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ARRIVA LA TECNOLOGIA DELL’AQUILONE D’ALTA QUOTA, l'impatto potenziale di questo progetto potrebbe essere così alto da costituire la base per una rivoluzione nella produzione dell'energia
ARRIVA LA TECNOLOGIA DELL’AQUILONE D’ALTA QUOTA, l'impatto potenziale di questo progetto potrebbe essere così alto da costituire la base per una rivoluzione nella produzione dell'energia
Fonte: E-gazette http://www.e-gazette.it
di Mazzetta
Bologna, 19 settembre - Un interessante sistema alternativo per la produzione di energia da fonti rinnovabili. Introduzione al progetto Kite Wind Generator. Massimo Ippolito, R&D Direction, Sequoia automation di Chieri (To). In tutti i documenti istituzionali e governativi che trattano dell'energia del futuro è dichiarato che il ruolo che energie rinnovabili potranno occupare è una percentuale che "ottimisticamente non potrà superare il 12%" con date proiettate al 2010, la percentuale cambia di poco nelle previsioni per il 2020 o addirittura per il 2050. La cosa curiosa è che facendo dei semplici calcoli con i dati disponibili, si può capire che nell'immediato futuro (2015) la ripartizione percentuale tra le rinnovabili e la non rinnovabile, nucleare compresa, dovrà obbligatoriamente essere rovesciata, pena lo sterminio per fame di oltre metà della popolazione mondiale. I concetti e gli studi sul picco globale del petrolio e sul picco globale dell'uranio stanno inconfutabilmente mostrando gli scenari imminenti, che collidono con l'irresponsabile inerzia con la quale si sta affrontando il problema. Questo progetto è nato da un'intuizione, una "fertilizzazione incrociata" tra un'appassionante disciplina sportiva, il Kite Surfing, e la professione dell'autore legata alla sensoristica automazione e controllistica. Senza essere consapevole delle potenzialità, le prime fasi di lavoro sono state svolte per soddisfare una tipica curiosità di ricerca. Dopo aver ottenuto una prima stima delle grandi potenzialità del concetto, unita alla consapevolezza della situazione energetica, ne è conseguita la motivazione per investigare a fondo tutte le opportunità del Kwg. L'impatto potenziale di questo progetto potrebbe essere così alto da costituire la base per una rivoluzione nella produzione dell'energia, destinata ad alterare le quote di produzione a favore delle energie rinnovabili. Le fonti di energia rinnovabile sono disponibili in forma molto diluita nel tempo e nello spazio. Ciò costituisce il grande svantaggio in rapporto alla grande concentrazione energetica dei giacimenti di petrolio, cosa di cui ha goduto l'uomo che ha vissuto il nostro periodo storico. Il progetto Kite Wind Generator propone un metodo originale per concentrare su un unico impianto importanti quantità d'energia eolica. Esso permette di ipotizzare macchine del vento la cui dimensione non è limitata dagli invalicabili limiti strutturali e dinamici sofferti dai mulini a vento tradizionali. Il Kwg può ambire a vincere la competizione con la produzione elettrica convenzionale, compresa la nucleare, in termini di potenza nominale per singolo impianto e di costo dell'energia prodotta.
La risorsa vento a fini energetici - Il Sole illumina il pianeta terra con una potenza pari a 10.000 volte quella primaria necessaria al genere umano, l'equivalente di 200 milioni di centrali nucleari (200.000 TW). Buona parte di questa energia viene riflessa o assorbita dall'atmosfera e non arriva al suolo: il 30% viene assorbito nelle giornate terse e il 99% nelle giornate plumbee.
L'atmosfera trasforma una parte di quest'energia assorbita in energia meccanica, in altre parole, in vento. L'atmosfera si comporta come il più grande ed efficiente collettore d'energia solare. Gli studi di valutazione della risorsa vento stimano un contenuto energetico dell'atmosfera pari a 270 volte il fabbisogno primario dell'uomo, l'equivalente di 7 milioni di centrali nucleari. L'atmosfera ci fa anche il favore di concentrare parte di questa energia in uno spazio relativamente limitato: due nastri di vento avvolgono completamente la terra sopra al parallelo che passa sulla terra del fuoco nell'emisfero australe e l'altro che passa sull'Europa. La sezione di questo nastro va da circa 500 metri fino a 10000 metri di altitudine e si estende per 4 - 5000 chilometri in larghezza, con una potenza media di 2 kW al metro quadrato. L'ordine di grandezza è facilmente ottenibile: 5000 km * 9,5 km = A (area del rettangolo immaginario, sezione di un nastro di vento) A * 2000 w/metroquadrato = 95.000.000 MW. Se ne deduce che sopra l'Europa passa un flusso di vento che mediamente ha una potenza pari a 100.000 centrali nucleari. Come si può fare per andare a prendere e sfruttare questa grande energia totalmente rinnovabile, rappresentata dal vento in altitudine?
I progetti - Sembra che poche persone abbiano lavorato seriamente su quest'ipotesi. Infatti, negli ultimi venti anni si trovano una decina di brevetti che abbozzano l'idea, ma in modo puramente teorico. I primi brevetti che affrontano le problematiche di una specifica macchina del vento appartengono a Wubbo Ockel della Delft University con il progetto Laddermill e di Massimo Ippolito della Sequoia automation di Chieri con il progetto Kite Wind Generator. Ockel ed Ippolito hanno lavorato indipendentemente sull'idea per molti anni e tre anni fa hanno deciso di unire gli sforzi e scambiare le esperienze iniziando a lavorare assieme, presentando anche alcune proposte di progetto di ricerca all'Unione Europea. Laddermill è un interessante progetto che punta a raggiungere le massime quote troposferiche (10000 m) con una catena di profili alari. Le linee guida, di questo progetto, sono disponibili sul web.
Il Kite Wind Generator - Il progetto "Kite Wind Generator" ha l'obiettivo di dimostrare la possibilità di controllare in modo automatico gli aquiloni di potenza (power kites),allo scopo di generare energia elettrica da fonte eolica. I power kites sono dispositivi in grado di levarsi in volo anche in presenza di brezze leggere. Questi aquiloni, che hanno una superficie di decine di metri quadrati, sono manovrabili da terra con una coppia di funi, che consente di controllarne la direzione di volo e l'assetto rispetto al vento.
In presenza di venti tesi, un singolo aquilone è in grado di esercitare una forza di trazione che può arrivare ad alcune centinaia di kiloNewton, navigando a velocità che possono superare gli 80m/s (~300km/h.). Il prodotto forza per velocità potrebbe testimoniare l'ordine di grandezza della potenza che coinvolge l'aquilone, ma i calcoli necessari per ottenere i valori precisi di potenza sfruttabile sono più complessi. Nella troposfera, oltre i 500-600 metri di quota, la presenza di venti costanti e forti è una realtà testimoniata da misurazioni con serie pluri-decennali. La forza esercitata dall'aquilone sul cavo, se opportunamente convogliata, può essere impiegata per la generazione di energia elettrica. Il Progetto intende mettere a punto un sistema di controllo in grado di pilotare l'aquilone in modo automatico e di effettuare un piano di volo dell'aquilone, in modo da massimizzare la produzione di energia. Il Kite Wind Generator può essere immaginato come una grande giostra saldamente vincolata al suolo, costituita da una struttura di supporto centrale di altezza opportuna per correggere i bracci tramite una tensostruttura.
La giostra viene messa in rotazione proprio grazie al vento, che trascina in quota gli aquiloni uscenti dai bracci stessi. Il corpo centrale rotante contiene gli argani automatici per le coppie di cavi di guida/potenza degli aquiloni, lunghi oltre 1000 metri. L'asse rotante del carosello aziona i grandi alternatori opportunamente demoltiplicati. A regime, tutti gli aquiloni sono in volo guidato, in modo da portare il carosello alla velocità di rotazione desiderata. Una centrale eolica così concepita è in grado di fornire l'equivalente dell'energia prodotta da una centrale nucleare, occupando un'area di circa un chilometro quadrato, peraltro ancora destinabile ad usi agricoli o di navigazione (se realizzata off-shore). Kite Wind Generator è una macchina che produce energia in modo proporzionale alla sua dimensione. L'incremento di diametro incide sull'energia che il sistema riesce a raccogliere con una funzione quadratica, incrementata ulteriormente dalla maggiore quota, e quindi maggiore forza del vento, che i power kites possono raggiungere.
Valori indicativi, considerando un vento nella media europea, possono essere:
un diametro di:
100m equivale ad un generatore da 0.5MW
200m equivale ad un generatore da 5MW
300m equivale ad un generatore da 18MW
1000m equivale ad un generatore da 500MW
La dimensione massima raggiungibile da un Kite Wind Generator è oggetto di studio di questo progetto, ma da delle prime stime sembra possibile superare i 5000MW senza incorrere in gravi problemi di resistenza strutturale e con un diametro complessivo di poco superiore ai 2000 metri. E' opportuno considerare che 5000MW sono l'equivalente tipico di 5 centrali nucleari, il cui costo di realizzazione è di 7.5 miliardi di euro. E' possibile dimostrare che il Kite Wind Generator di tale taglia ha un costo di impianto che è una minima frazione di questa cifra. Gli ideatori sanno perfettamente che attorno a questa proposta sorgono importanti problemi di ingegneria, in molti campi. Tra questi, il principale, senza la cui soluzione sarebbe perfettamente inutile affrontarne qualsiasi altro, è certamente costituito dal controllo automatico ed esperto della direzione e della velocità del volo dell'aquilone. La sensoristica avionica a bordo kite e le tecniche di controllo sono state l'oggetto del lavoro di ricerca degli ultimi anni. La sensoristica è una realtà già in produzione ed il controllo é stato completato con successo in ambiente di emulazione.
Il Prototipo è quindi rivolto a verificare il lavoro fatto in ambiente di emulazione e con le numerose variabili in gioco, al fine di governare il volo di un aquilone come se fosse un aliante senza pilota. L'aquilone non ha, al contrario dell'aliante, strutture rigide orientabili: gli unici comandi disponibili sono quelli di Destra/Sinistra trasmissibili attraverso la variazione di tensione dei due cavi di guida. In caso di successo dell'impianto pilota, il Kite Wind Generator potrà costituire la base per una rivoluzione nella produzione dell'energia, destinata ad alterare significativamente le quote di produzione a favore delle energie rinnovabili. L'obiettivo finale è la costruzione di un carosello ad asse verticale, preferibilmente in grado di generare 1 GigaWatt, con un investimento di circa 80 milioni di euro (2002). Il carosello azionato dagli aquiloni produrrebbe energia al costo di 1,5 euro per Megawattora. Le fonti che usano il vento possono essere vantaggiosamente localizzate anche "off-shore".
Considerazioni sul rischio di progetto - Il contenuto di rischio delle attività di ricerca e sviluppo è compensato da una drastica riduzione dei costi (circa 30 volte rispetto alle fonti di energia non rinnovabile!) e un'altrettanto drastica riduzione dell'impatto ambientale. Il lavoro fatto finora sul KWG è stato ottenuto con un esiguo numero di persone e limitati fondi di finanziamento. Tuttavia ciò ha permesso di sviluppare e verificare con successo il concetto fino al livello d'emulazione, nonché affinarne le modalità di funzionamento e calcolarne le prestazioni attese. Riteniamo che la probabilità di successo del progetto e i tempi della realizzazione del primo prototipo di KWG siano oggettivamente funzione delle collaborazioni accademiche e istituzionali e dell'entità degli investimenti che il progetto raccoglierà.
Prospettive di produzione di energia per la rete elettrica - La potenza del Kite Wind Generator è in buona parte modulabile. Adattandosi alle variabili condizioni di vento, il KWG è in grado di produrre energia costante nell'arco delle 24 ore. Ci sono ottime possibilità che un largo dimensionamento della potenza installata in KWG rispetto al fabbisogno energetico, unito ad una corretta distribuzione geografica risolva anche il cosiddetto problema delle fonti intermittenti. Se si conferma che la disponibilità produttiva del KWG possa superare le 7-8000 ore annue, due o più KWG farms, realizzate a latitudini diverse, coprirebbero a vicenda gli eventuali ammanchi. I KWG operativi potrebbero in prospettiva rinunciare agli incentivi alle rinnovabili, destinandoli a favore del solare fotovoltaico. Con il solare il KWG è sicuramente in sinergia, poiché la rete elettrica, nelle ore diurne, raggiunge dei costosi picchi d'assorbimento che sarebbero vantaggiosamente livellati dal fotovoltaico. Inoltre l'esuberanza di energia specialmente notturna potrebbe alimentare l'energivoro processo di raffinazione del silicio "solar grade", migliorando di circa cinque volte il bilancio economico del rapporto energia investita/energia ottenuta del pannello fotovoltaico. La produzione elettrica da centrali fossili non è in grado di offrire quest'opportunità al fotovoltaico, poiché la produzione notturna di tali centrali costa quanto la diurna. Con queste premesse, si può prevedere che il mix energetico immesso nella rete elettrica potrebbe raggiungere il 100% di rinnovabile in pochi anni, mettendo in collaborazione il KWG con l'idroelettrico, il fotovoltaico, il geotermico, completati da consolidate tecniche d'accumulazione energetica elettrochimica (idrogeno e batterie di accumulatori) che fornirebbero nei casi eccezionali l'effetto polmone necessario a garantire la continuità di fornitura.
Prospettive energetiche per il trasporto e la mobilità - La produzione di energia elettrica ad un costo così basso potrà permettere la produzione dell'acclamato idrogeno, sfruttando le ricche fasi di esuberanza produttiva del KWG. Con un passo ulteriore, si potrebbe sintetizzare il metano nonostante il basso rendimento del processo, esiste una tecnologia matura per integrare il metano sia come distribuzione sul territorio sia come utilizzo da parte dei motori endotermici. Anche se pensiamo che il passaggio alla trazione puramente elettrica, in tutti i settori o segmenti, rappresenterebbe una grande occasione di rinnovato sviluppo industriale, incrementando nel contempo il rispetto per l'ecosistema e riducendo l'impatto ambientale complessivo delle attività antropiche. Prospettive per il riscaldamento domestico ed industriale. Dopo aver citato l'elettricità ed il trasporto, il riscaldamento rappresenta la terza grande necessità di energia che la nostra civilizzazione richiede. Il Kite Wind Generator, producendo energia elettrica, potrebbe assolvere anche a questo aspetto. Nel caso che le linee elettriche non fossero in grado di offrire un canale di distribuzione sufficientemente capace, si possono facilmente progettare dei KWG che producano essenzialmente calore da immettere in impianti di teleriscaldamento. In questo caso, l'accoppiamento con il solare termico centralizzato o distribuito sarebbe auspicabile, anche se il vantaggio sinergico giorno/notte sarebbe meno evidente.
Considerazioni climatologiche - I mulini a vento tradizionali sfruttano l'energia rinnovabile, ma molto limitata, rappresentata dal vento a bassa quota (100m). Per questo motivo si considera la produzione eolica di energia come una fonte intermittente, declassandone di fatto l'affidabilità. Alcuni studi affermano inoltre che il rallentamento delle masse di aria provocate dai mulini sono ecologicamente dannose. Nel caso del Kite Wind Generator, la fonte vento viene raccolta in quota, dove le masse d'aria sono poderosamente sospinte dalle forze di Coriolis, lasciando imperturbato il vento a terra.
Per saperne di più vai a http://www.sequoiaonline.com/kwg_introduzione.pdf
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