Fonti rinnovabili ed energia del vento: la ricerca lavora su eolico troposferico e aquiloni marini

Nel mondo della ricerca energetica, si affacciano i sistemi eolici che sfruttano i venti d’alta quota tramite aquiloni. E, in analogo modo, si stanno sviluppando progetti legati all’energia marina.

TAKEAWAY

  • Nel filone della ricerca sull’energia eolica rientrano i sistemi AWE (Airborn Wind Energy): sfruttano l’energia del vento mediante aquiloni o soluzioni collegate a terra da cavi.
  • La tecnologia AWE è in grado di raccogliere venti ad alta quota, più stabili, persistenti e di maggiore velocità.
  • La ricerca sugli “aquiloni energetici” si concentra anche sullo sfruttamento dell’energia marina e per desalinizzare l’acqua marina.

La ricerca su fonti rinnovabili ed energia del vento è uno dei filoni più attivi per la transizione energetica. Il report “Global status of clean energy innovation in 2020” della IEA rivela che la tecnologia energetica “low carbon” rappresenta circa l’80% della spesa pubblica totale della ricerca e sviluppo sull’energia, e nel 2019 è cresciuta del 3% a 30 miliardi di dollari a livello globale.

A proposito di energia eolica innovativa, da qualche anno si stanno definendo nuove soluzioni più conosciute oggi come Airborn Wind Energy (AWE), con cui vengono definiti questi sistemi eolici d’alta quota mirati a sfruttare l’energia del vento mediante apparecchiature volanti generalmente collegate a terra da cavi.

Tali sistemi, suddivisi per modalità di generazione di energia elettrica a terra o in aria, comprendono diversi progetti, alcuni dei quali hanno ricevuto interesse da colossi energetici e del Web: la tedesca RWE, attraverso RWE Renewables, ha acquisito la tecnologia di SkySails Power; Eon ha stabilito un accordo con l’olandese Ampyx Power, l’italiana Kitegen aveva raccolto l’interesse di Saipem, KitePower ha ricevuto finanziamenti dall’UE oltre che conta su partner come il Ministero degli Affari economici dei Paesi Bassi, mentre Makani aveva invece raccolto interesse e fondi da Alphabet, holding di Google (che però ha concluso l’esperienza).

Sono solo esempi, ma nel frattempo si stanno definendo altre imprese innovative e la ricerca prosegue per sfruttare in modo sostenibile l’energia da fonti rinnovabili, non solo dal vento d’alta quota ma anche dal mare, come vedremo.

Fonti rinnovabili ed energia del vento: cos’è l’energia eolica d’alta quota

L’energia eolica cui siamo abituati a pensare è legata alle pale eoliche. Oggi sappiamo che si stanno sviluppando sistemi per ottimizzare questa tecnologia: pensiamo, per esempio, alle pale eoliche verticali.

Tuttavia l’attuale generazione di energia dal vento si basa su strutture di supporto rigide ed è limitata ad altitudini fino a 200 metri. Il vento ad altitudini più elevate è significativamente più forte e persistente. Da qui si sviluppa l’energia eolica d’alta quota il cui termine condiviso a livello internazionale è Airborne Wind Energy (AWE).

Il motivo del termine si deve alla caratteristica principale dei vari sistemi: il profilo alare, che converte l’energia eolica in meccanica e poi in elettrica, si sostiene nell’aria tramite le stesse forze aerodinamiche senza bisogno di una struttura portante statica” spiega Lorenzo Fagiano, docente di controlli automatici del Politecnico di Milano ed esperto italiano di riferimento per i sistemi AWE.

Questo termine, infatti, indica l’uso diretto o la produzione di energia attraverso l’uso di dispositivi di sollevamento aerodinamici o aerostatici. La tecnologia Airborne Wind Energy è in grado di raccogliere venti ad alta quota, in contrasto con le turbine eoliche, che utilizzano un rotore montato su una torre. Anche questa diventa una soluzione per combinare fonti rinnovabili ed energia del vento.

Airborne Wind Energy: un cavo, aquiloni e tecnologia robotica

I modi e le forme per raccogliere l’energia dai venti in troposfera sono disparati: aquiloni, aerostati, alianti. Una volta che l’energia meccanica è derivata dall’energia cinetica del vento, sono disponibili molte opzioni per l’utilizzo di tale energia meccanica: trazione diretta, conversione in elettricità a bordo o alla stazione di terra, conversione in laser o microonde per la trasmissione di potenza ad altri aerei o ricevitori di terra. Ma le modalità di generazione energetica sono due: in aria o a terra.

L’energia generata da un sistema ad alta quota può essere utilizzata in alto o inviata alla superficie terrestre tramite cavi conduttori. Il fine è identico: sfruttare i venti ad alta quota che sono più stabili, più persistenti e di maggiore velocità.

Il comune denominatore di tutti i sistemi è il cavo. Attualmente la generazione a terra è industrialmente più avanzata – spiega Fagiano – È comune anche l’impiego della robotica intesa come sensoristica e sistemi di controllo per rendere stabile il moto attivo dei sistemi AWE e ottimizzarne la resa. La tecnologia prevalentemente impiegata deriva infatti dai droni”.

A livello di trattazione teorica se ne parlava già negli anni Ottanta di questo argomento che unisce fonti rinnovabili ed energia del vento: l’ingegnere Miles Loyd, del Lawrence Livermore National Laboratory scrisse un articolo scientifico descrivendo la possibilità di produrre energia tramite aquiloni eolici.

Già all’epoca considerava, attraverso calcoli specifici, che l’utilizzo di questa tecnologia, rispetto alle turbine eoliche, un aquilone potesse produrre venti volte la potenza di una turbina.

Fonti rinnovabili ed energia del vento: le idee più interessanti dell’eolico troposferico 

Gli esempi di produzione da eolico troposferico, considerata una alternativa nel filone fonti rinnovabili ed energia del vento, sono numerosi. Un’antesignana è l’italiana Kitegen, che sfrutta i venti di alta quota, prevedendo due filoni principali di sviluppo: il KiteGen Stem (centrale eolica che sfrutta la trazione generata da un singolo kite) ed il Kitegen Carousel (centrale eolica ad asse di rotazione verticale, azionata da molti kites contemporaneamente).

Skysails è il progetto più promettente, dal punto di vista economico-commerciale, in quanto ha stretto un accordo con la mauriziana IBL Energy Holdings per installare il suo primo impianto di eolico troposferico. Si tratta del primo accordo commerciale in assoluto. Skysails si è specializzata nel realizzare vele che, sfruttando il vento ad alta quota, aiutano le navi nel loro tragitto consentendo di risparmiare carburante. Conta oggi quattro divisioni che operano su questa tecnologia.

Esempio di tecnologia derivante dai sistemi di energia eolica aerotrasportata

L’impresa energetica tedesca RWE è fortemente interessata a quest’azienda di Amburgo ideatrice della tecnologia che produce energia eolica in volo con una potenza fino a 200 kW. L’obiettivo è sviluppare ulteriormente questa tecnologia e la produzione energetica.

Impiega sistemi in aria e un cavo anche KitePower, il cui progetto iniziale ha ricevuto anche il supporto dell’Unione Europea. Combina robotica ed eolico troposferico per il proprio aquilone, che opera mediante cicli di pompaggio.

Al decollo iniziale segue l’ascesa fino alla massima altezza consentita (500 metri), con veloci manovre trasversali alla direzione del vento. In questo modo tira con forza il cavo, azionando il generatore. Giunta alla massima altezza, l’ala viene poi recuperata per essere nuovamente lanciata. ‎Un robot provvede ad avvolgere l’aquilone e poi lo rilascia lentamente. Mentre ciò accade, il movimento della corda che si srotola genera elettricità.

Sull’ala flessbile esiste in Italia anche Kitenergy, che impiega due cavi e un aquilone flessibile, comandato da terra. Sempre basato su sistemi a terra c’è Ampyix Power, che ha attirato interesse e investimenti dalla società energetica europea Eon. Il principio del sistema prevede un sistema di decollo simile a quello della catapulta e non prevede decollo verticale. Sistemi a terra con ala rigida è la caratteristica su cui sono basati la norvegese Kitemill e la svizzera Twingtec.

In tema di fonti rinnovabili ed energia del vento, si dichiara costruttrice di turbine eoliche volanti la tedesca Kitekraft, nata da poco, che consiste in un velivolo elettrico legato, un kite, con 8 turbine eoliche a bordo.

La statunitense Windlift lavora, invece, sul concetto di Airborne Power Generator in cui il vento spinge l’aereo ad alta velocità, fornendo un flusso d’aria alle turbine e ai generatori di bordo da cui l’elettricità scorre lungo il cavo conduttivo fino a una stazione di terra per immagazzinare e distribuire. Si propone come soluzione per basi militari che operano in zone remote per produrre energia secondo necessità.

La maggior parte di queste aziende aderisce all’associazione di riferimento Airborne Wind Europe, cui fanno parte tre Università tra cui il Politecnico di Milano, oltre al TU Delft e l’RWTH Aachen University. L’ateneo milanese, tra l’altro, ospiterà dal 15 al 17 giugno 2022 la nona edizione dell’Airborne Wind Energy Conference.

Energia marina e acqua desalinizzata dagli aquiloni

Combinare fonti rinnovabili ed energia del vento è utile anche per altri fini. Uno di questi mira a desalinizzare l’acqua del mare, con un sistema che unisce bassi costi, efficienza energetica evitando sistemi alimentati da combustibili fossili, attualmente quelli più usati.

L’ideatrice è la startup Hydro Wind Energy che ha messo a punto un sistema che si avvale di aquiloni offshore ad alta quota, combinati con membrane a osmosi inversa e pressione sottomarina per desalinizzare l’acqua. Il dispendio energetico più consistente della desalinizzazione tradizionale è la pressione dell’acqua di mare, che deve essere fatta passare attraverso una membrana a osmosi inversa.

Spostando questo processo 600 metri sott’acqua, il sistema messo a punto dalla startup sfrutta la pressione dell’oceano per ridurre la quantità di energia richiesta: gli aquiloni alimentati dal vento vengono utilizzati per sollevare l’acqua desalinizzata in superficie. Sfruttando il vento di alta quota in mare aperto essi immagazzinano l’energia sottomarina in recipienti a pressione e la rilasciano su richiesta come energia elettrica.

La tecnologia è una combinazione di energia eolica e stoccaggio idroelettrico, impiegando la profondità del mare e la pressione invece dell’altezza per ottenere gli stessi risultati. Hydro Wind Energy sta raccogliendo fondi per costruire prototipi, che spera di completare entro la fine dell’anno, con la commercializzazione prevista per il 2023.

In tema di energia marina è da segnalare quanto sta portando avanti la californiana SRI International, organizzazione di ricerca scientifica no profit. L’istituto ha recentemente ricevuto un premio triennale di 4,2 milioni di dollari dall’Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E) del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti come parte del suo programma Submarine Hydrokinetic And Riverine Kilo-megawatt Systems (SHARKS).

Il programma SHARKS supporta lo sviluppo di turbine idrocinetiche a costi competitivi che generano elettricità dalle maree oceaniche e dalle correnti fluviali. Da qui parte Manta, sistema che impiega aquiloni subacquei per produrre energia dalle maree. Nello specifico, Manta genererà energia utilizzando un aquilone subacqueo per catturare la potenza delle correnti d’acqua, simile a un aquilone aereo che viene sollevato dal vento. Il sistema di conversione di potenza di Manta si basa sull’azione congiunta di “pompaggio” del kite e del mulinello.

Il vantaggio di Manta, dichiarato dagli ideatori, è la sua capacità di produrre energia a costi minimi di struttura e installazione e promettendo di avere impatti ambientali davvero ridotti. 

Fonti rinnovabili ed energia del vento: gli impatti della tecnologia

I sistemi di energia eolica aerea convertono l’energia del vento in elettricità usando dispositivi volanti convenzionalmente sotto forma di aquiloni. La sostituzione della torre e delle fondamenta delle turbine eoliche convenzionali può ridurre sostanzialmente l’uso di materiale e l’impatto, portando decisi benefici ambientali, oltre che economici.

Tuttavia non mancano le incognite che hanno finora mantenuto questi sistemi in forma pressoché prototipale: “la tecnologia presenta delle complessità – illustra Fagiano – Innanzitutto, i sistemi AWE competono nel mondo dell’energia, di per sé molto conservativo, caratterizzata da prodotti che devono essere estremamente sicuri e affidabili, dato che l’energia è un bene primario insopprimibile. Tuttavia, dalla loro possono contare su un impatto ambientale ridotto. Innanzitutto viene impiegata meno energia rispetto a infrastrutture eoliche tradizionali o altre fonti rinnovabili per essere prodotti e per l’impiego di materiali. Inoltre hanno un impatto visivo ininfluente”.

I vantaggi dei sistemi AWE sono la facilità di installazione e la riduzione degli investimenti iniziali dovuti a non aver spese infrastrutturali importanti, come invece accade nell’eolico tradizionale.

Pur essendoci elementi di incertezza, ci sono anche fattori lusinghieri il primo dei quali è il progresso enorme registrato negli ultimi 15 anni. “Ora è il momento per le aziende coinvolte di dimostrare l’affidabilità. La notizia che una prima azienda abbia trovato un acquirente crea i presupposti di un mercato di nicchia che potrebbe evolvere sensibilmente”.

La possibilità di renderli complementari con impianti solari ed eolici tradizionali potrebbe essere un fattore positivo per questi sistemi e per l’ulteriore sviluppo di fonti rinnovabili ed energia del vento.

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Andrea Ballocchi
Giornalista specializzato in tecnologia, focalizzato su temi che riguardano l'Internet of Things e le tecnologie emergenti che hanno un impatto significativo sulla vita quotidiana e su quella futura. Oltre alla tecnologia si occupa anche di temi legati alla sostenibilità ambientale e non solo (edilizia, architettura, design...)
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