Numeroase companii dezvoltă tehnologii, cum ar fi zmeie de mari dimensiuni, care pot genera energie eoliană înălțându-se până la o jumătate de kilometru deasupra solului. Deși încă se află în fază incipientă, energia eoliană aeriană ar putea fi utilizată pentru locații izolate sau utilizându-se platforme offshore.
Peste plajele cu nisip alb din Mauritius se poate vedea o velă gigantică, asemănătoare cu cea folosită de parapantiști sau kite-surferi, dar de dimensiunea unui apartament cu trei camere, rotindu-se în serii de forma cifrei opt. Vela nu este o atracție turistică – produce energie electrică pentru rețeaua electrică a acestei națiuni insulare de pe coasta Africii de Est.
Lansată în decembrie 2021 de compania germană SkySails Power, imensa aripă este primul sistem comercial complet autonom de generare a „energiei eoliene aeriene” (Airborne Wind Energy – AWE). În ultimele două luni, spune compania, sistemul a produs puțin sub obiectivul de 100 de kilowați – de obicei suficient pentru a alimenta până la 50 de case. Aceasta reprezintă doar o mică parte din necesarul de energie electrică a insulei, dar, speră SkySails, este un semn bun pentru viitor.
Pe măsură ce lumea se îndreaptă către emisii zero net, aproape toate studiile privind viitorul producției de energie electrică prevăd un rol important pentru sistemele eoliene. Asociația Internațională a Energiei estimează că producția de energie eoliană va crește de 11 ori până în 2050, energia eoliană și cea solară reprezentând împreună 70% din necesarul de energie electrică al planetei. Datorită numărului în creștere de turbine eoliene în întreaga lume, prețul energiei eoliene a scăzut cu aproximativ 40% în ultimul deceniu.
Dar unii experți spun că turbinele eoliene masive nu sunt întotdeauna cea mai bună soluție – pot fi costisitoare sau aproape imposibil de instalat, din punct de vedere logistic, în locații izolate sau în ape adânci și pur și simplu nu pot atinge altitudinile ridicate unde vântul bate cel mai tare. O soluție pentru această problemă poate fi utilizarea unui zmeu. Zeci de companii și câteva instituții academice testează o multitudine de variante aeropurtate. Acestea variază de la sisteme cu aripi din material flexibil, care transformă tensiunile mecanice alternative din cablul de ancorare în energie, până la platforme rigide complexe care transportă la bord turbine și generatoare și transferă la sol electricitatea generată printr-un cablu electric.
Sistemele aeropurtate au câteva avantaje esențiale, spune Lorenzo Fagiano, inginer la Universitatea Politehnică din Milano, care face parte din consiliul de administrație al asociației industriale Airborne Wind Europe, fondată în 2019. În unele țări, suprafețele de teren cu potențial de înființare a unor parcuri eoliene sunt din ce în ce mai puține, fermele eoliene necesită de obicei cam 285 metri pătrați pentru a genera un megawatt, comparativ cu 48,5 metri pătrați pentru o centrală pe combustibili fosili, iar locațiile ideale se vor epuiza în cele din urmă. „Primele ferme solare înființate utilizează cele mai bune locații, iar cele mai bune locații sunt limitate”, spune Cristina Archer, directorul Centrului de cercetare în domeniul energiei eoliene (Center for Research in Wind – CReW) de la Universitatea din Delaware.
În plus, în general, cu cât altitudinea crește, cu atât viteza vântului este mai mare. „Dacă viteza vântului este de două ori mai mare, puterea generată crește de opt ori”, spune Fagiano. Un sistem aeropurtat poate atinge până la 800 de metri înălțime, cu mult peste limita de 200 până la 300 de metri a celor mai înalte turbine eoliene. La nivel global, valoarea teoretică maximă a puterii eoliene la altitudine mare a fost estimată a fi de aproximativ 4,5 ori mai mare decât cea care poate fi generată la nivelul solului.
Este relativ ieftin și ușor să instalezi un astfel de sistem într-o locație izolată, adaugă Fagiano; aceste sisteme sunt ambalate într-un container și pot fi transportate oriunde există un drum sau un doc. Ele pot fi, de asemenea, instalate pe o platformă (barjă) ancorată offshore, în zone cu adâncime mare a apei, unde o turbină eoliană tradițională nu poate fi instalată. Înălțimea de lucru a acestor sisteme este adaptabilă, astfel încât pot fi ridicate sau coborâte la altitudinea unde viteza vântului este maximă, aceasta fiind adesea variabilă în funcție de anotimp. „Este o idee foarte bună”, este de acord Archer. „Caracteristica acestui sistem este simplitatea în ceea ce privește materialele și costurile”.
„Nu vor înlocui sistemele eoliene convenționale”, adaugă Archer. Dar susținătorii imaginează ferme eoliene care găzduiesc sute de zmeie instalate pe șlepuri ancorate în ape adânci, departe de țărm, în timp ce sisteme mai simple – sau rețele de capacități mai mici – ar putea alimenta zone izolate, instalații militare temporare sau unități miniere montane.
Aceste idei au apărut acum câteva zeci de ani, dar dezvoltarea utilizării zmeielor, planoarelor sau dronelor pentru a capta energia eoliană nu a fost facilă. În 2020, de exemplu, o companie de energie eoliană aeriană achiziționată de Google a abandonat operațiunile demarate întrucât inginerii nu au putut asigura eficiența economică a sistemului. Dar alții, care dezvoltă versiuni mai ușoare și mai simple ale tehnologiei, cum ar fi SkySails, au reușit să obțină versiuni care au devenit comerciale. Un raport din 2021 al Departamentului de Energie al SUA adresat Congresului a concluzionat că ideea are mult potențial, sistemele aeropurtate fiind probabil capabile să genereze același ordin de mărime de energie ca sistemele eoliene de la sol din SUA. Dar, adaugă autorii raportului, tehnologia are un drum lung de parcurs înainte să devină o parte importantă a sistemului energetic american.
Sistemul dezvoltat de SkySails – ca multe altele aflate în curs de dezvoltare – se bazează pe o aripă de aproximativ 150 de metri pătrați, asemănătoare unei parașute, purtată de vânt. Sistemul nu utilizează turbine, nici cablu electric. Energia este generată la sol, prin transformarea tensiunilor din cablul de ancorare. „Sarcinile mecanice apărute în troliu generează electricitate”, spune Fagiano. Software-ul controlează zborul zmeului în mod autonom, într-un model în formă de opt, pentru a se obține cea mai puternică forță de tracțiune posibilă în scopul producerii de energie. Sistemul schimbă apoi modelul de zbor al aripii, astfel încât aceasta să poată fi trasă înapoi cu o rezistență minimă, consumând puțină energie. Acest tipar se repetă, generând mult mai multă energie decât se consumă.
Pare simplu, iar sistemul de generare a energiei este destul de obișnuit. Însă Stephan Brabeck, directorul de tehnologie la SkySails, spune că echipa a avut nevoie de aproximativ 7 ani pentru a perfecționa software-ul de zbor, mai ales pentru ca aripa să poată ateriza în siguranță și să se lanseze autonom. Până în prezent, SkySails a produs și livrat cinci unități, spune Brabeck, cea din Mauritius fiind prima care a fost pusă în funcțiune. Specialiștii companiei consideră că aripa va trebui să aterizeze de aproximativ 14 ori pe an din cauza ploilor abundente, a vântului insuficient sau furtunilor. „Uraganele și alte asemenea fenomene extreme, pe care un sistem aeropurtat le poate evita prin adăpostire la sol, fac insula nepotrivită pentru instalarea unor turbine eoliene tradiționale„, spune Brabeck, un inginer aerospațial.
„Sistemele aeropurtate sunt mai puțin intruzive pe linia orizontului decât turbinele tradiționale și, de asemenea, mai silențioase„, spune Brabeck. „Și au valoare economică„, spune el, „dacă luăm în calcul prețul energiei electrice produse cu ajutorul generatoarelor diesel„. Dar există provocări. Se știe că turbinele eoliene pot ucide sau răni păsările migratoare, dar modul în care păsările vor reacționa la aceste zmee „nu a fost încă foarte bine studiat”, spune Fagiano, dar SkySails efectuează studii în acest sens. De asemenea, cablul de ancorare al oricărui astfel de sistem, notează Archer, ar putea constitui un risc pentru drone sau chiar avioane mici. Iar dacă o legătură se rupe sau sistemul de ghidare eșuează, un sistem se poate prăbuși.
S-ar putea să nu fie foarte periculos în cazul unei aripi flexibile, dar alte companii dezvoltă sisteme cu aripi rigide, care seamănă mai mult cu un planor decât cu o parapantă. Acestea pot fi mai eficiente și pot avea un control mai bun, dar accidentele ar fi o problemă mai mare, făcându-le mai potrivite pentru utilizare offshore. „În esență, sunt avioane”, spune Fagiano. „Va trebui să atingă un nivel de fiabilitate apropiat de al avioanelor civile”.
O a treia opțiune, mai ambițioasă, este de a dezvolta o dronă cu aripi rigide dotată cu turbine eoliene și generatoare, ambele de greutate mare și care să trimită energia electrică generată la sol, printr-un cablu. Această opțiune ar asigura continuitatea producției de energie (fără a fi nevoie să se alterneze ciclic între producerea de energie și consumul de energie), dar este o nucă greu de spart.
„Vorbim despre o tehnologie complet nouă, cu multe aspecte”, spune Fagiano. „Turbine noi. Tot nou”. Google a preluat un astfel de proiect, condus de Makani Technologies, încă din 2013. Au efectuat câteva teste de succes, dar nu au reușit să obțină o eficiență economică a sistemului, iar în 2020 proiectul Makani a încetat. Google a lansat un film pe YouTube despre această experiență și a pus la dispoziție gratuit toate rezultatele obținute în cercetarea și dezvoltarea produsului, precum și toate brevetele Makani.
O mulțime de alte companii au preluat proiectul inițiat de Google încercând să găsească o soluție mai bună. Printre acestea se numără companiile Kitepower, cu sediul în Olanda, care dezvoltă un proiect în Caraibe, și Kitemill, cu sediul în Norvegia, care își propune să realizeze sisteme la scară de megawați. Alții chiar proiectează sisteme similare care funcționează sub același principiu, dar în mediu subacvatic în loc aerian, folosind curenții oceanici în loc de vânt pentru a antrena un „planor” submarin pe un circuit în forma cifrei opt.
Pe măsură ce activitatea comercială crește, spune Fagiano, unul dintre cele mai mari obstacole este de reglementare: normele privitoare la utilizarea spațiului aerian nu includ prevederi pentru aceste sisteme. „Este problema anteriorității dintre găină și ou”, spune el. „Atâta timp cât nu există tehnologii, nu apar reglementări. Fără reglementări, companiilor le este imposibil să facă profit”.
Odată cu apariția primelor produse-pilot comerciale, „pentru locații izolate, costurile s-au dovedit deja competitive”, spune Fagiano. „Dacă sistemele eoliene aeropurtate vor fi produse în masă, nu există nicio îndoială că vor produce energie la prețuri accesibile. Întrebarea este dacă vom ajunge vreodată la o producție de masă”.
Sursa: https://skysails-power.com/kite-power-for-mauritius/
