Category: Airborne Wind Energy

La prima Power Wing

Il primo esemplare di Power Wing, un’ala espressamente progettata per la produzione di energia, è finalmente uscito dai laboratori KiteGen e ve lo mostriamo in anteprima.

La disponibilità di un’ala di potenza è il principale fattore abilitante per la produzione massiva di energia a basso costo da eolico troposferico.   I kite sportivi sono realizzati in materiali molto leggeri ma non sono pensati per produrre grandi potenze. Il concetto di ala di potenza non è mai esistito sul mercato fino ad oggi e tutti gli attori del settore eolico troposferico, dopo aver sperimentato con successo la produzione di energia fino a poche decine di kW da kite sportivi (per prima KiteGen già nel 2006 – vedi rassegna video riportata sotto), si sono trovati di fronte alla difficile scelta tra sviluppare un sistema di piccola potenza, magari mobile, per adattarsi alla disponibilità di kite da poche decine di kW, oppure progettare un’ala efficiente, leggera ma resistente in grado di resistere ai megawatt.   Questo dilemma ha ovviamente toccato anche KiteGen la quale ha effettuato la seconda scelta, che ci è apparsa obbligata poichè rinunciare alla power wing avrebbe significato auto relegarsi in una nicchia di sistemi di piccola taglia. Essendo il fattore di scala fondamentale nell’eolico troposferico,  i sistemi di piccola taglia producono energia costosa e con poca speranza di competere, data la novità, con le fonti rinnovabili già presenti sul mercato ed ampiamente collaudate.  La principale ragione dell’allungamento del time to market dei primi sistemi eolici troposferici è la perseveranza con cui molti progetti hanno stabilito una roadmap nella quale la commercializzazione del sistema di piccola taglia deve precedere, e magari finanziare, la messa a punto del sistema di grande taglia lasciando solo KiteGen ad impegnarsi sulle power wing con l’estrema difficoltà di trovare competenze e collaborazioni su una tematica disconosciuta dagli altri concorrenti.    La power wing di KiteGen rappresenta dunque il salto di qualità del settore eolico troposferico, dalla sperimentazione limitata a prototipi di bassa potenza all’abilitazione di nuovi  generatori della classe del megawatt e, grazie al design modulare o, più semplicemente, al concetto di kite wind farm, scalare alla classe dei gigawatt ovvero competere nel più ampio segmento del mercato dell’energia.   La scelta del segmento di mercato in cui l’eolico troposferico dovrebbe posizionarsi non è rilevante solo ai fini economici ma anche dal punto di vista del potenziale in termini di apporto al contrasto del cambiamento climatico e all’impoverimento energetico che sta facendo peggiorare la crisi economica e sociale in gran parte del pianeta stimolando l’accesso a risorse sempre più “sporche” come il carbone e lo shale.  I sistemi di piccola taglia saranno limitati a nicchie di mercato e daranno contributi limitati alle problematiche sociali e ambientali, il paragone di fatturato ed energia prodotta tra i settori micro e minieolico ed il settore eolico di grande taglia è esplicativo.   L’ala di potenza è  dunque una problematica ineludibile e KiteGen l’ha affrontata ottenendo un primo importante successo che ha richiesto tempo e risorse. Inizialmente lo sforzo è stato rivolto a sistemare la proprietà intellettuale con diversi brevetti che descrivono le caratteristiche fondamentali ed i sistemi ausiliari.  Successivamente ci si è focalizzati sulla progettazione mettendo in campo i più riconosciuti tool di calcolo fluidodinamico su potenti sistemi di calcolo parallelo. Parallelamente sono stati selezionati i materiali ed i compositi più adatti ed infine si è investito su un impianto industriale in grado di coprire tutta la filiera dal procurement dei materiali al prodotto finito.  Una linea robotizzata ha consentito la produzione di 20 tonnellate di stampi utilizzati per il confezionamento e la cottura dei conci in composito.  Anche la produzione degli accessori (alettoni e bulbi) avviene mediante robot mentre tutti gli assemblaggi e le lavorazioni sono labour intensive e coinvolgono personale attento e specializzato.  Il risultato, come si può osservare dalla foto ha le dimensioni dell’ala di un grande aereo di linea ma è leggero e semirigido.  L’ala è formata da 9 conci rigidi in composito incernierati tra loro da giunti flessibili grazie ai quali può facilmente cambiare configurazione per variare la portanza.

Molti lettori impazienti di novità sul KiteGen e spesso delusi dalla mancanza di nuovi filmati di voli con kite da sport (prodotti invece abbondantemente dai nostri competitori come si evince dalla  rassegna in fondo)  potranno finalmente comprendere che il tempo intercorso dalla presentazione degli ultimi filmati non è trascorso nell’inattività ma, al contrario, ha portato alla certezza di poter produrre grandi potenze da eolico troposferico.   La strada verso il raffinamento e l’ottimizzazione delle ali di potenza potrà essere paragonata a quella percorsa dalle pale delle turbine eoliche (anch’esse delle ali peraltro) con ingenti risorse impegnate nella ricerca e sviluppo e numerose università e aziende coinvolte ma la strada verso macchine eoliche troposferiche della classe del MW è definitivamente tracciata.

Rassegna di filmati riguardanti produzione di energia eolica d’alta quota.

KiteGen è stata la prima nel 2006 a produrre energia da uno sport kite con cicli pumping kite groundgen (la produzione di energia avviene a terra).  Come si può verificare esaminando i video la stessa configurazione è ripetuta da numerosi attori del settore.  Alcuni, come Makani, in seguito sono passati ad altre configurazioni (flygen: la produzione di energia avviene in volo) per evitare di violare i diritti brevettuali sul concetto, la cui priorità è stata riconosciuta a KiteGen

Kitegen yoyo/stem e KiteGen carosello. Rapporto fra la velocità e la forza nella conversione energetica.

Scritto da Mario Marchitti
Il KiteGen è stato concepito in due configurazioni, lo yoyo o stem, ora in fase di avanzata realizzazione
a Sommariva Perno, e, originariamente, nella configurazione tipo carosello i cui rendering sono qui raffigurati.
Dal punto di vista della conversione energetica c’è una sostanziale differenza nella modalità di operare dell’aquilone o profilo alare, a seconda della tipologia del KiteGen, e questa differenza si riflette nei dimensionamenti di alcuni organi fondamentali.
In entrambe le configurazioni la navigazione al traverso dell’ala genera le forze aerodinamiche, di portanza e resistenza, utili per la conversione dell’energia eolica in energia meccanica e quindi elettrica.
Però nello yoyo o stem, l’ala si sposta anche lungo la direzione dei cavi che lo ancorano a terra ai generatori [1], con una importante componente nella direzione del vento vero, ed è proprio questa velocità e forza che si trasmettono lungo i cavi collegati a degli argani solidali ai generatori;
i cavi vengono quindi svolti, mettendo in rotazione i generatori. Mentre, nell’altro caso del carosello, la velocità e la forza utili sono circa allineate alla direzione dello spostamento al traverso che segue l’aquilone, e non c’è lo svolgimento dei cavi per produrre energia [1], perché, in questo caso, le forze aerodinamiche trascinano in rotazione un anello a cui sono collegati dei generatori.
In effetti, per quanto riguarda la modalità della conversione della potenza del fluido, la torre eolica tradizionale è più simile al carosello che non allo stem [2], perché anche nella torre eolica la forza utile è nella stessa direzione della velocità al traverso della pala, che non svolge dei cavi, ma trascina in rotazione il generatore al mozzo della torre.
La potenza applicata per spostare un oggetto è fisicamente definita come il prodotto della forza applicata per la velocità di spostamento dell’oggetto; così pure, per un generatore collegato a un argano, la potenza erogata (a meno di perdite di efficienza) è data dal prodotto della forza che fa girare l’argano per la sua velocità di rotazione tangenziale (oppure dalla coppia applicata per la velocità angolare).
Ora, nel primo caso dello Stem, è la forza che predomina, mentre nel Carosello predomina la velocità. Pertanto nel sistema a carosello i generatori sono molto meno sollecitati rispetto a quelli dello Stem. Nello Stem la velocità di svolgimento dei cavi è una frazione della velocità del vento vero, che è molto inferiore alla velocità apparente o al traverso che genera le forze aerodinamiche; mentre nel carosello la velocità di trascinamento dei generatori è circa uguale alla velocità al traverso che è molto superiore a quella del vento vero. Il contrario succede per la forza. Un dettaglio numerico del confronto può essere effettuato esaminando le formule 15, 16 e 17 riportate nel paragrafo Crosswind Motion dell’articolo di Miles Loyd che possono essere applicate al KiteGen stem [3]; queste formule sono da confrontare con quelle che esprimono il kite-power-factor che si ottiene considerando lo schema a carosello kpf = Vk/Vw (Cl – Cd *Vk/Vw)√((1+Vk/Vw)^2).
Considerando che la velocità al traverso dell’aquilone è molto maggiore del vento vero, la precedente formula si può semplificare in kpf = Cd(E*Rv^2 – Rv^3), dove E è l’efficienza Cl/Cd , e Rv è il rapporto fra le velocità, Vk/Vw.
Dalla formula 15 dell’articolo di Loyd si può ricavare il rapporto ottimale fra la velocità di srotolamento dei cavi dell’aquilone dello stem, Vk, e quello del vento vero atmosferico Vw, che è di 1/3. Cioè in presenza di un vento di 10 m/s si ottiene la massima potenza dallo stem con una velocità di srotolamento di 3.33 m/s. [NdR KiteGen comunque riconosce valida la formulazione di Loyd solo in un range limitato di velocità del vento, ovvero dal Cut In fino al raggiungimento della forza nominale della catena cinematica, dopo di che la formulazione cambia drasticamente a tutto vantaggio della produttività complessiva].
Nel caso del KiteGen Carousel invece, la velocità che occorre considerare nella produzione di energia è quella al traverso dell’aquilone, che, nel caso ottimale (supponendo un’efficienza pari a 10), è nel rapporto di 6.66 a 1 rispetto al vento vero (questo valore si ottiene derivando rispetto a Rv la formula semplificata del kpf e calcolando il valore di Rv che annulla la derivata).
Quindi, ipotizzando un vento vero di 10m/s, si ottiene la massima potenza con una velocità al traverso dell’aquilone di 66 m/s. A parità di kite-power-factor, cioè della potenza specifica generata dai due sistemi, il rapporto fra le velocità di generazione fra lo stem e il carosello è quindi di 3.3/66, cioè nel carosello la forza è trasmessa al generatore con una velocità 20 volte maggiore, pertanto il rapporto fra le rispettive forze deve essere inverso, cioè ai generatori dello carosello si trasmettono forze 20 volte inferiori.
Il dimensionamento degli organi di un argano-generatore, e quindi il loro costo, è determinato principalmente dalle forze applicate e secondariamente dalla loro velocità di rotazione, pertanto le precedenti osservazioni dovrebbero orientare alla scelta della configurazione a carosello, come più efficiente ed economica. Qui però intervengono anche altre valutazioni nelle scelte progettuali; perché va osservato che un KiteGen carosello non può scendere sotto una certa taglia, che è di qualche centinaio di metri di diametro dell’anello, mentre il KiteGen Stem può essere realizzato anche per potenze molto limitate, come del resto è il Mobile Gen, una versione di potenza ridotta, installata su un piccolo autocarro, quindi anche trasportabile. Va comunque detto che l’attuale stem, in costruzione a Sommariva Perno, oltre a rappresentare il prototipo di un impianto produttivo di alcuni MW, rappresenta anche una “palestra” per lo sviluppo delle tecnologie, che poi potranno trovare applicazione in un progetto ben più ambizioso, e più efficiente, come il KiteGen Carousel.
Note:
[1] In effetti anche l’aquilone del carosello si sposta lungo la direzione dei cavi, per due motivi: per “coprire” in modo ottimale l’area utile di estrazione dell’energia (vedi anche la nota successiva), e anche per superare i due “punti morti”, cioè quando l’aquilone deve cambiare la direzione o le mura del traverso.
[2] La formula del kite-power-factor si applica anche alla pala di una torre eolica tradizionale che, al pari dell’aquilone del KiteGen, è assimilabile a un profilo alare. La formula di per sé non indica un limite superiore di potenza estraibile da un profilo, perché nella formula la potenza è funzione principalmente dell’efficienza del profilo. Occorre però tenere presente che i sistemi per l’estrazione dell’energia eolica intercettano il fluido su un fronte, o tubo di flusso, limitato; quindi è possibile estrarre al più la potenza contenuta nel tubo di flusso. Nella torre eolica il fronte vento o superficie utile è quella che viene spazzata dalla rotazione della pala, che ha una lunghezza di 30-60 metri per le torri più potenti, mentre nel KiteGen il “raggio” con cui opera l’aquilone è assimilabile alla lunghezza dei cavi, che possono arrivare a mille metri e più, quindi con una superficie utile di centinaia di volte superiore a quella di una torre tradizionale. Occorre anche aggiungere che la potenza estraibile è anche funzione della velocità del vento vero al cubo, e questa, alla quota in cui opera attualmente il KiteGen Stem, di 500-1000 metri, è circa doppia di quella presente alle quote in cui opera una torre eolica, pertanto quest’altro aspetto va a moltiplicare per circa otto volte la potenza estraibile.
[3] Il documento di Loyd prende in considerazione l’energia aerodinamica estraibile da un profilo, però il dispositivo di conversione proposto dallo stesso autore è radicalmente differente sia dal KiteGen Stem sia dal KiteGen Carousel. Loyd, come soluzione progettuale, propone di installare i generatori direttamente sull’aquilone o profilo alare, quindi sono generatori che vengono trasportati in volo: una soluzione poco efficiente, pericolosa, e difficilmente scalabile per potenze oltre qualche decina di kW.

Ulteriori dettagli ai link.

http://kitegen.com/tecnologia-2/kite-gen-carousel/

http://kitegen.com/tecnologia-2/stem/

NB. Nel rendering del Carousel per consentirne la raffigurazione d’insieme,  non sono rispettate le proporzioni di progetto tra bracci, cavi e vele

Blown in the wind

Di Massimo Ippolito
Apprendo con grande dolore la notizia della morte, a soli 38 anni, di Corwin Hardham cofondatore e CEO di Makani Power.
Provo un profondo disappunto per aver perso in questo modo assurdo, ed ad una età dove è assurdo morire, un valido concorrente nella sfida e nello sforzo di introdurre nello scenario energetico globale i dispositivi AWE.
Con Corwin condividevo il discorso olistico sull’energia, il pesante influsso economico, l’occasione di giustizia sociale, l’impegno a divulgarne gli assunti e sono certo di averne pericolosamente condiviso il rischio cardiaco nel provare a spiegare ai nostri simili, le importanti ragioni che hanno mosso il nostro grande impegno.
Ogni volta che abbiamo dedicato del tempo con entusiasmo e passione a spiegare le ragioni del nostro lavoro, ad interlocutori supposti qualificati, ci esponiamo ad un epilogo devastante, tipicamente l’interlocutore non capisce quasi nulla nonostante un raffinato e generoso eloquio didattico o programmatico.
Questi malaugurati ed ansiogeni eventi ti sottraggono letteralmente dei mesi di vita dal grantotale della tua propria esistenza, Corwin forse è stato molto più generoso del sottoscritto nello spendersi ed ha con ogni probabilità esaurito prematuramente la sua dotazione vitale.

Articolo QualEnergia: appunti tecnici

Salve a tutti, questo è il mio primo post sul blog, mi presento. Mi chiamo Antonello Cherubini e sono neolaureato in ingegneria meccanica al Politecnico di Milano.
Vorrei fare una piccola appendice tecnica all’articolo di Alessandro Codegoni apparso su QualEnergia.it all’inizio di Ottobre 2012, sperando che possa essere utile a convincere alcuni scettici.

Nell’articolo si dice “… gli aquiloni, una volta in quota, agiscono come grandi ali o vele che vanno di bolina: il vento che passa sopra la loro superficie ricurva, genera una trazione, proporzionale alla superficie del kite e al cubo della velocità del vento.”
Vorrei specificare che la trazione delle funi non è proporzionale alla velocità del vento al cubo, bensì alla velocità al quadrato. Ad essere proporzionale alla velocità al cubo è invece la potenza. Forza x Velocità = Potenza.

Per quanto riguarda invece questo passaggio dell’articolo: “…però bisogna anche dire che molti degli stessi tecnici pensano che le stime di potenza e di capacità fatte da Ippolito si ridimensioneranno molto, una volta che si passerà dalla carta al mondo reale.” vorrei dire che ho provato dispiacere nel leggere queste ultime righe perché generano molta sfiducia in un lettore non esperto ed alimentano lo scetticismo. È giusto essere scettici nella vita, ma in questo caso vorrei che ci si confrontasse sui numeri.

Provo a spiegare in parole semplici un ragionamento che per essere compreso a pieno necessita di alcuni anni di studio. In particolare la dimostrazione della formula che userò è relativamente semplice, ma comunque assolutamente inaccessibile ad un pubblico generalista. Il modello matematico del volo del Kitegen è il modello di Loyd, del 1980. È assodato nella letteratura scientifica da oramai 30 anni.
La potenza estraibile dal Kitegen è data da questo prodotto:
Potenza = 1/2* rho * v^3 * 4/27 * E^2 * Cl * A
rho è la densità dell’aria
v è la velocità del vento che soffia sulla farm
E è l’efficienza aerodinamica dell’ala Cl è il coefficiente di lift (portanza aerodinamica) del kite
A è l’area del kite

Mettiamoci dentro dei numeri conservativi e vediamo cosa esce. “Conservativo” in gergo ingegneristico significa “non ottimistico”.
rho = 1.225 Kg/m^3
A = 150 m^2
v= 12 m/s (è quella utilizzata nel rating di una gigantesca turbina Vestas v100. Ricordiamo che la velocità poi si moltiplica al cubo, quindi è il numero più importante di questa formula)
E=10 (efficienza aerodinamica = rapporto portanza/resistenza, anche questo è un numero ragionevole, se volete posso approfondire, il discorso diventa complicato)
Cl=0.65 (anche qui il discorso diventa complicato)

Potenza Kitegen prima del capacity factor = 1/2* 1.225 * 12^3 * 4/27 * 10^2 * 0.65 * 150 = 1 528 800 W ovvero abbiamo già il nostro 1.5 MW (Di confronto, la famosa gigantesca Vestas v100 arriverebbe ora a 1.8MW)
Se a questo discorso aggiungiamo un capacity factor molto maggiore rispetto all’eolico convenzionale, cioè le famose 6000 ore/anno rispetto alle circa 2000 di una turbina classica, (anche qui sto un po’ semplificando il discorso) allora vi sarà chiaro che, utilizzando criteri di rating in qualche modo equivalenti a quelli dell’eolico tradizionale, si arriva in via “non ottimistica” a dire che il Kitegen è un impianto da 3MW. Se ci fidassimo dei numeri 6000 e 2000 allora dovremmo scrivere 4.5 MW, ma limitiamoci a fidarci dei 3MW. Il risultato è già incredibile.

Trovate ulteriori dettagli nella mia tesi di laurea.

Resto a disposizione per chi volesse ulteriori chiarimenti.
antonello.cherubini@gmail.com
Antonello Cherubini

Seminar: il ciclo Yo-yo

Dopo una breve pausa estiva pubblichiamo su Kiteblog un nuovo seminar di KiteGen a cura dell’Ing.Andrea Papini. In questo capitolo è illustrato il ciclo yo-yo del Kitegen Stem.

Per visualizzare la presentazione potrebbe essere necessario installare Adobe Shockwawe
Author: Ing.A.Papini

Eolico d’alta quota secondo David North (NASA)

Image credit phis.org: The system developed at Langley flies a kite in a figure-8 pattern to power a generator on the ground
Scritto da Andrea Papini ed Eugenio Saraceno

Come i nostri lettori sanno uno dei team più blasonati nel settore eolico d’alta quota è quello della NASA, che presso il Langley Resarch Center in Virginia sta sviluppando un progetto.  Secondo quanto afferma David North, ingegnere del team, in un articolo riportato da phis.org:
“la maggior parte delle turbine a torre sono circa 80 a 100 metri, che sono “pateticamente basse rispetto allo strato limite della Terra”. Lo strato limite è dove l’attrito dalla superficie terrestre mantiene il vento relativamente lento e turbolento. Il punto debole dell’energia eolica inizia al di sotto dei 2000 piedi (circa 600 m). A quella quota, per utilizzare il vento per produrre energia elettrica, si dovrebbe costruire una torre a turbina più alta dell’Empire State Building. Oppure si può far volare un aquilone.”
Il centro di ricerche Langley è l’unico che ha lasciato anche i sensori a terra. Questa scelta deriva da un’estremizzazione della semplificazione del controllo di volo, possibile grazie alla consapevolezza di non dover creare un prodotto commerciale. In sostanza il kite viene “osservato” dalla telecamera di un sistema di controllo basato su una tecnologia di riconoscimento forme, simile a quelle adottate da alcuni videogiochi con cui si può interagire mediante i movimenti del corpo (es. MS Kinetics).
Possiamo dire che ultimamente, oltre a KiteGen, altri gruppi di sviluppo hanno dichiarato di esser riusciti ad eseguire il controllo automatico dei kite:
Nasa Langley (A MARZO).
TuDelft (A GIUGNO)
(oltre ad almeno almeno altri 5 gruppi che stanno ancora lavorando)
Tuttavia solo KiteGen e SkySails sono ad oggi in grado di fare anche il decollo e il “fermo macchina” in automatico.
Ci fa piacere rilevare che alcuni concetti su cui KiteGen insiste da anni, ora vengono ripetuti dalla NASA:
- Far volare solo kite riduce il peso (e quindi il costo) del generatore;
si fanno volare solo i tip delle attuali pale eoliche che sono le parti del rotore che producono il 90% dell’energia totale.
- La potenza dipende dal cubo della velocità e quindi conviene fare kite ad alta efficienza (contrariamente a quanto sviluppato da Skysails).

L’accumulo di energia secondo KiteGen

Una, come sempre, ottima analisi di Domenico Coiante fa il punto sulle rinnovabili e le necessità di accumulo giornaliero e stagionale.

Sembra la buona occasione per introdurre e chiarire la opportunità che offre in questo ambito la più grande sorgente in assoluto di energia concentrata disponibile sul pianeta, l’eolico troposferico.

Il grafico qui mostrato proviene dal volume della sezione metodologica dell’atlante dei venti di alta quota di Cristina Archer e Ken Caldeira, si tratta di una rappresentazione sofisticata che esprime una sorta di confronto competitivo o collaborativo tra i possibili sistemi di accumulo tradizionali, e l’opportunità di sfruttare l’accumulo naturale di energia nel regime stazionario del vento geostrofico, con un accorgimento per arrivare ad una disponibilità anche del 99,9%, ovvero 8751 ore l’anno garantite,  nettamente superiore alle fonti termoelettriche tradizionali e al nucleare.

Consiglio di dedicare il tempo sufficiente per decifrarlo sul documento originale poichè le implicazioni sono di estrema importanza. Su questo grafico sono state aggiunte le indicazioni di esempio riferite ad un KiteGen da 3MW nominali per rendere più facilmente comprensibile la logica. Le macchine KiteGen Stem per aderire all’esempio dovrebbero essere equipaggiate con ali di 150 mq con una efficienza aerodinamica equivalente oltre 20. Le ascisse rappresentano la dimensione della batteria di accumulatori rapportata alla dimensione dell’impianto eolico troposferico.

I venti che avvolgono il pianeta possono essere considerati come una colossale “flywheel” di accumulo energetico. L’atmosfera possiede una massa totale di 5 milioni di miliardi di tonnellate, 5*10^18 kg, che scorrono con una velocità media tale da portare il totale dell’energia accumulata a 100.000 TeraWattOra. Per fornire un paragone questa cifra che corrisponde alle attuali necessità energetiche delle attività del genere umano per oltre un anno, ma con il vantaggio che questo imponente accumulo è perennemente ripristinato dalle dinamiche fototermiche di origine solare.

Mentre per il fotovoltaico è necessario dispiegare sul territorio i pannelli che raccolgono minuziosamente l’energia diffusa, il KiteGen invece,  è la presa di forza di questo grande “pannello fotovoltaico fotomeccanico” già naturalmente costituito e mantenuto dall’atmosfera stessa. Questo pannello ha raccolto l’energia in forma cinetica, che è una forma nobile, ed è a disposizione per l’efficiente conversione elettrica.

Su uno specifico sito terrestre, nell’esempio nei pressi di NewYork, il generatore KiteGen può raggiungere e prelevare energia da questo flusso, con la probabilità di trovarlo sufficientemente potente per produrre energia alla potenza nominale  per il 68% del tempo,  un equivalente già strabiliante di circa 6000 ore annue.  Tuttavia vi è una limitazione, che non dipende dal flusso del vento che si affievolisce ma semplicemente dal fatto che cambia ciclicamente ed erraticamente latitudine.

Allora qual’è l’idea che il grafico esprime per spingere l’eolico troposferico fino ad una probabilità  del 95% di disponibilità o addirittura ad un 99,9%?  Abbastanza semplice, sono necessari due generatori dislocati sul territorio ad una distanza sufficiente da averne almeno uno investito dal flusso del vento. I due generatori sono da considerare come un unico sistema che produrrà il doppio del necessario per il 68% del tempo, ma che darà una garanzia di erogazione al valore nominale di uno  (e che ovviamente costeranno il doppio).

Nel grafico viene fatto il confronto con equivalenti ed ipotetici sistemi di accumulo elettrico, per ottenere lo stesso risultato dei due generatori distanziati.

Se assumiamo un costo dell’accumulo elettrochimico di 1 €/Wh, un punto che ho evidenziato nella figura (b) suggerisce 34,5 MWh,  quindi  34,5 milioni di euro per le sole batterie di accumulatori necessarie per assolvere al servizio di portare la disponibilità al 95%:  un costo nell’ordine di grandezza di oltre 10 volte rispetto alla brillante idea di avere una distribuzione sul territorio di generatori troposferici.

Cosa si ricava da queste riflessioni?:

1) l’intermittenza di erogazione che affligge l’eolico convenzionale ed il fotovoltaico può essere brillantemente superata con l’eolico troposferico;  attribuire al termoelettrico l’esclusiva sul baseload non è più corretto.

2)Il bilancio economico di questo impianto doppio può farsi carico in scioltezza della ridondanza dei generatori poichè può contare su 68% + 68% + 32%  ore di disponibilità annua, che corrisponderebbero a 11560 ore/anno  equivalenti.

3) in caso di una sufficiente distribuzione territoriale di farms KiteGen Stem, o di KiteGen Carousel, queste riflessioni perderanno il loro specifico valore, in quanto l’effetto di ridondanza lo si ottiene intrinsecamente.

4) la ridondanza porterebbe ad avere un eccesso di produzione potenziale, ma  i KiteGen sono facilmente e velocemente modulabili mediante un coordinamento centrale, offrendo un preciso adeguamento alla curva di domanda.

5) il grafico si riferisce a NewYork, ma l’influsso orografico di rallentamento si affievolisce con i venti di alta quota, rendendo valido l’esempio per buona parte del globo.

Seminar: Energia dai venti d’alta quota

Continua la pubblicazione dei seminar di KiteGen a cura dell’Ing.Andrea Papini.  In questo capitolo le potenzialità dello sfruttamento dei venti d’alta quota.

Per visualizzare la presentazione potrebbe essere necessario installare Adobe Shockwawe

Author: Ing.A.Papini

Valutazioni di CESI Ricerca sui sistemi KiteGen

Nell’ambito del programma di ricerca “Produzione di energia da fonte eolica con particolare riferimento ai sistemi offshore” CESI Ricerca (che attualmente ha assunto la denominazione ENEA – Ricerca sul Sistema Elettrico S.p.A., in forma breve ERSE S.p.A.) si è interessata al KiteGen fin dal 2008, incontrando anche il nostro team di Chieri.  A seguito di questo contatto i ricercatori del CESI hanno approfondito la tematica dell’eolico d’alta quota ed in particolare del KiteGen, giudicato il concetto più avanzato in un rapporto del 2009.  Recentemente i ricercatori del CESI hanno voluto aggiornarsi sullo stato dell’arte del KiteGen Stem visitando il test plant.  Che stiano per produrre un nuovo documento aggiornato? Se così fosse sarebbe veramente appropriato, considerato che la inedita tecnologia dell’eolico troposferico è in una tumultuosa evoluzione rendendo difficile per tutti gli interessati orientarsi fra le numerose proposte e l’affinamento della teoria sottesa.

KiteGen è più che convinta, pur essendo tra i pionieri, di aver stabilito lo stato dell’arte della tecnologia, con le due proposte Stem e Carousel. Ben venga un ente prestigioso di ricerca sul sistema elettrico come il CESI, che potrebbe trovare una metodologia oggettiva di valutazione come bussola di orientamento.

L’ambito tecnologico dell’eolico troposferico è molto articolato e pieno di sorprese migliorative ma poco intuitive. Per esempio il KiteGen Carousel e stato inizialmente descritto, nei lavori di tesi e dottorato, con delle ipotesi operative incomplete o molto semplificate, le opportunità che il concetto evidenzia affinandone la comprensione e l’analisi continuano a migliorarne le prestazioni attese.

Nel frattempo riportiamo un’elaborazione di Stefano Cianchetta sulla base di alcuni dei dati più significativi riportati nello studio. Le velocità medie rilevate durante le campagne di misurazione sono estremamente interessanti benchè le più ventose località del sud non siano incluse per insufficienza dei dati e le quote non siano elevatissime.  Si ricordi che la potenza del vento è proporzionale al cubo della velocità.

Navi a vela e Navi-Aquilone

di Antonio  Zecca
Dipartimento di Fisica
Università di Trento    zecca@science.unitn.it

Ci sono scommesse che è facile vincere. Una di queste è che la propulsione a vela tornerà ad essere interessante per la navigazione commerciale.  Impossibile dire quando vedremo un numero di navi a vela e anche prevedere  il dettaglio della nuova tecnologia velica.  Ma si puo’ scommettere che non saranno vele da Coppa America: saranno aquiloni della stessa categoria sviluppata per Kite-Gen.

Guardate alla prima occasione al mare o sui laghi un wind-surf: riescono a viaggiare a velocità superiori a quelle del vento.  Cercate poi di vedere un “kite-surf”: sono molto più rari, ma li avete visti anche in televisione. Il surfista su una tavola come quella dei wind -surf si fa trainare da un aquilone. Il vantaggio degli aquiloni è nel fatto che sfruttano il vento ad alta quota – una cinquantina di metri per i kyte-surf. Vanno più forte dei wind-surf. Il vento è più forte e più costante quando ci si allontana dalla superficie. Un aquilone di grandi dimensioni potrebbe prendere il vento a cinquecento o mille metri di quota. Potrebbe contribuire in maniera significativa alla propulsione di una nave. Anche tenendo conto del fatto che il vento non soffia sempre nelle direzioni in cui vuoi andare, un aquilone potrebbe ridurre i consumi di trenta o forse più percento mediando  sulla rotta di andata e ritorno.
Le compagnie aeree – su molte rotte – cercano di sfruttare le correnti a getto per ridurre i consumi. Tra dieci o venti anni è probabile che anche le rotte delle navi verranno decise dopo aver studiato correnti marine e percorsi delle perturbazioni atmosferiche: i dati raccolti dai nostri sistemi di monitoraggio del clima serviranno anche a questo. Da subito però sarebbe possibile sfruttare i venti con aquiloni del tipo Kite-Gen.  La cosa è già stata fatta in via sperimentale. Già nel 2008 una nave (MS Beluga Skysails ) ha fatto qualche viaggio di prova con un piccolo aquilone (160 m2) che poteva trainare la nave e aiutare la motorizzazione convenzionale. Era un aquilone di modeste dimensioni, poco più grande di quelli utilizzati per il parapendio. La ditta che li produce annunciava una riduzione del consumo di combustibile del quindici per cento.  E’ opinione di chi scrive che la motonave Beluga abbia raggiunto questo obiettivo solo raramente. Ma quello era solo un esperimento pilota: molto di più e molto meglio si può fare con una adeguata quantità di ricerca e sviluppo.  Andatevi a vedere le foto della MS Beluga e basteranno quelle per capire che il tentativo è stato fatto nella maniera più primitiva possibile. Non a caso l’azienda Skysails, secondo alcune notizie riportate dalla stampa tedesca sarebbe in difficoltà economiche.
Sviluppare le tecnologie per una Kyte-Ship o nave-aquilone, se preferite, non è una passeggiata. Diciamo che è una impresa circa dello stesso ordine di grandezza (direi meno) dello sviluppare una Ferrari. Difficile ma non impossibile, neanche per l’ Italia.
I problemi tecnici appartengono a tre categorie. La prima è l’ accoppiamento aerodinamica – idrodinamica: non semplice, ma risolubile.  La seconda categoria è nelle operazioni di lancio e di recupero dell’ aquilone; in questo la Kite-Gen ha già tutto il know how. La terza categoria riguarda la gestione computerizzata dell’ aquilone e anche su questo Kite-Gen ha già il know how e le competenze – come dimostra il progetto europeo KitVes condotto da Sequoia Automation, la società che sta sviluppando il KiteGen.  In questo progetto l’obbiettivo non è la trazione meccanica bensì produrre energia elettrica a bordo sfruttando i venti d’alta quota.  Ciò è interessante in quanto l’energia elettrica può alimentare sia le varie utenze a bordo che la trazione, essendo elettrici i motori di molte grandi navi (di norma vengono alimentati dall’energia elettrica prodotta da grandi motori navali a olio combustibile). La disponibilità di energia elettrica a bordo è importante anche per ridurre i costi dovuti al rispetto delle norme ambientali che impongono lo spegnimento dei gruppi motogeneratori durante la sosta delle navi in porto.  Per evitare questo inquinamento nei grandi porti si ricorre alla elettrificazione delle banchine; richiede bollette salate per i navigli attraccati.
Cosa manca? Manca un minimo di lungimiranza da parte della nostra classe imprenditrice e politica. Non è una questione di soldi: qualsiasi investimento si ripagherebbe abbondantemente e in tempi brevi. La crisi economica entra nel discorso ma in termine positivo: una delle azioni per uscire dalla crisi economica consisterà nello sviluppare tecnologie nuove e venderle in tutto il mondo.
Le difficoltà che ha incontrato Kite-Gen (un’ altra impresa che dovrebbe essere sostenuta senza ritardi) non ci fanno coraggio. Ma se non ci muoveremo subito, entro qualche anno dovremo comprare navi-aquilone dai cinesi.

NASA Langley Research Center e KiteGen

kitegen on NASA video
NASA LaRC Airborne Wind Energy Harvesting

Nasa on You Tube

Scritto da Massimo Ippolito e Andrea Papini

Mark Moore e David North del Nasa Langley Research Center mostrano come stanno ripercorrendo le varie soluzioni architetturali per implementare l’eolico troposferico.

David North inoltre annuncia di voler sperimentare la soluzione mono-fune con gli attuatori di assetto a bordo ala.

Benchè il Carosello ed in una certa misura lo Stem siano architetture indifferenti al numero di funi, cogliamo l’occasione per ricordare le ragioni che ci hanno portato KiteGen a concentrarsi su un sistema basato su due funi.

1) la sicurezza dei sistemi doppi.

Un sistema a doppio cavo ha un fattore di sicurezza estremamente più elevato di un sistema a cavo singolo, e permette in qualsiasi condizione un rientro veloce dell’ala.

I doppi moto-alternatori e tamburi si dividono il carico quindi sono circa la metà come dimensionamento e sono più maneggevoli e disponibili sul mercato

2) L’opportunità di implementare con le due funi la scivolata d’ala con ali concepite per un volo bimodale.

Con un cavo singolo  la discesa deve avvenire necessariamente  variando l’angolo di attacco dell’ala e portandosi possibilmente sul bordo della finestra di potenza del vento, strategie già percorse da KiteGen nel 2006 anche con i due cavi.

il recupero della fune crea vento apparente che restituisce portanza all’ala rallentando molto la manovra di rientro, con anche l’effetto indesiderato di dover fornire potenza ai tamburi per il riavvolgimento, mentre con le due funi abbiamo dimostrato di poter mettere l’ala in bandiera minimizzazndo tempi di ciclo e gli autoconsumi di energia.

3) La velocità di attuazione da remoto

Il controllo con un’ala molto distante mediante i cavi  non soffre di ritardi apprezzabili, la forza sui cavi, e quindi anche i comandi, si muovono alla velocità del suono nel : “Dyneema® SK75, con E = 107 GPa , ρ = 0.97 kg/dm3 si ricava = 10.502 m/s”, ovvero circa 30 volte la velocità del suono in aria
Esso costituisce un ritardo di attuazione trascurabile che permette di escludere che vi sia un vantaggio ad attuare in prossimità dell’ala.

4) Resistenza aerodinamica delle funi in volo

A parità di resistenza alla trazione totale, le due funi presentano una resistenza aerodinamica nel volo che è maggiore di radice 2 rispetto ad un sistema a singola fune. Ma le funi  possono facilmente essere rese aerodinamicamente inifluenti (brevetto KiteGen), in modo da escludere il drag tra i criteri di scelta delle stesse.

5) Avvolgimento su se stessi dei cavi, twist dei cavi

Il contatore di twist comandato dalla strumentazione di bordo ala funziona molto bene e sebbene il sistema funzioni ancora con 10 twist, il controllo può passare brevemente da i lemniscati agli ellissi per ripristinare l’allineamento corretto.

6) Forze per  l’attuazione della direzione di volo dell’ala

Fino a quando si tratta di dimostratori da poche decine di kW l’attuazione a bordo ala può essere alimentata da accumulatori o da sistemi di generazione ausiliari. Quando invece si raggiungono i MW le attuazioni diventano impegnative sia come resistenza, peso ed energia necessaria per alimentarli.

Gli attuatori in volo, è presumibile, che possano solo essere controllati ed alimentati da un cavo elettrico intrecciato all’interno del cavo polimerico di trazione, riaprendo tutte le questioni di peso, costo, interfacciamento e sensibilità alle scariche atmosferiche .

Gli attuatori volanti dovranno poi essere integrati in qualche modo nell’ala per limitare l’effetto drag sia per l’effetto della forza d’inerzia che sbilancia la vela nelle manovre.

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