Kite energetici: vento in volo

Guardate una moderna turbina eolica e la maggior parte di ciò che vedete non è la parte che produce energia. La torre, la fondazione e la metà interna delle pale sono lì per tenere le punte delle lame in rapido movimento nel vento. Le punte spazzano la parte esterna del rotore a velocità di circa 80 metri al secondo, ed è lì che viene catturata la maggior parte dell’energia. L’energia eolica aerea pone una semplice domanda: cosa succederebbe se tenessimo solo la parte in movimento veloce, la facessimo volare su un filo e la lasciassimo salire dove il vento è più forte?

La foto qui sopra è una risposta disegnata in luce. Una lampada di tracciamento su un kite Kitepower ha registrato un ciclo completo durante la notte: stretti anelli a forma di otto che tirano il tether da un tamburo e fanno girare un generatore, poi un lungo ritorno calmo mentre l’aquilone viene arrotolato indietro. Questa pagina spiega come funziona, cosa ha raggiunto e perché, dopo vent’anni di sforzi seri, nessun sistema eolico aereo ha ancora venduto elettricità su scala. **La versione breve: la fisica è solida e il risparmio di materiali è reale, ma mantenere una macchina volante sicura e funzionante per venti anni, incustodito, in tutte le condizioni atmosferiche, è il problema irrisolto. Nessuno ha mai pubblicato un anno di produzione misurata in modo indipendente da un’unità commerciale. **

Che cos’è

Un sistema di energia eolica aereo ha tre parti: un’ala che vola, una corda che lo tiene e una stazione di terra. Ci sono due famiglie principali.

• Generazione a terra, il kite “pumping” o “yo-yo”. Il kite vola velocemente in anelli di vento trasversale che tirano duramente sulla corda. Il tether si svolge da un tamburo sul terreno, e il tamburo aziona un generatore. Quando la corda è abbastanza lunga, il kite viene guidato in una posizione dove tira molto poco e viene riportato all’argano, che costa una piccola parte dell’energia prodotta. SkySails Power, Kitepower e Kitemill utilizzano tutti questo principio, con aquiloni in tessuto morbido o alianti rigidi.
• Generazione a bordo, la “turbina volante”. Un’ala rigida trasporta piccoli rotori. Nel volo a vento trasversale i rotori agiscono come turbine, e l’elettricità scorre lungo un filo conduttore. Per il decollo e l’atterraggio gli stessi rotori funzionano come le eliche e l’ala si libra come un drone. Questo era il disegno di Makani.

In entrambi i casi, l’ala svolge il ruolo di punta della pala di una turbina: si muove attraverso il vento molto più velocemente del vento stesso, e da qui proviene la potenza.

Ecco come funziona

La potenza del vento. Il vento trasporta una potenza attraverso ogni metro quadrato di fronte a sé pari a ½ ρ v³, dove ρ è la densità dell’aria (circa 1,2 kg per metro cubo vicino al suolo) e v è la velocità del vento. Il cubo conta: raddoppiando la velocità del vento, la potenza aumenta di otto volte. A 7 m/s un metro quadrato trasporta circa 210 W; a 10 m/s, circa 610 W.

Perché l’altezza aiuta. Vicino al suolo, l’attrito con il terreno, gli alberi e gli edifici rallenta il vento. Una regola comune di ingegneria dice che la velocità cresce con l’altezza come v = v_ref × (h / h_ref)^α, dove l’esponente α è di circa 0.10 in mare aperto, 0.14 su terreni agricoli aperti e 0.25 o più su foreste e città. Prendiamo 7 m/s ad un mozzo di 100 m. A 400 m la regola dà 8,0 m/s sul mare, 8,5 sui terreni agricoli e 9,9 su terreno irregolare, quindi la potenza per metro quadrato è 1,5, 1,8 e 2,8 volte superiore. La regola è semplice: a poche centinaia di metri di altezza il vento si comporta spesso in modo diverso, con getti bassi di notte e strati più calmi di giorno. Tuttavia, la direzione è chiara e venti più costanti in quota dovrebbero anche significare meno ore senza nulla da raccogliere.

Perché un aquilone può catturare così tanto. Nel 1980 l’ingegnere Miles Loyd calcolò quanta potenza poteva estrarre un’ala legata che volava contro il vento (Loyd, 1980). In parole povere: un’ala che vola con vento trasversale raggiunge una velocità di circa due terzi della velocità del vento moltiplicata per il suo rapporto sollevamento/resistenza. Con un rapporto di sollevamento-trazione di 5 in un vento di 10 m/s, cioè circa 33 m/s, o 120 km/h; Kitepower cita una velocità media di volo di 110 km/h per il suo kite (Kitepower). Poiché la forza aerodinamica cresce con il quadrato di quella velocità, l’ala può tirare molto più forte di quanto suggerisca la sua dimensione. Il massimo di Loyd è

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

dove A è l’area dell’ala, C_L il suo coefficiente di portanza e C_L / C_D il suo rapporto tra portanza e resistenza. Il fattore dopo la potenza del vento, (4/27) × C_L × (C_L/C_D)², dice quanti metri quadrati di vento l’ala spazza effettivamente per ogni metro quadrato della propria area. Per un kite soft con un coefficiente di sollevamento di 1 e un rapporto sollevamento-trazione di 5 è di circa 3,7. Per una vela rigida con un rapporto di sollevamento-resistenza del sistema vicino a 9, compresa la resistenza della corda, potrebbe essere da 10 a 17. Un generatore a terra raggiunge questo ottimo quando la corda si avvolge ad un terzo della velocità del vento.

Le perdite che Loyd lascia fuori. I veri aquiloni non volano dritti sottovento della stazione di terra, ma ad un angolo di elevazione, tipicamente da 25 a 35°. Solo la parte del vento che corre lungo il filo tira su di esso, e la potenza diminuisce con il cubo del coseno di quell’angolo: a 30° rimane solo il 65%. Il tether aggiunge resistenza, che cresce con la sua lunghezza. Un kite a pompaggio trascorre parte di ogni ciclo ad essere verricellato; il sistema Kitepower spende circa l’80% di un ciclo di 100 secondi generando fino a 130 kW e il 20% attingendo circa 20 kW per tirare indietro il kite (Kitepower). Poi ci sono le solite perdite del generatore, della scatola del cambio e del convertitore, e la potenza spesa per mantenere l’ala in volo con vento leggero.

Perché il tether è l’intera storia. La torre di una turbina deve resistere alla spinta completa del rotore come un momento di flessione alla sua base, motivo per cui le torri e le fondazioni sono massicce. Una corda trasporta solo tensione, e fibre come il polietilene ad altissima densità molecolare sono straordinariamente forti in tensione per il loro peso. Da qui l’affermazione, ripetuta da diverse aziende, che i sistemi aerei utilizzano fino al 90% in meno di materiale rispetto ad una turbina della stessa potenza. È plausibile per la macchina stessa; non è stato ancora dimostrato per un’intera centrale elettrica, compresi lo spazio, le fondamenta della stazione di terra e il collegamento alla rete.

I limiti: teorici e pratici

In teoria. La formula di Loyd è un tetto per una singola ala ideale. Come una turbina, un aquilone rallenta il vento che raccoglie e gli aquiloni volati vicini tra loro prendono energia l’uno dall’altro, quindi una fattoria ha bisogno di spazio. C’è anche un limite planetario. Le correnti a getto vicino ai 10 km di altitudine sembrano una vasta risorsa se si applica ½ ρ v³ L’atmosfera rigenera lentamente quel movimento: un’analisi del sistema terrestre ha posto l’estrazione massima sostenibile dai flussi a getto a circa 7,5 TW, circa 200 volte meno delle stime precedenti, con grandi effetti collaterali sul clima se mai si fosse avvicinata (Miller, Gans e Kleidon, 2011). Nessuno propone oggi di volare a 10 km; i sistemi pratici puntano da 200 a 700 m. La risorsa globale ad alta quota da 500 a 12.000 m è stata mappata da Archer e Caldeira (2009), basandosi su 28 anni di dati meteorologici.

Pratico. I limiti che hanno effettivamente fermato i progetti non sono nella formula:

• Decollo e atterraggio. Una turbina non decolla mai. Un aquilone deve decollare con vento leggero, atterrare in una raffica e fare entrambe le cose migliaia di volte all’anno senza danni. Makani ha perso quattro fusoliere in volo, tre di esse mentre si librava, non mentre generava (Makani, 2020).
• Controllo in qualsiasi condizione atmosferica. Torbellini, turbolenza, ghiaccio, fulmini e calmi improvvisi richiedono una risposta autonoma. Una rottura del tether non deve mai mettere un aquilone o una linea pesante in qualche luogo pericoloso.
• Spazio aereo e terra. Un aquilone a 400 m su una corda di 800 m spazza un grande volume. Le autorità dell’aviazione devono accettarlo e il terreno sotto l’involucro di volo deve essere tenuto libero da persone e strade.
• Indossa. Gli aquiloni in tessuto si degradano alla luce del sole, le corde si usurano sui tamburi e sulle pulegge, e un sistema deve sopravvivere vent’anni per competere con turbine progettate per venticinque o trenta.
• Dimensioni. La potenza di Loyd varia con l’area dell’ala, e un’ala grande è difficile da lanciare e atterrare. L’M600 di Makani aveva un’ala da 26 m (X); Il più grande kite annunciato da SkySails è di 450 m² per un’unità da 450 kW. Un sistema aereo da 5 MW, delle dimensioni di una moderna turbina onshore, è ancora un disegno.

Progetti reali, misurati

Il campo è stato generoso con i risultati e parsimonioso con i dati a lungo termine. Ecco cosa può essere controllato.

Progetto	Progettazione	Cosa ha raggiunto	Cosa è successo
Makani M600 (Stati Uniti, Google X, dal 2006 al 2020)	600 kW ala rigida, 8 rotori di bordo, 440 m di tether conduttivo	28,9 h di volo autonomo, 22,7 h di vento trasversale; miglior loop 290 kW, migliore media dieci minuti 196 kW con vento da 10 a 13 m/s; primo volo offshore da una piattaforma galleggiante in Norvegia, agosto 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 (Germania)	Kite morbidi fino a 180 m² su un verricello a terra; fino a 200 kW di potenza del ciclo (PN-14, ora venduto come Venyo)	Prototipo a Klixbüll operativo dal 2019 con aquiloni fino a 120 m², il record più lungo di qualsiasi sistema aeronautico; un aquilone da 120 m² che vola da 200 a 400 m su una corda massima di 800 m a Mauritius da gennaio 2023; primo volo a Taiwan il 1 ° luglio 2025	Unità in vendita; la società cita fino a 760 MWh all’anno per unità in buoni siti, un dato del produttore, non una misurazione indipendente.Un modello da 450 kW (KYO) è annunciato con le prime consegne previste nella seconda metà del 2028
Kitepower (Paesi Bassi, da TU Delft)	100 m² soft kite, 350 m di corda, generatore a terra in un container da 6 m	Fino a 130 kW durante il riavvolgimento, circa 100 s per ciclo; test pilota in un cantiere nei Paesi Bassi, a Bellacorick in Irlanda con RWE e ad Aruba	Commercializzato come energia mobile temporanea a zero emissioni, ad esempio per sostituire i generatori diesel
Kitemill (Norvegia)	Kites rigidi del planeatore su un argano di terra	Campo di prova a Vanse, Lista, volo sopra 350 m	Lo sviluppo continua; nessun dato pubblico di output a lungo termine
Ampyx Power (Paesi Bassi, 2008 al 2022)	Aliante rigido autonomo su verricello a terra; prima produzione di energia completamente autonoma nel 2012	Sviluppato prototipi fino all’AP-3	Sospensione dei pagamenti 19 aprile 2022, dichiarazione di fallimento 4 maggio 2022 dopo che un round di finanziamento previsto non si è verificato

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

Due fatti in quella tabella meritano attenzione. In primo luogo, la migliore media di dieci minuti del Makani era un terzo della sua potenza nominale e solo circa un giro su cinque produceva energia netta, la maggior parte degli altri erano manovre di prova, venti leggeri e levitazione. In secondo luogo, i sistemi più maturi oggi sono aquiloni soft-generazione da terra di 100 a 200 kW, più di dieci volte più piccolo di una tipica turbina onshore, venduti per i luoghi in cui una turbina è difficile da costruire: isole, siti remoti, energia temporanea. Una revisione di due decenni di test in volo raggiunge la stessa visione equilibrata: il controllo ha fatto progressi sorprendenti, e l’operazione a lunga durata, completamente autonoma rimane la frontiera (Vermillion et al., 2021).

Quanto costa

Non esiste ancora un prezzo di mercato per l’elettricità eolica aerea, solo proiezioni, quindi fate attenzione con ogni numero qui.

Opzione	Costo per kWh	Stato del numero
Nuovo parco eolico onshore, non sovvenzionato	$0.027 to $0.073	Dati di mercato, Lazard LCOE+ 2024
Nuovo parco eolico offshore	$0.074 to $0.139	Dati di mercato, Lazard 2024
Impianto di picco del gas	$0.110 to $0.228	Dati di mercato, Lazard 2024
Il tetto solare su un edificio, il nostro punto di riferimento	$0.19 Centro storico	Il nostro Fan Wall model; tetto commerciale $0.09 to $0.20 in Lazard, 2026
SkySails KYO 450 kW, bersaglio	Sotto i 10 centesimi	Target del produttore, non ancora consegnato
Makani M600	Non pubblicato	Il team ha scritto che non è “chiaro” se un tale sistema possa raggiungere un LCOE competitivo con le turbine convenzionali

Il rapporto di Makani fa un punto che ogni passo del vento aereo dovrebbe rispondere. Per un parco eolico onshore, la turbina stessa rappresenta meno della metà del costo dell’energia; strade, fondazioni, cavi, collegamento alla rete, installazione, funzionamento e finanziamento costituiscono il resto. Offshore, questi costi di “equilibrio del sistema” sono circa il 52% del totale (Makani, 2020). Risparmiare il 90% dell’acciaio della torre quindi non riduce del 90% il prezzo dell’elettricità. Per battere il vento onshore a $0.03 to $0.07, un kite deve anche soddisfare l’alta disponibilità di una turbina, la sua vita utile di 25 anni e la sua bassa manutenzione. Con il nostro benchmark di $0,19 per kWh la barra è più bassa, ma gli aquiloni non stanno sugli edifici: hanno bisogno di centinaia di metri di terra o mare libero.

Dove può vincere e dove non può

Si può vincere:

• Reti remote e a isola che funzionano con gasolio importato, spesso a prezzi di elettricità più volte superiori rispetto alla terraferma, dove le turbine sono difficili da trasportare e montare e una stazione di terra containerizzata è facile.
• Potenza temporanea: cantieri edili, soccorso in caso di catastrofi, campi militari e di ricerca, eventi, dove una turbina non può essere costruita per alcuni mesi.
• Acque profonde offshore, nel lungo periodo, dove una stazione di terra galleggiante leggera potrebbe costare molto meno di una turbina galleggiante. Questo è il premio Makani e Shell testato in Norvegia, ed è ancora non provato.
• Siti con venti forti in alto ma deboli all’altezza del mozzo, ad esempio su terreni accidentati, dove l’altezza di un kite è la cosa più importante.

Non può vincere:

• In città o sugli edifici. L’involucro di volo è largo centinaia di metri.
• Contro il vento onshore su buoni siti, oggi. Le turbine sono mature, finanziabili ed economiche; una nuova tecnologia deve dimostrare vent’anni di affidabilità prima che i prestatori la trattino allo stesso modo.
• Vicino agli aeroporti e allo spazio aereo trafficato, o dove il terreno sotto la traiettoria di volo non può essere tenuto libero.

Ciò che è provato, plausibile e speculativo

Dimostrato: la legge di potenza del volo a vento trasversale (Loyd, 1980), confermata in molti test di volo; che le ali legate possono generare elettricità autonomamente per ore, con cicli di pompaggio e con rotori a bordo; che l’M600 ha prodotto una media di 196 kW nei migliori dieci minuti; che aquiloni soft-generation da terra da 100 a 200 kW possono essere lanciati, volati e atterrati da una stazione delle dimensioni di un container; che la velocità del vento e la densità di potenza aumentano in media con l’altezza.

Plausibili: che i sistemi di generazione a terra di poche centinaia di kilowatt possono raggiungere un’alta disponibilità in siti remoti; che l’uso di materiale per kW è molto più basso rispetto alle turbine; che gli aquiloni galleggianti offshore potrebbero aver bisogno di piattaforme molto più leggere; che i sistemi aerei producono più ore di produzione utile all’anno rispetto a una turbina nello stesso sito perché raggiungono venti più costanti.

Speculativo: un costo per kWh competitivo con quello del vento onshore; aquiloni su scala megawatt; fattorie di molti aquiloni che volano vicini tra loro senza interferire; vent’anni di vita per aquiloni, tether e tamburi; sistemi assicurativi e di certificazione comparabili a quelli delle turbine.

Domande di ricerca aperte

• Quanto affidabile può essere Decollo e atterraggio completamente autonomi Quanto dura, misurata su migliaia di cicli in tempo rabbioso?
• Qual è il Rendimento energetico annuo reale Qual è l’efficienza energetica di un’unità in un sito noto, misurata indipendentemente per un anno intero, e come si confronta con una turbina accanto ad essa?
• Quanto durano i tethers e gli aquiloni in tessuto sottoposti a carichi ciclici e alla luce ultravioletta, e come viene rilevata l’usura prima del guasto?
• Quanto vicini possono essere gli aquiloni Spaziato in una fattoria, e quanto perdono l’uno nell’altra scia?
• Cosa? Regole dello spazio aereo Come dovrebbero essere illuminati e rilevati dagli aerei gli aquiloni?
• Cosa fanno gli aquiloni agli uccelli e ai pipistrelli? Non ci sono quasi dati sul campo, e la risposta può essere diversa per i kite soft lenti e le vele rigide veloci.
• Can Stazioni di terra galleggianti offshore Sopravvivere alle tempeste ad un costo che batte le turbine galleggianti?

Di cosa avrebbe bisogno un prototipo funzionante

La buona notizia per un piccolo team è che un kite pompante può essere testato su scala modesta, e la fisica si adatta in modo prevedibile con l’area dell’ala.

Fase	Lavoro	La decisione che permette	Costo approssimativo	Tempo
0. studio della scrivania	Modello di Loyd e ciclo per il sito target, utilizzando strumenti aperti e codice pubblicato da Makani; dati sul vento a 100-500 m da una campagna lidar o reanalisi	Il vento del sito in altezza ne vale la pena?	$10k to $30k	2 a 3 mesi
1. prova di forza	Un kite da 10 a 20 m² su un tether e verricello strumentato con celle di carico, volato manualmente poi con pilota automatico	Forza di tether misurata e curva di potenza contro Loyd	$30k to $80k	6 mesi
2. Modello di lavoro	Una stazione di terra da 10 a 30 kW: tamburo, motore-generatore, elettronica di potenza, pilota automatico; energia registrata in entrata e in uscita per ogni ciclo	KWh netti misurati al giorno e cicli automatici senza pilota	$150k to $400k	12 mesi
3. Pilota	Un’unità da 100 kW in un sito remoto o temporaneo, un anno intero di produzione e disponibilità misurate, con monitoraggio della fauna selvatica	Rendimento annuo reale, costo per kWh, manutenzione	$1M to $3M	Da 18 a 24 mesi

A Modello di lavoro, per questa pagina, indica la fase 2: una stazione a terra che esegue cicli di pompaggio completi e mette energia netta misurata in una batteria o nella rete, con ogni ciclo registrato. Un aquilone che tira forte su una corda non è ancora una centrale elettrica.

Di chi abbiamo bisogno

• Ingegneri del controllo di volo Con esperienza di droni autonomi o aquiloni: decollo, atterraggio e gestione dei guasti sono la maggior parte del lavoro.
• Aerodinamici per il design di aquiloni e vele, compresi tether drag e strutture flessibili.
• Elettronica di potenza e ingegneria degli azionamenti per il motore-generatore dell’argano, accumulo di energia per la fase di avvolgimento e collegamento alla rete.
• Ingegneri dei materiali per legare, tessuti e prove di fatica.
• Meteorologi Con esperienza lidar per misurare venti da 50 a 600 m.
• Specialisti della regolamentazione dell’aviazione per garantire i permessi di volo e le prenotazioni dello spazio aereo.
• Ecologi Per progettare il monitoraggio di uccelli e pipistrelli.
• Un sito host: un’isola, una comunità remota, una cava o una grande fattoria con terreno aperto e vicini solidali.

Hai un’idea migliore?

Alcuni membri della Fondazione potrebbero avere contatti che potrebbero ascoltare un pitch per una forte idea energetica. Per essere presentata, un’idea ha bisogno di Un modello reale che produce energia, con la sua potenza misurata su uno strumento non rivendicato. Per un aquilone energetico questo significa una stazione di terra che completa i cicli di pompaggio da sola e registra l’energia netta che fornisce. Anche le idee cartacee sono benvenute: se la fisica e i numeri sono solidi, possiamo pubblicarle qui sul sito. Ma raccogliere capitali senza un modello di lavoro è molto difficile, e nulla qui è una promessa di finanziamento, rendimenti o introduzioni.

Invia la tua idea, o i tuoi dati di volo, attraverso il modulo di contributo: il problema che risolve, il controllo fisico, la potenza misurata o stimata, un costo approssimativo per kWh e il test più economico che potrebbe dimostrare che è sbagliato. Per altre indicazioni, vedi alternative energetiche a confronto e la nostra ricerca aperta Fan Wall.

Fonti

1. Loyd, M.L. (1980). Potenza del kite a vento trasversale (per la produzione di energia eolica su larga scala). Journal of Energy 4(3), 106-111.
2. Makani Technologies (settembre 2020). Il Kite Energico, Parte I: statistiche dei test di volo, il deficit di prestazioni dell’M600, il volo offshore FCW-01 e un’analisi del costo energetico. Parte II e parte III.
3. X, la fabbrica di lanci lunari. Macchine: l’M600, la collezione Energy Kite e la chiusura nel 2020.
4. Vermillion, C., Cobb, M., Fagiano, L., Leuthold, R. e altri (2021). Elettricità nell’aria: approfondimenti da due decenni di ricerca avanzata sul controllo e test sperimentali in volo di sistemi aerodinamici. Recensioni annuali in Control 52, 330-357.
5. Fontana, M., Papini, A., Vertechy, R. e Cherubini, A. (2015). Sistemi eolici aerei: una rassegna delle tecnologie. Revisioni di energia rinnovabile e sostenibile 51, 1461-1476.
6. Archer, C.L. e Caldeira, K. (2009). Valutazione globale dell’energia eolica ad alta quota. Energies 2(2), 307-319.
7. Gans, F., Miller, L.M. e Kleidon, A. (2011). L’energia eolica a jet stream come fonte di energia rinnovabile: poca potenza, grandi impatti. Earth System Dynamics 2, 201-212.
8. SkySails Power. Notizie, tra cui SkyPower100 a Klixbüll (2022), Mauritius (2023) e Taiwan (2025); Dati di Venyo (PN-14).
9. Kitepower. Tecnologia e dati di sistema del Falcon.
10. Kitemill. Sito aziendale.
11. Ampyx Power: storia dell’azienda e bancarotta, 2022.
12. Lazard (giugno 2024). Costo dell’energia livellato+, versione 17: vento onshore $27 to $73 per MWh, vento offshore $74 to $139, picco del gas $110 to $228. L’edizione di giugno 2026 fornisce la gamma solare commerciale sul tetto utilizzata come nostro riferimento.
13. La Fondazione Local Solar System. The Fan Wall: ricerca sul vento a cielo aperto, per il benchmark solare sui tetti di $ 0,19 per kWh.
14. De Schutter, J., Diehl, M., Haas, T. e Meyers, J. (2022). Simulazione di grandi vortici di parchi eolici aerei. Scienze dell’energia eolica 7, 1093-1135.