Evaluation of Wind Energy Potential Using the Rayleigh Distribution for the City of Iriba in Chad

In de uitgestrekte, door de zon gebakken landschappen van de Sahel, waar de aarde vaak droog is en de lucht stilstaat, vindt een stille revolutie in energie plaats. Voor gemeenschappen die in deze aride zones leven, is de meest urgente behoefte vaak niet elektriciteit voor lampen of telefoons, maar water. Toegang tot schoon water is een dagelijkse strijd, die gepaard gaat met lange, zware reizen die onevenredig veel op vrouwen en kinderen rusten, terwijl het vee met een soortgelijke dorst kampt. Hoewel de zon een constante en krachtige kracht is in deze regio's, is de wind een vluchtiger partner; soms waait hij met grote kracht en soms roert hij nauwelijks het stof op. Om de wind te temmen, moeten wetenschappers eerst zijn karakter begrijpen. Ze zoeken naar patronen in hoe snel de lucht beweegt en hoe vaak het waait, waarbij ze statistische instrumenten gebruiken om te voorspellen of een specifieke locatie genoeg vermogen kan genereren om pompen of turbines aan te drijven. Het doel is om een manier te vinden om een onzichtbare, verschuivende kracht om te zetten in een betrouwbare energiebron die water uit de grond kan tillen, waarmee een levenslijn wordt geboden aan gemeenschappen die langdurig afhankelijk zijn van fossiele brandstoffen of menselijke arbeid.

In de stad Iriba, gelegen in de oostelijke provincie van Tsjaad, gingen onderzoekers aan de slag om te bepalen of de wind deze oplossing kon bieden. Iriba is een plek die wordt gedefinieerd door haar steppe-landschap en een ernstig watertekort dat de bestaansmiddelen van haar inwoners en hun kamelenkuddes bedreigt. De onderzoekers verzamelden windgegevens die meer dan twee decennia beslaan, van het jaar 2000 tot 2022, om een compleet beeld van het lokale klimaat op te bouwen. Ze concentreerden zich op een specifieke wiskundige benadering die bekend staat als de Rayleigh-verdeling, een methode die wetenschappers helpt te beschrijven hoe windsnelheden in de loop van de tijd variëren zonder dat daarvoor een onmogelijk grote hoeveelheid complexe gegevens nodig is. Door deze methode toe te passen op de windrecords, konden ze de luchtstroom modelleren en schatten hoeveel energie deze met zich meefoerde, met name op de hoogte waar moderne windturbines gewoonlijk worden geïnstalleerd, vijftig meter boven de grond.

De studie toonde aan dat Iriba inderdaad een plek is met aanzienlijk windpotentieel, maar dat dit potentieel diep verbonden is met de seizoenen. De wind is niet constant; hij volgt een duidelijk ritme dat wordt gedreven door de klimatologische cycli van de regio. Tijdens het droge seizoen, met name van november tot april, strijkt een sterke, constante wind die bekend staat als de harmattan vanuit het noordoosten over de regio. Tijdens deze maanden is de wind krachtig en consistent. In december, het hoogtepunt van dit seizoen, draagt de wind op een hoogte van vijftig meter een enorme hoeveelheid energie met zich mee, waarbij de vermogensdichtheid een waarde van 414 watt per vierkante meter bereikt. Dit is een energieniveau dat zeer geschikt is voor het opwekken van elektriciteit. De wind waait echter niet het hele jaar door met dezelfde kracht. Tussen juni en oktober, tijdens het regenseizoen, neemt de wind aanzienlijk af. In september bereikt de windsnelheid het laagste punt en krimpt de beschikbare energie tot een fractie van het winterpiek. Deze seizoensgebonden daling is een cruciale uitdaging, aangezien dit betekent dat een systeem dat enkel op wind draait, moeite zal hebben om in het midden van het jaar stroom te leveren zonder hulp.

Om te begrijpen hoe deze windbron gebruikt zou kunnen worden, testten de onderzoekers drie verschillende soorten windturbines tegen de lokale windomstandigheden. Ze zochten niet simpelweg naar de krachtigste machine; in plaats daarvan zochten ze naar de machine die het beste zou werken met de specifieke snelheden die in Iriba worden aangetroffen. De eerste machine die werd getest, was een grote turbine met een capaciteit van 500 kilowatt, de EWT DW54-500. De tweede was een kleiner model van 30 kilowatt, de Antaris. De derde was een enorme turbine van 850 kilowatt, de Vestas V52, die ontworpen is voor regio's met zeer sterke, constante winden. De resultaten van deze vergelijking waren onthullend. De enorme Vestas-turbine presteerde ondanks haar omvang slecht in Iriba. Omdat deze gebouwd is om te wachten op zeer hoge winden, bracht hij het grootste deel van het jaar door met langzaam draaien of helemaal niet draaien, waardoor er zeer weinig vermogen werd gegenereerd en wat resulteerde in een aanzienlijk hogere kostenpost van 0,0898 dollar per kilowattuur. De kleinere Antaris-turbine presteerde goed, vooral tijdens de kalme maanden, omdat de mogelijkheid om bij zeer lage snelheden te beginnen ervoor zorgde dat de machine kon blijven werken wanneer andere machines zouden stoppen. De EWT DW54-500 kwam echter als duidelijke winnaar uit de bus voor deze specifieke locatie. Het ontwerp ervan vond de perfecte balans: het ving genoeg energie op tijdens de sterke harmattan-winden om een enorme hoeveelheid vermogen te genereren, terwijl het ook nog adequaat presteerde tijdens de zwakkere maanden.

De economische implicaties van deze bevindingen zijn even opmerkelijk als de technische. De onderzoekers berekenden de kosten van de elektriciteit die elke turbine zou produceren over haar twintigjarige levensduur. De EWT DW54-500 bleek een uitzonderlijk kosteneffectieve oplossing te zijn. Het genereerde elektriciteit tegen een gemiddelde kostprijs van slechts 0,031 dollar per kilowattuur. Om dit in perspectief te plaatsen: de kosten voor het draaien van dieselgeneratoren in afgelegen gebieden van sub-Sahara Afrika liggen vaak tussen de 0,25 en 0,55 dollar per kilowattuur vanwege de hoge kosten voor het transporteren van brandstof. De voor wind voorgestelde oplossing voor Iriba is bijna acht keer goedkoper dan het huidige dieselalternatief. Zelfs tijdens de slechtste maand van het jaar, wanneer de wind het zwakst is, bleven de kosten concurrerend, hoewel ze licht stegen. Deze financiële haalbaarheid suggereert dat het installeren van windturbines in Iriba niet alleen een theoretische mogelijkheid is, maar een praktische, betaalbare manier om de lokale economie te transformeren.

De studie concludeert dat Iriba beschikt over een schoon energiereservoir dat in staat is om robuuste waterpompinfrastructuur aan te drijven, wat een levensvatbaar alternatief biedt voor fossiele brandstoffen in deze aride zone. De onderzoekers merken echter voorzichtig op dat de oplossing niet zonder beperkingen is. De seizoensgebonden kloof in windvermogen, met name tussen juni en oktober, betekent dat het vertrouwen op alleen wind de gemeenschap een deel van het jaar zonder stroom zou laten. Om dit op te lossen, adviseren de auteurs een hybride aanpak, waarbij windturbines worden gecombineerd met zonnepanelen. Aangezien de zon vaak het felst schijnt wanneer de wind het zwakst is, zullen de twee bronnen elkaar aanvullen, wat zorgt voor een constante energievoorziening het hele jaar door. Ze raden ook aan om de turbines op een hoogte van vijftig meter te installeren om de sterkere, stabielere winden te vangen die zich hoger boven de grond bevinden. Door deze richtlijnen te volgen, kan de gemeenschap van Iriba de wind die over haar droge vlaktes waait, omzetten in een betrouwbare bron van water en elektriciteit, waardoor haar veerkracht tegen het harde klimaat van Noord-Tsjaad wordt versterkt.