L’ idea chiave è catturare l’energia del vento ad altezze maggiori di quelle consentite agli aerogeneratori tradizionali. Più in alto la velocità media del vento è doppia ed aumenta la sua potenza.
Il progetto KiteGen, attualmente in corso al Politecnico di Torino in collaborazione con le aziende hi-tech Sequoia Automation, Modelway e KiteGen Research e con il parziale finanziamento dalla Regione Piemonte e della Unione Europea, ha l’obbiettivo di ribaltare la convinzione che le fonti rinnovabili sia più costose delle fossili e destinate a contribuire in modo marginale ai fabbisogni energetici mondiali. L’ idea chiave è di catturare l’energia del vento ad altezze maggiori sul suolo di quelle consentite agli aerogeneratori tradizionali (1). Nonostante la impetuosa crescita negli ultimi anni delle attuali tecnologie eoliche (2), i problemi dei loro notevoli impatti ambientali, di intermittenza e costi di generazione elevati possono addirittura rendere ardua una loro significativa contribuzione alla quota del 20% di energie rinnovabili richiesti dalla UE entro il 2020. Peraltro, già ad altezze di 700-800 m sul livello del suolo, la velocità media del vento è circa doppia che non tra 50-150 m. Poichè la potenza catturabile dal vento cresce col cubo della sua velocità, se si portasse una pala eolica a 700-800 m, essa sarebbe in grado di generare mediamente una potenza di 8 volte superiore. Tuttavia, le altezze delle attuali torri non sono più significativamente incrementabili a causa dei loro inerenti limiti strutturali.
Nel progetto KiteGen, la cattura del vento a tali altezze avviene mediante l’impiego di profili alari di potenza (kite), ciascuno collegato a dei generatori elettrici a terra mediante due cavi. Un sistema di controllo automatico (KSU, Kite Steering Unit, fig. 1), agendo sui due cavi, pilota i profili alari secondo traiettorie ottimizzate, trasformando la forza trasmessa dai cavi in energia elettrica. Nel progetto sono stati investigati due categorie di generatori KiteGen: KG-yoyo e KG-carosello. Nel KG-yoyo, la KSU è fissa al suolo. La generazione avviene effettuando periodicamente un ciclo di due fasi (fig. 2). Nella fase di trazione il controllo pilota il kite, facendolo volare ad alta velocità (5-10 volte la velocità del vento) con figure ad otto che producono elevate forze aerodinamiche sulle funi, che tramite i verricelli mettono in rotazione i motori/generatori, generando così energia. Quando le funi sono a una assegnata lunghezza, il kite viene messo in una condizione in cui è possibile riavvolgere parte le funi spendendo una piccola frazione dell’energia generata. Nel KG-carosello la KSU si muove lungo un percorso circolare e la generazione avviene sia tramite la rotazione dei motori/generatori della KSU, sia dal movimento della KSU che viene opportunamente trasmesso a dei generatori elettrici. Il sistema di controllo è in grado di pilotare il kite anche nelle fasi contro vento, massimizzando la potenza prodotta. Più KSU possono essere messi sullo stesso percorso circolare (fig. 3) e il sistema di controllo coordina i loro movimenti in modo che le traiettorie e le scie aerodinamiche non interagiscano fra di loro.
Approfondite ed estensive attività di progettazione e simulazione su computer sono state effettuate utilizzando sofisticati modelli aerodinamici dei kite e metodologie innovative di controllo (1,3), che hanno permesso di verificare sia i fondamenti scientifici del progetto, sia di effettuare valutazioni tecnico-economiche così sintetizzate:
· l’occupazione di territorio per potenza media generata risulta inferiore rispetto alle wind farm di torri eoliche, con vantaggi crescenti con la potenza,fino a oltre 1/20 per potenze di 1000 MW
· i costi di produzione dell’energia prodotta sono stimati non solo inferiori a quelli dell’eolico tradizionale ma anche di quelli ottenuti da fonti fossili, con vantaggi crescenti al crescere della potenza (fig. 4).
E’ stato realizzato un prototipo di KG-yoyo, figura 5, in grado di generare 40 kW di potenza massima, pilotando kite fino a 15 m2 di superficie con funi lunghe 1000 m. Sul sito (4) è visibile un filmato di una delle prove sperimentali effettuate. Tali prove hanno anche permesso di verificare una buona congruenza tra le simulazioni su computer e i risultati ottenuti sperimentalmente (3), fornendo fondate motivazioni che le previste potenzialità della tecnologia KiteGen siano effettivamente realizzabili.
Il prossimo passo è la realizzazione in 18 mesi di un KG-yoyo da 1 MW di potenza, con funzionalità di decollo e atterraggio automatico. Questo prototipo industriale dimostrerà la possibilità di realizzare in successivi 12 mesi una wind farm da 10-15 MW che avrà costi di produzione inferiore alle fonti fossili.
Sulla base dei risultati finora ottenuti, si può ritenere che la tecnologia KiteGen abbia la potenzialità di ridurre la dipendenza dai combustibili fossili in tempi brevi e in modo più significativo di quanto possibile con le attuali tecnologie rinnovabili. I tempi per arrivare una sua industrializzazione potrebbero non superare un orizzonte di 5 anni. La tecnologia KiteGen non necessita ulteriormente di ricerca di base o di avanzamenti tecnologici da esplorare, ma richiede solo la fusione di competenze ingegneristiche di varia natura e l’applicazione di soluzioni già disponibili e sperimentate, insieme a un’importante attività di progettazione.
Mario Milanese
Professore ordinario di Teoria dei Sistemi e del Controllo, Politecnico di Torino