Geschiedenis (en toekomst) van de industriële windmolen

// http://pagead2.googlesyndication.com/pagead/show_ads.js

In de jaren dertig en veertig van de twintigste eeuw, decennia nadat de stoommachine windkracht overbodig had gemaakt, bleven Nederlandse onderzoekers koppig de toen al erg gesofistikeerde traditionele windmolen verder verbeteren.

De resultaten waren spectaculair, en het leidt geen twijfel dat ze vandaag nog verder zouden kunnen worden verbeterd. Zou het zinvol zijn om de industriële windmolen nieuw leven in te blazen en opnieuw rechtstreeks kinetische energie om te zetten in mechanische energie?

——————————————————————————————————–

——————————————————————————————————–

//
http://pagead2.googlesyndication.com/pagead/show_ads.js

Meer dan 900 jaar geleden werd het Middeleeuwse Europa de eerste grote beschaving die niet volledig steunde op menselijke spierkracht. Tienduizenden windmolens en watermolens veranderden de industrie en de samenleving radicaal. Het was een industriële revolutie die voor 100 procent werd aangedreven door hernieuwbare energie – iets waar we vandaag alleen maar van kunnen dromen (update: “Duizend jaar fossiele brandstoffen – de vergeten geschiedenis van turf en steenkool“). Wind- en watermolens waren in essentie de eerste echte fabrieken uit de menselijke geschiedenis. Ze bestonden uit een gebouw, een energiebron, machines en werknemers. Uit elk van die fabrieken kwam een product.

Windmolens en waterraderen waren geen nieuwe technologie – ze bestonden al in de Oudheid en de molens uit de vroege Middeleeuwen verschilden daar in technisch opzicht niet of nauwelijks van. Maar oude beschavingen zoals die van de Grieken en de Romeinen gebruikten de technologie nauwelijks, mogelijk omwille van religieuze redenen en omwille van een voldoende groot reservoir aan slavenarbeid.

Uit: “Molenbouw: het staande werk van de bovenkruiers”, Anton Sipman, 1975

Door water aangedreven molens waren – over het algemeen – belangrijker en talrijker dan windmolens. Waterkracht is betrouwbaarder dan windenergie: het debiet van een rivier kan variëren al naargelang het seizoen, maar doorgaans bevat een rivier altijd water. Bovendien kon de toevoer van het water door het aanleggen van kanalen en sluizen precies worden afgestemd op het benodigde vermogen in de fabriek.

De wind was daarentegen niet altijd van de partij en wanneer het wel waaide, konden de windrichting en de windsnelheid elk moment veranderen. Windmolens beschikten niet over efficiënte methodes om daar mee om te gaan – althans niet in de vroege middeleeuwen. Door water aangedreven molens doken in grote hoeveelheden op in Europa aan het eind van de 11e eeuw en nauwelijks 200 jaar later werd bijna alle beschikbare energie in rivieren en stromen benut.

Niet alle regio’s waren echter geschikt voor het inzetten van watermolens, om vershillende redenen: ze beschikten niet over voldoende water (zoals Spanje), ze waren te vlak en dus hadden hun rivieren niet voldoende debiet (zoals Nederland en bepaalde delen van Engeland), of de rivieren vroren dicht tijdens de winter (zoals in Scandinavië, Rusland en delen van Duitsland). In deze landen verschenen windmolens in de dertiende eeuw, mogelijk eerder. In latere eeuwen werden er ook windmolens gebouwd in gebieden die wel over waterkracht beschikten, om zo de druk op rivieren en stromen te verlichten.

Hoeveel windmolens?

Het aantal windmolens in de vroege Middeleeuwen zullen we nooit kennen, omdat de weinige inventarissen waarover we beschikken geen onderscheid maken tussen wind- en watermolens. We weten bijvoorbeeld dat er 10.000 tot 12.000 molens waren in het Verenigd Koninkrijk in 1300, maar we weten niet hoeveel daarvan windmolens waren (waarschijnlijk een minderheid). Er zijn enkel gegevens over individuele windmolens, en die duiken op vanaf het eind van de dertiende eeuw. Pas in de jaren 1700 en 1800, wanneer windkracht op zeer grote schaal begon door te breken, verschijnen er meer gedetailleerde bronnen.

In 1750 waren er 6.000 tot 8.000 windmolens in Nederland, in 1850 waren dat er 9.000. Ter vergelijking: dat is bijna 5 maal zo veel als het aantal windturbines in Nederland vandaag (1.974 turbines in september 2009). In het Verenigd Koninkrijk stonden er 5.000 tot 10.000 windmolens in 1820. Frankrijk had 8.700 windmolens (en 37.000 watermolens) in 1847. Duitsland had 18.242 windmolens in 1895 (vergeleken met ongeveer 18.000 windturbines vandaag) en Finland telde er 20.000 in 1900.

Portugal, Spanje, verschillende eilanden in de Middellandse Zee en vele Oost-Europese en Scandinavische landen hadden ook veel windmolens. Het totale aantal door windkracht aangedreven molens in Europa wordt geschat op 200.000 (op het toppunt van hun populariteit), het aantal watermolens op zo’n 500.000. Windmolens werden gebouwd op het platteland en in de steden, en zelfs op de muren van kastelen en steden om zo meer wind te vangen.

Toepassingen van windmolens

Aanvankelijk waren de enige toepassingen van windmolens het vermalen van graan, het oppompen van water en (vooral in Nederland) het droogleggen van laaggelegen gebieden. Voor die laatste toepassing werden windmolens (de zogenaamde “poldermolens”) verbonden met een “omgekeerd” waterrad (een “scheprad“) of een schroef van Archimedes.

——————————————————————————————————–

Rond 1600 verschenen vele nieuwe toepassingen van windmolens.

——————————————————————————————————–

Granen waren het belangrijke bestanddeel van het dieet in de Middeleeuwen (vlees, vis en groenten waren er alleen voor de rijken) en al dat graan moest vermalen worden. Met een handmolen was dat een tijdrovend karwei: één persoon was twee uur per dag in de weer om voldoende graan voor een familie te vermalen. Korenmolens werden ook gebruikt om jenever te maken. Het vermalen van graan bleef de belangrijkste toepassing van windmolens – tot in 1900 werd de volledige tarweoogst van Noord-Europa vermalen door windmolens in Nederland, Denemarken en Duitsland.

Rond 1600 verschenen echter vele nieuwe toepassingen van windmolens. Door wind aangedreven molens werden gebruikt voor het pellen van gerst en rijst, het vermalen van mout, het persen van olijven tot olijfolie en het persen van koolzaad, raapzaad en hennepzaad (gebruikt om te koken en voor verlichting). Er waren cacao-molens, mosterdmolens, pepermolens (die ook gebruikt werden voor andere kruiden) en tabaksmolens.

Twee andere belangrijke toepassingen van windmolens waren de productie van papier (gebruikmakend van touwen en zeilen van schepen als ruwe grondstof) en het zagen van hout. Windmolens werden ook gebruikt voor het vergruizen van kalk (voor de productie van cement), het vermalen van mortel, het droogleggen van mijnen, het ventileren van mijnschachten (en zelfs een gevangenis), het polijsten van glas en het maken van buskruit.

Textiel was een andere industrie waarin windkracht werd ingezet: windmolens werden gebruikt voor het vermalen van vlaszaad (om linnen te maken), het prepareren van hennepvezels (voor de productie van touwen en zeildoek), het “vollen” van textiel (om zachte wol te maken), de productie van verf en het looien en kleuren van dierenhuiden.

De Zaan

Eén van de spectaculairste ontwikkelingen van industriële windmolens wereldwijd vond plaats in de Zaan, de regio net boven Amsterdam.

Hoewel het gebied omgeven is door water, was het potentieel van watermolens er beperkt omdat het land zo vlak is als een pannenkoek. Maar er is wind. Veel van de industriële toepassingen van windmolens die hierboven zijn beschreven, verschenen voor het eerst (en soms exclusief) in de Zaan. De regio was in feite het eerste industriepark ter wereld. Van 1600 tot 1750, toen Nederland een belangrijke economische mogendheid was, werden hier ongeveer 1.000 windmolens gebouwd. Die kregen allemaal een naam, net zoals schepen.

Een vitaal element van de door wind aangedreven industrie in de Zaan was de zaagmolen. Hout was nodig om huizen, schepen, sluizen en meer windmolens te bouwen. Het zagen met de hand was een zeer tijdrovende taak en windmolens spaarden enorm veel tijd. Met een handzaag vroegen 60 boomstammen 120 werkdagen, terwijl dit met windkracht slechts 4 tot 5 dagen duurde (zie de foto hieronder, meer info en foto’s hier).

De eerste zaagmolen (“Het juffertje”) werd gebouwd in Zaandam door Cornelis Corneliszoon in 1596. In 1630 stonden er al 83 zaagmolens ten noorden van Amsterdam, waarvan 53 in de Zaan. Het hoogtepunt werd bereikt in 1731 toen er 450 zaagmolens in Nederland werkten, 256 daarvan in de Zaan. Uiteindelijk werd zelfs de kraan van deze windmolens – die diende om het hout naar boven te takelen – aangedreven door windkracht.

——————————————————————————————————–

Zelfs de kraan van houtzaagmolens werd aangedreven door windkracht.

——————————————————————————————————–

Een andere vroege industriële toepassing van windkracht in de Zaan was de productie van papier – we bevinden ons immers in het tijdperk waarin de drukpers verscheen. De eerste papier producerende windmolen (“De gans”) dateert van 1605 en in 1740 waren er al 40. In het midden van de 17e eeuw werd de Hollandse papiermolen aanzienlijk verbeterd, waardoor er witter papier kon worden gemaakt en waardoor het productieproces ook veel sneller kon verlopen.

Een overblijvend exemplaar is de “Schoolmeester”, een papiermolen gebouwd in 1692 (zie de foto helemaal bovenaan en het interieur hierboven). Door wind aangedreven papiermolens waren zeldzaam in andere landen, maar door water aangedreven versies verschenen al in de 11 eeuw en waren redelijk wijd verspreid – in Engeland stonden er 417 in 1800.

Andere opmerkelijke windmolens in de Zaan waren tabaksmolens (38 in 1795), oliemolens (140 in 1731), pelmolens (65 in 1731), verfmolens (21 in 1731) en hennepmolens (20 in 1731). De Nederlanders bouwden ook honderden windmolens in West-Indië voor het vermalen van suikerriet. Relatief weinig van de ongeveer 1.000 overblijvende windmolens in Nederland zijn industriële windmolens – poldermolens en korenmolens bleven veel langer economisch rendabel.

Rosmolens

Dezelfde industriële processen werden in vele andere Europese landen vooral aangedreven door waterkracht. Maar niet alle toepassingen van waterraderen konden worden gekopieerd door windmolens. De wispelturigheid van de wind maakte windmolens ongeschikt voor processen die een zeer stabiele en betrouwbare energie-input nodig hadden, zoals de productie van metaal, het spinnen, het scherpen van gereedschap, of het ontginnen van metalen uit mijnen.

In landen waar het potentieel van waterkracht onvoldoende was, werden deze molens vaak aangedreven door dieren: paarden, ossen, soms zelfs honden. Nederland telde in 1850 ongeveer 1.800 windmolens voor het malen van graan, maar evengoed 1.300 rosmolens (molens aangedreven door paarden) voor het vermalen van boekweit, een proces dat een standvastiger vermogen vroeg.

Soorten molens

De vroege Middeleeuwse windmolens waren eenvoudige machines, afgeleid van waterraderen. Maar tijdens de volgende eeuwen veranderden windmolens in een zeer gesofistikeerde technologie. Windmolens zijn een stuk ingewikkelder qua mechaniek dan watermolens, omdat de richting en kracht van de wind continu veranderen. De vroegste windmolens in Iran en Afghanistan waren van het horizontale (verticale as) type, en moesten dus niet worden aangepast aan veranderingen in de windrichting. Maar deze machines, die veel minder efficiënt waren, werden nooit gebruikt in Europa.

Aanvankelijk losten Middeleeuwse molenbouwers het probleem van variabele windrichtingen op door de hele molen op een centrale spil te zetten zodat hij kon worden gedraaid al naargelang de windrichting. Dat was de zogenaamde “standaardmolen” (ook “standerdmolen” of “staakmolen” genoemd, zie de illustratie rechts). Rond de jaren 1400 verscheen er een tweede type windmolen, waarin enkel de kap en de zeilen ronddraaiden en waarbij de romp van de molen niet bewoog. Dit was de zogenaamde “torenmolen” (of “bovenkruier”), die later geperfectioneerd werd door de Hollanders (zie de illustratie hierboven).

Torenmolens waren ook het dominante type rond de Middellandse Zee, maar deze machines waren minder efficiënt en gebruikten heel andere zeilen. Omdat de romp van een bovenkruier stationair was, kon die gemaakt worden uit steen of baksteen, wat deze molens steviger maakte. Beide types bleven in gebruik, maar vanaf de 17e eeuw werden veel standerdmolens vervangen door torenmolens.

De wind in de zeilen

Vandaag de dag worden de wieken van windturbines automatisch naar de wind gedraaid door middel van elektronica (de reden waarom kleine windturbines soms meer elektriciteit verbruiken dan ze produceren). Die zorgt er ook voor dat de wieken uit de wind worden gedraaid als het te hard gaat waaien, zodat ze niet in stukken worden geblazen. Middeleeuwse molenbouwers hadden geen microchips en dus moesten ze iets anders verzinnen.

Vele eeuwen lang werden windmolens in de wind gedraaid door louter spierkracht. Dit gebeurde door het opheffen van een grote paal (“kruihaspel”) aan de achterzijde van de molen (in het geval van een standerdmolen meestal verbonden aan de ladder achteraan), die in de juist positie te draaien, en vervolgens terug vast te zetten aan een van de twaalf ankers die in een cirkel rond de molen in de grond verankerd zaten.

Dit was geen eenvoudige taak, want de hele romp van een standerdmolen moest worden gedraaid, met het gewicht van alle machines erin. Sommige molens waren uitgerust met een “kruirad”, “kruilier” of “kruiwagen” aan het eind van de kruihaspel. Deze methode maakte de taak wat makkelijker.

De kap van een torenmolen werd op een gelijkaardige manier gedraaid, al werd er in dit geval gebruik gemaakt van een langere kruihaspel die tot op de grond reikte (foto boven rechts) of tot op de gaanderij in het geval van een stellingmolen (een torenmolen met een “terras”, zie foto hiernaast). Er bestonden, vooral in Nederland, ook “binnenkruiers” waarbij het hele mechanisme in de kap zelf zat. In de zijkant van de molen werden luchtgaten geboord – als de wind door deze gaten begon te fluiten, wist de molenaar dat de windrichting was veranderd.

Optuigen en aftuigen

De windmolen aanpassen aan de veranderingen in de windsnelheid was een nog grotere uitdaging. De machines in de molen vereisten een relatief precieze snelheid. Korenmolens werkten bijvoorbeeld het best aan 50 tot 60 “enden” per minuut (“enden” zijn wieken die per minuut voorbijkomen). Bij meer dan 80 omwentelingen per minuut verbrandt het graan en wordt het dus ongeschikt voor consumptie. Een ander risico was uiteraard dat wanneer de wind plots sterk toenam en de zeilen te snel begonnen draaien, de molen uit elkaar kon worden geblazen.

Opnieuw deed de molenaar het nodige eeuwenlang met de hand. Er waren twee manieren om een windmolen af te stemmen op veranderingen in de windsnelheid. Kleine verschillen konden binnen in de molen worden opgevangen, door het vergroten of verkleinen van de lading. De molenaar in een korenmolen kon bijvoorbeeld de opening tussen de maalstenen vergroten en meer graan toevoegen om zo in te spelen op een hogere windsnelheid. Omdat de wieken meer weerstand ondervinden, blijft het aantal omwentelingen min of meer gelijk ondanks de hogere windsnelheid. Nam de wind af, dan werden de maalstenen dichter bij elkaar gebracht en werd er minder graan toegevoegd.

Wanneer de veranderingen in windsnelheid te groot werden, dan had de molenaar echter geen andere keuze dan de molen te verlaten en de zeilen aan te passen (het “zwichten” van de zeilen). Traditionele windmolens waren niet uitgerust met rotorbladen maar met zeilen – meestal een houten raamwerk met daarop zeildoek (in koudere klimaten werd het canvas meestal vervangen door houten panelen, die makkelijker te hanteren waren in vriestemperaturen).

Het verkleinen van de zeiloppervlakte of zelfs het volledig weghalen van het canvas op twee of alle vier de wieken was een effectieve methode om in te spelen op een hogere windsnelheid, maar dat moeten angstaanjagende taken zijn geweest in een harde wind. Tenminste twee zeilen moesten in een verticale positie worden gebracht en gestopt zodat de molenaar de wiek kon beklimmen en het zeil eraf halen. Als de rem faalde wanneer de molenaar in het zeil zat, dan zou het bovendien zijn beste dag niet worden. Het opspannen en aftuigen van de vier zeilen was ook een standaardprocedure bij het begin en het eind van iedere werkdag.

——————————————————————————————————–

Tijdens de tweede helft van de achttiende eeuw verschenen diverse technieken die het mogelijk maakten dat een traditionele windmolen grotendeels automatisch kon werken

——————————————————————————————————–

Tijdens de tweede helft van de achttiende eeuw verschenen diverse complexe, maar effectieve technieken die het mogelijk maakten dat een traditionele windmolen grotendeels automatisch kon werken. Veel van deze technieken werden enkel lokaal toegepast en zijn daarom in Nederland en België zo goed als onbekend. In 1745 vond de Engelse smid Edmund Leed de “zichzelf regulerende windmachine” uit. Dit zogenaamde “zelfkruimechanisme” was een mechaniek die de positie van de windmolen automatisch aanpaste aan de richting van de wind. Het bestond uit een “fantail” of “windroos” (twee stuks voor grotere windmolens) en een raderwerk (illustratie hieronder, klik erop om ze te vergroten).

//
http://pagead2.googlesyndication.com/pagead/show_ads.js

Een fantail of windroos is in feite een tweede, kleinere windmolen die aan de achterkant van de kap wordt gemonteerd, loodrecht op de wieken aan de voorkant. Als de richting van de wind verandert, dan raakt de wind de wieken van die kleinere windmolen, waardoor de kap (of de hele molen in het geval van een standerdmolen) wordt gedraaid tot de grote wieken opnieuw loodrecht op de wind staan (en de wieken van de kleine molen dus uit de wind staan).

De windroos was door een raderwerk verbonden met een tandradwiel in de kap van de molen (in het geval van een torenmolen, zie illustratie boven en foto rechts) of een tandradwiel dat rond de hele molen liep (in het geval van een standerdmolen, zie deze foto). De windroos werd later veelvuldig gebruikt voor wind aangedreven waterpompen in de Verenigde Staten, maar omdat deze machines veel lichter waren, was er geen nood aan een radarwerk om de molens in de wind te draaien.

Het zelfkruimechanisme maakte niet alleen de bediening van de windmolen makkelijker, ook het vermogen ging er door omhoog. Er kan veel energie verloren gaan als de wind een beetje van richting verandert, maar de molenaar heeft niet altijd de tijd (of de zin) om de windmolen te draaien na elke kleine wijziging.

Automatische controle: zelfzwichting

Rond dezelfde tijd dat het zelfkruimechanisme werd uitgevonden, verschenen ook technieken die erop gericht waren de zeilen automatisch aan te passen aan verschillende windsnelheden. Dit leidde tot de ontwikkeling van het zelfzwichtingsmechanisme (de zogenaamde “spring-sail“) in 1772, uitgevonden door de Schotse molenaar Andrew Meikle. Het canvas werd hier vervangen door tientallen kleine luiken, waardoor elk van de wieken veel weg heeft van een groot uitgevallen jaloezie of zonwering.

  Elk luik wordt gecontroleerd door een veer (vandaar dus de naam, een “spring” is een veer in het Engels).  Als de kracht van de wind sterker wordt dan de kracht van de veer gaat het luik open en blaast de wind door de wiek. De omwenteling van de wieken wordt hierdoor vertraagd.

Hoe sterker de wind, hoe meer de luiken zullen opengaan. Als de windsnelheid afneemt, gaan de luiken weer dicht door de kracht van de veer, en wordt er opnieuw een ononderbroken oppervlak gevormd. Het systeem resulteert dus in zeilen met een (min of meer) gelijke rotatiesnelheid bij eender welke windsnelheid.

Het probleem met “spring-sails” is dat de spanning van de veren (die allemaal met elkaar verbonden zijn door middel van een lange, houten stok) op voorhand moet worden ingesteld, afhankelijk van de verwachte windsnelheid en het benodigde vermogen in de molen. Daarna kan de spanning niet meer worden aangepast terwijl de zeilen draaien. Dit werd opgelost in 1789 door Stephen Hooper, die de luiken verving door rolluiken (foto hieronder), verbonden met een ketting die van op de grond kon worden bediend zonder de molen te stoppen.

Dit systeem bleek echter te ingewikkeld – er kon te veel stuk gaan. In 1807 combineerde William Cubit de bediening op afstand van Stephen Hooper met de eenvoudiger luiken van Andrew Meikle, wat een praktischer systeem opleverde. Dit waren de zogenaamde “patent sails“).

Berton wieken

Het enige resterende probleem was dat deze wieken minder efficiënt waren dan normale zeilen, met als gevolg dat veel molenbouwers vaak twee gewone wieken combineerden met twee wieken met luiken om zo een compromis te vinden tussen gebruiksgemak en efficiëntie. De finale ontwikkeling van zeilen met zelfzwichting kwam er tenslotte in 1848 wanneer de Fransman Berton de vele tientallen luiken door een kleiner aantal grote, langwerpige luiken verving, een verbetering van de methode van Stephen Hooper die een steviger constructie en een betere aerodynamica bood (“Berton zeilen” – zie de foto hieronder). Bovendien kon de molenaar het systeem aanpassen vanuit de kap van de molen.

In 1860 kwam er nog een innovatie bij: de remkleppen van Catchpole, die een zeer effectieve manier waren om de zeilen automatisch te vertragen in een plotse storm. Ook in de molen zelf nam de automatisering toe: de “centrifugale gouverneur” verving de manuele aanpassing van de afstand tussen de molenstenen. Net zoals bij het zelfkruimechanisme verbeterden zeilen met zelfzwichting niet alleen de bediening van de windmolen, maar ook de energieproductie. Omdat de molenaar niet langer op de grond moest staan om de zeilen op of af te tuigen, kon de windas veel hoger geïnstalleerd worden. De molen kon zo profiteren van hogere windsnelheden – de Nederlanders hadden dat weliswaar al eerder opgelost door het bouwen van stellingmolens, waar de zeilen konden worden opgetuigd van op een etage op een hoger niveau.

Natuurlijk losten zelfzwichting en zelfkruiing het probleem van windstilte niet op – daarom werkte de molenaar dag en nacht als er een flinke bries was, en rustte hij uit wanneer het niet waaide. Molenaars waren in veel landen ook vrijgesteld van de zondagsrust.

Energie-opbrengst van een windmolen

Een andere belangrijke verbetering was de introductie van gietijzer voor de vervaardiging van het raderwerk in de molen. Dit gebeurde in 1755 door John Smeaton, slechts tien jaar na de introductie van het zelfkruimechanisme. Eeuwenlang waren alle raderen in de molen gemaakt uit hout. Dat resulteerde in aanzienlijke energieverliezen.

Metingen uitgevoerd door John Smeaton op een molen gebouwd in 1648 (later bevestigd door de Nederlanders in de jaren dertig van de 20ste eeuw), toonde aan dat de molen zo’n 40 paardenkracht (PK) opwekte aan de windas maar slechts 15,6 PK bij het aandrijven van de machines in de molen – een efficiëntie van slechts 39 procent. Bijna twee derde van de opgewekte energie ging dus verloren in het raderwerk. Poldermolens hadden een iets hogere efficiëntie van ongeveer 50 procent.

——————————————————————————————————–

Windmolens met een houten raderwerk hadden een efficiëntie van slechts 39 procent

——————————————————————————————————–

Het gebruik van gietijzer (en later ijzer) verbeterde niet alleen de efficiëntie van het raderwerk, maar liet ook toe om grotere windmolens te bouwen. Het gebruik van hout beperkte de diameter van de wieken tot ongeveer 30 meter – en die afmetingen waren al gangbaar begin 17e eeuw. De maximum lengte van een “roede” (iets meer dan twee keer de lengte van één wiek) was ongeveer 30 meter omdat er geen langere boomstammen beschikbaar waren. Slechts in de tweede helft van de negentiende eeuw begon men ijzeren roeden te gebruiken voor de wieken en voor de windas. Nederland was opnieuw een uitzondering: daar werden roeden vaak uit verschillende stukken hout gemaakt, al resulteerde dat niet in grotere wieken.

Te laat

De vele spectaculaire verbeteringen van de eeuwenoude windmolen kwamen te laat. Reeds op het einde van de 17e eeuw, rond dezelfde tijd dat deze innovaties verschenen, werd de eerste korenmolen omgebouwd van windkracht naar stoomkracht – en verscheen de zwarte rook die daarmee gepaard ging. Rond 1850 vonden stoommolens steeds meer ingang en begon het belang van windmolens te tanen. Bovendien sloegen het zelfkruimechanisme, de zeilen met zelfzwichting en de ijzeren verstevigingen maar erg traag aan – in veel landen en regio’s (waaronder Nederland) werden ze zelfs nooit of nauwelijks gebruikt.

Berton wieken werden alleen maar toegepast in Frankrijk, zeilen met zelfzwichting werden voornamelijk gebruikt in Engeland. Hoewel ijzeren roeden het toelieten om windmolens met veel grotere zeilen te bouwen, gebeurde dat nooit. De grootste torenmolen die ooit werd gebouwd was geheel opgetrokken uit hout. Hij stond in Nederland en werd gebouwd in 1899 (“De Hoop” in Prinsenhagen, nu Breda). De molen was 38 meter hoog en de wieken hadden een diameter van 27 meter. De kap en de zeilen werden verwijderd in 1929 maar de toren staat er nog altijd.

Grootste windmolen ooit gebouwd

De twee Hollandse windmolens met de grootste wieken staan in het Golden Gate Park in San Francisco en werden gebouwd tussen 1903 en 1905. De grootste, de “Murphy windmill”, is 29 meter hoog en de wieken hebben een diameter van 35 meter. De roeden werden van één lange boomstam gemaakt – in de Verenigde Staten waren er grotere bomen. Maar het raderwerk was volledig vervaardigd uit ijzer en dat was er aan te merken: de molen pompte dagelijks tot 150.000 liter water op om de irrigatie van het park te verzorgen. De Murphy Mill werd vervangen door een elektrische motor een paar jaar later.

De neergang van de windmolen verliep traag, zeker in Nederland – de Hollanders verkozen zelfs windmolens met stoom als hulpkracht in plaats van volledig door stoom aangedreven machines. In de VS werden er tussen 1850 en 1930 meer dan 6 miljoen door de wind aangedreven waterpompen (met ringvormige zeilen) geplaatst, maar elders werden nog maar weinig windmolens gebouwd na 1900. De aandacht verlegde zich naar windturbines die elektriciteit opwekten, en dat is sindsdien zo gebleven.

Indrukwekkende verbeteringen in de jaren 1920 en 1930

In de jaren twintig en dertig, toen windmolens bijna overal in Europa in onbruik waren geraakt, begonnen de Nederlanders echter een onderzoeksprogramma dat leidde tot de finale ontwikkeling van de klassieke windmolen. In 1923 werd de “Nederlandse Vereniging voor Windmolens” opgericht, met de missie om de prestaties te verbeteren van windmolens die mechanische energie leverden. Onder de leden waren beroemde molenbouwers zoals de gebroeders Dekkers. De resultaten van het programma waren spectaculair.

——————————————————————————————————–

Eind jaren 20 werd het maximale vermogen van een windmolen verdubbeld van 50 tot 100 paardenkracht

——————————————————————————————————–

Door de toepassing van technieken uit de luchtvaart en het gebruik van plaatstaal werden de wieken zodanig verbeterd dat het maximale vermogen van een windmolen werd verdubbeld van 50 tot 100 paardenkracht op het einde van de jaren twintig.

Meer dan 70 windmolens werden uitgerust met de nieuwe, “verdekkerde” zeilen gedurende het volgende decennium. Bovendien verminderden verbeteringen in het raderwerk en de lagers de energieverliezen van de transmissie, zodat windmolens meer vermogen konden leveren bij lagere windsnelheden.

Tests uitgevoerd in 1939 door het “Prinsenmolen Committee” toonden aan dat een verbeterde windmolen al energie begon te leveren bij een windsnelheid van 3,5 tot 4 meter per seconde, tegenover 5 tot 6 meter per seconde voor het oude ontwerp. Bij een windsnelheid van 5,5 meter per seconde bleek het vermogen van de nieuwe windmolen even groot als dat van een gewone molen bij een windsnelheid van 8 meter per seconde.

Terwijl een traditionele windmolen in Nederland 2.671 uur per jaar kon werken, draaide het nieuwe gestroomlijnde design 4.442 uur per jaar – min of meer een verdubbeling van de jaarlijkse energieproductie. De verbeterde windmolen had twee voordelen: een grotere opbrengst bij een gegeven windsnelheid, en meer werkuren door het benutten van lagere windsnelheden. Het profijt was vooral te vinden bij de lagere windsnelheden, want met een hogere windsnelheid moesten de zeilen van het nieuwe design sneller gevierd worden.

Verdere verbeteringen gedurende de jaren dertig door Chris Van Bussel, Kurt Bilau, G.J. Ten Have, Van Riet, P.L Fauël (foto rechts), Sabinin en Yurieff leidde tot een windmolen, geïnstalleerd in de jaren 40 en afgebroken in 1960, met twee en een halve keer het vermogen van windmolens met traditionele zeilen: 125 paardenkracht. Vervolgens zette de Tweede Wereldoorlog een rem op het onderzoek en na de oorlog gingen de Nederlanders – net zoals de rest van de wereld – zich verder toeleggen op het onderzoek naar het opwekken van elektriciteit.

Komt de klassieke windmolen terug?

Vandaag worden windmolens en watermolens die kinetische energie omzetten in mechanische energie als ouderwets beschouwd, en hoewel er aanzienlijk wat bewaard zijn gebleven, hebben weinigen daarvan een echt commercieel nut. Natuurlijk is het onmogelijk om een breedbeeldtelevisie of een laptop rechtstreeks met mechanische energie aan te drijven, maar veel andere processen zouden in principe nog altijd van energie kunnen worden voorzien op deze ouderwetse manier.

Graan moet nog steeds worden vermalen, hout moet nog steeds worden gezaagd, zaden moeten nog altijd worden geperst, maar nu gebruiken we elektriciteit om machines aan te drijven die dezelfde processen uitvoeren. Deze elektriciteit kan worden opgewekt door middel van moderne windturbines, of andere hernieuwbare energiebronnen, en dat is het scenario dat iedereen in gedachten heeft.

Voor bepaalde toepassingen zouden we echter terug kunnen keren naar een directe omzetting van kinetische naar mechanische energie, zonder de tussenstap van omzetting naar elektriciteit – een proces waarbij uiteraard energieverlies optreedt. Bovendien kost de bouw van een traditionele windmolen minder energie dan de bouw van een windturbine.

Dit is natuurlijk geen pleidooi om windturbines af te schaffen – die hebben we zeker ook nodig. Maar we zijn het ondertussen zo gewend dat een windmolen elektriciteit levert dat we vergeten dat dat voor sommige toepassingen helemaal niet nodig is.

Hightech traditionele windmolens

Bovendien zouden traditionele windmolens aanzienlijk verbeterd kunnen worden met de kennis en materialen van vandaag. Het raderwerk en de wieken zouden gemaakt kunnen worden van staal of aluminium, wat de efficiëntie flink zou verbeteren en windmolens ook vuurbestendig zou maken. Omdat ze helemaal of grotendeels uit hout werden gemaakt, kwamen vele windmolens aan hun einde door brand. Uiteraard zouden ook de machines binnen in de molen nu veel efficiënter gemaakt kunnen worden.

Er zouden dus grotere windmolens gebouwd kunnen worden, met meer vermogen. Om een idee te geven: in 2005 bouwden de Nederlanders opnieuw een traditionele windmolen, die weliswaar elektriciteit opwekt – de Noletmolen in Schiedam (foto hieronder, copyright Robert van’t Geloof). Hij is bijna 42 meter hoog, en de zeilen hebben een diameter van 30 meter – slechts iets minder dan die van de Murphy Windmill in San Francisco.

De molen werd gebouwd voor promotionele doeleinden door een distillerij (Schiedam heeft nog 5 andere, historische windmolens voor de productie van jenever). Hoewel de Noletmolen niet echt een “molen” is, werd hij wel volledig gebouwd volgens een traditioneel design, maar dan met hightech materialen en wieken. Het resultaat is een vermogen van meer dan 200 paardenkracht aan de windas. Daar kan de Energy Ball nog iets van leren.

Noodstroom voor een traditionele windmolen zou nu geleverd kunnen worden door een elektrische motor in plaats van door paarden – al zouden we er natuurlijk ook voor kunnen kiezen om alleen te werken als het waait. Geen wind vandaag? Dan zagen we die boomstammen morgen wel. Er is geen twijfel mogelijk dat nu, 70 jaar later, de resultaten van de experimenten uit de jaren dertig nog aanzienlijk zouden kunnen worden verbeterd. De windmolens die daaruit voortkomen zullen er wellicht niet zo romantisch uitzien als toen, maar ze zouden zeer nuttig kunnen zijn. Waar wachten de studenten van de Technische Universiteit Delft nog op?

© Kris De Decker

// http://pagead2.googlesyndication.com/pagead/show_ads.js

——————————————————————————————————–

De Engelstalige versie van dit artikel verscheen op Energy Bulletin en op The Oil Drum.

——————————————————————————————————–

Bronnen (in volgorde van belangrijkheid)

• “Power from Wind: A History of Windmill Technology“, Richard L. Hills, 1994.
• “Molens”, Frederick Stokhuyzen, 1962.
• “Research inspired by the Dutch windmills: An account of an extensive programme of research and development“, The Prinsenmolen Committee, 1966 (Ik heb dit boek helaas niet kunnen vinden maar het is de bron waarnaar de twee boeken hierboven verwijzen wanneer ze de experimenten beschrijven in de jaren 30)
• “Histoire générale des techniques”, Maurice Dumas, 1964
• “Molendatabase” – foto’s en beschrijvingen van windmolens in België en Nederland.
• “Natural sources of power“, Robert Steele Ball (1908)
• “Geschiedenis van de techniek in Nederland, de wording van een moderne samenleving 1800-1890“, H.W. Lintsen, 1992
• “Gevlucht“, Wikipedia
• “History of technology”, “Energy conversion” en “Windmills”, Encyclopedia Britannica.
• “An Encyclopedia of the History of Technology (Routledge Companion Encyclopaedias)“, Ian McNeil, 1990
• “Wind, Water, Work: Ancient And Medieval Milling Technology (Technology and Change in History)“, Adam Lucas, 2005
• “Handbook of Fluid Dynamics“, Richard W. Johnson, 1998
• “The windmill as prime mover“, Alfred R. Wolff, 1885
• “An experimental enquiry concerning the natural powers of water and wind to turn mills“, John Smeaton, 1760
• “Groot Volkomen Moolenboek”, 1734
• “Molenbouw: het staande werk van de bovenkruiers”, Anton Sipman, 1975
• “Penterbak” – foto’s
• “Industriemolens” – foto’s van industriemolens in Nederland
• “Windmills in Sussex“, Peter Hemming, 1936
• “Windmills in Holland“, K. Boonenburg, 1951 (pdf)
• “Windmill sail“, Wikipedia
• “Origen y expansion de los molinos de viento en Espana”, José Ignacio Rojas Sola y Juan Manual Amezcua Ogayar, Interciencia, Vol.30, 2005
• “The windmill: a medieval steam engine?“, John Langdon (pdf)
• “The Evolution of Technology (Cambridge Studies in the History of Science)“, George Basalla, 1989
• “Windkraftanlagen: grundlagen, technik, einsatz, wirtschaftlichkeit”, Eric Hau, 2003
• “European Route of Industrial Heritages“

Verwante artikels :

• Waterwiel uit 19de eeuw twee keer efficiënter dan moderne hydraulische centrale
• Schaalmodellen van industriële windmolens : bouw er zelf eentje
• Duizend jaar fossiele brandstoffen: de Hollandse windmolen vertelt slechts het halve verhaal. Er was ook turf.

• TimberTower : een hightech windturbine gemaakt uit hout
• De microwindturbines van de toekomst? energierevolutie in Afrika
• Maak alles zelf: online handleidingen voor doe-het-zelvers
• Houtgasauto’s : rijden op brandhout
• Bouw je eigen windturbine: de Windbelt en andere bouwplannen

• 40 kleine winturbines getest: veel geld voor weinig energie
• Geschiedenis van de techniek in Nederland.
• België en Nederland voor de industriële revolutie.
• Het museum voor de oudere technieken : handwerktuigen.
• Oorlog om windenergie?