The KITE WIND GENERATOR

In tutti i documenti istituzionali e governativi che trattano dell’energia primaria del futuro è

dichiarato che il ruolo che le 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, all’automazione e alla 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 KiteGen (Kite Wind Generator). 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 KiteGen - The KITE WIND GENERATOR propone un metodo originale per

concentrare su un unico impianto importanti quantità d’energia eolica. Esso permette di

ipotizzare macchine del ve nto la cui dimensione non è limitata dagli invalicabili limiti

strutturali e dinamici sofferti dai mulini a vento tradizionali.

Il KiteGen 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.

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 quest’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 questa 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: 5.000 km * 9,5 km = A (area del rettangolo immaginario, sezione di

un nastro di vento) A * 2.000 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?..........

Sembra che poche persone abbiano lavorato seriamente su questa ipotesi. 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 a Massimo Ippolito della

Sequoia automation di Chieri con il progetto KiteGen.

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 (10:000 m) con

una catena di profili alari.

Le linee guida, di questo progetto, sono disponibili sul web.

Il progetto KiteGen 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 profili alari, 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

profilo alare 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 il profilo alare, 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 dal profilo alare 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 il profilo

alare in modo automatico e di effettuare un piano di volo dello stesso, in modo da

massimizzare la produzione di energia.

Il KiteGen può essere immaginato come una grande turbina assimilabile ad una giostra

saldamente vincolata al suolo, costituita da una struttura di supporto centrale di altezza

opportuna per sorreggere i bracci tramite una tensostruttura. La giostra viene messa in

rotazione proprio grazie al vento, che trascina in quota i profili alari uscenti dai bracci.

Il corpo centrale rotante contiene gli argani automatici

per le coppie di cavi di guida/potenza dei profili alari,

lunghi oltre 1000 metri. L'asse rotante della turbina

aziona i grandi alternatori opportunamente demoltiplicati.

A regime, tutti i profili alari sono in volo guidato, in modo

da portare la turbina 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).

KiteGen 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 in funzione del diametro della turbina, considerando un vento nella media

europea, possono essere:

100 equivale ad un generatore da 0.5 MW

200 equivale ad un generatore da 3 MW

300 equivale ad un generatore da 7 MW

1000 equivale ad un generatore da 250 MW

La dimensione massima raggiungibile da un KiteGen è oggetto di studio di questo progetto,

ma dalle prime stime sembra possibile superare i 5.000 MW senza incorrere in gravi

problemi di resistenza strutturale e con un diametro complessivo di poco superiore ai

2.500 metri. E’ opportuno considerare che 5.000 MW sono l’equivalente tipico di 5 centrali

nucleari, il cui costo complessivo di realizzazione è di 12.5 miliardi di euro. E’ possibile

dimostrare che il KiteGen 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 del profilo alare.

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 è stato completato con successo in ambiente

di emulazione.

Il Prototipo è quindi rivolto a verificare il lavoro svolto in

ambiente di emulazione e con le numerose variabili in

gioco, al fine di governare il volo di un profilo alare come se

fosse un aliante senza pilota. Il profilo alare 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 KiteGen 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 una turbina ad asse verticale, preferibilmente in grado

di generare 1 GigaWatt, con un investimento di circa 80 milioni di Euro (2002). Il KiteGen

azionato dai profili alari produrrebbe energia al costo di 1,5 Euro per Megawattora. Le fonti

che usano il vento possono essere vantaggiosamente localizzate anche "off-shore".

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 KiteGen 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 ed i tempi della realizzazione

del primo prototipo di KiteGen siano oggettivamente funzione delle collaborazioni

accademiche e istituzionali e dell’entità degli investimenti che il progetto raccoglierà.

La potenza del KiteGen è in buona parte modulabile. Adattandosi alle variabili condizioni

di vento, il KiteGen è in grado di produrre energia costante nell’arco delle 24 ore. Ci sono

ottime possibilità che un largo dimensionamento della potenza installata in KiteGen

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 KiteGen possa superare le 7-8.000 ore annue, due o più KiteGen farms,

realizzate a latitudini diverse, coprirebbero a vicenda gli eventuali ammanchi. I KiteGen

operativi potrebbero in prospettiva rinunciare agli incentivi alle rinnovabili, destinandoli a

favore del solare fotovoltaico.

Con il solare il KiteGen è sicuramente in sinergia, poiché la rete elettrica, nelle ore diurne,

raggiunge dei costosi picchi di 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 questa

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

KiteGen 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.

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 KiteGen.

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.

Pensiamo tuttavia che il passaggio alla trazione puramente elettrica, in tutti i settori o

segmenti, rappresenti una grande occasione di rinnovato sviluppo industriale,

incrementando nel contempo il rispetto per l’ecosistema e riducendo l'impatto ambientale

complessivo delle attività antropiche.

Dopo aver citato l’elettricità ed il trasporto, il riscaldamento rappresenta la terza grande

necessità di energia che la nostra civilizzazione richiede.

Il KiteGen, 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 KiteGen 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.

I mulini a vento tradizionali sfruttano l’energia rinnovabile ma molto limitata rappresentata

dal vento a bassa quota (100 m). 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 KiteGen, 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.

Il vento è un’entità dell'ambiente che ci circonda, a cui (probabilmente per ragioni

psicologiche ed istintive) gli esseri umani associano un’idea di leggerezza, piuttosto che di

forza. E' probabile che, se non fossimo stati aiutati dalla constatazione che gli uccelli

volano, l'idea di fare volare oggetti pesanti non avrebbe trovato caparbi inventori ma solo

enorme scetticismo.

Probabilmente anche per questa ragione (e per questa forma di "istinto") l'idea di creare

energia utilizzando il vento può apparire a certuni, ancora oggi, "curiosa". Non è escluso

che generi persino scetticismo, nonostante il fatto che da millenni l'energia prodotta dal

vento sia stata utilizzata sia per il lavoro che per il trasporto, per fare attraversare mari ed

oceani ad oggetti altrimenti immobili.

Oggi aeromobili di diverse decine di tonnellate volano "leggeri", sostentati da forze

aerodinamiche cui il nostro primo istinto attribuisce poca rilevanza".

Temiamo che un progetto con altissimo potenziale, come potrebbe essere il presente, sia

considerato "troppo bello per essere vero", considerato anche che nel settore energia

vediamo sostegni alle ricerche sui problemi dell'idrogeno e della fusione nucleare, con