Vliegerenergie: naar betaalbare, schone energie

Hoe kunnen we schone en hernieuwbare energie produceren die ook nog eens betaalbaar is? Met het oog op klimaatverandering en opwarming van de aarde bepaalt deze vraag een van de grootste uitdagingen van de 21^e eeuw. Een onderzoeksteam op het gebied van airborne wind energy van de faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek is onlangs gestart met het REACH-project ‘Fast Track to Innovation’, dat met 3,7 miljoen euro door het Europese Horizon 2020-programma wordt gefinancierd. Hun ambitie is de productie van kostenefficiënte hernieuwbare energie met een kleine milieuvoetafdruk, en hiervoor willen ze ‘vliegerenergie’ gebruiken: energie die wordt opgewekt met een vliegende windturbine.

Op 31 mei 2016 vond bij de faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek de officiële aftrap van het REACH-project plaats. Na een welkomstwoord van coördinator dr. Roland Schmehl (sectie Windenergie) gaven de diverse partners korte presentaties. Vervolgens waren er lunch en discussies. Kitepower, een jonge start-up van de TU Delft, is de spil in het REACH-project en heeft als missie om de technologie te commercialiseren. Het bedrijf is verantwoordelijk voor de technische coördinatie van het project en gaat het vliegersysteem integreren, in de markt zetten en verkopen. Het doel is om binnen twee jaar het eerste commerciële prototype van de E100 (zo heet het vliegerenergiesysteem van 100 kW) klaar te hebben en binnen drie jaar met de verkoop te starten. Verschillende partijen hebben al belangstelling getoond.

Minder gewicht en lagere kosten

Windturbines met wieken zijn de gebruikelijkste manier om windenergie te benutten. Wereldwijd zijn er nu meer dan 200.000 van dit type windturbines. Maar deze conventionele windturbines hebben nadelen: ze zijn zwaar, duur, maken lawaai en tasten de visuele kwaliteit van het landschap aan. Hetzelfde geldt trouwens voor de benodigde infrastructuur, zoals hoogspanningskabels.

Al deze nadelen kennen vliegende windturbines niet of in mindere mate. “Conventionele windturbines zijn heel robuust. Daardoor hebben ze te maken met enorme structurele krachten”, legt Schmehl uit. “De mast en de massieve rotorbladen die de aerodynamische belasting opvangen, zijn zwaar en duur. De essentie van vliegende windturbines is dat deze zware constructie wordt vervangen door lichte kabels en membranen. Op die manier kunnen we met een tiende van het materiaal, en dus een tiende van het gewicht, dezelfde hoeveelheid energie produceren. Met vliegerenergie zouden de kosten van de energie dus drastisch omlaag kunnen.”

Hoe werkt het systeem?

Functionele componenten van het demonstratiemodel van 20 kW dat is ontwikkeld bij de TU Delft

Het grondstation bevat een geïntegreerd vluchtcontrolecentrum en een kabeltrommel met een mechanisme om de kabels te richten. De generator heeft een accu van 20 kWh. Ook de centrale besturingscomputer bevindt zich in het grondstation, dat dus als ‘brein’ van het systeem functioneert.

De vliegerbesturingseenheid (kite control unit of KCU) bepaalt hoe de vlieger vliegt, door de vleugel te besturen en op het gewenste moment te ‘depoweren’, dat wil zeggen de aerodynamische krachten te verminderen door de hoek aan te passen. De KCU krijgt via meerdere draadloze communicatiekanalen zijn opdrachten van het vluchtcontrolecentrum. Uiteindelijk is het doel dat ook de KCU als ‘brein’ functioneert, omdat deze zich dichter bij de vlieger bevindt en dus betrouwbaarder is. Ook zou dan communicatie met KCU’s van andere vliegersystemen in de buurt mogelijk zijn, zodat botsingen kunnen worden vermeden.

De vlieger heeft een oppervlak van 25 m² en bevat een sensorplatform waarmee continu de positie, oriëntatie en snelheid van de vleugel worden gemeten. De vleugel creëert de aerodynamische hefkracht, zoals rotorbladen van conventionele windturbines.

Uitdagingen in het verschiet

In de komende maanden wil het team de haalbaarheid van bepaalde voorzieningen laten zien. De eerste mijlpaal die het team moet zien te passeren, is vliegen bij nacht. Dit betekent dat er verlichting nodig is, omdat vliegtuigen de vlieger moeten kunnen zien. Hoewel alle vluchten worden geregistreerd, moet er ook een back-upplan zijn voor het geval dat de communicatie uitvalt. Een tweede mijlpaal is 24 uur vliegen achter elkaar. Dat willen ze eind van dit jaar hebben bereikt.

Het voordeel van het vliegersysteem boven de conventionele windturbine – het geringe gewicht – is tevens een uitdaging. Het systeem moet licht zijn, maar ook sterk, om betrouwbaar te kunnen zijn en lang mee te gaan. Lastig is ook om automatische lancering en landing voor het systeem mogelijk te maken: “Een conventionele windturbine is op dit punt gemakkelijker. Als er onweer komt, of als er technische problemen zijn, kun je gewoon op een knop drukken om de rotatie te stoppen. Een vliegend systeem is een heel ander verhaal, want dat zal moeten landen. Je kunt het niet gewoon in de lucht stopzetten.”

En ten slotte is er een debat gaande over de vraag of een vliegerenergiesysteem moet worden beschouwd als een luchtvaartuig of een obstakel. Daarom moet de E100 in de nabije toekomst worden gecertificeerd. Schmehl: “Eind 2017 willen we een commercieel prototype van het 100 kW-systeem hebben.”

Het vliegerenergiesysteem van 20 kW van de TU Delft in actie bij het voormalig militair vliegveld Valkenburg (Zuid-Holland)