VV06 Omslag 600
December 2019

Powernest voorziet een hele flat van stroom

Power 01 Maasvalkte

Het oogt misschien wat raar, een stellage van bijna 5 m hoog op het dak van een flat, maar dankzij een windturbine onder een overhellend dak van zonnepanelen, kan deze innovatie in windrijke gebieden wél voldoende stroom opwekken voor een flatgebouw van meer dan tien verdiepingen. PowerNest, de uitvinding van Alexander Suma die al talloze prijzen heeft gewonnen, dong ook mee naar de benoeming tot nationaal icoon 2019.

Hoe het begon? In 2008 kreeg Alexander Suma, student aan de tu Eindhoven die twee masters in architectuur en structural civil engineering had af te ronden, een scholar­ship van drie maanden in Miami (Florida) voor ‘­Chemical and acoustic emission evaluation studies of concrete bridges in a marine environment’. Toen hij voor een vakantie naar Nederland terugkeerde, kreeg hij op het vliegveld al een belletje van zijn huisbazin. Of hij gek was geworden. Bij vertrek bleek dat hij zijn airco had uitgezet. Ten strengste verboden. De hoge temperaturen en luchtvochtigheid in Florida zouden volgens haar al snel schimmel in de houten constructie van zijn verblijf veroorzaken.

Weer laten werken

Suma: ‘Op dat moment realiseerde ik me dat het binnenklimaat in alle gebouwen in Miami, van grote flats tot het kleinste restaurant, 24/7 wordt geregeld door airco. Alle weersinvloeden worden buitengesloten. Overal kleine ramen voor zo weinig mogelijk thermische verliezen, alsof je in een bunker woont. Dat is toch absurd? ‘Kun je dat niet omdraaien en de weersomstandigheden juist voor je laten werken?’, vroeg ik me af. Dan kun je, in windrijke of zonnige miljoenensteden langs de kust, echt grote stappen zetten. In die dagen stonden er, ondanks de vele uren zonneschijn in Miami, maar weinig pv-panelen op woningen. ‘Ik maakte dus een presentatie voor een wedstrijd waarin wind en zon op het dak van een woning werden gecombineerd. Bart Chernow, vice provoost voor technology transfer aan de universiteit van Miami, sloot onmiddellijk de deur toen hij mijn presentatie zag. ‘Dit idee mag je aan niemand vertellen, zelfs niet aan je moeder. Let op: binnen 5 jaar ben je miljonair.’ De volgende dag belde hij een patent-advocaat op om mijn idee vast te leggen.’ ‘Dat ik snel miljonair zou worden, was wat overtrokken, Amerikanen zijn snel enthousiast, maar de maanden daarna werd ik wel gecoacht om mijn presentatie onder de aandacht van ‘angel investors’ te brengen en kon ik zelfs een ‘grant’ aanvragen die het tot de laatste ronde uithield. Nu luisterden de professoren naar mij in plaats van andersom, toch wel grappig.’ Drie jaar later kreeg dr. Rossella Ferraro een ‘Marie Curie ­fellowship’ van de eu om het idee van de Powernest aan de tu Eindhoven uit te werken. ‘We testten de aerodynamische effecten en voerden computersimulaties uit die we ook in de praktijk valideerden. Dat deden we indertijd nog in de achtertuin van mijn ouders.’

Power 02 HenriettedreefDe flat aan de Henriëttedreef in Utrecht kreeg als een van de eerste gebouwen een PowerNest op het dak.

Weerstand

Nu hebben kleinschalige windprojecten, wegens niet ingeloste beloftes in de afgelopen 10 jaar, een slechte naam: in de gebouwde omgeving zorgt turbulentie voor afbraak van opbrengsten en daarmee ook van vermogens waardoor een gunstige businesscase en redelijke terugverdientijden schier onmogelijk worden.  Powernest, een combinatie van een verticale windturbine met pv-panelen, kampte vanaf het begin dan ook met zware tegenwind. ‘Experts betwijfelden of we onze claims konden waarmaken’, zegt Suma. ‘Dankzij een sme Phase II-subsidie van de eu van 2,3 miljoen euro, die in 2015 vrijkwam, konden we het prototype testen op drie zeecontainers in de Eemshaven. Na ruim een jaar meten stelden we alle meetdata beschikbaar aan prof.dr. Guus Pemen van de tu Eindhoven.’ De testen met het allereerste prototype waren aanvankelijk nog zonder een windturbine. ‘We wilden eerst het Venturi-effect bepalen’, licht Suma toe. ‘Als de wind door een vernauwing wordt geleid, ontstaat op die plek een drukverlaging, het zogeheten Venturi-effect. Door dat effect wordt de windsnelheid met 140 – 160 procent versneld. Dat zorgt ervoor dat de windturbine op een bepaald punt onder de constructie beter draait, al bij een windsnelheid van 2 m/s opstart in plaats van 3 m/s, en ook meer draaiuren maakt.’ ‘De PowerNest is richtingsafhankelijk onder een hoek van 90°. Aan de voorkant van onze constructie voegen we lamellen toe die de wind vanaf de gevel optimaal naar een bolvormige turbine geleiden. Wil je een duurzame doorbraak forceren, dan is kennis van aerodynamica en de turbulentie-intensiteit van de wind essentieel.’

Internationale prijzen

2012 Herman Wijffels Innovation Award (NL)
2012 TEDx Amsterdam Award (NL)
2013 US Defense Energy Challenge Texas (VS)
2014 UM Business Plan Competition Florida (VS)
2015 EU-H2020 SME Phase II Winner with Score 96 procent (EU)
2016 Gerard & Anton Award (NL)
2017 engie Duurzame Dinsdag Young Entrepreneurs Award (NL)
2018 Building Holland Innovation Challenge (NL)
2018 Innovation & Entrepreneurship Award Berlin Competition (D)
2018 mkb Innovation Award, Chamber of Commerce (NL)

Power 03 OpaalwegHet koelende effect van de wind zorgt naast een betere prestatie van de pv-panelen ook voor een temperatuurdemping van 35 procent in de bovenste etage.

Powernest 2.0

Na de eerste testen heeft de Powernest de ‘academische wedstrijd’ over vermeende lage opbrengsten achter zich gelaten. Wel moest er aan de uitvoering tussen 2012 en 2016 nog het nodige worden gesleuteld. Dat kon mede worden gedaan dankzij de Europese subsidie en de nieuwe inzichten, ontwikkeld tijdens het maken en testen. Suma: ‘Het eerste prototype bleek te klein en te duur. Door experimenten kwamen we erachter dat, om optimaal gebruik van de wind te maken, de ideale hoogte van de Powernest niet 1,6 of 3,2, maar 4,8 m moest zijn. Na het eerste prototype hebben we de productiekosten met 55 procent kunnen verlagen, terwijl de efficiëntie met meer dan 30 procent is toegenomen. Ook zijn we op geschakelde modules overgestapt. Tussen 2012 en 2017, toen we veel prijzen wonnen en media-aandacht kregen, bleven we onder de radar om alles voor onze demonstratieprojecten klaar te maken. Na alle testen, validaties en optimalisaties konden we eindelijk de eerste volwaardige modulaire PowerNest bouwen. Dat werden de PowerNests op het Zadkine College in Rotterdam en een tienlaagse flat aan de Henriëttedreef in Utrecht van Bo-Ex. Die woningcorporatie was zelfs zo enthousiast dat ze meteen het hele dak wilden volzetten.’

Pv- panelen

Bovenop de PowerNest-module van 4,8 m ligt 75 m2 aan pv-panelen (elk van 330 Wp per paneel) die onder een hellingshoek van 8° enigszins oversteken en ervoor zorgen dat de wind beter de constructie wordt binnengeblazen. ‘Het probleem met pv-panelen is,’ zegt Suma, ‘dat ze slechts maximaal 40 procent van al het dakoppervlak kunnen benutten. Op flatdaken tref je van alles aan, ventilatiekanalen, liftsinstallaties, dakdoorvoeren, airco-units enzovoort, die ook nog eens voor de nodige schaduw zorgen. Wij bereiken meer dan 100 procent door de dakconstructie circa 1 m aan alle zijden te laten overhellen, waardoor een jaarlijkse opbrengst van 10 – 12 MWh mogelijk wordt, goed genoeg om al vijf tot zes lagen van de hoogbouw van elektriciteit te voorzien.’ Dat is niet het enige voordeel van de constructie. Koeling is een andere. ‘De wind,’ legt Suma uit, ‘veroorzaakt een koelend effect. Daardoor neemt niet alleen de efficiëntie van de pv-panelen met 15 procent toe, maar zorgt er eveneens voor dat de temperatuur in de bovenste woonlaag van de flat met ruim 35 procent wordt gedempt. Airco’s hoeven dus minder te koelen en het totale energiegebruik van de hoogbouw neemt navenant af. In het licht van klimaatverandering en steeds hogere zomerse temperaturen is dat mooi meegenomen. En dat geldt niet alleen voor ons land, waar we de laatste twee jaren drie hittegolven mochten meemaken, maar zeker voor tropische en subtropische regio’s. Niet zonder reden voeren we op dit moment al drie projecten in Dubai uit terwijl ontwikkelaars in het Caribische gebied nog eens offertes voor drie andere projecten, inclusief batterijopslag, hebben aangevraagd.’

Hoogbouw

Ibis Power – zo genoemd naar de mascotte van het football-team van de universiteit van Miami en de heilige vogel die door geringe drukverschillen als enige weet waar het oog van een orkaan zich bevindt – richt zich met de PowerNest op hoogbouw in de sociale huursector. Daar vallen immers de grootste slagen qua energiebesparing en duurzame energie te maken. Op enkele woningprojecten geeft Ibis Power tegenwoordig tot 15 procent korting op de energierekening. ‘Lagere inkomens bij huurders krijgen steeds meer met energiearmoede te maken. Die hebben 50 euro per maand vrij te besteden en geen geld voor de aanleg van een groendak of duurzame investeringen. Het mooie is nu dat in ons land circa tweeduizend flats staan die allemaal precies dezelfde maat van 7,2 m betonbekisting hebben. Dat is ideaal voor opschaling’, zegt Suma. Volgens hem vallen de modules voor woningcorporaties in 7 jaar terug te verdienen. Wel plaatst hij er een kanttekening bij. ‘Hoewel metingen bij de flat aan de Henriëttedreef hebben uitgewezen dat de windturbine bijna fluisterstil is en onder een geluidsniveau van 40 dB blijft, verschilt de opbrengst van locatie tot locatie. Langs de Nederlandse en Vlaamse kust levert een PowerNest bijna twee keer zoveel elektriciteit op als in het meer windluwe binnenland. Zo kan een PowerNest op een flat in Amsterdam of Leeuwarden ruim veertien woonlagen van stroom voorzien, in Breda of Enschede is dat acht tot tien lagen. Dat komt min of meer overeen met 30 MW/a langs de kust en 18 — 20 MW voor het binnenland. De pv-opbrengst loopt, gemeten over het hele seizoen, niet zoveel uiteen’, aldus Suma.

Power 05 ImpressiesHet streven is een PowerNest op elk gebouw, vooral in de kustprovincies.

Installatie

In eerste instantie wilde Ibis Power in zee gaan met een grote bouwer. Na de opleving in de bouw is voor rechtstreekse levering via externe partijen gekozen. Suma: ‘Het moet wel creatief blijven, ons team wil zich niet uitsluitend met bouwmanagement bezighouden, maar naar duurzame oplossingen voor gemeenschappen zoeken, van woningcorporaties tot veel kleinschaliger units. Zo zijn we al een aantal jaren bezig met de Power Response, een zeecontainer van 20 voet die in rampgebieden kan worden uitgeklapt en met zon en wind 45 kWh per dag opwekt, genoeg om voedsel koel te houden en de communicatielijnen te herstellen.’ ‘Immers, nadat bijvoorbeeld een tornado over een gebied is getrokken, vind de echte ramp pas plaats. Die strekt zich uit van enkele maanden tot jaren. Publieke instellingen, centrales en woningen zijn verwoest, er is geen toegang tot energie. Dankzij de Power Response kunnen organisaties als het Rode Kruis of de vn hulp bieden. Een van die units willen we nu op Sint Maarten installeren. Mocht daar de stroom door een tornado uitvallen, dan kunnen ze rekenen op noodstroom, onze Power Response is tornadobestendig en klapt na de ramp als een bloem uit om hulpdiensten van elektriciteit te voorzien. En we hebben ook een ludieke variant: de PowerVibes voor festivals en events.’

‘Kun je het niet omdraaien en de weersomstandigheden juist voor je laten werken?

‘De acceptatie voor Powernest groeit. Nergens hebben we echte moeilijkheden met vergunningen gehad. Neem Rotterdam; een stad met hoge duurzame ambities. Ambtenaren aldaar hebben niet zozeer gekeken naar de aanvraag, maar eerder naar hoe de plaatsing mogelijk kon worden gemaakt. De installatie is appeltje-eitje. Binnen een dag hijst een kraan de constructie van meer dan 8 ton naar boven. Daarin zitten een kleine vawt-turbine – zeg maar een slagroomklopper – windsturende profielen en een Venturi-inlaat. Het onderhoudsplan en de financiering zijn door de fabrikanten afdoende afgedekt. Aan de andere kant, letterlijk, mogen architecten en designers onze modulaire unit naar hun inzichten customizen, zolang ze de windzijde maar geen geweld aandoen. Want dat staat voorop. De Powernest is immers een combinatie van wind- én zonne-energie en moet minstens zes keer zoveel elektriciteit als alleen pv-panelen op platte daken opleveren.’

Opschaling

Inmiddels is Ibis Power, met het hoofdkantoor op het industrieel erfgoed Strijp-S in Eindhoven, allang geen startup meer en heeft een steeds verder uitdijende orderportefeuille. Beter kan van een scale-up worden gesproken. Niet alleen het Zadkine College in Rotterdam en de flat aan de Henriëttedreef in Utrecht zijn van modules voorzien, ook corporaties in Alkmaar, Rotterdam en Amsterdam willen de Powernest nu toepassen. En binnenkort wordt in het Eden-district in Rotterdam drie units van de Powernest worden neergezet. ‘We zitten middenin de opschaling naar honderden modulaire units’, zegt Suma. ‘Vorig jaar hebben we de Innovation Challenge Award van Building Holland gewonnen en de tweede plaats als meest innovatieve mkb van Nederland door de Kamer van Koophandel. Nu komt het op verfijning aan. De laatste tijd richten we ons vooral op logistiek en assemblage. Door transportbewegingen te verminderen brengen we onze CO2-uitstoot terug. Verbeteringen in de assemblage, verlengen van de levensduur van de module en zorgen voor minder onderhoud. Wij streven naar een Powernest op elk flatgebouw, vooral in de kustprovincies. Dat hoeft zich niet te beperken tot Nederland. Dit najaar zijn we gestart met een wereldwijde nieuwe investeringsronde. Veel draait om tijd, geld en, vooral, het openen van deuren op hoog niveau. Mochten we – als een van de tien geselecteerden – de nationaal icoon status winnen, dan krijgen we ook beter toegang tot buitenlandse markten, bijvoorbeeld in de VS, China en India.’

Tekst: Tseard Zoethout, freelance journalist.
Fotografie: Industrie

Meer weten over innovatieve technieken en ontwikkelingen?
Meld u dan nu aan voor onze gratis nieuwsbrief.