Energidragter: luftbåren vind

Se på en moderne vindmølle, og det meste af det, du ser, er ikke den del, der producerer strøm. Tårnet, fundamentet og den inderste halvdel af vinger er der for at holde de hurtigt bevægende bladspidserne op i vinden. Spidserne fejer den ydre del af rotoren med hastigheder på omkring 80 meter i sekundet, og det er der, det meste af energien opfanges. Luftbåren vindenergi stiller et simpelt spørgsmål: Hvad hvis vi kun beholdt den hurtigt bevægende del, fløj den på en sejlring og lod den klatre op til der, hvor vinden er stærkere?

Billedet ovenfor er et svar tegnet i lys. En sporingslampe på en Kitepower drage optog en fuld cyklus om natten: stramme otte-figursløjfer, der trækker båndet af en tromle og drejer en generator, derefter en lang, rolig tilbagevenden, mens kiten er spilet tilbage. Denne side forklarer, hvordan det fungerer, hvad det har opnået, og hvorfor, efter tyve års seriøs indsats, ingen luftbårne vindsystem endnu har solgt elektricitet i stor skala. **Den korte version: fysikken er sund og materialebesparelser er reel, men at holde en flyvende maskine sikker og arbejde i tyve år, uden opsyn, i al slags vejr, er det uløste problem. Ingen har offentliggjort et år med uafhængigt målt output fra en kommerciel enhed. **

Hvad det er

Et luftbåret vindkraftsystem består af tre dele: en vinge, der flyver, et reb, der holder den, og en jordstation. Der er to hovedfamilier.

• Ground generation, “pumping” eller “yo-yo” drage. Dragen flyver hurtige sidevindsløjfer, der trækker hårdt på båndet. Den løsnes fra en tromle på jorden, og tromlen driver en generator. Når snoren er lang nok, styres kiten til en position hvor den trækker meget lidt og bliver spilet ind igen, hvilket koster en lille del af energien. SkySails Power, Kitepower og Kitemill bruger alle dette princip med bløde drager eller stive svævefly.
• Om bord generation, den “flyvende turbine”. En stiv vinge bærer små rotorer. I sidevindsflyvning fungerer rotorerne som turbiner, og elektricitet løber ned ad en ledende ledning. For take-off og landing de samme rotorer arbejder som propeller og vingen svæver som en drone. Det var Makanis design.

I begge tilfælde fungerer vingen som en turbinespids: Den bevæger sig over vinden meget hurtigere end selve vinden, og det er herfra, kraften kommer.

Sådan virker det

Vindens kraft. Vind bærer kraft gennem hver kvadratmeter, der vender mod den, svarende til ½ ρ v³, hvor ρ er luftens densitet (ca. 1,2 kg pr. kubikmeter nær jorden) og v er vindhastigheden. Terningen betyder noget: Fordobler man vindhastigheden, så stiger effekten otte gange. At 7 m/s a square metre carries about 210 W; at 10 m/s, about 610 W.

Hvorfor højden hjælper. Nær jorden bremser friktion med jord, træer og bygninger vinden. En almindelig ingeniørregel siger, at hastigheden stiger med højden som v = v_ref × (h / h_ref)^α, hvor eksponenten α er omkring 0,10 over åbent hav, 0,14 over åben landbrugsjord og 0,25 eller mere over skove og byer. Tag 7 m/s ved et 100 m nav. På 400 m giver reglen 8,0 m/s over havet, 8,5 over landbrugsjord og 9,9 over ujævn jord, så effekten pr. kvadratmeter er 1,5, 1,8 og 2,8 gange højere. Reglen er grov: Et par hundrede meter op ad bjerget opfører vinden sig ofte anderledes, med lave jetstrømme om natten og roligere lag om dagen. Alligevel er retningen klar, og mere jævn vind i højden burde også betyde færre timer uden noget at høste.

Hvorfor en drage kan fange så meget. I 1980 regnede ingeniøren Miles Loyd ud, hvor meget kraft en fastbundet vinge, der flyver imod vinden, kan udvinde (Loyd, 1980). Kort sagt: En vinge, der flyver i sidevind, når en hastighed på ca. to tredjedele af vindhastigheden gange dens lift-til-modstand-forhold. Med et lift-til-modstand forhold på 5 i en vind på 10 m/s, det er omkring 33 m/s eller 120 km/t; Kitepower citerer en gennemsnitlig flyvehastighed på 110 km/t for deres kite (Kitepower). Fordi den aerodynamiske kraft vokser med kvadratet af denne hastighed, kan vingen trække langt hårdere end dens størrelse antyder. Loyds maksimum er

P = (4/27) × ½ ρ v³ × A × C_L × (C_L / C_D)²

hvor A er vingernes areal, C_L dens opdriftskoefficient og C_L / C_D dens lift-til-modstand forhold. Faktoren efter vindkraften, (4/27) × C_L × (C_L/C_D)², siger hvor mange kvadratmeter vind vingen effektivt fejer for hver kvadratmeter af sit eget areal. For en blød kite med en liftkoefficient på 1 og et lift-til-modstand forhold på 5 er det omkring 3,7. For en stiv vinge med et system lift-til-modstand forhold tæt på 9, herunder tether’s modstand, kan det være 10 til 17. En jordgenerator når dette optimale, når båndet rulles ud ved en tredjedel af vindhastigheden.

De tab Loyd udelader. Rigtige drager flyver ikke lige ned ad vinden fra jordstationen, de flyver i en elevationsvinkel, typisk 25 til 35°. Kun den del af vinden, der er langs med snoren, trækker på den, og kraften falder med terningen af cosinus af denne vinkel: ved 30° er kun 65% tilbage. Tether tilføjer modstand, som vokser med sin længde. En pumpedrage bruger en del af hver cyklus på at blive spilet ind; Kitepowers system bruger omkring 80% af en 100 sekunders cyklus til at generere op til 130 kW og 20% trækker omkring 20 kW for at trække kiten tilbage (Kitepower). Så kommer de sædvanlige generator-, gearkasse- og omformertab, og den strøm der bruges til at holde vingen flyvende i let vind.

Hvorfor det er spændet, der er hele historien. En vindmølles tårn skal modstå rotorens fulde tryk som et bøjningsmoment ved sin base, hvilket er grunden til, at tårne og fundamenter er massive. Et reb bærer kun spænding, og fibre som f.eks. polyethylen med ultrahøj molekylvægt er ekstraordinært stærke i forhold til deres vægt. Det er kilden til påstanden, som gentages af flere virksomheder, at luftbårne systemer bruger op til 90% mindre materiale end en turbine af samme rating. Det er plausibelt for selve maskinen, men det er endnu ikke påvist for et helt kraftværk inklusive afstand, fundamenter til jordstation og nettilslutning.

Grænserne: teoretiske og praktiske

Teoretisk. Loyds formel er et loft for en enkelt ideel vinge. Ligesom en turbine bremser en drage den vind, den høster, og drager, der flyver tæt sammen, tager energi fra hinanden, så en farm har brug for plads. Der er også en planetær grænse. Jetstrømme nær 10 km højde ser ud som en enorm ressource, hvis du ansøger ½ ρ v³ En jord-system analyse satte den maksimale bæredygtige udvinding fra jetstrømme på omkring 7,5 TW, omkring 200 gange mindre end tidligere estimater, med store klimabivirkninger hvis det nogensinde blev nærmet (se nedenfor).Miller, Gans og Kleidon, 2011). Ingen foreslår i dag at flyve 10 km. Praktiske systemer sigter mod 200 til 700 m. Den globale højhøjde ressource fra 500 til 12.000 m blev kortlagt ud fra 28 års vejrdata af Archer og Caldeira (2009).

Praktisk. De grænser, der rent faktisk har stoppet projekter er ikke i formlen:

• Start og landing. En turbine tager aldrig afsted. En drage skal starte i let vind, lande i et vindstød og gøre begge dele tusindvis af gange om året uden at tage skade. Makani lost four airframes in flight, three of them while hovering, not while generating (Makani, 2020).
• Kontrol i al slags vejr. Storme, turbulens, is, lyn og pludselige nedkølinger kræver alle en selvstændig reaktion. Et sejlbåndsbrud må aldrig sætte en kite eller en tung line et farligt sted.
• Luftrum og land. En drage på 400 m på en 800 m sejlfejer et stort volumen. Luftfartsmyndighederne skal acceptere det, og jorden under flyvekonvolutten skal holdes fri for mennesker og veje.
• Slid. Stofdragere nedbrydes i sollys, sejlbånd slides på tromler og remskiver, og et system skal overleve tyve år for at kunne konkurrere med vindmøller, der er designet til femogtyve til tredive.
• Størrelse. Loyds kraft skalerer med vingestørrelsen, og en stor vinge er svær at starte og lande. Makanis M600 havde en 26 m vinge (X); SkySails’ største annoncerede kite er på 450 m² for en 450 kW enhed. Et luftbåret system på 5 MW, svarende til størrelsen af en moderne landbaserede vindmølle, er stadig et tegneprojekt.

Virkelige projekter, målt

Feltet har været generøst med resultater og sparsomt med langtidsoplysninger. Her er hvad der kan kontrolleres.

Projekt	Design	Hvad det opnåede	Hvad der skete
Makani M600 (USA, Google X, 2006 til 2020)	600 kW stiv vinge, 8 rotorer om bord, 440 m ledende sejl	28,9 timers autonom flyvning, 22,7 timer sidevind; bedste loop 290 kW, bedste ti-minutters gennemsnit 196 kW i 10 til 13 m/s vind; første offshoreflyvning fra en flydende platform i Norge, august 2019	Lukket februar 2020: “vejen til kommercialisering er længere og mere risikabel end håbet”. Holdets egen dom: M600-flyet “er grundlæggende ude af stand til at generere 600 kW ved 11 m / s.” rapporter, kode og flyvelogfiler udgivet i september 2020
SkySails Power (Tyskland)	Bløde drager op til 180 m² på et jordspil; op til 200 kW cykluseffekt (PN-14, nu solgt som Venyo)	Prototype på Klixbüll i drift siden 2019 med drager op til 120 m², den længste rekord for ethvert luftbåret system; en drage på 120 m² flyver 200 til 400 m op på et maksimalt 800 m sejl i Mauritius fra januar 2023; første flyvning i Taiwan den 1. juli 2025	Salg af enheder; selskabet angiver op til 760 MWh pr. år pr. enhed på gode lokaliteter, et producenttal, ikke en uafhængig måling En 450 kW-model (KYO) annonceres med første leverancer forventet i anden halvdel af 2028
Kitepower (Holland, fra TU Delft)	100 m² soft kite, 350 m sejlbånd, jordgenerator i en 6 m container	Op til 130 kW under udrulning, ca. 100 s pr. cyklus; piloter på en byggeplads i Holland, ved Bellacorick i Irland med RWE og på Aruba	Markedsføres som mobil, midlertidig emissionsfri kraftforsyning, f.eks. til erstatning af dieselgeneratorer
Dragemølle Norge	Stive svæveflyvende drager på et jordspil	Testområde ved Vanse, Lista, flyvning over 350 m	Udviklingen fortsætter; ingen offentlige langsigtede outputdata
Ampyx Power (Holland, 2008 til 2022)	Stivt autonomt svævefly på et jordspil; første fuldt autonome kraftproduktion i 2012	Udviklede prototyper op til AP-3	Suspension af betalinger 19. april 2022, erklæret konkurs 4. maj 2022 efter en planlagt finansieringsrunde ikke skete

Kilder: Makani, The Energy Kite, 2020; X, Makani; SkySails Power; Kitepower; Kitemill; Ampyx Power.

To forhold i denne tabel fortjener opmærksomhed. For det første var Makanis bedste ti-minutters gennemsnit en tredjedel af dens nominelle effekt, og kun omkring én løkke ud af fem producerede nettoenergi, de fleste af de andre var testmanøvrer, lette vinde og svæveflyvning. For det andet er de mest modne systemer i dag jordgenererede bløde drager på 100 til 200 kW, mere end ti gange mindre end en typisk landturbine, der sælges til steder, hvor en turbine er vanskelig at bygge: øer, fjerntliggende steder, midlertidig strøm. En gennemgang af to årtiers flyvning test når den samme afbalancerede synspunkt: kontrol har gjort slående fremskridt, og langvarig, fuldt autonom drift er stadig grænsen (Vermillion et al., 2021).

Hvad det koster

Der er ingen markedspris for luftbåren vindkraft endnu, kun fremskrivninger, så vær forsigtig med hvert tal her.

Mulighed	Omkostninger pr. kWh	Status for nummeret
Ny landvindmøllepark, uden tilskud	$0.027 to $0.073	Markedsdata, Lazard LCOE+ 2024
Ny offshore vindmøllepark	$0.074 to $0.139	Markedsdata, Lazard 2024
Gaspeak-anlæg	$0.110 to $0.228	Markedsdata, Lazard 2024
Tagsolar på en bygning, vores benchmark	$0.19 centralt beliggende	Vores Fan Wall model; kommerciel tagkonstruktion $0.09 to $0.20 i Lazard, 2026
SkySails KYO 450 kW, mål	under 10 cent	Producentens mål, endnu ikke leveret
Makani M600	Ikke offentliggjort endnu	Holdet skrev, at det er “uklart”, om et sådant system kan nå en LCOE konkurrencedygtig med konventionelle turbiner

Makanis rapport gør opmærksom på, at alle luftbårne vindmøller bør svare. For en landbaseret vindmøllepark udgør selve møllen mindre end halvdelen af energiomkostningerne. Veje, fundamenter, kabler, netforbindelse, installation, drift og finansiering udgør resten. Offshore, these “balance of system” costs are about 52% of the total (Makani, 2020). At spare 90% af tårnets stål reducerer derfor ikke prisen på elektricitet med 90%. For at slå landvind ved $0.03 to $0,07 skal en drage også matche en vindmølles høje tilgængelighed, dens 25-årige levetid og lave vedligeholdelse. I forhold til vores bygnings benchmark på $0,19 pr. kWh er barren lavere, men drager passer ikke på bygninger: de har brug for hundredvis af meter klart land eller hav.

Hvor det kan vinde, og hvor det ikke kan

Det kan vinde:

• Fjern- og ønet der kører på importeret diesel, ofte til flere gange fastlandets elpriser, hvor turbinerne er svære at sende og opstille og en containeriseret jordstation er let.
• Midlertidig strømforsyning: byggepladser, katastrofehjælp, militær- og forskningslejre, begivenheder, hvor en vindmølle ikke kan bygges i et par måneder.
• Dybt vand offshore, hvor en let flydende landstation i det lange løb kan koste langt mindre end en flydende turbine. Dette er den præmie, Makani og Shell testet i Norge, og det er stadig ubevist.
• Steder med stærk vind i luften, men svag vind i navhøjde, for eksempel over ujævnt terræn, hvor en kites højde er vigtigst.

Det kan ikke vinde:

• I byer eller på bygninger. Flyvekonvolutten er hundredvis af meter bred.
• Mod landvind på gode steder, i dag. Møller er modne, finansieringsdygtige og billige; en ny teknologi skal bevise tyve års pålidelighed, før långivere behandler den på samme måde.
• Tæt på lufthavne og travlt luftrum, eller hvor jorden under flyvebanen ikke kan holdes fri.

Hvad er bevist, plausibelt og spekulativt

Bevist: kraftloven for sidevindsflyvning (Loyd, 1980), bekræftet i mange flyveforsøg; at fastgjorte vinger kan generere elektricitet autonomt i timevis med pumpecyklusser og med rotorer om bord; at M600 producerede et bedste ti-minutters gennemsnit på 196 kW; at jordgenererede bløde drager på 100 til 200 kW kan startes, flyves og lande fra en station på størrelse med en container; at vindhastigheder og effekttæthed stiger med højden i gennemsnit.

Plausibelt: at landbaserede produktionssystemer på nogle få hundrede kilowatt kan opnå høj tilgængelighed på fjerntliggende steder; at materialeforbruget pr. kW er meget lavere end for turbiner; at offshore flydende drager kunne have brug for meget lettere platforme; at luftbårne systemer producerer flere timers nyttig output om året end en turbine på samme sted, fordi de når mere stabile vinde.

Spekulativ: en pris pr. kWh, der kan konkurrere med landvind; drager i megawattstørrelse; farme af mange drager, der flyver tæt sammen uden at forstyrre hinanden; tyve års levetid for drager, sejl og tromler; forsikrings- og certificeringsrammer, der kan sammenlignes med dem for vindmøller.

Åbne forskningsspørgsmål

• Hvor pålidelig kan Fuldstændig autonom start og landing Målt over tusindvis af cyklusser i vindstød?
• Hvad er det? Realt årligt energiudbytte af en enhed på et kendt sted, målt uafhængigt i et helt år, og hvordan sammenlignes det med en vindmølle ved siden af?
• Hvor længe holder sethers og stofdragter under cyklisk belastning og ultraviolet lys, og hvordan registreres slid før svigt?
• How closely can kites be spaced in a farm, and how much do they lose in each other’s wakes?
• Hvilke luftrumsregler giver mening for fastgjorte vinger, og hvordan skal drager oplyses og registreres af fly?
• Hvad gør drager til fugle og flagermus? Der er næsten ingen feltdata, og svaret kan være forskelligt for langsomme bløde drager og hurtige stive vinger.
• Kan offshore flydende jordstationer overleve storme til en pris, der slår flydende vindmøller?

Hvad en fungerende prototype ville kræve

Den gode nyhed for et lille hold er, at en pumpende drage kan testes i beskeden skala, og fysikken skalerer på en forudsigelig måde med vingestørrelsen.

Fase	Arbejde	Beslutningen det muliggør	Omkostninger	Tid
0. skrivebordsstudie	Loyd og cyklus model for målstedet, ved hjælp af åbne værktøjer og Makani’s offentliggjorte kode; vinddata på 100 til 500 m fra en lidar kampagne eller reanalyse	Er vindmølleparkens vind i højden det værd?	$10k to $30k	2 til 3 måneder
1. Kraftprøvning	En 10 til 20 m² kite på en lastcelle-instrumenteret sejl og spil, fløjet manuelt derefter med autopilot	Målt sejlbåndskraft og effektkurve mod Loyd	$30k to $80k	6 måneder
2. Arbejdsmodel	En 10 til 30 kW jordstation: tromle, motor-generator, effektelektronik, autopilot; logført energi ud og ind for hver cyklus	Nettomålt kWh pr. dag og automatiske cyklusser uden pilot	$150k to $400k	12 måneder
3. Pilot	En 100 kW-enhed på et fjernt eller midlertidigt sted, et helt års målt effekt og tilgængelighed med overvågning af dyrelivet	Faktisk årligt udbytte, omkostninger pr. kWh, vedligeholdelse	$1M to $3M	18 til 24 måneder

En fungerende model, for denne side, betyder fase 2: en jordstation, der kører komplette pumpecyklusser og sætter målt nettoenergi i et batteri eller nettet, med hver cyklus logget. En drage, der trækker hårdt i et reb, er endnu ikke et kraftværk.

Hvem vi har brug for

• Flight-control ingeniører med erfaring af autonome droner eller drager: start, landing og fejlhåndtering er det meste af arbejdet.
• Aerodynamikere til design af kite og vinge, herunder tether drag og fleksible strukturer.
• Power-elektronik og drev ingeniører for spil motor-generator, energilagring til reel-in fase og nettilslutning.
• Ingeniører inden for materialer til sejlbånd, tekstiler og træthedstest.
• Meteorologer med lidar erfaring til at måle vind fra 50 til 600 m.
• Luftfartsreguleringsspecialister til at sikre flyvetilladelser og luftrumsreservationer.
• Økologer til at designe fugle- og flagermusovervågning.
• Et værtswebsted: en ø, et fjerntliggende samfund, et stenbrud eller en stor gård med åbent land og støttende naboer.

Har du en bedre idé?

Nogle af fondens medlemmer har måske kontakter, der kunne høre et pitch for en stærk energiidé. For at blive pitchet, skal en idé have en fungerende, virkelighedsnær model, der rent faktisk producerer strøm, med dens output målt på et instrument, ikke hævdet. For en energidrage betyder det en jordstation, der selvstændigt gennemfører pumpecyklusser og logger den nettoenergi, den leverer. Papiridéer er også velkomne: Hvis fysikken og tallene er solide, kan vi offentliggøre dem her på hjemmesiden. Men at rejse kapital uden en fungerende model er meget vanskeligt, og intet her er et løfte om finansiering, afkast eller introduktioner.

Send din idé, eller dine flydata, gennem bidragsformular: det problem den løser, fysikkontrollen, den målte eller estimerede effekt, en grov pris pr. kWh og den billigste test, der kunne bevise at den er forkert. For andre retninger, se energi alternativer sammenlignet og vores egen åbne Fan Wall forskning.

Kilder

1. Loyd, M.L. (1980). Sidevindskraft (til vindmølleproduktion i stor skala). Journal of Energy 4(3), 106-111.
2. Makani Technologies (September 2020). Energidraget, del I: flyveteststatistikker, M600’s præstationsunderskud, FCW-01 offshore flyvningen og en analyse af energiomkostninger. Dele II og III.
3. X, måneskudsfabrikken. Makani: M600, Energy Kite Collection og lukningen i 2020.
4. Forskning i bæredygtighed og miljø. Vermillion, C., Cobb, M., Fagiano, L. (2021). Elektricitet i luften: indsigt fra to årtiers avanceret kontrolforskning og eksperimentelle flyvningstest af luftbårne vindkraftsystemer. Årlige anmeldelser i Control 52, 330-357.
5. Cherubini, A., Papini, A., Vertechy, R. og Fontana, M. (2015). Vindmølleparker: En gennemgang af de teknologier, der anvendes. Fornybar og bæredygtig energi anmeldelser 51, 1461-1476.
6. Archer, C.L. og Caldeira, K. (2009). Global vurdering af vindkraft i højtliggende områder. Energies 2(2), 307-319.
7. Miller, L.M., Gans, F. og Kleidon, A. (2011). Jetstrømsvindkraft som en vedvarende energikilde: lidt strøm, store konsekvenser. Jordens systemdynamik 2, 201-212.
8. SkySails Power. Nyheder, herunder SkyPower100 at Klixbüll (2022), Mauritius (2023) og Taiwan (2025); Venyo (PN-14) data.
9. Kitepower. Teknik og Falcon systemdata.
10. Kitemill. Virksomhedens hjemmeside.
11. Ampyx Power: virksomhedens historie og konkurs, 2022.
12. Lazard (June 2024). Levelized Cost of Energy+, version 17: landvind $27 to $73 pr. MWh, havvind $74 to $139, gaspeak $110 to $228. Juni 2026-udgaven giver det kommercielle tagsolsortiment, der bruges som vores benchmark.
13. The Local Solar System Foundation. The Fan Wall: open wind research, for solcelleanlæg på taget benchmark på $ 0,19 pr. kWh.
14. Haas, T., De Schutter, J., Diehl, M. og Meyers, J. (2022). Storhvirvelsimulering af luftbårne vindmølleparker. Danske Naturvidenskabernes Selskab 7, 1093-1135.