Arenberg Doctoral School of Science, Engineering & Technology Faculty of Engineering Science Department of Electrical Engineering
Airborne Windenergie: Snelle kites produceren groene stroom
Moritz Diehl
25 Februari 2013
Europa 2023: De laatste Duitse Kerncentrale is afgezet
Kerncentrale Neckarwestheim
~80% van Europa’s stroom is fossiel of nucleair
Koo
fossiel (kolen, gas)
nucleair
EU-27 electricity generation by source 2011
[eurostat]
Moeten we terug naar kolen ?
Charbonniere Limbourg-Meuse, 1901-1987 [source: wordpress]
Er is al te veel kooldioxide in de atmosfeer, meer dan ooit in de laatste 0.5 miljoen jaren CO2 laat de globale temperatuur stijgen en de arctische ijskap smelten
Carbon Dioxide and Temperatures over last 450 000 years, and melting ice caps [source: C2ES / gws]
Ons persoonlijke energieverbruik
• Een typische European verbruikt gemiddeld 5 kW (electriciteit, transport, verwarming, ...)
• Dat is hetzelfde als 120 kWh per dag of 12 liter benzine per dag
• Een heen- en terugvlucht Los Angeles verbruikt 1200 liter kerosene per persoon (~100 dagen)
[MacKay 2009]
5 kW: zoals een groot verwarmingsapparaat, van de geboorte tot de dood aangeschakeld 6
Herniewbare Energiebronnen Zon en wind hebben het potentieel om genoeg energie voor al ons verbruik op te wekken: • De zon straalt 1.3 kW per m2 op de aarde. Een deel daarvan wordt windenergie. • Doorsnee in Belgie: 0.1 kW per m2 zonnestraling. Elk persoon heeft in theorie maar 50 m2 grond nodig voor 5 kW Hoofdnadelen: - energie is dun verspreid en moeilijk te concentreren - niet exact voorspelbar
[MacKay 2009]
7
Zonnepanelen? leveren in Belgie over het jaar gemiddeld 10 W per m2
er zijn 500 m2 zonnepanelen nodig om de energie voor een Belg op te wekken (25m x 20m) 10 m2 PV (=1kW) levert rond 1000 kWh per jaar [solarbranche.de]. Een jaar heeft 8760 uur.
Zonnepanelen? leveren in Belgie over het jaar gemiddeld 10 W per m2
er zijn 500 m2 zonnepanelen nodig om de energie voor een Belg op te wekken (25m x 20m) 10 m2 PV (=1kW) levert rond 1000 kWh per jaar [solarbranche.de]. Een jaar heeft 8760 uur.
Windenergie ? Een grote turbine van 6 MW levert rond 1MW, genoeg voor 200 personen
Thornton Bank
Windenergie ? Een grote turbine van 6 MW levert rond 1MW, genoeg voor 200 personen
Een grote windturbine = 200m x 500m Zonnepanelen in Belgie
Thornton Bank
Windenergie groeit sinds tien jaar sterk
Capaciteit van windenergie (238 GW) bijna even groot als van kerncentrales (372 GW) 12
Windenergie in Duitsland levert al dezelfde electriciteit als 5 moderne kerncentrales 24/02/13 19:13
60000
60000 Erzeugte Energiemenge (GWh) Generated Energy Installierte Nennleistung (MW) Wind Power Capacity
50000
50000
40000
40000
30000
30000
20000
20000
10000
10000
0 1990
0 1992
1994
1996
45000 GWh ≈ 5 x 8760 h x 1 GW
1998
2000
2002
2004
2006
[source: wikipedia]
2008
2010
13
6% van Europa’s stroom komt al uit windturbines
wind
Koo
fossiel (kolen, gas)
nucleair
EU-27 electricity generation by source 2011
[eurostat]
Kan windenergie nog efficienter geoogst worden? Een MW heeft wieken van rond de 20 ton en 400 ton aan fundamenten nodig.
Repower Thornton Bank / Constructie van windturbine-fundamenten in Oostende
AIRBORNE WINDENERGIE (AWE)
Windenergie groeit cubisch met de windsnelheid Energieinhoud van lucht van verschillende windsnelheiden 15,0
12,5
energie inhoud [kW/m2]
10,0
7,5
5,0
2,5
0
0
5
10
15
20
25
30
windsnelheid [m/s] Een verdubbelde windsnelheid heeft 8 keer meer vermogen. 17
site, at different elevations above the ground. In particular, the ranges 50–150 m a 800 m are of interests, since they correspond to the elevations at which wind turb KiteGen generators operate respectively. The site of De Bilt, in The Netherlands as five sites in Italy are considered. Figure 6.1 shows, for four of the considered l In de hoogte waait krachtigere wind the histograms of wind speed at the considered altitudes. The computed distribu Verdeling van windsnelheiden op 100m en op 500m hoogte
(a)
(b)
20
70
Observation frequency %
Observation frequency %
60 15
10
5
50 40 30 20 10
0 0
5
10
15
20
Wind speed (m/s)
25
30
Windsnelheiden in 100m [zwart](c) en 500m [grijs] in De Bilt (NL)
20
0 0 [Fagiano 2009]
20
5 18
10
Wind speed (m/s)
(d)
15
Turbinevermogen: Kracht x Windsnelheid “Zonder kracht tegen de wind geen windenergie”
Windsnelheid
Kracht tegen de wind
=
Kracht tegen turbine
Vermogen dat uit de wind gehaald wordt = Kracht x Snelheid
19
Een 500m hoge windturbine is moeilijk te bouwen Er is een zeer lange hefboom, dus een zeer grote buigmoment
Buigmoment = Kracht x Zonder kracht kan geen windenergie geoogst worden
Hoogte
20
Een 500m hoge windturbine is moeilijk te bouwen
Zonder kracht kan geen windenergie geoogst worden
21
Een 500m hoge windturbine is moeilijk te bouwen
Zonder kracht kan geen windenergie geoogst worden
22
Een 500m hoge windturbine is moeilijk te bouwen
Zonder kracht kan geen windenergie geoogst worden
23
Een 500m hoge windturbine is moeilijk te bouwen Een kabel kan de kracht zeer efficient opnemen
Zonder kracht kan geen windenergie geoogst worden
24
Een 500m hoge windturbine is moeilijk te bouwen Een kabel kan de kracht zeer efficient opnemen
Zonder kracht kan geen windenergie geoogst worden
25
Metamorphose van een windturbine
HET CROSSWIND-EFFECT en twee manieren om energie te oogsten
Conventionele Windturbine Door de grote snelheid zijn de uiteinden van de wieken de meest efficiente delen van de rotor
28
Conventionele Windturbine Door de grote snelheid zijn de uiteinden van de wieken de meest efficiente delen van de rotor
Kunnen wij een turbine bouwen alleen met deze delen ?
29
Het crosswind-effect • wind laat kite in snelle lussen vliegen • kite vliegt dwars op de wind • zeer sterke trekkracht in de kabel: kracht groeit kwadratisch met de kitesnelheid
Maar waar zal de generator zitten ? (“kite” = vliegend object aan kabel)
30
Optie 1: Drag mode, of airborne generatie
• relatieve wind drijft kleine windturbine aan • kabel brengt stroom naar beneden
Voordeel: kleine sneldraaiende generator Nadeel: kabel moet hoogspanning geleiden
31
Optie 2: Lift mode, of ground-based generatie Pomp cyclus met twee fases:
• Generatie fase: • kite vliegt snel, hoge trekkracht • ontrol kabel • genereer energie
32
Optie 2: Lift mode, of ground-based generatie Pomp cyclus met twee fases:
• Generatie fase: • kite vliegt snel, hoge trekkracht • ontrol kabel • genereer energie • Recuperatie fase: • kite vliegt traag, lage trekkracht • rol kabel op Voordeel: elektrische machine op de grond Nadeel: langzaam draaiende zware generator 33
Visualisering van de lift mode met de “pomp cyclus”
[AmpyxPower]
34
Visualisering van de lift mode met de “pomp cyclus”
Welke ontrolsnelheid is optimaal? Te traag: generator draait te weinig. Te snel: kite “ziet” minder wind, te weinig kracht. [AmpyxPower]
35
Welke ontrolsnelheid is optimaal? Maximaal vermogen bereikt bij ontrolsnelheid van 1/3 van de windsnelheid kracht
Vermogen = kracht x ontrolsnelheid
ontrolsnelheid
1,0
0,8
0,6
Nota: kite vliegt veel sneller dwars op de wind. Kite snelheid hangt af van aerodynamische efficientie van de vleugel. Hoe sneller, hoe groter de kracht.
0,4
0,2
36
Loyd’s Formule
vermogen luchtdichtheid kiteoppervlak windsnelheid lift-dragverhouding
Vleugel van 1 m2 kan vermogen van 40 kW genereren (bij wind 13 m/s en lift-drag-verhouding 15). Hetzelfde voor lift als voor drag mode.
37
Hoeveel zijn 40 kW per m2 Een vierkante meter vleugel levert meer stroom dan 400 m2 zonnepanelen
Een realistische schatting is dat de vleugel maar 25% van een jaar dit vermogen opwekt, gemiddeld 10 kW per m2. Twee personen hebben dus 1m2. vleugel nodig voor al hun energie.
[zonnepanelen / eindwerkstudenten Wouter Vandermeulen en Jeroen Stuyts]
38
24-25 Mei, 2011 in Leuven 100 wetenschappers uit 15 landen
VERSCHILLENDE CONCEPTEN
Categorisering van crosswind concepten Ground-Based Generation
On-Board Generation
Fixed Wing
Soft Wing
(not efficient)
41
Categorisering van crosswind concepten Ground-Based Generation
On-Board Generation
Fixed Wing
Soft Wing
(not efficient)
42
Categorisering van crosswind concepten
Fixed Wing
Soft Wing
Ground-Based Generation
On-Board Generation
AmpyxPower (NL), KU Leuven (B)
Makani power (US)
SkySails (D), TU Delft (NL), Enerkite (D), NTS (D), KITEnergy (IT), Swiss Kite Power (CH)
(not efficient)
43
AmpyxPower: vaste vleugels met ground-based generatie
AmpyxPower • startup van TU Delft, sinds 2008 • 6 permanente medewerkers • gefinanceerd door daidalos kapitaal, KLM, overheid, ...
Concept: pomp cyclus met vaste vleugel
45
Vliegtuig vol met electronica
GPS, accelerometer, magnetometer, pitot buis, CPU, batterij, ...
46
AmpyxPower: vaste vleugels met ground-based generatie
AmpyxPower: vaste vleugels met ground-based generatie
AmpyxPower: vaste vleugels met ground-based generatie 14
Fig. 13 and Power curve of one full cycle at 9 m/s wind speed, normalized to the cycle time Richard Ruiterkamp S¨oren Sieberling
Fig. 13 Power curve of one full cycle at 9 m/s wind speed, normalized to 14 the Preliminary cycle time power curve for the current PowerPlane prototype. The power levels for higher Fig. 2 are limited by the system constraints such as maximum lift force that the aircraft can wind speeds sustain.
Het Ampyx PowerPlane heeft 3 m oppervlak, en levert maximaal 18 kW. De 40 kW per m2 zijn niet bereikt. De reden is vooralangle deofluchtweerstand van de kabel. 30° with the wind direction. A smaller pattern flown closer to the ground
(i.e. 20°) will improve the power differences over one pattern and thus over the full power production cycle. [Ruiterkamp, Sieberling 2013] One of the development targets for 2013 is to produce a first power curve of the PowerPlane system. With the limited dataset that is avaiable at this time and the intrinsic system limitations there is insufficient data to fully define the power curve. Yet it is interesting to look at the preliminary power curve to indicate the effects of these limitations on the shape of the curve.
SkySails: flexibele vleugels met ground-based generatie
SkySails • startup sinds 2001 • ~30 permanente medewerkers • werkt vooral aan tractie-kites voor schepen • sinds 2011 ook interesse voor electriciteit • gefinanceerd door reeders, prive, overheid...
Concept: tractie van schepen of pomp cyclus met flexibele vleugel
51
SkySails: flexibele vleugels met ground-based generatie
SkySails: flexibele vleugels met ground-based generatie
Vele andere teams die flexibele vleugels met ground-based energieopwekking onderzoeken b.v. TU Delft
Enerkite
Makani Power: vaste vleugels met on-board generatie
Makani Power subtitle
• startup sinds 2006, in Californie • ~15 permanente medewerkers • vaste vleugels met on-board generatie • gefinancieerd door google (~20 M$)
56
Makani Power: vaste vleugels met on-board generatie
Makani Power: vaste vleugels met on-board generatie
Makani Power: vaste vleugels met on-board generatie
Corwin Hardham (1974-2012)
Makani Power: vaste vleugels met on-board generatie
Andere Concepten
Skywindpower
Altaeros Energies
Magenn
KiteGen
Airborne windenergie teams in de wereld 24/02/13 00:25
Devotek Kitemill Ampyx Power TU Delft KU Leuven University of Grenoble Allister Furey University of Limerick Omnidea HAWP
Crosswind Power Makani Power Stanford University UC Santa Barbara Sky Windpower Honeywell CMNA Power Magenn WindLift University of Delaware NASA Langley WPI Highest Wind Altaeros Energies
[source: R. Schmehl, TU Delft]
Fraunhofer IWES SkySails Anurac Chalmers University Tampere University Alula Energy EnerKite Nature Technology Systems Assystem Baayen-Heinz Fraunhofer IPA TU Munich Alstom Power FHNW EMPA ETH Zurich EPF Lausanne Polytecnico Torino KiteGen KiteNRG
Guangdong HAWP Technology RMIT University
HET WERK AAN DE KU LEUVEN
HIGHWIND subtitle
• Europees project, sinds 2011 • ~ 6 medewerkers • computer simulatie en optimalisatie • klein prototype met vaste vleugels
64
HIGHWIND Team
Prof. Moritz Diehl principal investigator
Prof. Jan Swevers control systems
Dr. Sébastien Gros coordinator, simulation
Dr. Andrew Wagner sensors and hardware
Kurt Geebelen control experiments
Mario Zanon predictive control
Prof. Dirk Vandepitte mechanical design
Greg Horn large system optimization
Prof. Johan Meyers CFD simulation
Joris Gillis stability optimization
Milan Vukov embedded optimization 65
Voorbeeld 1: Optimal Traject voor Ampyx Plane Trajectoptimalisatie voor maximale Vermogenoutput [Greg Horn]
66
Voorbeeld 2: Optimaal Traject voor Makani Vergelijking van twee rond elkaar vliegende kites van 25 MW [Mario Zanon]
67
Voorbeeld 2: Optimaal Traject voor Makani Vergelijking van twee rond elkaar vliegende kites van 25 MW [Mario Zanon]
Video
68
Voorbeeld 3: Rotationele Startup [Kurt Geebelen, Andrew Wagner, Milan Vukov, Mario Zanon, Sebastien Gros, Greg Horn]
69
Voorbeeld 3: Rotationele Startup - SIMULATIE [Greg Horn]
70
Rotationele Startup - Controle Experimenten [Kurt Geebelen, Andrew Wagner, Milan Vukov, Mario Zanon, Sebastien Gros, Greg Horn]
71
Rotationele Startup - Controle Experimenten [Kurt Geebelen, Andrew Wagner, Milan Vukov, Mario Zanon, Sebastien Gros, Greg Horn]
72
Conclusies • Airborne windenergie (AWE) oogst de wind tussen 200m en
800m hoogte. Ongeveer 15 teams in de wereld werken aan AWE concepten.
• Het crosswind-effect is cruciaal: de kite vliegt met hoge snelheid dwars op de wind. Vermogens tot 40 kW per m2 zijn mogelijk.
• Het KU Leuven team werkt aan simulatie, optimalisatie, en kleinschalige prototypes (geen energieopwekking).
73
Uitdagingen voor de toekomst • automatische en kostefficiënte manieren voor het starten en landen
• automatische controle van het vliegend systeem in alle wind- en weersomstandigheden
• vleugels die licht, duurzaam en niet te duur zijn • kabels die vele lastcycli met variabele belasting
overleven of lichte kabels die in staat zijn om elektriciteit op hoogspanning te transporteren 74
Visie: verplaats tonnen staal en beton...
Visie: verplaats tonnen staal en beton... ...door een kabel en intelligente controle
