Cometas energéticas: viento en el aire

Mire un aerogenerador moderno y la mayor parte de lo que ve no es la parte que produce energía. La torre, la base y la mitad interna de las palas están ahí para sostener las puntas de las palas en rápido movimiento hacia arriba en el viento. Las puntas barre la parte exterior del rotor a velocidades de alrededor de 80 metros por segundo, y es ahí donde se captura la mayor parte de la energía. La energía eólica aérea plantea una pregunta simple: ¿qué pasaría si solo nos quedáramos con la parte de movimiento rápido, la voláramos en un cable y la dejáramos subir hasta donde el viento es más fuerte?

La foto de arriba es una respuesta dibujado en la luz. Una lámpara de seguimiento en una cometa Kitepower registró un ciclo completo por la noche: bucles apretados de ocho que tiran del eslabón de un tambor y giran un generador, luego un largo y tranquilo retorno mientras la cometa es arrollada hacia atrás. Esta página explica cómo funciona, lo que ha logrado y por qué, después de veinte años de esfuerzo serio, ningún sistema eólico aéreo ha vendido electricidad a escala. La versión corta: la física es sólida y el ahorro de materiales es real, pero mantener una máquina voladora segura y funcionando durante veinte años, sin supervisión, en todo tipo de clima, es el problema no resuelto. Nadie ha publicado un año de producción medida independientemente por una unidad comercial.

Qué es el ADN

Un sistema de energía eólica aérea tiene tres partes: un ala que vuela, una cuerda que lo sostiene y una estación terrestre. Hay dos familias principales.

• Generación de tierra, la cometa “pumping” o “yo-yo”. La cometa vuela rápidos bucles de viento cruzado que tiran fuerte del tether. La cuerda se desenrolla de un tambor en el suelo, y el tambor impulsa un generador. Cuando el cable es lo suficientemente largo, la cometa se dirige a una posición donde tira muy poco y se vuelve a cabrestar, lo que cuesta una pequeña parte de la energía producida. SkySails Power, Kitepower y Kitemill utilizan este principio, con cometas de tela blanda o planeadores rígidos.
• Generación a bordo, la “turbina voladora”. Un ala rígida lleva pequeños rotores. En vuelo con viento lateral los rotores actúan como turbinas, y la electricidad corre por un cable conductor. Para el despegue y aterrizaje funcionan los mismos rotores que las hélices y el ala se mueve como un dron. Este fue el diseño de Makani.

En ambos casos, el ala hace el trabajo de la punta de una pala de turbina: se mueve a través del viento mucho más rápido que el propio viento, y es de ahí de donde proviene la energía.

¿Cómo funciona?

La potencia del viento. El viento transporta energía a través de cada metro cuadrado que se le enfrenta igual a ½ ρ v³, donde ρ es la densidad del aire (aproximadamente 1,2 kg por metro cúbico cerca del suelo) y v es la velocidad del viento. El cubo importa: duplica la velocidad del viento y la potencia se multiplica por ocho. A 7 m/s un metro cuadrado transporta unos 210 W; a 10 m/s, unos 610 W.

Por qué la altura ayuda. Cerca del suelo, la fricción con el terreno, los árboles y los edificios ralentiza el viento. Una regla común de ingeniería dice que la velocidad crece con la altura como v = v_ref × (h / h_ref)^α, donde el exponente α es de aproximadamente 0.10 sobre mar abierto, 0.14 sobre tierras de cultivo abiertas y 0.25 o más sobre bosques y ciudades. Tome 7 m/s en un eje de 100 m. A 400 m la regla da 8,0 m/s sobre el mar, 8,5 sobre tierras agrícolas y 9,9 sobre terreno áspero, por lo que la potencia por metro cuadrado es 1,5, 1,8 y 2,8 veces mayor. La regla es aproximada: a unos pocos cientos de metros el viento se comporta a menudo de manera diferente, con chorros de baja altura por la noche y capas más tranquilas durante el día. Aún así, la dirección es clara, y vientos más estables en altura también deberían significar menos horas sin nada que cosechar.

Por qué una cometa puede atrapar tanto. En 1980, el ingeniero Miles Loyd calculó cuánta energía puede extraer una ala atada volando contra el viento (Loyd, 1980). En lenguaje sencillo: una ala volando con viento lateral alcanza una velocidad de aproximadamente dos tercios de la velocidad del viento multiplicada por su relación elevación-resistencia. Con una relación de elevación a arrastre de 5 en un viento de 10 m/s, que es de unos 33 m/s, o 120 km/h; Kitepower cita una velocidad media de vuelo de 110 km/h para su cometa (Kitepower). Debido a que la fuerza aerodinámica crece con el cuadrado de esa velocidad, el ala puede tirar mucho más fuerte de lo que su tamaño sugiere. El máximo de Loyd es

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

donde A es el área del ala, C_L su coeficiente de elevación y C_L / C_D su relación de elevación a resistencia. El factor después de la potencia del viento, (4/27) × C_L × (C_L/C_D)², dice cuántos metros cuadrados de viento barre efectivamente la vela por cada metro cuadrado de su propia área. Para una cometa blanda con un coeficiente de elevación de 1 y una relación de elevación a arrastre de 5 es de alrededor de 3,7. Para una vela rígida con un sistema de elevación-a-resistencia cercano a 9, incluyendo la resistencia del eslabón, podría ser de 10 a 17. Un generador de tierra alcanza este óptimo cuando el cable se desenrolla a un tercio de la velocidad del viento.

Las pérdidas que Loyd deja fuera. Las cometas reales no vuelan directamente bajo el viento de la estación terrestre, sino que vuelan en un ángulo de elevación, típicamente de 25 a 35°. Solo la parte del viento a lo largo de la cuerda tira de ella, y la potencia cae con el cúbito del coseno de ese ángulo: a 30° solo queda el 65%. El eslabón añade resistencia, que crece con su longitud. Una cometa de bombeo pasa parte de cada ciclo siendo arrollada; el sistema de Kitepower gasta alrededor del 80% de un ciclo de 100 segundos generando hasta 130 kW y el 20% extrayendo unos 20 kW para tirar de la cometa hacia atrás (Kitepower). Luego vienen las pérdidas habituales del generador, caja de cambios y convertidor, y la energía gastada para mantener la vela volando en viento ligero.

Por qué el lazo es toda la historia. La torre de una turbina debe soportar el empuje total del rotor como un momento de flexión en su base, por lo que las torres y cimientos son masivos. Un cordón solo lleva tensión, y las fibras como el polietileno de peso molecular ultra alto son extraordinariamente fuertes en tensión para su peso. De ahí la afirmación, repetida por varias empresas, de que los sistemas aerotransportados utilizan hasta un 90% menos de material que una turbina del mismo rango. Es plausible para la máquina en sí; todavía no se ha demostrado para una central eléctrica completa, incluyendo el espaciado, las bases de la estación terrestre y la conexión a la red.

Los límites: teóricos y prácticos

Teórico. La fórmula de Loyd es un techo para una sola ala ideal. Como una turbina, una cometa ralentiza el viento que recoge, y las cometas voladas juntas toman energía entre sí, por lo que una granja necesita espacio. También hay un límite planetario. Las corrientes en chorro cerca de 10 km de altitud parecen un vasto recurso si se aplica ½ ρ v³ Un análisis del sistema de la Tierra puso la extracción máxima sostenible de las corrientes en chorro en alrededor de 7.5 TW, unas 200 veces menos que estimaciones anteriores, con grandes efectos secundarios climáticos si alguna vez se acercara (Miller, Gans y Kleidon, 2011). Nadie propone volar a 10 km hoy en día; los sistemas prácticos apuntan a 200 a 700 m. El recurso global de alta altitud de 500 a 12.000 m fue mapeado a partir de 28 años de datos meteorológicos por Archer y Caldeira (2009).

Práctico. Los límites que han detenido los proyectos no están en la fórmula:

• Despegue y aterrizaje. Una turbina nunca despega. Una cometa debe despegar con viento ligero, aterrizar en una ráfaga y hacer ambas cosas miles de veces al año sin daños. Makani perdió cuatro fuselajes en vuelo, tres de ellos mientras se encontraba flotando, no mientras generaba (Makani, 2020).
• Control en todo tipo de condiciones meteorológicas. Tormentas, turbulencias, heladas, rayos y calmas repentinas necesitan una respuesta autónoma. Una rotura de la cuerda nunca debe poner una cometa o una línea pesada en algún lugar peligroso.
• Espacio aéreo y tierra. Una cometa a 400 m en un cable de 800 m barre un gran volumen. Las autoridades de aviación deben aceptarlo, y la tierra debajo del sobre de vuelo debe mantenerse libre de personas y carreteras.
• Desgaste. Las cometas de tela se degradan a la luz del sol, los eslabones se desgastan en los tambores y las poleas, y un sistema debe sobrevivir veinte años para competir con turbinas diseñadas para veinticinco o treinta.
• Tamaño. La potencia de Loyd escala con el área del ala, y un ala grande es difícil de lanzar y aterrizar. El M600 de Makani tenía un ala de 26 m (XLa cometa más grande anunciada por SkySails es de 450 m² para una unidad de 450 kW. Un sistema aéreo de 5 MW, del tamaño de una moderna turbina terrestre, sigue siendo un dibujo.

Proyectos reales, medidos

El campo ha sido generoso con los resultados y escaso con los datos a largo plazo. Aquí está lo que se puede comprobar.

Proyecto	Diseño	Lo que logró	Lo que pasó
Makani M600 (EE.UU., Google X, 2006 a 2020)	Ala rígida de 600 kW, 8 rotores a bordo, 440 m de cable conductor	28,9 h de vuelo autónomo, 22,7 h de viento cruzado; mejor bucle 290 kW, mejor promedio de diez minutos 196 kW en 10 a 13 m/s de viento; primer vuelo marítimo desde una plataforma flotante en Noruega, agosto 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 (Alemania)	Cometas blandas de hasta 180 m² en un cabrestante de tierra; hasta 200 kW de potencia de ciclo (PN-14, ahora vendido como Venyo)	Prototipo en Klixbüll operando desde 2019 con cometas de hasta 120 m², el récord más largo de cualquier sistema aéreo; una cometa de 120 m² volando entre 200 y 400 m sobre un tether máximo de 800 m en Mauricio desde enero de 2023; primer vuelo en Taiwán el 1 de julio de 2025	Venta de unidades; la compañía cita hasta 760 MWh al año por unidad en buenos sitios, una cifra del fabricante, no una medición independiente.Se anuncia un modelo de 450 kW (KYO) con primeras entregas previstas para el segundo semestre de 2028
Kitepower (Países Bajos, de TU Delft)	100 m² de cometa blanda, 350 m de amarre, generador en tierra en un contenedor de 6 m	Hasta 130 kW durante el desenrollado, unos 100 s por ciclo; pruebas piloto en una obra de construcción en los Países Bajos, en Bellacorick (Irlanda) con RWE y en Aruba	Comercializado como energía móvil temporal sin emisiones, por ejemplo para reemplazar generadores diésel
Kitemill (Noruega)	Cometas rígidas sobre un torno de tierra	Sitio de pruebas en Vanse, Lista, volando por encima de 350 m	El desarrollo continúa; no hay datos públicos de resultados a largo plazo
Ampyx Power (Países Bajos, 2008 a 2022)	Planador autónomo rígido sobre un cabrestante de tierra; primera producción de energía totalmente autónoma en 2012	Desarrollo de prototipos hasta el AP-3	Suspensión de pagos 19 de abril de 2022, declarada en quiebra el 4 de mayo de 2022 después de que no se produjera una ronda de financiación prevista

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

Dos hechos en esa tabla merecen atención. Primero, el mejor promedio de diez minutos del Makani era un tercio de su potencia nominal, y solo alrededor de un bucle en cinco produjo energía neta, la mayoría de los otros eran maniobras de prueba, vientos ligeros y flotación. En segundo lugar, los sistemas más maduros hoy en día son cometas blandas de generación terrestre de 100 a 200 kW, más de diez veces más pequeñas que una turbina típica en tierra, vendidas para lugares donde es difícil construir una turbina: islas, sitios remotos, energía temporal. Una revisión de dos décadas de pruebas en vuelo llega a la misma visión equilibrada: el control ha hecho un progreso sorprendente, y la operación totalmente autónoma de larga duración sigue siendo la frontera (Vermillion et al., 2021).

Lo que cuesta

No hay precio de mercado para la electricidad eólica aérea todavía, solo proyecciones, así que tenga cuidado con cada número aquí.

Opción	Coste por kWh	Estado del número
Nuevo parque eólico terrestre, no subvencionado	$0.027 to $0.073	Datos de mercado, Lazard LCOE+ 2024
Nuevo parque eólico marino	$0.074 to $0.139	Datos de mercado, Lazard 2024
Planta de pico de gas	$0.110 to $0.228	Datos de mercado, Lazard 2024
Solar en cubierta de un edificio, nuestro punto de referencia	$0.19 central	Nuestro modelo de pared de ventilador; azotea comercial $0.09 to $0.20 en Lazard, 2026
SkySails KYO 450 kW, objetivo	por debajo de 10 centavos	Meta del fabricante, aún no entregada
Makani M600	No publicado	El equipo escribió que no está “claro” si dicho sistema puede alcanzar un LCOE competitivo con las turbinas convencionales

El informe de Makani hace un punto que todo pitcheo de viento aéreo debería responder. Para un parque eólico terrestre, la turbina en sí es menos de la mitad del costo de la energía; las carreteras, los cimientos, los cables, la conexión a la red, la instalación, la operación y las finanzas componen el resto. En el offshore, estos costes de “equilibrio del sistema” son alrededor del 52% del total (Makani, 2020). Por lo tanto, ahorrar el 90% del acero de la torre no reduce el precio de la electricidad en un 90%. Para superar el viento en tierra a $0.03 to $0.07, una cometa también debe coincidir con la alta disponibilidad de una turbina, su vida útil de diseño de 25 años y su bajo mantenimiento. En comparación con nuestro punto de referencia para edificios de $0.19 por kWh, el listón es más bajo, pero las cometas no caben en los edificios: necesitan cientos de metros de tierra o mar despejado.

Donde puede ganar, y donde no puede

Puede ganar:

• Redes remotas e insulares que funcionan con diesel importado, a menudo a precios de electricidad varias veces superiores a los del continente, donde las turbinas son difíciles de transportar y montar y una estación terrestre en contenedor es fácil.
• Potencia temporal: sitios de construcción, ayuda en casos de desastre, campamentos militares y de investigación, eventos, donde una turbina no se puede construir durante unos meses.
• Aguas profundas en alta mar, a largo plazo, donde una estación terrestre flotante ligera podría costar mucho menos que una turbina flotante. Este es el premio Makani y Shell probado en Noruega, y todavía no está demostrado.
• Sitios con vientos fuertes en lo alto pero débiles a la altura del eje, por ejemplo sobre terreno accidentado, donde la altura de una cometa es lo más importante.

No puede ganar:

• En ciudades o en edificios. El área de vuelo es de cientos de metros de ancho.
• Contra viento de tierra en buenos sitios, hoy. Las turbinas son maduras, bancarias y baratas; una nueva tecnología tiene que demostrar veinte años de fiabilidad antes de que los prestamistas la traten de la misma manera.
• Cerca de aeropuertos y espacio aéreo concurrido, o cuando no se pueda mantener libre la tierra debajo de la trayectoria de vuelo.

Lo que está probado, plausible y especulativo

Probado: la ley de potencia del vuelo con viento cruzado (Loyd, 1980), confirmada en muchas pruebas de vuelo; que las alas atadas pueden generar electricidad de forma autónoma durante horas, con ciclos de bombeo y con rotores a bordo; que el M600 produjo un mejor promedio de diez minutos de 196 kW; que cometas blandas de generación terrestre de 100 a 200 kW pueden ser lanzadas, voladas y aterrizadas desde una estación del tamaño de un contenedor; que las velocidades del viento y las densidades de potencia aumentan con la altura en promedio.

Plausible: que los sistemas de generación terrestre de unos pocos cientos de kilovatios pueden alcanzar una alta disponibilidad en sitios remotos; que el uso de material por kW es mucho menor que para las turbinas; que las cometas flotantes offshore podrían necesitar plataformas mucho más ligeras; que los sistemas aéreos producen más horas de producción útil al año que una turbina en el mismo sitio porque alcanzan vientos más estables.

Especulativo: Un costo por kWh competitivo con el viento terrestre; cometas a escala de megavatios; granjas de muchas cometas volando cerca unas de otras sin interferir; veinte años de vida útil para las cometas, los anzuelos y los tambores; marcos de seguros y certificación comparables a los de las turbinas.

Preguntas de investigación abiertas

• ¿Qué tan confiable puede ser? Despegue y aterrizaje totalmente autónomos ¿Cuánto se vuelve, medido sobre miles de ciclos en tiempo de ráfaga?
• ¿Cuál es el Rendimiento energético anual real ¿Cuál es el consumo de energía de una unidad en un sitio conocido, medido independientemente durante un año completo, y cómo se compara con una turbina al lado?
• ¿Cuánto tiempo duran los tethers y las cometas de tela bajo carga cíclica y luz ultravioleta, y cómo se detecta el desgaste antes del fallo?
• ¿Qué tan cerca pueden estar las cometas? Espaciado en una granja, y ¿cuánto pierden en el camino del otro?
• ¿Qué? normas del espacio aéreo ¿Qué significan las alas atadas y cómo deberían ser iluminadas y detectadas por los aviones?
• ¿Qué hacen las cometas para Aves y murciélagos? No hay casi ningún dato de campo, y la respuesta puede ser diferente para cometas blandas lentas y alas rígidas rápidas.
• Can Estaciones terrestres flotantes ¿Pueden las turbinas flotantes sobrevivir a las tormentas a un costo que supera al de las turbinas?

Lo que necesitaría un prototipo de trabajo

La buena noticia para un equipo pequeño es que una cometa de bombeo puede ser probada a escala modesta, y la física se escala de manera predecible con el área del ala.

Fase	Trabajo	Decisión que permite	Costo aproximado	Tiempo
0. Estudio documental	Modelo de Loyd y ciclo para el sitio objetivo, utilizando herramientas abiertas y código publicado por Makani; datos de viento a 100 a 500 m de una campaña de lidar o reanálisis	¿Vale la pena el viento del sitio en altura?	$10k to $30k	2 a 3 meses
1. Prueba de fuerza	Una cometa de 10 a 20 m² en un cable y cabrestante con celda de carga, volado manualmente y luego con piloto automático	Fuerza de amarre medida y curva de potencia contra Loyd	$30k to $80k	6 meses
2. Modelo de trabajo	Una estación terrestre de 10 a 30 kW: tambor, motor-generador, electrónica de potencia, piloto automático; energía registrada en salida y entrada para cada ciclo	kWh medidos netos por día y ciclos automáticos sin piloto	$150k to $400k	12 meses
3. Pilot	Una unidad de clase 100 kW en un sitio remoto o temporal, un año completo de producción y disponibilidad medidas, con monitoreo de la vida silvestre	Rendimiento anual real, coste por kWh, mantenimiento	$1M to $3M	18 a 24 meses

A Modelo de trabajo, para esta página, significa fase 2: una estación terrestre que ejecuta ciclos completos de bombeo y pone energía neta medida en una batería o la red, con cada ciclo registrado. Una cometa tirando fuerte de una cuerda no es todavía una central eléctrica.

A quién necesitamos

• Ingenieros de control de vuelo Con experiencia en drones o cometas autónomos: el despegue, aterrizaje y manejo de fallos son la mayor parte del trabajo.
• Aerodinámicos Para el diseño de cometas y velas, incluyendo arrastre de amarre y estructuras flexibles.
• Ingenieros de electrónica de potencia y accionamiento Para el motor-generador del cabrestante, almacenamiento de energía para la fase de enrollamiento y conexión a la red.
• Ingenieros de materiales Para amarres, telas y pruebas de fatiga.
• Meteorólogos Con experiencia en lidar para medir vientos de 50 a 600 m.
• Especialistas en reglamentación de la aviación para obtener permisos de vuelo y reservas de espacio aéreo.
• Ecologists Diseñar monitoreo de aves y murciélagos.
• Un sitio de host: una isla, una comunidad remota, una cantera o una granja grande con tierras abiertas y vecinos solidarios.

¿Tiene una mejor idea?

Algunos miembros de la Fundación pueden tener contactos que podrían escuchar un pitch para una idea de energía fuerte. Para ser lanzada, una idea necesita un Un modelo de trabajo, real que realmente produce energía, con su salida medida en un instrumento, no reclamado. Para una cometa energética, eso significa una estación terrestre que completa los ciclos de bombeo por sí misma y registra la energía neta que entrega. Las ideas en papel también son bienvenidas: si la física y los números son sólidos, podemos publicarlas aquí en el sitio web. Pero recaudar capital sin un modelo de trabajo es muy difícil, y nada aquí es una promesa de financiamiento, retornos o introducciones.

Envía tu idea, o tus datos de vuelo, a través del formulario de contribución: el problema que resuelve, la comprobación física, la potencia medida o estimada, un coste aproximado por kWh y la prueba más barata que podría probarlo. Para otras direcciones, vea las alternativas de energía comparadas y nuestra propia investigación abierta Fan Wall.

Fuentes

1. Loyd, M.L. (1980). Potencia de viento cruzado (para la producción de energía eólica a gran escala). Journal of Energy 4(3), 106-111.
2. Makani Technologies (septiembre 2020). La cometa de energía, Parte I: estadísticas de pruebas en vuelo, el déficit de rendimiento del M600, el vuelo offshore FCW-01 y un análisis de costos energéticos. Partes II y III.
3. X, la fábrica de lanzamientos lunares. Makani: el M600, la colección Energy Kite y el cierre en 2020.
4. Vermillion, C., Cobb, M., Fagiano, L., Leuthold, R. y otros (2021). Electricidad en el aire: perspectivas de dos décadas de investigación avanzada de control y pruebas experimentales de vuelo de sistemas de energía eólica aéreos. Reseñas Anuales en Control 52, 330-357.
5. Cherubini, A., Papini, A., Vertechy, R. y Fontana, M. (2015). Sistemas de energía eólica aérea: una revisión de las tecnologías. Reseñas de Energía Renovable y Sostenible 51, 1461-1476.
6. Archer, C.L. y Caldeira, K. (2009). Evaluación global de la energía eólica a gran altitud. Energies 2(2), 307-319.
7. Miller, L.M., Gans, F. y Kleidon, A. (2011). La energía eólica de corrientes en chorro como recurso energético renovable: poca potencia, grandes impactos. Dinámica del Sistema Terrestre 2, 201-212.
8. SkySails Power. Noticias, incluyendo SkyPower100 en Klixbüll (2022), Mauricio (2023) y Taiwán (2025); Datos de Venyo (PN-14).
9. Kitepower. Tecnología y datos del sistema Falcon.
10. Kitemill. Sitio de la empresa.
11. Ampyx Power: historia de la empresa y bancarrota, 2022.
12. Lazard (junio de 2024). Costo de Energía Nivelado+, versión 17: viento de tierra $27 to $73 por MWh, eólica marina $74 to $139, pico de gas $110 to $228. La edición de junio de 2026 da la gama solar comercial en el techo utilizada como nuestro punto de referencia.
13. Local Solar System Fundación. The Fan Wall: investigación de viento abierto, para el punto de referencia solar en techo de $ 0.19 por kWh.