Cerfs-volants énergétiques: vent aérien

Regardez une éolienne moderne et la plupart de ce que vous voyez n’est pas la partie qui produit l’énergie. La tour, la fondation et la moitié intérieure des pales sont là pour maintenir les extrémités de lames en mouvement rapide dans le vent. Les pointes balayent la partie extérieure du rotor à des vitesses d’environ 80 mètres par seconde, et c’est là que l’essentiel de l’énergie est capté. L’énergie éolienne aérienne pose une question simple : et si nous ne gardions que la partie qui se déplace rapidement, que nous la laissions voler sur un câble et qu’on la laissait grimper là où le vent est plus fort ?

La photo ci-dessus est une réponse dessinée en lumière. Une lampe de traçage sur un cerf-volant Kitepower a enregistré un cycle complet la nuit: boucles serrées en forme de huit qui tirent le câble d’un tambour et tournent un générateur, puis un long retour calme pendant que l’aile est treuillée. Cette page explique comment cela fonctionne, ce qu’il a réalisé et pourquoi, après vingt ans d’efforts sérieux, aucun système éolien aérien n’a encore vendu de l’électricité à grande échelle. **La version courte: la physique est solide et les économies de matériaux sont réelles, mais garder une machine volante en sécurité et en état de marche pendant vingt ans, sans surveillance, par tous les temps, est le problème non résolu. Personne n’a publié une année de production mesurée indépendamment d’une unité commerciale. **

Ce qu’il est

Un système d’énergie éolienne aérienne se compose de trois parties : une aile qui vole, un câble qui la maintient et une station au sol. Il existe deux familles principales.

• Génération au sol, le cerf-volant “pomping” ou “yo-yo”. Le cerf-volant vole des boucles rapides de vent latéral qui tirent fort sur la corde. La sangle se déroule à partir d’un tambour au sol, et le tambour entraîne un générateur. Lorsque la corde est assez longue, le cerf-volant est dirigé vers une position où il tire très peu et est treuillé de nouveau, ce qui coûte une petite partie de l’énergie produite. SkySails Power, Kitepower et Kitemill utilisent tous ce principe, avec des cerfs-volants en tissu souple ou des planeurs rigides.
• Génération embarquée, la “turbine volante”. Une aile rigide porte de petits rotors. En vol par vent de travers, les rotors agissent comme des turbines et l’électricité est acheminée sur une corde conductrice. Pour le décollage et l’atterrissage, les mêmes rotors fonctionnent comme des hélices et l’aile plane comme un drone. C’était le projet de Makani.

Dans les deux cas, l’aile fait le travail d’une pointe de pale de turbine : elle se déplace à travers le vent beaucoup plus vite que le vent lui-même, et c’est de là que provient la puissance.

Comment ça marche

La puissance du vent. Le vent transporte une énergie à travers chaque mètre carré qui lui est face égale à ½ ρ v³, où ρ est la densité de l’air (environ 1,2 kg par mètre cube près du sol) et v est la vitesse du vent. Le cube compte : doublez la vitesse du vent et la puissance augmente de huit fois. A 7 m/s, un mètre carré transporte environ 210 W; à 10 m/s, environ 610 W.

Pourquoi la hauteur aide. Près du sol, le frottement avec le sol, les arbres et les bâtiments ralentit le vent. Une règle d’ingénierie commune dit que la vitesse augmente avec l’altitude comme v = v_ref × (h / h_ref)^α, où l’exposant α est d’environ 0,10 sur la mer ouverte, 0,14 sur les terres agricoles ouvertes et 0,25 ou plus sur les forêts et les villes. Prenez 7 m/s à un moyeu de 100 m. A 400 m, la règle donne 8,0 m/s au-dessus de la mer, 8,5 sur les terres agricoles et 9,9 sur le sol accidenté, donc la puissance par mètre carré est 1,5, 1,8 et 2,8 fois plus élevée. La règle est simple : à quelques centaines de mètres d’altitude, le vent se comporte souvent différemment, avec des jets bas la nuit et des couches plus calmes le jour. Pourtant, la direction est claire et des vents plus stables en hauteur devraient également signifier moins d’heures sans rien à récolter.

Pourquoi un cerf-volant peut attraper tant de choses. En 1980, l’ingénieur Miles Loyd a calculé la puissance qu’une aile attachée volant contre le vent pouvait extraire (Loyd, 1980). En termes simples, une aile volant dans le vent latéral atteint une vitesse d’environ deux tiers de la vitesse du vent multipliée par son rapport portance/traînée. Avec un rapport de levage/traînée de 5 dans un vent de 10 m/s, soit environ 33 m/s, soit 120 km/h; Kitepower cite une vitesse moyenne de vol de 110 km/h pour son cerf-volant (Kitepower). Parce que la force aérodynamique augmente avec le carré de cette vitesse, l’aile peut tirer beaucoup plus fort que sa taille ne le suggère. Le maximum de Loyd est

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

où A est la surface de l’aile, C_L son coefficient de portance et C_L / C_D son rapport portance/traînée. Le facteur après la puissance du vent, (4/27) × C_L × (C_L/C_D)², indique combien de mètres carrés de vent l’aile balaye effectivement pour chaque mètre carré de sa propre surface. Pour un cerf-volant souple avec un coefficient de portance de 1 et un rapport levage/traînée de 5, il est d’environ 3,7. Pour une aile rigide avec un rapport de portance-traînée du système proche de 9, y compris la traînée de l’attache, il pourrait être de 10 à 17. Un générateur au sol atteint cet optimum lorsque la sangle se déroule à un tiers de la vitesse du vent.

Les pertes que Loyd laisse de côté. Les vrais cerfs-volants ne volent pas directement sous le vent de la station au sol, ils volent à un angle d’élévation, typiquement 25 à 35 °. Seule la partie du vent le long de la corde tire sur elle, et la puissance diminue avec le cube du cosinus de cet angle : à 30° il ne reste que 65%. La sangle ajoute de la traînée, qui augmente avec sa longueur. Un cerf-volant à pompe passe une partie de chaque cycle en train d’être trempé; le système Kitepower passe environ 80% d’un cycle de 100 secondes générant jusqu’à 130 kW et 20% tirant environ 20 kW pour tirer le cerf-volant (Kitepower). Viennent ensuite les pertes habituelles du générateur, de la boîte de vitesses et du convertisseur, et la puissance dépensée pour maintenir l’aile en vol dans le vent léger.

Pourquoi le câble est tout l’histoire. La tour d’une turbine doit résister à la poussée totale du rotor comme un moment de flexion à sa base, c’est pourquoi les tours et les fondations sont massives. Une sangle ne porte que la tension, et les fibres telles que le polyéthylène à poids moléculaire ultra-élevé sont extraordinairement résistantes en tension pour leur poids. C’est la source de l’affirmation, répétée par plusieurs entreprises, que les systèmes aéroportés utilisent jusqu’à 90% moins de matériau qu’une turbine de même puissance. Il est plausible pour la machine elle-même; il n’a pas encore été démontré pour une centrale électrique entière, y compris l’espacement, les fondations de la station au sol et le raccordement au réseau.

Les limites: théoriques et pratiques

Théorique. La formule de Loyd est un plafond pour une aile idéale unique. Comme une turbine, un cerf-volant ralentit le vent qu’il récolte et les cerfs-volants volant près les uns des autres prennent de l’énergie les uns des autres. Il y a aussi une limite planétaire. Les courants à jets près de 10 km d’altitude semblent être une vaste ressource si vous appliquez ½ ρ v³ Une analyse du système terrestre a mis l’extraction maximale durable des courants à jets à environ 7,5 TW, quelque 200 fois moins que les estimations antérieures, avec de grands effets secondaires climatiques si jamais on s’en approchait (Miller, Gans et Kleidon, 2011). Personne ne propose de voler à 10 km aujourd’hui; les systèmes pratiques visent 200 à 700 m. The global high-altitude resource from 500 to 12,000 m was mapped from 28 years of weather data by Archer and Caldeira (2009).

Pratique. Les limites qui ont effectivement arrêté les projets ne sont pas dans la formule:

• Décollage et atterrissage. Une turbine ne décolle jamais. Un cerf-volant doit décoller dans un vent léger, atterrir dans une rafale et faire les deux des milliers de fois par an sans endommagement. Makani a perdu quatre avions en vol, trois d’entre eux pendant qu’il planait, pas pendant qu’il générait (Makani, 2020).
• Contrôle par tous les temps. Les orages, la turbulence, le givrage, l’éclairage et les calmes soudains nécessitent une réponse autonome. Une rupture de la corde ne doit jamais mettre un cerf-volant ou une ligne lourde dans un endroit dangereux.
• Espace aérien et terre. Un cerf-volant à 400 m sur une corde de 800 m balaye un grand volume. Les autorités aériennes doivent l’accepter et le terrain sous l’enveloppe de vol doit être maintenu à l’écart des personnes et des routes.
• Porter. Les cerfs-volants en tissu se dégradent au soleil, les attaches s’usent sur les tambours et les poulies, et un système doit survivre vingt ans pour rivaliser avec des turbines conçues pour vingt-cinq à trente.
• Taille. La puissance de Loyd varie avec la surface d’aile, et une grande aile est difficile à décoller et à atterrir. Le M600 de Makani avait une aile de 26 m (X); le plus grand cerf-volant annoncé par SkySails est de 450 m² pour un moteur de 450 kW. Un système aéroporté de 5 MW, de la taille d’une turbine terrestre moderne, est encore un dessin.

Projets réels, mesurés

Le domaine a été généreux avec les résultats et économe avec les données à long terme. Voici ce qui peut être vérifié.

Projet	Conception	Ce qu’il a accompli	Ce qui s’est passé
Makani M600 (États-Unis, Google X, 2006 à 2020)	Aile rigide de 600 kW, 8 rotors embarqués, 440 m de câble conducteur	28,9 h de vol autonome, 22,7 h de vent latéral; meilleure boucle 290 kW, meilleure moyenne sur dix minutes 196 kW dans un vent de 10 à 13 m/s; premier vol offshore depuis une plateforme flottante en Norvège, août 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 (Allemagne)	Cerfs-volants souples jusqu’à 180 m² sur un treuil au sol; jusqu’à 200 kW de puissance de cycle (PN-14, maintenant vendu sous le nom de Venyo)	Prototype à Klixbüll en exploitation depuis 2019 avec des cerfs-volants jusqu’à 120 m², le record de longueur pour un système aéroporté; un cerf-volant de 120 m² volant de 200 à 400 m sur une corde maximale de 800 m à Maurice dès janvier 2023; premier vol à Taiwan le 1er juillet 2025	Vente d’unités ; la société indique jusqu’à 760 MWh par an et par unité sur de bons sites, chiffre du fabricant, pas une mesure indépendante.Un modèle de 450 kW (KYO) est annoncé avec des premières livraisons attendues au second semestre 2028
Kitepower (Pays-Bas, de TU Delft)	100 m² soft kite, 350 m de corde, générateur au sol dans un conteneur de 6 m	Jusqu’à 130 kW en déroulement, environ 100 s par cycle; pilotes sur un chantier aux Pays-Bas, à Bellacorick en Irlande avec RWE et à Aruba	Commercialisé comme une source d’alimentation mobile et temporaire zéro émission, par exemple pour remplacer les groupes électrogènes diesel
Kitemill (Norvège)	Cerfs-volants rigides sur un treuil au sol	Site d’essai à Vanse, Lista, vol au-dessus de 350 m	Le développement se poursuit; pas de données publiques sur les résultats à long terme
Ampyx Power (Pays-Bas, 2008 à 2022)	Planeur autonome rigide sur treuil au sol; première production d’énergie entièrement autonome en 2012	Développement de prototypes jusqu’à l’AP-3	Suspension des paiements le 19 avril 2022, déclarée en faillite le 4 mai 2022 après qu’une ronde de financement prévue n’ait pas eu lieu

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

Deux faits de ce tableau méritent notre attention. Premièrement, la meilleure moyenne de dix minutes de Makani était un tiers de sa puissance nominale et seulement environ une boucle sur cinq produisait de l’énergie nette, la plupart des autres étant des manœuvres d’essai, des vents légers et en vol stationnaire. Deuxièmement, les systèmes les plus matures aujourd’hui sont des cerfs-volants souples de 100 à 200 kW, plus de dix fois plus petits qu’une turbine terrestre typique, vendus pour des endroits où une turbine est difficile à construire : îles, sites éloignés, énergie temporaire. Un examen de deux décennies d’essais en vol aboutit à la même vision équilibrée: le contrôle a fait des progrès frappants, et l’opération autonome de longue durée reste la frontière (Vermillion et al., 2021).

Ce que ça coûte

Il n’existe pas encore de prix du marché pour l’électricité éolienne aéroportée, seulement des projections, alors soyez prudent avec chaque chiffre ici.

Option	Coût par kWh	Statut du numéro
Nouveau parc éolien terrestre, non subventionné	$0.027 to $0.073	Données du marché, Lazard LCOE+ 2024
Nouveau parc éolien offshore	$0.074 to $0.139	Données de marché, Lazard 2024
Installation de crête de gaz	$0.110 to $0.228	Données de marché, Lazard 2024
Le solaire sur toit d’un bâtiment, notre référence	0,19 dollar central	Notre modèle Fan Wall; toit commercial $0.09 to $0.20 dans Lazard, 2026
SkySails KYO 450 kW, cible	Moins de 10 cents	Cible du fabricant, non encore livrée
Makani M600	Non publié	L’équipe a écrit qu’il est “pas clair” si un tel système peut atteindre un LCOE compétitif avec les turbines conventionnelles

Le rapport de Makani fait un point que chaque pitch de vent aérien devrait répondre. Pour un parc éolien terrestre, l’éolienne elle-même représente moins de la moitié du coût de l’énergie ; les routes, les fondations, les câbles, le raccordement au réseau, l’installation, l’exploitation et le financement font le reste. Offshore, ces coûts de « balance du système » représentent environ 52% du total (Makani, 2020). Économiser 90% de l’acier de la tour ne réduit donc pas le prix de l’électricité de 90%. Pour battre le vent terrestre à $0.03 to $0,07, un cerf-volant doit également correspondre à la haute disponibilité d’une turbine, sa durée de vie de 25 ans et son faible entretien. Par rapport à notre référence de construction de 0,19 $ par kWh la barre est plus basse, mais les cerfs-volants ne rentrent pas sur les bâtiments: ils ont besoin de centaines de mètres de terre ou de mer dégagée.

Où il peut gagner, et où il ne peut pas

Il peut gagner:

• Réseaux éloignés et insulaires qui fonctionnent au diesel importé, souvent à plusieurs fois le prix de l’électricité continentale, où les turbines sont difficiles à expédier et à monter et une station terrestre conteneurisée est facile.
• Alimentation temporaire: chantiers de construction, secours en cas de catastrophe, camps militaires et de recherche, événements où une turbine ne peut pas être construite pendant quelques mois.
• Eau profonde offshore, à long terme, où une station terrestre flottante légère pourrait coûter beaucoup moins cher qu’une turbine flottante. C’est le prix que Makani et Shell ont testé en Norvège, et il n’a toujours pas été prouvé.
• Sites avec des vents forts en hauteur mais faibles à la hauteur du moyeu, par exemple sur un terrain accidenté, où la hauteur d’un cerf-volant est le plus important.

Il ne peut pas gagner:

• Dans les villes ou sur les bâtiments. L’enveloppe de vol est large de centaines de mètres.
• Contre vent onshore sur de bons sites, aujourd’hui. Les turbines sont matures, bancables et peu coûteuses ; une nouvelle technologie doit prouver vingt ans de fiabilité avant que les prêteurs ne la traitent de la même manière.
• Près des aéroports et de l’espace aérien achalandé, ou lorsque le sol sous la trajectoire de vol ne peut être maintenu libre.

Ce qui est prouvé, plausible et spéculatif

Prové: la loi de puissance du vol en vent de travers (Loyd, 1980), confirmée dans de nombreux essais en vol; que les ailes attachées peuvent générer de l’électricité de manière autonome pendant des heures, avec des cycles de pompage et des rotors embarqués; que le M600 a produit une meilleure moyenne de dix minutes de 196 kW; que des cerfs-volants souples de 100 à 200 kW peuvent être lancés, volés et atterris depuis une station de taille conteneur; que la vitesse du vent et la densité de puissance augmentent en moyenne avec l’altitude.

Plausible: que les systèmes de production au sol de quelques centaines de kilowatts peuvent atteindre une grande disponibilité sur des sites éloignés; que l’utilisation de matériaux par kW est beaucoup plus faible que pour les turbines; que les cerfs-volants flottants en mer pourraient avoir besoin de plateformes beaucoup plus légères; que les systèmes aéroportés produisent plus d’heures de puissance utile par an qu’une turbine au même site parce qu’ils atteignent des vents plus stables.

Spéculatif: un coût par kWh concurrentiel avec l’éolien terrestre; cerfs-volants à l’échelle du mégawatt; fermes de nombreux cerfs-volants volant près les uns des autres sans interférer; durée de vie de vingt ans pour les cerfs-volants, les attaches et les tambours; cadres d’assurance et de certification comparables à ceux des turbines.

Questions de recherche ouvertes

• Comment fiable peut-il être Décollage et atterrissage entièrement autonomes Comment est-ce devenu, mesuré sur des milliers de cycles par temps raide?
• Qu’est-ce que le Rendement énergétique annuel réel Quelle est la puissance d’une unité sur un site connu, mesurée indépendamment pendant une année entière, et comment se compare-t-elle à celle d’une turbine située à côté?
• Combien de temps les ancrages et cerfs-volants en tissu durent-ils sous charge cyclique et lumière ultraviolette, et comment l’usure est-elle détectée avant la panne?
• Combien de cerfs-volants peuvent être espacés dans une ferme, et combien perdent-ils les uns dans le sillage des autres ?
• Quoi ? Règles de l ’ espace aérien Comment les cerfs-volants devraient-ils être éclairés et détectés par les avions?
• Que font les cerfs-volants aux oiseaux et aux chauves-souris ? Il n’y a presque pas de données sur le terrain, et la réponse peut différer pour les cerfs-volants mous lents et les ailes rigides rapides.
• Can Stations terrestres flottantes en mer Survivre aux tempêtes à un coût qui bat les turbines flottantes?

Ce dont un prototype fonctionnel aurait besoin

La bonne nouvelle pour une petite équipe est qu’un cerf-volant à pompe peut être testé à une échelle modeste, et la physique évolue de manière prévisible avec la surface des ailes.

Phase	Travail	Décision qu’il permet	Coût brut	Temps
0. Étude documentaire	Modèle de Loyd et de cycle pour le site cible, utilisant des outils ouverts et le code publié par Makani; données sur les vents à 100 à 500 m d’une campagne lidar ou réanalyse	Le vent en hauteur du site vaut-il la peine ?	$10k to $30k	2 à 3 mois
1. Essai de force	Un cerf-volant de 10 à 20 m² sur un treuil et une sangle équipés d’un capteur de force, piloté manuellement puis avec le pilote automatique	Force de fixation et courbe de puissance mesurées par rapport à Loyd	$30k to $80k	6 mois
2. Modèle de fonctionnement	Une station au sol de 10 à 30 kW: tambour, moteur-générateur, électronique de puissance, pilote automatique; énergie enregistrée pour chaque cycle	kWh nets mesurés par jour et cycles automatiques sans pilote	$150k to $400k	12 mois
3. Projet pilote	Une unité de 100 kW sur un site éloigné ou temporaire, une année entière de production et de disponibilité mesurée, avec surveillance de la faune	Rendement annuel réel, coût par kWh, entretien	$1M to $3M	18 à 24 mois

Un modèle de travail, pour cette page, signifie la phase 2: une station au sol qui exécute des cycles complets de pompage et met l’énergie nette mesurée dans une batterie ou le réseau, avec chaque cycle enregistré. Un cerf-volant tirant fort sur une corde n’est pas encore une centrale électrique.

De qui nous avons besoin

• Ingénieurs du contrôle de vol Avec de l’expérience des drones autonomes ou cerfs-volants: le décollage, l’atterrissage et la gestion des pannes sont la plupart du travail.
• Aérodynamiciens pour la conception de cerfs-volants et d’ailes, y compris la traînée des attaches et les structures flexibles.
• Ingénieurs en électronique de puissance et en entraînement pour le moteur-générateur du treuil, stockage d’énergie pour la phase de bobinage et raccordement au réseau.
• Ingénieurs en matériaux Pour les attaches, les tissus et les essais de fatigue.
• Météorologues Avec l’expérience du lidar pour mesurer les vents de 50 à 600 m.
• Spécialistes de la réglementation aéronautique pour obtenir des autorisations de vol et réserver l’espace aérien.
• Ecologists Pour concevoir la surveillance des oiseaux et des chauves-souris.
• Un site d’accueil: une île, une communauté éloignée, une carrière ou une grande ferme avec des terres ouvertes et des voisins solidaires.

Vous avez une meilleure idée ?

Certains membres de la Fondation peuvent avoir des contacts qui pourraient entendre un pitch pour une idée énergétique forte. Pour être pitchée, une idée a besoin d’un Un modèle de travail, réel qui produit réellement de l’énergie, dont la puissance est mesurée sur un instrument non revendiqué. Pour un cerf-volant énergétique, cela signifie une station au sol qui complète les cycles de pompage par elle-même et enregistre l’énergie nette qu’elle fournit. Les idées papier sont les bienvenues aussi : si la physique et les chiffres sont solides, nous pouvons les publier ici sur le site. Mais lever des capitaux sans un modèle fonctionnel est très difficile, et rien ici n’est une promesse de financement, de rendements ou d’introductions.

Envoyez votre idée, ou vos données de vol, via le formulaire ci-dessous. Formulaire de contribution: le problème qu’il résout, la vérification physique, la puissance mesurée ou estimée, un coût approximatif par kWh et le test le moins cher qui pourrait prouver qu’il a tort. Pour d’autres directions, voir les alternatives énergétiques comparées et notre propre recherche ouverte sur Fan Wall.

Sources

1. Loyd, M.L. (1980). Puissance de cerf-volant à vent latéral (pour la production d’énergie éolienne à grande échelle). Journal of Energy 4(3), 106-111.
2. Makani Technologies (septembre 2020). Le cerf-volant énergétique, partie I: statistiques des essais en vol, le déficit de performance du M600, le vol offshore FCW-01 et une analyse du coût de l’énergie. Parties II et III.
3. X, l’usine de tirs lunaires. Makani: le M600, la Collection Cerf-Volant Energy et la fermeture en 2020.
4. Vermillion, C., Cobb, M., Fagiano, L., Leuthold, R. et al. (2021). L’électricité dans les airs : le constat de deux décennies de recherche avancée en matière de contrôle et d’essais expérimentaux en vol de systèmes éoliens aéroportés. Annual Reviews in Control 52, 330-357.
5. Cherubini, A., Papini, A., Vertechy, R. et Fontana, M. (2015). Systèmes d’énergie éolienne aéroportés : un examen des technologies. Revue des énergies renouvelables et durables 51, 1461-1476.
6. Archer, C.L. et Caldeira, K. (2009). Évaluation mondiale de l’énergie éolienne en haute altitude. Energies 2(2), 307-319.
7. Miller, L.M., Gans, F. et Kleidon, A. (2011). L’énergie éolienne à courants de jets comme source d’énergie renouvelable : peu de puissance, grands impacts. Earth System Dynamics 2, 201-212.
8. SkySails Power. Nouvelles, y compris SkyPower100 à Klixbüll (2022), Maurice (2023) et Taiwan (2025); Données Venyo (PN-14).
9. Kitepower. Technologie et données du système Falcon.
10. Kitemill. Site de l’entreprise.
11. Ampyx Power: données de l’entreprise, 2022.
12. Lazard (juin 2024). Coût de l’énergie nivelé+, version 17: vent terrestre $27 to $73 par MWh, vent offshore $74 to $139, pic gazier $110 to $228. L’édition de juin 2026 donne la gamme solaire commerciale sur toit utilisée comme notre référence.
13. Local Solar System Fondation. Le mur éventail: recherche sur le vent à ciel ouvert, pour la référence solaire de toit de 0,19 $ par kWh.