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By eugenio saraceno, 2012/11/23

Kite Gen è una tecnologia pulita, non lascia scorie ed inquinanti pericolosi, utilizza materiali completamente riciclabili, utilizza quantità di acciaio e cemento molto inferiori ad una torre eolica tradizionale di pari potenza ed ha un impatto visivo ed acustico limitato. In questo post, seppur con un taglio semplificato e ridotto, approfondiremo tali aspetti.

EMERGY ed EROEI
La definizione di EMERGY (EMbodied enERGY) secondo T.Odum http://www.jayhanson.us/page170.htm è “il lavoro di un dato tipo, precedentemente speso per un particolare prodotto o servizio”. Di particolare interesse è la stima dell’emergy di macchinari per la produzione energetica perchè tale dato risulta indispensabile per un successivo calcolo dell’eroei o eroi (Energy Return on Energy Input – vedi di seguito).
Per un confronto tra torri eoliche tradizionali e KiteGen stem, in prima approssimazione, consideriamo il peso delle due strutture, supponendo per semplicità che siano interamente in acciaio per entrambi i casi. Inoltre va considerata la fondazione in cemento, che per lo stem non è necessaria
Un generatore Kitegen non ha necessità di una strada camionabile di accesso perché il pezzo più pesante è di soli 200 chili, e, nella maggior parte dei casi, nemmeno di fondazioni. In tutto, servono circa trenta tonnellate di materiali (principalmente metalli e plastiche) contro le 250 tonnellate di acciaio e le 1500-2000 tonnellate di cemento necessarie per una torre eolica della stessa potenza.
Il peso del Kitegen Stem completo di strutture, macchine e dispositivi di sostegno (micropali di ancoraggio a terra) non eccede le 40 ton.

Da una Life Cycle Analisys o LCA effettuata in base a tali dati è possibile effettuare il calcolo dell’EROEI (Energy Return On Energy Input) come produzione cumulativa netta di energia nel ciclo di vita della macchina su Emergy.  In base alle seguenti:

Torre eolica tradizionale

* durata impianto: 20 anni
* fattore di produttività: 2500 MWh/MW
* potenza nominale 3MW

EROEI=20

KiteGen

* durata impianto: 20 anni
* fattore di produttività: 5000 MWh/MW
* potenza nominale 3MW

EROEI=375

Un valore circa 20 volte superiore a quello tipico dell’eolico tradizionale e capace di rendere l’eolico d’alta quota la fonte energetica potenzialmente più vantaggiosa e allo stesso tempo produttiva ad oggi conosciuta.

IMPATTO VISIVO

L’impatto visivo è limitatissimo in quanto la cupola è alta solamente 6 metri ed il braccio, oltre ad essere lungo solo 20 metri, è anche molto sottile, mentre i cavi sono invisibili già a poca distanza e l’ala, lavorando prevalentemente ad altezze dell’ordine del km, è difficilissima da notare. Sfruttando i venti d’alta quota, che sono presenti in tutta la fascia temperata, non è necessario posizionarsi in località particolarmente ventose (come le torri eoliche che si piazzano molto spesso su crinali molto visibili) e dunque si può sfruttare una qualsiasi area, anche degradata e di nessun interesse paesaggistico.

la comparazione è sempre tra una turbina eolica da 3 MW e KiteGen Stem da 3 MW
l’impatto visivo è misurato in steradianti ovvero A/r^2 dove A è l’area del manufatto e r la distanza di osservazione.
Trascurando la torre per la turbina eolica e la cupola per lo Stem si ha:
Torre eolica con pala di 44 m A=6000 mq
KG Stem con vela da 150 mq
A qualsiasi distanza r l’impatto della vela dello stem è sempre non meno di 40 volte inferiore

AVIFAUNA

Gli impatti sull’avifauna sono inferiori a quelli imputati alle torri eoliche in quanto i kite volano ad altezze tali da non essere frequentate da volatili. I cavi, man mano che ci si avvicina a terra, dove è più probabile che vi siano uccelli, si muovono a velocità sempre più basse. Se ad esempio il kite si muovesse a 50 m/s di velocità assoluta tangenzialmente alla curva avente come raggio il cavo (la direzione che produce i più ampi spostamenti del cavo, contrariamente al caso opposto di spostamento radiale in cui i cavi non si spostano ma si allungano solamente) ad un’altezza di 1 km, ad altezza di 100 m un punto sul cavo appare in movimento con una velocità di soli 5 m/s come si può dedurre dalla similitudine dei triangoli.

IMPATTO ACUSTICO

L’impatto acustico del Kitegen carousel è simile a quello di una ferrovia metropolitana a bassa velocità in quanto uno dei design ipotizzati è quello di un anello di binari dove le vele attuano la rotazione del generatore ad una velocità di circa 70 km/h.   Per quanto riguarda lo Stem le fonti di rumore sono i macchinari interni alla cupola, gli organi esterni in movimento (stelo, brandeggio), le vele ed i cavi.   Mentre per i macchinari interni alla cupola può considerarsi nullo il rumore in quanto la cupola può essere insonorizzata rispondendo ad eventuali normative in merito, l’oggetto dell’analisi si può restringere al rumore dello stelo in movimento ed alle parti volanti.  Pertanto è prevista una campagna di misurazione acustica da effettuarsi con le vele, i cavi e gli alternomotori dimensionati per i 3 MW e sull’esito della quale pubblicheremo un successivo post.

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By eugenio saraceno, 2012/10/04

Lo Stem, letteralmente “Stelo” è il componente più appariscente del Kitegen  in configurazione yo-yo, tanto che l’intera macchina viene denominata Stem.

E’un braccio robotico sensorizzato realizzato in materiali leggeri (alluminio o fibra di carbonio) montato su una torretta rotante vincolata alla struttura portante (igloo o cupola) mediante una ralla.

Sebbene molte soluzioni adottate nei vari progetti di eolico d’alta quota (compreso il nostro prototipo mobilgen) non prevedano un braccio robotico di tali dimensioni (circa 20 m) lo stem non è certamente un elemento decorativo ma implementa ben 7 funzionalità della macchina:

1) La grande maggioranza dei fallimenti nei decolli (kite-crash) o nelle manovre di volo avviene a bassa quota.  Lo stem consente di operare sempre con la vela posta ad una quota opportunamente lontana dal suolo; inoltre il vento presente a 15-20 m di altezza sul terreno è sempre più intenso che al suolo, quindi la vela a quell’altezza ha maggiore probabilità di trovare il vento con la velocità sufficiente per il decollo.

2) il movimento ed i gradi di libertà del braccio robotico stem consentono di effettuare delle rapide manovre che generano un vento apparante sufficiente per far alzare la vela in volo anche in caso di venti molto deboli.

3) Lo stem consente ai cavi in uscita dagli alternomotori e dagli argani di rimanere allineati per molti metri riducendo la fatica e le vibrazioni su questi componenti

4) lungo lo stelo sono posti i sensori capaci di inviare alla centrale di controllo le informazioni sulle deformazioni meccaniche in atto e la posizione del braccio.  In particolare sono presenti 9 nanogauge (sensori di deformazione) e gli encoder che misurano gli angoli di rotazione del braccio rispetto al piano orizzontale e verticale

5) Quando la vela è investita  da raffiche lo stem è il primo componente cui viene trasmessa la forza impressa dalla raffica mediante i cavi.  I sensori di deformazione inviano le informazioni alla centrale di controllo che, qualora si rilevino raffiche troppo intense, è in grado di rispondere adeguatamente con manovre atte ad allontanare la vela dalla finestra di potenza riducendo la sollecitazione meccanica.   Durante il tempo di elaborazione e reazione della centrale di controllo, che per quanto breve è non nullo, lo stem consente di assorbire la sollecitazione meccanica mediante una opportuna deformazione elastica, salvaguardando i componenti meccanici più delicati.

6)  lo stelo consente di supportare il compasso, che è una mano robotica montata sulla sua sommità, che aggiunge gradi di libertà alle manovre sui cavi e la vela.  In particolare le due “dita” (o baffi) del compasso divaricandosi mantengono separati i cavi durante le manovre e ne evitano gli intrecci (twisting)

7) Secondo l’orografia dei siti i venti possono variare la direzione prevalente più o meno rapidamente nel corso delle stagioni o anche nel corso di una stessa giornata. Lo stelo, ruotando in accordo con le direzioni dei venti, consente sempre di posizionare la vela secondo la finestra di massima potenza.

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By eugenio saraceno, 2012/03/04

In questo post sono descritte alcune soluzioni allo studio per la prevenzione delle collisioni tra kite e velivoli negli spazi aerei interessati dalla presenza di Kite Farm.

La soluzione più semplice è l’istituzione di una zona interdetta al volo (P-Zone) Prassi comune per impianti pericolosi quali centrali atomiche e petrolchimici. Una tipica area P (Prohibited), dove il volo è totalmente interdetto e il rischio tendenzialmente nullo, ha una altezza di 5.000 piedi dal suolo (1.524 m) e un raggio di almeno 1 miglio nautico (1.852 m); il cilindro risultante ha quindi un volume di 16,4 km³ e conterrebbe agevolmente una wind farm.  E’anche la soluzione preferita dalle autorità di assistenza al volo italiane, le quali sono le principali attrici del processo autorizzativo per l’istituzione di P-Zone.  Altre tipologie di spazi aerei sottoposti a vincoli sono le zone R (Restricted) o D (Dangerous).  Le autorità preposte aggiornano costantemente le mappe degli spazi aerei e sono in grado di stabilire motivatamente, a seguito di opportune valutazioni, se in una data area è  ammissibile restringere o meno il traffico aereo.   L’imposizione di vincoli e proibizioni può sempre generare malcontento nelle categorie interessate, ma in tal caso si tratta di garantire in primo luogo la sicurezza di questi soggetti e degli aeromobili circolanti alle quote interessate dalle kite farm, inoltre è necessario considerare che le potenzialità di  produzione di energia elettrica degli impianti eolici d’alta quota sono un beneficio per la collettività molto superiore alla libertà di circolare con velivoli comunque e dovunque.   Considerando che la quota massima di 1500-2000 m presumibilmente ammissibile per le operazioni di produzione di energia elettrica almeno per le prime realtà produttive, non impedisce la circolazione dei voli di linea, che transitano a quote molto maggiori eccetto durante le manovre di atterraggio (pertanto è estremamente improbabile ottenere restrizioni nei corridoi di avvicinamento agli aeroporti) i soggetti interessati dai divieti si ridurrebbero ai velivoli ultraleggeri o agli elicotteri.

I divieti non sono l’unica soluzione, le tecnologie radar, unitamente alla capacità del sistema di controllo KiteGen di conoscere l’esatta posizione delle vele in ogni istante, permetterebbero infatti di consentire la circolazione di velivoli anche nello spazio aereo interessato alla produzione energetica.      Una soluzione senza necessità di aree proibite prevede che le vele vengano rese visibili ai radar (radarabili), mediante incorporazione di anime metalliche, consentendo ad un ente di controllo di rilevare possibili collisioni e notificarle tempestivamente al centro di controllo della kite-farm, la quale immediatamente manovra i kite allontanandoli dalla rotta di collisione.  In caso di necessità tutte le ali possono essere riportate a terra in circa 2 minuti.

I kite potrebbero anche essere omologati come aeromobili vincolati.  In tal caso i kite sarebbero dotati di transponder che comunicano la posizione e la velocità durante il volo. Ciò permette di omologarli quali velivoli radarabili in primario e secondario. In situazioni per cui lo spazio aereo della farm debba essere attraversato, la torre di controllo della regione aerea di pertinenza potrà conoscere esattamente le posizioni dei kite in rotta di collisione e comunicare al centro di gestione di questi ultimi un ordine di allontanamento immediato. Il tempo di rientro dei profili alari è dell’ordine del minuto, pertanto compatibile con qualsiasi situazione di emergenza con preavviso anche di pochi minuti.  La sicurezza della comunicazione di emergenza da torre a centro di gestione farm può essere garantita ridondando i canali di comunicazione utilizzati per veicolarla e dalla presenza di un sistema (ridondato anch’esso) che possa ricevere i segnali di emergenza ed avviare automaticamente la procedura di rientro.

Infine il sistema di gestione della farm potrebbe avere un proprio sistema di rilevazione e risoluzione delle intrusioni nello spazio aereo dell’impianto, basandosi sull’elaborazione di dati radar provenienti da una torre di controllo o da una propria apparecchiatura radar.   La sorveglianza radar potrebbe rilevare e prevenire anche l’impatto dei kite con stormi di uccelli migratori

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By admin, 2012/03/02

Pubblichiamo volentieri un ragionamento di “risk assessment” sul KiteGen

di Stefano Cianchetta

Kitegen è una tecnologia nuova ed è prioritario che dimostri di poter essere impiegata con un adeguato livello di sicurezza. E’ abbastanza facile che il nostro giudizio sia guidato da valutazioni approssimative sui pericoli e i rischi effettivi. In rete e nei blog ho letto, tra i commenti, descrizioni di incidenti veramente improbabili o addirittura assurdi. Qui ho provato ad affrontare di petto la questione ed immaginare realisticamente gli incidenti peggiori i livelli di rischio e le strategie di riduzione degli stessi. Ho provato a suddividere gli incidenti possibili in due macrocategorie: urti in volo con aeromobili e urti al suolo.

Urti in volo con velivoli come piccoli aerei o elicotteri che volano a quote relativamente basse.

Difficilmente un velivolo potrebbe restare indenne dall’urto con un cavo in dyneema di 20-30mm,

ed è molto difficile immaginare un modo per ridurre la pericolosità di un tale impatto. Bisogna quindi comprimere drasticamente la probabilità che questo evento si verifichi. Si può operare principalmente in 2 modi: 1) allontanandosi dai corridoi aerei frequentati dai circa 2700 piccoli e medi aeromobili italiani e 2) imponendo delle zone di divieto di sorvolo (che possono essere permanenti come quelle intorno alle grandi raffinerie o provvisorie come in questo curioso caso). Per ridurre ulteriormente il rischio di collisione una futura stem-farm potrebbe utilizzare un sistema autonomo capace di rilevare aerei nel raggio di 10-20 km e quindi comandare il rientro dei kite.

Riavvolgendo i cavi a 25m/s possono bastare 50 secondi per ritirare i kite da 800 metri di quota. In quel lasso di tempo un velivolo a 250 km/h percorre meno di 4km (250km/h è la velocità di crociera di un piccolo Cessna). Di conseguenza c’è tutto il tempo necessario al rientro dei kite.

Infine si potrebbe segnalare la presenza dei kite con colori sgargianti o segnali luminosi.

Se malauguratamente il sistema radar fosse in avaria e un piccolo aereo (20m wingspan) uscisse fuori rotta e violasse la no-fly zone di uno stem (1500m di raggio) ci sarebbero ancora circa 98 probabilità su 100 di scampare un incidente. Meno nel caso di una grossa farm. Per fortuna però i radar sono in commercio da parecchi anni, possiamo prevederne prestazioni ed affidabilità e soprattutto possiamo evitare di far volare i kite quando il sistema radar è in avaria!

Urti al suolo con persone o cose

Alcuni potrebbero temere di essere colpiti da un kite in caduta libera. Nello scenario peggiore che riesco ad ipotizzare i sistemi a terra vanno in totale avaria e il kite si affloscia al suolo. La probabilità di arrecare danni gravi a persone o cose dipende dalla velocità di caduta dell’oggetto e dalla sua rigidità. Più il kite è flessibile minore sarà il danno. Ma quanto velocemente potrebbe precipitare partendo da 1000m? Un corpo precipitando dall’alto accelera progressivamente fino a raggiungere, a causa della resistenza opposta dall’aria, una velocità limite VL. Questa velocità dipende dalla densità superficiale del corpo in caduta . Anche per un grosso kite da 300kg e 300m^2, VL è pari a solo 6-7m/s pur ipotizzando che il il kite si ripieghi e riduca la sua superficie del 50-70%.

Insomma urtarlo sarebbe come correre a 25km/h e andare a sbattere contro il sipario di un teatro o una trapunta stesa ad asciugare. La stessa velocità di caduta è ipotizzabile per i cavi che sono vincolati e frenati dal kite. In questo caso sarebbe come andare a sbattere correndo contro un tubo per innaffiare che penzola da un ramo alto di un albero. Ci si può anche fare molto male e sarà necessaria un’adeguata copertura assicurativa ma credo sia più rischioso cadere da un motorino o essere investiti da una bici.

Anche se ci si trova all’aperto entro l’area interessata dalla caduta del kite (raggio di 1500m) al momento dell’avaria totale la probabilità di essere colpiti in caso di caduta del kite è fortunatamente piuttosto piccola. Questa probabilità infatti è proporzionale all’area del kite ed è inversamente proporzionale all’area complessiva intorno allo stem: quindi se l’area del kite è 300m^2, allora la probabilità di un urto con una persona è circa 300/(1500*1500*3.14) ossia pari a 1 su 23000. I due cavi interessano un’area superiore pari a circa 2*0.6m*1500m ossia 1800m^2 e quindi una probabilità di 1 su 4000 (0,6m è il diametro occupato da una persona). Il rischio naturalmente si annulla se invece che in un punto a caso la persona si trova sopravento al momento dell’avaria totale e raddoppia sottovento. Se ci si trova dentro un edificio ovviamente si rischia ben poco. Per limitare questi rischi si può prevedere che i primi stem vengano posizionati in zone scarsamente antropizzate***. Per fortuna grazie al fatto che la popolazione non è uniformemente distribuita è facile trovare zone con meno di 5 edifici rurali/Km^2 praticamente in ogni provincia italiana. Persino in provincia di Milano!

Per concludere, a Sommariva dove vengono effettuate le prime esperienze con lo stem kitegen, si vola tipicamente entro i 500 metri. L’area potenzialmente interessata è ridotta e non ci sono residenti nella zona. Quindi, con le dovute cautele suggerite da buone pratiche di gestione del rischio… caschetto in cantiere e avanti con le prove!

***se per paradosso queste grandi avarie fossero esageratamente frequenti e il kite precipitasse una volta all’anno per i prossimi 10 anni di fila (il che sarebbe inaccettabile per un impianto industriale), con 25 persone mediamente presenti all’aperto nel raggio di 1500m in zona poco antropizzata, avremmo ancora (1-25*1/4000)^10 = 94% di probabilità di evitare urti nel periodo considerato! Ma 10 avarie totali sono davvero troppe e il team kitegen presumibilmente cambierebbe strategia prima.