Airborne windenergie (AWE) kan in de toekomst een serieuze aanvulling worden voor de traditionele windturbines. Maar tot het zover is, moeten er nog flink wat uitdagingen worden opgelost. Onze collega John Watchorn was tijdens zijn MSc Aerospace Engineering betrokken bij het onderzoek naar AWE door middel van vliegers. We spraken hem en zijn toenmalige mentor over het onderwerp.
Roland Schmehl is universitair hoofddocent bij de TU Delft en doet al jaren onderzoek naar vliegerenergie. Hij werkte zelfs nog samen met Wubbo Ockels, de man die in 1998 vliegerenergie patenteerde en in 2004 het onderzoek naar energieopwekking door middel van vliegers initieerde. In 2015 was Roland medeoprichter van de spin-off Kitepower, een bedrijf dat AWE-systemen op de markt brengt. Er zijn meerdere vliegersystemen om energie op te wekken, waarvan er twee het meest gebruikelijk zijn, vertelt Roland.
“Het eerste systeem is een ‘fixed-wing kite’ die in cirkels vliegt en zelf kleine propellers heeft. Deze propellers fungeren als mini-windturbines en wekken elektriciteit op die door de kabel naar de grond en in het netwerk gestuurd wordt. Het tweede concept is een vlieger die aan een generator met een lier vastzit en door middel van vliegpatronen de kabel uittrekt.” Op het moment dat de kabel uitgetrokken wordt, wordt er elektriciteit opgewekt. Wanneer de kabel helemaal is uitgerold, trekt de lier de vlieger weer naar beneden. “Daarvoor is een klein deel energie nodig. Daarom hebben we op de grond een batterij nodig voor het afwisselend opwekken en gebruiken van de energie.”
De benodigde energie om de vlieger naar beneden te halen is zeer gering, stelt de universitair hoofddocent. “Dat komt doordat de vliegpatronen bij het in- en uitrollen enorm verschillen.” Hij trekt een vergelijking met kite surfers: “Wanneer zij snelheid willen maken, moeten ze manoeuvres maken. Dat doet onze kite ook voor het opwekken van energie, terwijl hij wanneer hij ingerold wordt, gewoon in een meer of minder rechte lijn terug wordt gehaald.”
Meer rendement
Het grote verschil van windenergie opwekken met vliegers in vergelijking met de huidige windturbines is dat een AWE-systeem vliegt. “Een vlieger kan veel hoger komen dan een vaste turbine”, zegt John. “Hoger in de lucht is de wind sneller en consistenter, waardoor je flexibeler bent en meer energie kunt opwekken.” Roland vult aan: “Wanneer er te weinig wind is voor een turbine, staat die stil. Terwijl we de vliegers naar hogere atmosferen kunnen sturen om zo een consistente opwekking te behouden en meer rendement genereren.”
De patronen die nodig zijn om efficiënt energie op te kunnen wekken, worden door automatic flight control geregeld. Daarvoor zijn verschillende manieren, bijvoorbeeld touwen die zijn bevestigd aan een control unit die onder de vlieger hangt, vergelijkbaar met de bar die kite surfers gebruiken om te sturen. De control unit wordt remote bestuurd vanaf de grond. Voor het andere type vlieger, die met de mini-turbines, geldt dat het feitelijk een klein vliegtuig is waar dezelfde onderdelen zoals een roer, flappen en stuur ervoor zorgen dat het systeem de juiste patronen kan afleggen.
Duurzamer
De vliegers die Kitepower ontwikkelt, zijn van het tweede type dat Roland onderscheidt en worden gemaakt van hetzelfde materiaal als surfkites. “Maar ze zijn wel verstevigd, omdat de krachten die zo’n vlieger moet weerstaan vele malen hoger zijn dan bij kitesurfen. Om 100 kilowatt elektrische energie op te wekken, trekt er zo’n 5 ton kracht aan de kabel. Dat is nogal wat.” Deze extreme krachten zijn ook de reden dat vliegers vaker aan vervanging toe zijn, stelt John. “Je kunt je voorstellen dat het materiaal op een gegeven moment zwak wordt of scheurt.” En hoewel je dit als nadeel kunt zien, heeft dit systeem qua duurzaamheid vele strepen voor op de traditionele windturbines.
John: “Er is tot 90 procent minder materiaal nodig voor een AWE-systeem dan voor de bouw van een windturbine. Er is momenteel veel te doen over wat er moet gebeuren met oude turbines, want die materialen zijn niet recyclebaar. Dat is een probleem dat het AWE-vliegersysteem niet heeft.” Het doek van de kites die vervangen worden, wordt door Kitepower aan een bedrijf gegeven dat er rugzakken, laptoptassen en zelfs jassen van maakt. “Dan loop je dus in een jas van vliegerstof waar eerder energie mee is opgewekt”, zegt Roland met een grote glimlach.
Uiteindelijk is het doel van het bedrijf om een volledig recycleproces te ontwikkelen waarbij niets wordt weggegooid, maar het duurt waarschijnlijk nog even voordat het zover is, beaamt Roland. “Op dit moment ligt de focus op het op de markt brengen van grotere typen systemen. Het is helaas niet mogelijk om in een beginstadium alle voorkomende issues aan te pakken. Maar het recycleproces verder verbeteren en uitbreiden is zeker een grote wens van ons.”
Operationele systemen
Op dit moment heeft het Duitse SkySails twee systemen van 200 kilowatt in gebruik. Eentje in Noord-Duitsland en eentje op Mauritius. Kitepower vliegt met een 100 kilowatt systeem in Ierland. Dat doet het samen met RWE, een van oorsprong Duits energiebedrijf dat de komende 6 jaar wereldwijd 55 miljard euro in het verder verduurzamen van zijn energieproductie wil steken. Roland: “Ze willen eind van dit jaar met hun eerste serie-geproduceerde product de markt op: Kitepower 30kW Hawk.”
Op dit moment vormen de AWE-vliegersystemen nog geen serieuze bedreiging voor de traditionele windturbines, vertelt de hoogleraar. “Er wordt al tientallen jaren aan turbines gewerkt, ze zijn heel betrouwbaar en hebben een schaal waar wij nu alleen nog maar van kunnen dromen: 10 megawatt. Nee, wij richten ons in eerste instantie op nichemarkten.” Hij doelt op plekken waar het lastig is om een windturbine te plaatsen, bijvoorbeeld omdat de locatie slecht toegankelijk is of het transport van de onderdelen te duur. “Afgelegen plaatsen zijn heel geschikt om met vliegers energie op te wekken. Het zijn mobiele systemen die je snel ergens naartoe kunt brengen en die binnen een uur al energie opwekken.”
Risico’s
Voorlopig ligt de focus om op kleine schaal – 30 tot 100 kilowatt – te laten zien dat het systeem werkt en betrouwbaar is. Daarna wil Roland met zijn bedrijf verder opschalen, in eerste instantie naar 500 kilowatt en in een tweede stap naar megawatt. “En dán worden we vergelijkbaar met traditionele windturbines”, stelt hij. “Maar dat is voorlopig nog toekomstmuziek. Vooralsnog is dit vooral een heel goed idee met enorm potentieel, maar ook met risico’s.” Vooral de complexiteit van het systeem is een risico, stelt hij.
“Je hebt namelijk een vliegend systeem in plaats van een vaststaande turbine. Zo’n turbine is heel voorspelbaar en wanneer er geen wind staat, blijft hij gewoon staan. Maar een kite moet landen wanneer de wind wegvalt. Dit zijn uitdagingen waar we als bedrijf al zo’n 8 jaar aan werken, om die complexiteit te beteugelen en het systeem betrouwbaar te maken.” Ook de materialen vormen een risico, aangezien een vlieger minder lang meegaat dan een turbine en dat brengt kosten met zich mee. Op het vlak van materiaal is er aanvullend onderzoek nodig, ondanks dat circulariteit al in de designfase wordt meegenomen.”
Software is de kern
Software engineering vormt een cruciaal onderdeel van AWE-vliegersystemen. Aangezien de kite vrij kan vliegen, is het belangrijk om de vlieger te kunnen controleren en dynamisch te kunnen laten inspelen op veranderende weersomstandigheden. “Flight control en software gaan hand in hand”, zegt Roland. “Technisch is de eerste uitdaging met AWE de regeltechnologie. Sterker nog, dat vakgebied bestaat al twintig jaar en er werden kites gebouwd om regelalgoritmes te testen. Pas later viel het kwartje dat we hier ook energie mee kunnen opwekken. Software is echt de kern van deze technologie.”
Uiteraard wordt er ook software gebruikt om componenten te ontwikkelen, zoals John deed voor zijn masterscriptie. “Voor mijn proefschrift heb ik een statistisch model ontwikkeld dat gebruikt kan worden om de aerodynamische belasting in te schatten die optreedt op een leading edge inflatable (LEI) vlieger die gebruikt wordt als AWE. Om een geschikt statistisch model op te stellen, is een grote dataset nodig. De aerodynamische gegevens werden verkregen door middel van computational fluid dynamics (CFD), een numerieke methode die wordt gebruikt om vloeistofstromingen te simuleren en waarmee een hoge mate van nauwkeurigheid kan worden bereikt. Omdat het een nogal rekenintensieve numerieke methode is, werden de simulaties uitgevoerd op een speciale krachtige computer (HPC).”
Vorm exact nabootsen
Die numerieke methode werd gebruikt om de stroming te simuleren rond veel verschillende 2D-vormen die de dwarsdoorsnede van een LEI-vlieger vertegenwoordigen. John: “Omdat het moeilijk is om deze vorm exact na te bootsen, heb ik een interpolatiesysteem ontwikkeld dat gebruikmaakt van eenvoudige invoerparameters die belangrijke aspecten van de vorm definiëren.” De volgende stap is het genereren van een numeriek raster rond de 2D-vorm dat het gebied voorstelt waar de lucht doorheen stroomt en waar de berekeningen plaatsvinden.
“Voor elke onderzochte vorm werd vervolgens een numeriek raster gegenereerd met behulp van een op MATLAB gebaseerde toolchain die ik ontwikkelde op basis van het werk van een voorganger”, vertelt John. Die toolchain gebruikt de eerder genoemde vormparameters als gebruikersinvoer en genereert automatisch de 2D vorm, het numerieke raster en de benodigde simulatiebestanden die geüpload moeten worden naar de krachtige computer (HPC). Deze toolchain hielp veel tijd te besparen aangezien er veel 2D-vormen en numerieke rasters gegenereerd moesten worden om een grote dataset te verkrijgen.
Beter modellen ontwikkelen
Hoewel het statistische model dat is afgeleid van de aerodynamische gegevens zelf nogal dubieus was, zegt John – waarschijnlijk door de beperkingen van de gebruikte modelleringstechniek of wellicht waren er niet genoeg datapunten – zijn de verkregen gegevens waardevol gebleken, omdat ze kwantitatief inzicht hebben gegeven in hoe de vorm van de dwarsdoorsnede van een LEI-vlieger de stroming eromheen beïnvloedt. “De gegevens kunnen mogelijk ook worden gebruikt om een beter statistisch model te ontwikkelen met behulp van een meer geavanceerde modelleringstechniek.” De grootste uitdaging in de softwareontwikkeling is dat alles realtime moet zijn en regelalgoritmes dus ook. “Het systeem moet heel snel kunnen reageren wanneer er een windvlaag komt. En daarbij moet het natuurlijk enorm betrouwbaar zijn”, zegt Roland.
Machine learning en AI
Een interessante ontwikkeling waar Roland op de TU Delft momenteel aan werkt is het toevoegen van machine learning en AI aan het AWE-systeem. “Het idee is dat we een intelligent liersysteem bouwen dat windvlagen kan aan zien komen. Oftewel ‘use AI to predict the unpredictable’. Dan kan een vlieger efficiënter vliegen doordat de kracht wordt verlaagd in afwachting van een windvlaag. Met behulp van machine learning proberen we systemen nu te trainen en nog betrouwbaarder te krijgen. Dat doen we onder meer door meteorologische informatie te voeden aan het systeem.”
“Het verkrijgen van de juiste informatie is nog een heel uitdaging, want veel informatie is gebaseerd op een hoogte van 200 tot 300 meter, dat is namelijk de hoogte van windturbines. Maar onze kites vliegen hoger, tot wel 500 meter hoog en soms zelfs nog daarboven. Lidar-informatie over windsnelheden op die hoogte is nog niet op grote schaal voorhanden.” Dat betekent dat de onderzoeksgroep van Roland nu zelf dit soort modellen voor windgedrag op grote hoogte aan het ontwikkelen is. Zodat ze kunnen modelleren hoe de performance van het systeem kan worden voorspeld, maar ook om de regelalgoritmes te verbeteren.
Nieuwsgierigheid groter dan overlast
“Een ander interessant onderzoeksgebied is de social acceptance”, voegt John toe. “Tijdens mijn afstuderen was er een PhD-student die hier onderzoek naar deed.” Door middel van interviews met omwonenden van AWE-vliegersystemen werd in kaart gebracht hoeveel hinder zij ondervonden van het systeem. “We merken dat het systeem nog vrij nieuw is en dat iedereen er daardoor vooral heel nieuwsgierig naar is en nog niet zoveel overlast ervaart”, zegt Roland. “Hoe dat zich op termijn gaat ontwikkelen, zeker omdat de bewegingen van een vlieger natuurlijk veel dynamischer zijn dan die van een windturbine, moeten we nog afwachten.”
Er is absoluut potentieel voor AWE op de windenergiemarkt. “Zeker omdat het op sommige locaties veel goedkoper en duurzamer in te zetten is dan een windturbine.” Hoewel het lastig is om voorspellingen te doen, denkt de hoogleraar dat er binnen 3 tot 4 jaar meerdere AWE-vliegersystemen van 30 tot 100 kilowatt operationeel zullen zijn.Link naar de scriptie van John Watchorn: Aerodynamic Load Modelling for Leading Edge Inflatable Kites
