Cometes energètiques: vent aeri
Els vents més alts són més forts i estables, i un cometa no necessita torre. Makani de Google va passar tretze anys treballant en la idea i va publicar tot el que havia après. Aquí teniu el que promet la física, què van mesurar realment les proves de vol i què caldria per provar la resta.
Rschmehl / Wikimedia Commons (CC BY-SA 4.0)
Mireu una turbina eòlica moderna i la majoria del que veieu no és la part que produeix energia. La torre, la base i la meitat interior de les fulles estan allà per mantenir les puntes de les fulles en moviment ràpid cap amunt al vent. Les puntes escombra la part exterior del rotor a velocitats d’uns 80 metres per segon, i és allà on es captura la major part de l’energia. L’energia eòlica aèria planteja una pregunta senzilla: què passaria si només conservéssim la part que es mou ràpidament, la voléssim en un cable i la deixéssim pujar cap on el vent és més fort?
La foto de dalt és una resposta dibuixada a la llum. Una llum de traçat en un cometa Kitepower va registrar un cicle complet a la nit: bucles estrets de vuit que tiren el cordó d’un tambor i giren un generador, després un llarg i tranquil retorn mentre l’estelada és tornada. Aquesta pàgina explica com funciona, què ha aconseguit i per què, després de vint anys d’esforços seriosos, cap sistema eòlic aeri encara no ha venut electricitat a escala. **Versió curta: la física és bona i l’estalvi de materials és real, però mantenir una màquina voladora segura i funcionant durant vint anys, sense vigilància, en qualsevol temps, és el problema sense resoldre. Ningú no ha publicat un any de producció mesurada independentment d’una unitat comercial. **
Què és
Un sistema d’energia eòlica aèria té tres parts: una ala que vola, un cable que la sosté i una estació de terra. Hi ha dues famílies principals.
- Generació a terra, el “pumping” o “yo-yo” kite. El cometa vola ràpids bucles de vent transversal que tiren fort sobre la corda. El cordó es deslliga d’un tambor a terra, i el tambor impulsa un generador. Quan el cordó és prou llarg, l’avió es dirigeix a una posició on tira molt poc i es torna a girar, cosa que costa una petita part de l’energia produïda. SkySails Power, Kitepower i Kitemill utilitzen aquest principi, amb cometes de tela suau o planejadors rígids.
- Generació a bord, la “turbina voladora”. Una ala rígida porta petits rotors. En vol de vent transversal els rotors actuen com a turbines, i l’electricitat corre per un cable conductor. Per a l’enlairament i l’aterratge els mateixos rotors funcionen com a hélices i les ales s’aixequen com un drone. Aquest va ser el disseny de Makani.
En ambdós, l’ala fa el treball d’una punta de pala de turbina: es mou a través del vent molt més ràpid que el mateix vent, i és d’aquí on ve la potència.
Com funciona
La potència del vent. El vent porta energia a través de cada metre quadrat que li fa front igual a ½ ρ v³, on ρ és la densitat de l’aire (uns 1,2 kg per metre cúbic prop del terra) i v és la velocitat del vent. El cub importa: doblem la velocitat del vent i la potència augmenta vuit vegades. A 7 m/s un metre quadrat porta uns 210 W; a 10 m/s, uns 610 W.
Per què l’alçada ajuda. Prop del terra, la fricció amb el sòl, els arbres i els edificis alenteix el vent. Una regla comuna d’enginyeria diu que la velocitat creix amb l’alçada com v = v_ref × (h / h_ref)^α, on l’exponent α és aproximadament 0,10 sobre mar obert, 0,14 sobre terres agrícoles obertes i 0,25 o més sobre boscos i ciutats. Prengui 7 m/s a un hub de 100 m. A 400 m la regla dóna 8,0 m/s sobre el mar, 8,5 sobre terres agrícoles i 9,9 sobre terreny accidentat, de manera que la potència per metre quadrat és 1,5, 1,8 i 2,8 vegades més alta. La regla és aproximada: uns pocs centenars de metres més amunt el vent sovint es comporta diferent, amb jets de baix nivell a la nit i capes més calmes durant el dia. Tot i així, la direcció és clara, i vents més estables a l’altura també haurien de significar menys hores sense res per collir.
Per què un cometa pot atrapar tant. El 1980 l’enginyer Miles Loyd va calcular la quantitat de potència que una ala atada volant contra el vent pot extreure (Loyd, 1980). En llenguatge senzill: una ala volant amb vent de cara arriba a una velocitat d’uns dos terços de la velocitat del vent multiplicada per la seva relació d’elevació-resistencia. Amb una relació d’elevació a resistència de 5 en un vent de 10 m/s, que és d’uns 33 m/s o 120 km/h; Kitepower cita una velocitat mitjana de vol de 110 km/h per al seu cometa (Kitepower). Com que la força aerodinàmica creix amb el quadrat d’aquesta velocitat, l’ala pot tirar molt més fort del que suggereix la seva mida. El màxim de Loyd és
P = (4/27) × ½ ρ v³ × A × C_L × (C_L / C_D)²
on A és l’àrea de l’ala, C_L el seu coeficient d’elevació i C_L / C_D la seva relació d’elevació a resistència. El factor després de la potència del vent, (4/27) × C_L × (C_L/C_D)², diu quants metres quadrats de vent l’ala efectivament escombra per cada metre quadrat de la seva pròpia àrea. Per a un cometa suau amb un coeficient d’elevació d’1 i una relació d’elevació-arrossegament de 5 és d’uns 3,7. Per a una ala rígida amb un sistema de relació d’elevació-arrossegament prop del 9, incloent l’arrossegament del cable, podria ser de 10 a 17. Un generador de terra arriba a aquest òptim quan el cable es desenrotlla a un terç de la velocitat del vent.
Les pèrdues que Loyd deixa fora. Els cometes reals no volen directament sotavent de l’estació terrestre, volen en un angle d’elevació, típicament 25 a 35 °. Només la part del vent al llarg de l’anell tira sobre ell, i la potència cau amb el cub del coseno d’aquest angle: a 30° només queda un 65%. El cordó afegeix resistència, que creix amb la seva longitud. Un cometa de bombament passa part de cada cicle sent trepitjat; el sistema de Kitepower passa al voltant del 80% d’un cicle de 100 segons generant fins a 130 kW i un 20% dibuixant uns 20 kW per tirar l’estelada cap enrere (Kitepower). Després vénen les pèrdues habituals del generador, la caixa de canvis i el convertidor, i la potència gastada per mantenir l’ala volant en vent lleuger.
Per què el lligam és tota la història. La torre d’una turbina ha de resistir l’embranzida completa del rotor com un moment de flexió a la seva base, que és per què les torres i els fonaments són massissos. Un cordó només porta tensió, i les fibres com el polietilè de pes molecular ultraalt són extraordinàriament fortes en tensió pel seu pes. Aquesta és la font de l’afirmació, repetida per diverses empreses, que els sistemes aeris utilitzen fins a un 90% menys de material que una turbina de la mateixa qualificació. És plausible per a la màquina en si; encara no s’ha demostrat per a una planta d’energia sencera, incloent l’espaiament, les bases de l’estació terrestre i la connexió a la xarxa.
Els límits: teòrics i pràctics
Teòricament. La fórmula de Loyd és un sostre per a una sola ala ideal. Com una turbina, un cometa alenteix el vent que recull, i els cometes volats junts prenen energia l’un de l’altre, així que una granja necessita espai. També hi ha un límit planetari. Els corrents en jets a prop de 10 km d’ altitud semblen un gran recurs si s’ hi aplica ½ ρ v³ L’atmosfera regenera aquest moviment lentament: una anàlisi del sistema terrestre situa l’extracció màxima sostenible dels corrents en jets en uns 7,5 TW, unes 200 vegades menys que les estimacions anteriors, amb grans efectes secundaris climàtics si s’hi apropés (Miller, Gans i Kleidon, 2011). Ningú proposa volar a 10 km avui; els sistemes pràctics tenen com a objectiu entre 200 i 700 m. El recurs global d’alta altitud de 500 a 12.000 m va ser mapejat a partir de 28 anys de dades meteorològiques per Archer i Caldeira (2009).
Pràctic. Els límits que han aturat els projectes no estan en la fórmula:
- Enlairament i aterratge. Una turbina mai s’enlaira. Un cometa ha de llançar-se amb vent lleuger, aterrar en una ràfega, i fer-ho milers de vegades a l’any sense danys. Makani va perdre quatre fuselieres en vol, tres d’elles mentre es trobava en suspensió, no mentre generava (Makani, 2020).
- Control en tot tipus de temps. Les tempestes, la turbulència, el gel, els llamps i les calmes sobtades necessiten una resposta autònoma. Un trencament de corda mai ha de posar un cometa o una línia pesada en algun lloc perillós.
- Espai aeri i terra. Un cometa a 400 m sobre un cordó de 800 m escombra un gran volum. Les autoritats de l’aviació ho han d’acceptar, i la terra sota el vol ha de ser mantinguda lliure de gent i carreteres.
- Desgasta’t. Els cometes de tela es degraden a la llum del sol, els cables s’usen en tambors i polees, i un sistema ha de sobreviure vint anys per competir amb turbines dissenyades per a vint-i-cinc o trenta.
- Mida. La potència de Loyd s’escala amb l’àrea de l’ala, i una ala gran és difícil d’enlairar i aterrar. L’M600 de Makani tenia una ala de 26 m (X); l’avió més gran anunciat per SkySails és de 450 m² per a una unitat de 450 kW. Un sistema aeri de 5 MW, la mida d’una moderna turbina terrestre, encara és un dibuix.
Projectes reals, mesurats
El camp ha estat generós amb els resultats i estalviant amb dades a llarg termini. Aquí hi ha el que es pot comprovar.
| Projecte | Disseny | Què ha aconseguit | Què ha passat? |
|---|---|---|---|
| Makani M600 (EUA, Google X, 2006 a 2020) | Ala rígida de 600 kW, 8 rotors a bord, 440 m de cable conductor | 28,9 h de vol autònom, 22,7 h de vent transversal; millor bucle 290 kW, millor mitjana de deu minuts 196 kW en 10 a 13 m/s de vent; primer vol offshore des d’una plataforma flotant a Noruega, agost de 2019 | Closed February 2020: “the road to commercialization is longer and riskier than hoped”. The team’s own verdict: the M600 airframe “is fundamentally unable to generate 600 kW at 11 m/s”. Reports, code and flight logs released in September 2020 |
| SkySails Power (Alemanya) | Cometes suaus de fins a 180 m² en un winch terrestre; fins a 200 kW de potència del cicle (PN-14, ara venut com Venyo) | Prototip a Klixbüll operant des de 2019 amb cometes de fins a 120 m², el rècord més llarg de qualsevol sistema aeri; un cometa de 120 m² volant de 200 a 400 m en una corda màxima de 800 m a Maurici des del gener de 2023; primer vol a Taiwan l’1 de juliol de 2025 | Unitats de venda; l’empresa cita fins a 760 MWh per any per unitat en bons llocs, una xifra del fabricant, no una mesura independent. S’anuncia un model de 450 kW (KYO) amb primeres entregues esperades en la segona meitat del 2028 |
| Kitepower (Països Baixos, de TU Delft) | 100 m² de cometa suau, 350 m d’ancoratge, generador a terra en un contenidor de 6 m | Fins a 130 kW mentre es descarrega, uns 100 s per cicle; pilots en un lloc de construcció als Països Baixos, a Bellacorick a Irlanda amb RWE, i a Aruba | Comercialitzat com a energia mòbil, temporal i sense emissions, per exemple per reemplaçar els generadors dièsel |
| Kitemill (Noruega) | Comadres rígides sobre un winch de terra | Zona de proves a Vanse, Lista, volant per sobre dels 350 m | El desenvolupament continua; no hi ha dades de sortida públiques a llarg termini |
| Ampyx Power (Països Baixos, 2008 a 2022) | Planador autònom rígid sobre un winch de terra; primera producció d’energia completament autònoma el 2012 | Desenvolupament de prototips fins a l’AP-3 | Suspensió dels pagaments 19 d’abril de 2022, declarada en fallida el 4 de maig de 2022 després que una ronda de finançament planejada no es produís |
Fonts: Makani, The Energy Kite, 2020; X, Makani; SkySails Power; Kitepower; Kitemill; Ampyx Power.
Dos fets en aquesta taula mereixen atenció. Primer, la millor mitjana de deu minuts de Makani era un terç de la seva potència nominal, i només aproximadament un bucle en cinc produïa energia neta, la majoria dels altres eren maniobres de prova, vents lleugers i vol en vol estel·lar. Segon, els sistemes més madurs avui són cometes suaus de generació terrestre de 100 a 200 kW, més de deu vegades més petits que una típica turbina terrestre, venuts per a llocs on és difícil construir una turbina: illes, llocs remots, energia temporal. Una revisió de dues dècades de proves de vol arriba a la mateixa visió equilibrada: el control ha fet un progrés sorprenent, i l’operació completament autònoma de llarga durada segueix sent la frontera (Vermillion et al., 2021).
Quant costa
Encara no hi ha preu de mercat per a l’electricitat eòlica aerotransportada, només projeccions, així que aneu amb compte amb cada número aquí.
| Opció | Cost per kWh | Estat del número |
|---|---|---|
| Nou parc eòlic terrestre, no subvencionat | $0.027 to $0.073 | Dades del mercat, Lazard LCOE+ 2024 |
| Nou parc eòlic marítim | $0.074 to $0.139 | Dades del mercat, Lazard 2024 |
| Planta de pics de gas | $0.110 to $0.228 | Dades del mercat, Lazard 2024 |
| Solars al terrat d’un edifici, el nostre punt de referència | $0.19 central | El nostre model de paret de ventilador; teulat comercial $0.09 to $0.20 en Lazard, 2026 |
| SkySails KYO 450 kW, objectiu | per sota de 10 cèntims | Objectiu del fabricant, encara no lliurat |
| Makani M600 | no publicat | L’equip va escriure que no està “clar” si aquest sistema pot arribar a un LCOE competitiu amb les turbines convencionals. |
L’informe de Makani fa un punt que cada llançament de vent aeri hauria de respondre. Per a un parc eòlic terrestre, la turbina en si és menys de la meitat del cost de l’energia; les carreteres, els fonaments, els cables, la connexió a la xarxa, la instal·lació, l’operació i les finances componen la resta. En el cas de l’offshore, aquests costos del “equilibri del sistema” són aproximadament el 52% del total (Barcelona, 2020). Estalviar el 90% de l’acer de la torre, per tant, no redueix el preu de l’electricitat en un 90%. Per batre el vent terrestre a $0.03 to $0,07, un cometa també ha de coincidir amb l’alta disponibilitat d’una turbina, la seva vida útil de 25 anys i el seu baix manteniment. En comparació amb el nostre punt de referència per a edificis, que és de 0,19 dòlars per kWh, la barra és més baixa, però els cometes no caben en edificis: necessiten centenars de metres de terra o mar clars.
On pot guanyar, i on no pot
Pot guanyar:
- Graelles remotes i d’ illes que funcionen amb dièsel importat, sovint a preus d’electricitat diverses vegades superiors al continent, on les turbines són difícils de transportar i construir i una estació terrestre en contenidors és fàcil.
- Energia temporal: llocs de construcció, campaments militars i d’investigació, esdeveniments, on no es pot construir una turbina durant uns mesos.
- Aigües profundes, a llarg termini, on una estació terrestre flotant lleugera podria costar molt menys que una turbina flotant. Aquest és el premi que Makani i Shell van provar a Noruega, i encara no s’ha demostrat.
- Llocs amb vents forts a l’alçada però vents febles a l’altura del buit, per exemple sobre terreny accidentat, on l’alçada d’un cometa és la més important.
No pot guanyar:
- A les ciutats o als edificis. L’envàs de vol és d’uns centenars de metres d’ample.
- Contra el vent de la costa en bons llocs, avui. Les turbines són madures, bancables i barates; una nova tecnologia ha de provar vint anys de fiabilitat abans que els prestadors la tractin de la mateixa manera.
- A prop d’aeroports i espai aeri ocupat, o on la terra sota el camí de vol no es pot mantenir lliure.
El que és provat, plausible i especulatiu
Provat: la llei de potència del vol amb vent transversal (Loyd, 1980), confirmada en moltes proves de vol; que les ales enganxades poden generar electricitat autònomament durant hores, amb cicles de bombament i amb rotors a bord; que l’M600 va produir una mitjana de deu minuts de 196 kW; que els cometes suaus de generació terrestre de 100 a 200 kW es poden llançar, volar i aterrar des d’una estació de mida de contenidor; que les velocitats del vent i les densitats de potència augmenten amb l’alçada de mitjana.
Plausible: que els sistemes de generació terrestre d’uns pocs centenars de quilowatts poden aconseguir una alta disponibilitat en llocs remots; que l’ús de material per kW és molt més baix que per a les turbines; que els cometes flotants offshore podrien necessitar plataformes molt més lleugeres; que els sistemes aeris produeixen més hores d’energia útil per any que una turbina al mateix lloc perquè arriben a vents més estables.
Especulatiu: un cost per kWh competitiu amb el vent terrestre; cometes a escala de megawatts; granges de molts cometes que volen junts sense interferir-se; una vida útil de vint anys per als cometes, els cables i els tambors; marcs d’assegurança i certificació comparables als de les turbines.
Preguntes obertes de recerca
- Què fiable pot ser llançament i aterratge totalment autònoms Com es converteix, mesurat en milers de cicles en temps ràpid?
- Quin és el real rendiment energètic anual d’una unitat en un lloc conegut, mesurat independentment durant un any sencer, i com es compara amb una turbina al costat?
- Quant de temps duren els tethers i els cometes de tela sota càrrega cíclica i llum ultraviolada, i com es detecta el desgast abans de fallar?
- Com de prop es poden espaciar els cometes en una granja, i quant perden en el seguiment l’un de l’altre?
- Quines regles d’espai aeri tenen sentit per a les ales lligades, i com s’han d’encendre i detectar els cometes pels avions?
- Què fan els cignes a ocells i ratpenats? No hi ha gairebé cap dada de camp, i la resposta pot diferir per a cometes suaus lentes i ales rígides ràpides.
- Can estacions terrestres flotants en alta mar sobreviure a les tempestes a un cost que supera les turbines flotants?
El que necessitaria un prototip de treball
La bona notícia per a un equip petit és que un cometa de bombament es pot provar a una escala modesta, i la física s’escala d’una manera predictible amb l’àrea de les ales.
| Fase | Treball | Decisió que habilita | Cost aproximat | Hora |
|---|---|---|---|---|
| 0. Desk study | Model de Loyd i cicle per al lloc objectiu, usant eines obertes i el codi publicat de Makani; dades del vent a 100 a 500 m d’ una campanya de lidar o reanàlisi | El vent a l’alçada del lloc val la pena? | $10k to $30k | 2 a 3 mesos |
| 1. Force test | Un cometa de 10 a 20 m² sobre un cable i winch instrumentat amb cel· les de càrrega, volat manualment després amb pilot automàtic | Força de l’ amarratge mesurada i corba de potència contra Loyd | $30k to $80k | 6 mesos |
| 2. Working model | Una estació terrestre de 10 a 30 kW: tambor, motor-generador, electrònica de potència, pilot automàtic; energia registrada en sortida i entrada per cada cicle | kWh nets mesurats per dia i cicles automàtics sense pilot | $150k to $400k | 12 mesos |
| Pilot 3 | Una unitat de classe 100 kW en un lloc remot o temporal, un any complet de producció mesurada i disponibilitat, amb monitoratge de la fauna | Rendiment anual real, cost per kWh, manteniment | $1M to $3M | 18 a 24 mesos |
Un model de treball, per a aquesta pàgina, significa fase 2: una estació terrestre que executa cicles complets de bombament i posa energia neta mesurada en una bateria o la xarxa, amb cada cicle registrat. Un cometa tirant d’una corda encara no és una central elèctrica.
Qui necessitem
- Enginyers de control de vol amb experiència en drones autònoms o cometes: l’enlairament, aterratge i gestió de fallades són la major part del treball.
- Aerodinamista per al disseny de cometes i ales, incloent-hi l’atracció del tether i estructures flexibles.
- Enginyers d’electrònica de potència i accionament per al motor-generador del winch, emmagatzematge d’energia per a la fase de rebobinat i connexió a la xarxa.
- Enginyers de materials per a amarres, teixits i proves de fatiga.
- Meteoròlegs amb experiència en radar per mesurar vents de 50 a 600 m.
- Especialistes en regulació de l’aviació per assegurar els permisos de vol i les reserves d’espai aeri.
- Ecologists to design bird and bat monitoring (en anglès).
- Un lloc d’ amfitrió: una illa, una comunitat remota, una pedrera o una granja amb terra oberta i veïns que donen suport.
Tens una idea millor?
Alguns membres de la Fundació poden tenir contactes que podrien escoltar un pitch per a una idea d’energia forta. Per ser llançada, una idea necessita un model de treball, vida real que realment produeix energia, amb la seva sortida mesurada en un instrument, no reclamat. Per a un cometa d’energia això significa una estació terrestre que completa els cicles de bombament per si mateixa i registra l’energia neta que lliura. Les idees en paper també són benvingudes: si la física i els números són sòlids, les podem publicar aquí al lloc web. Però recaptar capital sense un model de treball és molt difícil, i res aquí no és una promesa de finançament, rendibilitat o introduccions.
Envieu la vostra idea, o les dades del vostre vol, a través del formulari de contribució: el problema que resol, la comprovació física, la sortida mesurada o estimada, un cost aproximat per kWh i la prova més barata que podria demostrar- ho erroni. Per a altres direccions, vegeu alternatives d’energia comparades i la nostra pròpia investigació oberta Fan Wall.
Fonts
- Llop, M. (1980). Potència de kite de vent transversal (per a la producció d’energia eòlica a gran escala). Journal of Energy 4(3), pàg. 106–111..
- Makani Technologies (September 2020). The Energy Kite, Part I: estadístiques de proves de vol, el descens del rendiment de l’M600, el vol offshore FCW-01 i una anàlisi del cost de l’energia. Parts II i III.
- X, la fàbrica de llançaments lunars. Makanizimbabwe_ districts. kgm: l’M600, la Col·lecció de Kite d’Energia i el tancament en 2020.
- Vermillion, C., Cobb, M., Fagiano, L., Leuthold, R. i col·legues. (2021). Electricity in the air: insights from two decades of advanced control research and experimental flight testing of airborne wind energy systems (en anglès). Annual Reviews in Control 52, 330-357.
- Cherubini, A., Papini, A., Vertechy, R. i Fontana, M. (2015). Airborne wind energy systems: a review of the technologies (en anglès). Revisió de l’energia renovable i sostenible 51, 1461-1476.
- Archer, C.L. i Caldeira, K. (2009). Global assessment of high altitude wind power (en anglès). Energies 2(2), 307-319.
- Miller, L.M., Gans, F. i Kleidon, A. (2011). Jet stream wind power as a renewable energy resource: little power, big impacts (en anglès). Earth System Dynamics 2, 201-212.
- El poder de les ones. News, incloent-hi SkyPower100 a Klixbüll (2022), Mauritius (2023) i Taiwan (2025); Venyo (PN-14) data.
- Potència de cometa. Tecnologia i dades del sistema Falcon.
- Kitemill. Lloc web de l’empresa.
- «Ampyx Power: company history and bankruptcy, 2022» (en anglès).
- Lazard (juny de 2024). Levelized Cost of Energy+, versió 17: vent terrestre $27 to $73 per MWh, vent marítim $74 to $139, pic de gas $110 to $228. L’edició de juny de 2026 dóna la gamma solar comercial del terrat utilitzada com a punt de referència.
- «The Local Solar System Foundation» (en anglès). The Fan Wall: open wind research, per a la referència solar de terrat de 0,19 dòlars per kWh.
- Haas, T., De Schutter, J., Diehl, M. i Meyers, J. (2022). Simulació de grans remolins d’energies eòliques aèries. Wind Energy Science 7, 1093-1135. (anglès).