maar ook CO2 uit de atmosfeer opslaan die door de bomen werd opgenomen.

Ten derde kan de ruimte tussen windturbines, die niet geschikt is als woongebied, vol worden geplant met bomen die het hout kunnen leveren voor de volgende generaties windturbines. Het hout kan ter plekke worden gezaagd, bewerkt en geassembleerd, daarbij gebruik makend van energie afkomstig van de windturbines en de biomassa. Op die manier wordt ook het transport van onderdelen overbodig gemaakt. Als we willen, kan de houten windturbine een schoolvoorbeeld zijn van de circulaire economie.