In de afgelopen jaren groeide de interesse in kleine windmolens voor thuisgebruik, vooral in verticale modellen zonder de traditionele wieken. Het voordeel van zo'n vawt, wat staat voor vertical axis wind turbine, is dat hij over het algemeen minder geluid produceert en ook minder onderhoud nodig heeft dan traditionele, horizontale modellen. Bovendien is er geen rotorsysteem nodig om de windmolen in de juiste windrichting te zetten, want hij werkt met wind uit alle richtingen. Dit soort windmolens worden vaak gezien als alternatief voor of potentiële aanvulling op zonnepanelen, omdat ze ook 's nachts en in de winter stroom kunnen opwekken. Uit onderzoek en praktijkervaringen blijkt echter dat de werkelijkheid minder rooskleurig is dan de theorie suggereert.
Hoe werkt het?
Een windmolen zet de bewegingsenergie van de lucht om in rotatie-energie via de rotorbladen. Die bladen zitten vast aan een turbine met een hoofdas waarbij de draaiende beweging wordt versneld in een tandwielkast. Daar drijft de rotatie-energie een generator aan die elektriciteit opwekt. Dat gebeurt door middel van magneten. Door de draaiende beweging gaan geladen deeltjes (spanning) bewegen (stroom). Wat in het groot werkt, kan ook in het klein werken, zou je misschien denken. Toch is dat in de praktijk niet helemaal zo.
Soorten windmolens
Update
Dit artikel is een bijgewerkte samenvatting van het achtergrondartikel over kleine windmolens dat we in 2021 hebben gepubliceerd. Sinds de invasie van Rusland in Oekraïne zijn de elektriciteitsprijzen flink gestegen, van gemiddeld 0,22 tot 0,50 euro/kWh en meer voor nieuwe contracten. Ondertussen zijn de prijzen gestabiliseerd op ongeveer 0,30 à 0,35 euro/kWh. Daarmee zijn ze alsnog hoger dan voorheen, zoals ten tijde van het vorige artikel, maar ook met hogere prijzen verschilt het rendement weinig van destijds. Dat wordt immers vooral bepaald door de hoogte en de wind.
Er bestaan verschillende soorten kleine windmolens. De bekendste zijn verkleinde varianten van grote windmolens met een horizontale as. Deze bestaan uit een rotor met twee of drie wieken en ze zijn te koop in verschillende maten, onder andere op AliExpress. Dit type kan over een relatief grote oppervlakte wind vangen, maar daardoor neemt de omvang toe. Ook maken ze geluid, moeten ze in de juiste windrichting gezet worden en kunnen vogels er last van hebben.
Verticale windmolens hebben een aantal technische voordelen ten opzichte van horizontale. De componenten zitten meestal onder aan de molen, wat het onderhoud eenvoudiger maakt. De bladgeometrie is minder complex en het ontwerp kan zonder aanpassingen wind uit elke richting verwerken. Ook zijn ze beter zichtbaar voor vogels dan klassieke, horizontale windmolens met wieken. Bovendien veroorzaken veel typen verticale windmolens meestal minder geluid.
Verticale windmolens kunnen worden onderverdeeld in twee hoofdtypen: de savoniusturbine en de darrieusturbine. De savoniusturbine is een eenvoudig ontwerp dat werkt op basis van luchtweerstand, terwijl de darrieusturbine complexer is, maar een iets hogere efficiëntie heeft. Een variant hierop is een molen met helixbladen.
:strip_exif()/i/2004463918.jpeg?f=imagenormal)
Benodigdheden
De windturbine is zelf slechts een component van een groter systeem. Er is een generator nodig die de bewegingsenergie, kinetische energie van de roterende turbinebladen, omzet in elektrische energie. Ook is er een omvormer nodig die wisselstroom (AC) op een variabele frequentie omzet in bruikbare elektriciteit voor huishoudelijk gebruik. Dit proces verloopt in twee stappen. Eerst wordt de AC omgezet in gelijkstroom (DC) via een gelijkrichter, waarna een inverter deze DC transformeert naar AC met een constante frequentie van 50Hz, de standaard in Europa.
Optioneel, maar zeer aan te raden, is een zogenaamde dumpload. Dat is een veiligheidscomponent die ook bekendstaat als 'ballastweerstand'. Hij beschermt het systeem tegen overbelasting door overtollige energie om te zetten in warmte. De opgewekte energie moet immers ergens heen, ook als er geen afnemers voor de stroom zijn. Daar kan ook op worden ingespeeld met een accusysteem. Een kleine accu kan functioneren als buffer om tijdelijk energie op te slaan. Dit kan ook een thuisaccu zijn die energie opslaat op momenten van hoge productie en lage vraag, zodat die op een ander moment kan worden gebruikt.
Tot slot zijn er nog monitorings- en controlesystemen, zoals sensors voor de windsnelheid, rotorsnelheid en systeemtemperatuur.
De voordelen

Het voordeel van een windmolen ten opzichte van zonnepanelen is dat hij op ieder moment van de dag kan werken, het hele jaar door. Je bent dus niet afhankelijk van daglicht of zonnige zomermaanden; een windmolen werkt ook in het donker én in de winter. Het kan dus een aanvulling zijn op je zonnepanelen. Of een alternatief, bijvoorbeeld omdat je geen zonnepanelen kunt of mag plaatsen.
Behalve dat ze over het algemeen minder geluid produceren, hebben verticale windmolenmodellen ook minder onderhoud nodig, omdat er minder bewegende delen zijn. Een ander voordeel is dat een verticale molen wind uit alle richtingen kan benutten. Er hoeft dus geen rotorkop te draaien om de molen in de optimale richting te zetten, zoals dat bij horizontale windmolens het geval is. Bovendien kunnen ze dichter op elkaar geplaatst worden zonder significant vermogensverlies. Ze kunnen elkaar op die manier zelfs versterken. De luchtstroom van een turbine kan een positief effect hebben op naburige turbines. Bij horizontale windmolens is juist een minimale onderlinge afstand vereist om interferentie te voorkomen.
Een verticale windmolen neemt bovendien weinig ruimte in beslag en past makkelijk op een plat dak, op de top van een schuin dak of boven op een mast. En dat biedt ook kansen als je in een huurhuis woont of in een appartementencomplex met dakterras. Voor zonnepanelen heb je veel dakoppervlakte nodig, liefst van een dak waarvan je zelf de eigenaar bent. Als dat niet kan of mag, kan een windmolen wellicht een alternatief zijn.
De nadelen
De voordelen zijn duidelijk, maar er zijn een hoop voorwaarden waaraan moet worden voldaan voor een optimale energieopwekking. Dat komt met name doordat verticale modellen veel kleiner zijn dan de 'echte' windmolens van energiebedrijven, maar ook doordat het lang niet altijd waait en de windsnelheid in een woonwijk veel lager is dan op het platteland of aan de kust. Dat heeft een flinke impact op het rendement. Die randvoorwaarden zetten we hieronder uiteen.
1) Omvang
De energieopbrengst van een windturbine is evenredig met het kwadraat van de rotordiameter en met de derde macht van de windsnelheid.
Kleine windmolens, zowel horizontale als verticale turbines, hebben een drastisch lagere opbrengst. Dat heeft zowel te maken met de vorm als met de omvang en positionering. De energieopbrengst van een windturbine is evenredig met het kwadraat van de rotordiameter en met de derde macht van de windsnelheid. Een kleine windmolen heeft dus een veel kleiner potentieel om windenergie te vangen dan een grote, simpelweg doordat de rotoroppervlakte vele malen kleiner is. Bovendien profiteren grotere turbines van schaalvoordelen in de aerodynamica en generatorefficiëntie, waardoor ze zelfs bij gelijke windomstandigheden een hoger rendement behalen dan kleinere tegenhangers.
2) Hoogte
Los van de omvang is ook de plaatsing van een windmolen belangrijk. De windsnelheid neemt logaritmisch toe met de hoogte boven het aardoppervlak. Daarom levert een kleine windmolen slechts een fractie op van wat een grote windturbine produceert. Voor elke verdubbeling van de hoogte loopt de windsnelheid gemiddeld met 10 tot 20 procent op en dat resulteert in een potentiële energietoename van 30 tot 60 procent, aangezien het windvermogen kubisch schaalt met de windsnelheid (P ∝ v³). Volgens Milieucentraal is in de stad 20 meter hoogte minimaal en is het zelfs aan te raden om een molen twee keer zo hoog te plaatsen als gebouwen en bomen in de omgeving.
3) Locatie

Los van de hoogte is ook de geografische locatie van belang. Aan de kust en op het platteland waait het harder dan in een woonwijk. Een kleine windmolen heeft een nominale windsterkte nodig van 5,5m/s of meer (windkracht 4). In de praktijk is dat voornamelijk in de kustgebieden haalbaar; zie ook de kaart hiernaast. Daarop is te zien dat er vooral op de Waddeneilanden, in de kop van Noord-Holland en deels in Friesland, Zeeland en Noordwest-Groningen voldoende wind is.
4) Wind
Dat een kleine windmolen draait, betekent niet dat hij ook energie produceert; er is een minimale windsnelheid nodig om elektriciteit te kunnen opwekken. Dit wordt ook wel de 'cut-in speed' genoemd. Bij lagere snelheden is de opgewekte spanning te laag, mede doordat de omvormer zelf ook elektriciteit nodig heeft. De windmolen heeft dus voldoende wind nodig om boven het eigen energiegebruik uit te komen. Buiten de rode gebieden op de kaart is dat vaak niet het geval. Zie ook dit X-draadje over een Airturb op een schuurtje in een woonwijk.
5) Vergunning
Tot slot is er nog iets anders dat roet in het eten kan gooien; je mag niet zomaar een windmolen op je dak of schuur plaatsen. In veel gemeenten moet daarvoor een vergunning worden aangevraagd. En omdat een windmolen groter is dan bijvoorbeeld een schotelantenne, is de impact op het straatbeeld groter en heeft de buurt er ook wat over te zeggen. Bovendien maakt ook een kleine windmolen geluid, niet alleen door het draaien, maar ook door vibraties in de montage. Om dat laatste tegen te gaan, kunnen vibratiedempers gebruikt worden in de voet. Als de molen, inclusief eventuele wieken, een diameter van meer dan twee meter heeft, is ander type vergunning nodig, met extra kosten: de omgevingsvergunning beperkte milieutoets (OBM).
Kosten en terugverdientijd
Praktijk
De afgelopen tien jaar hebben gemeenten en bedrijven proeven gedaan met kleine verticale windmolens, maar anders dan over de aanvang van een proef is er vrij weinig te vinden over de resultaten. In een AD-artikel wordt gesteld dat windwokkels boven op het dak van het gemeentehuis van Oss op jaasbasis 2500kWh per stuk opleveren, maar dat lijkt ver bovengemiddeld. Een ondernemer die vier Airturbs op het dak van een autodealer heeft geplaatst, spreekt over een opbrengst van 1000 tot 1500kWh. Duurzaam bedrijventerrein Westland experimenteerde in 2017 met tien verticale windmolens in een rij op een bedrijfspand, omdat buurtbewoners twee grote windmolens afwezen. Gemeld wordt dat de proef na ongeveer een jaar werd gestopt omdat de molens niet voldoende opleverden, zonder dit verder te specificeren. Dit zijn overigens allemaal bedrijfspanden, die veelal beschikken over een hoger dakoppervlak dan een woonhuis.
Hier kun je eerder gepubliceerde ervaringen van medetweakers met kleine windmolens lezen.
Los van simpele molens van AliExpress is zo’n verticale windmolen alsnog best kostbaar; een serieus exemplaar kost al snel een paar duizend euro. De Airturb kost bijvoorbeeld 4235 euro inclusief installatie. Deze heeft vier kleine 30W-zonnepanelen en de molen zelf kan maximaal 300W produceren. Dat vermogen levert hij niet continu, maar alleen als het voldoende waait. Bovendien is de windmolen zelf slechts één factor. Bijna nog belangrijker zijn de hoogte en een locatie met veel wind.
Volgens organisaties als Milieu Centraal verdient de investering zich niet terug binnen de technische levensduur van twintig jaar. Bovendien zouden verticale windmolens tijdens hun levensduur meestal minder energie opleveren dan nodig was om ze te bouwen. Op de site wordt gesteld: "Drie grote windturbines met een ashoogte van 100 meter wekken net zoveel elektriciteit op als meer dan 300 kleine windmolens van 15 meter hoog. Een kleine windmolen met een verticale as van zo’n 1,5 meter hoog levert volgens fabrikanten 1000kWh per jaar op, [maar] in de praktijk wordt dat nauwelijks gehaald."
We spraken eerder onder andere met professor Gerard van Bussel van de TU Delft, die weinig zag in kleine windmolens op woonhuizen. Van Bussel: “Gemiddeld is de windsnelheid rond een huis de helft van de snelheid in het vrije veld. Omdat de opbrengst evenredig is met de derde macht van de windsnelheid, levert een klein molentje op het dak weinig op. Bij een vrijstaand huis, zonder andere huizen, bomen of andere obstakels, moet je zo'n molen minstens op twee keer de hoogte van het gebouw plaatsen."
Tot slot een theoretisch rekensommetje. Stel, we plaatsen de eerdergenoemde Airturb hoog op een dak of paal op een locatie waar gemiddeld een nominale windsnelheid van 5,5m/s wordt gehaald. We gaan er optimistisch vanuit dat deze een jaarlijkse energieopbrengst van 1500kWh heeft. De molen kost 4235 euro en we gaan uit van een gemiddelde elektriciteitsprijs van 0,32 euro/kWh. Dat zou kunnen leiden tot een jaarlijkse besparing van 480 euro en resulteren in een terugverdientijd van circa 9 jaar. Maar stel dat die windsnelheid niet gehaald wordt doordat we niet in de buurt van de zee wonen en de gemiddelde windsnelheid 3,3m/s bedraagt. De opbrengst daalt dan dramatisch tot zo'n 21 procent van die bij 5,5m/s, wat neerkomt op 324kWh per jaar en een terugverdientijd van 40 jaar. Als de gemiddelde windsnelheid nog lager is, dan loopt dit verder op. Dit illustreert hoe sterk het rendement afhankelijk is van de lokale windsnelheid. Bovendien hebben we de kosten voor onderhoud niet meegerekend.
Tot slot
Concluderend blijkt dat kleine windmolens voor thuisgebruik, ondanks hun theoretische aantrekkelijkheid, in de praktijk moeilijk rendabel te maken zijn. Zonnepanelen blijven voor consumenten een logischere keuze vanwege hun lagere kosten, voorspelbare opbrengst en kortere terugverdientijd, ook zonder salderingsregeling. Bij kleine windmolens is het zeer de vraag of de investering zich laat terugverdienen, zeker bij woonhuizen in steden en dorpen.
Als je op het platteland of aan de kust woont en je ook echt de hoogte in kunt gaan, kan het met mitsen en maren de overweging waard zijn. Het is dan zaak om de potentiële opbrengst op basis van windgegevens goed door te rekenen in combinatie met de benodigde investeringen. Voor bedrijven en boerderijen op een gunstige locatie kan een middelgrote windmolen interessanter zijn, zoals die van EAZ, Neowind of WES. Immers, grotere wieken en een hogere positie leveren exponentieel meer energie op, maar ook die molens vallen in het niet bij 'echte' windmolens. Middelgrote molens hebben een vermogen van 15 tot maximaal 250kW, terwijl een grote windmolen op land gemiddeld 5MW kan opleveren en een op zee zelfs 12 tot 20MW. Een kleine windmolen op het dak of schuur van een eengezinswoning in een woonwijk is dus nog steeds weinig zinvol.
Openingsbeeld: Flower Turbines