Arenberg Doctoral School of Science, Engineering & Technology Faculty of Engineering Science Department of Electrical Engineering

Flugwindenergie: erneuerbare Energie mit Hilfe schneller Lenkdrachen Moritz Diehl Control and Optimization Laboratory Department of Microsystems Engineering (IMTEK) Albert Ludwig University of Freiburg (100%) and Electrical Engineering Department (ESAT-STADIUS) and Optimization in Engineering Center (OPTEC) KU Leuven University (10%)

26. März 2014

2023: Das letzte deutsche Kernkraftwerk geht vom Netz

Kernkraftwerk Neckarwestheim

~80% des europäischen Stroms ist fossilen oder nuklearen Ursprungs

Koo

fossil (Kohle, Gas)

nuklear

EU-27 electricity generation by source 2011

[eurostat]

Müssen wir zurück zu Strom aus Kohle?

Kohlenmine Limbourg-Meuse, 1901-1987 [source: wordpress]

Bereits jetzt ist mehr Kohlendioxid in der Atmosphäre als jemals seit 500000 Jahren CO2 führt zu Erderwärmung und lässt die Polkappen schmelzen

Carbon Dioxide and Temperatures over last 450 000 years, and melting ice caps [source: C2ES / gws]

Unser persönlicher Energieverbrauch

• Ein typischer Europäer verbraucht

5 kW (1 kW Electrizität + Transport + Heizung ...)

• Das sind 120 kWh oder 12 Liter Benzin pro Tag • Ein Hin- und Rückflug nach Los Angeles verbraucht

1200 Liter Kerosin pro Person (~100 Tage)

[MacKay 2009]

5 kW: eine große Heizlampe, von der Geburt bis zum Tod angeschaltet. 6

Erneuerbare Energien Nur Sonne und Wind haben das Potential, unseren gesamten Energiebedarf zu decken: • Die Sonne strahlt 1.3 kW pro m2 auf die Erde. Ein Teil davon wird Windenergie. • Durchschnitt in Deutschland: ca. 0.1 kW per m2. Jede Person hat 50 m2 Grund nötig für 5 kW. Hauptnachteile: - Energie ist dünn verteilt und schwer zu konzentrieren - nicht exakt vorherzusagen

[MacKay 2009]

7

Solarzellen? liefern in Deutschland rund 12 W pro m2

es sind ca 400 m2 Solarpanele nötig um den Gesamtverbrauch eines Europäers zu decken (20m x 20m) 10 m2 PV (=1kW) liefert ca 1000 kWh pro Jahr [solarbranche.de]. Ein Jahr hat 8760 Stunden.

Solarzellen? liefern in Deutschland rund 12 W pro m2

es sind ca 400 m2 Solarpanele nötig um den Gesamtverbrauch eines Europäers zu decken (20m x 20m) 10 m2 PV (=1kW) liefert ca 1000 kWh pro Jahr [solarbranche.de]. Ein Jahr hat 8760 Stunden.

Windenergie ? Eine große 6 MW Turbine liefert rund 1,5 MW, genug für 300 Personen

Thornton Bank

Windenergie ? Eine große 6 MW Turbine liefert rund 1,5 MW, genug für 300 Personen

Eine große Windturbine = 200m x 500m Solarpanels in Deutschland

Thornton Bank

Windenergie wächst seit 10 Jahren stark

12 Installed capacity of wind power (238 GW) nearly as large as for nuclear power (372 GW)

Windenergie in Deutschland liefert im Jahr bereits soviel Elektrizität wie 5 Kernkraftwerke 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% von Europas Strom kommt bereits aus Windkraft

wind

Koo

fossiel (kolen, gas)

nucleair

EU-27 electricity generation by source 2011

[eurostat]

Können wir Windenergie noch effizienter ernten? Ein MW benötigt ca 20 000 kg Flügel und 400 000 kg Fundamente

Repower Thornton Bank / Construction of wind turbine foundations in Ostende, Belgium

FLUGWINDENERGIE (AIRBORNE WIND ENERGY)

Windenergie wächst kubisch mit der Windgeschwindigkeit Energieinhalt von Luft verschiedener Geschwindigkeiten 15,0

12,5

Energieinhalt [kW/m2]

10,0

7,5

5,0

2,5

0

0

5

10

15

20

25

30

Windgeschwindigkeit [m/s] Eine verdoppelte Windgeschwindigkeit führt zu 8 mal mehr Leistung 17

800 m are of interests, since they correspond to the elevations at which wind KiteGen generators operate respectively. The site of De Bilt, in The Nether as five sites in Italy are considered. Figure 6.1 shows, for four of the conside In der Höhe weht stärkerer Wind the histograms of wind speed at the considered altitudes. The computed dis Histogramm der Windgeschwindigkeiten in 100m und 500m Höhe

(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

Wind speed in 100m [black] and(c) 500m [grey] in De Bilt (NL)

30

0 0

[Fagiano 2009]

5 18

10

Wind speed (m/s

(d)

Leistung: Kraft x Windgeschwindigkeit “Ohne Kraft gegen den Wind keine Windenergie”

Windgeschwindigkeit

Kraft gegen Wind

=

Kraft gegen Turbine

Power extracted from the wind = Force x Windspeed

19

Eine 500m hohe Turbine ist schwer zu bauen Langer Hebel führt zu großem Drehmoment

Drehmoment = Kraft x Ohne Kraft kann keine Windenergie geerntet werden

Höhe

20

Eine 500m hohe Turbine ist schwer zu bauen Langer Hebel führt zu großem Drehmoment

Ohne Kraft kann keine Windenergie geerntet werden

21

Eine 500m hohe Turbine ist schwer zu bauen

Ohne Kraft kann keine Windenergie geerntet werden

22

Eine 500m hohe Turbine ist schwer zu bauen

Ohne Kraft kann keine Windenergie geerntet werden

23

Eine 500m hohe Turbine ist schwer zu bauen Ein Kabel kann die Kraft sehr effizient aufnehmen

Ohne Kraft kann keine Windenergie geerntet werden

24

Eine 500m hohe Turbine ist schwer zu bauen Ein Kabel kann die Kraft sehr effizient aufnehmen

Ohne Kraft kann keine Windenergie geerntet werden

25

Metamorphose einer Windturbine

DER CROSSWIND-EFFEKT und zwei Varianten, damit Energie zu ernten

Normale Windturbine Durch die hohe Geschwindigkeit sind die Flügelspitzen der effizienteste Teil des Rotors

28

Normale Windturbine Durch die hohe Geschwindigkeit sind die Flügelspitzen der effizienteste Teil des Rotors Können wir eine Turbine nur aus Flügelspitzen und Generator bauen?

29

Der HetCrosswind-Effekt crosswind-effect • Wind lässt Drachen schnelle

Loopings fliegen

• Drachen fliegt quer zum Wind • starke Zugkraft in der Leine: Kraft

wächst quadratisch mit der Drachengeschwindigkeit

Aber wohin soll der Generator ? (“Drachen” = fliegendes Objekt an einer Leine)

30

Variante 1: Drag Modus (Turbine an Bord) • effektiver Wind treibt kleine Windturbine

an Bord des Drachens an

• Strom wird durch Kabel zum Grund

geleitet

Vorteil: kleiner schnelldrehender Generator Nachteil: Kabel muss Hochspannung leiten

31

Variante 2: Lift Modus (Generator am Boden) Pumpzyklus mit zwei Phasen:

• Produktionsphase: • Drachen fliegt schnell, hohe Zugkraft • Leine wird von Trommel abgerollt • Generator produziert Elektrizität

32

Variante 2: Lift Modus (Generator am Boden) Pumpzyklus mit zwei Phasen:

• Produktionsphase: • Drachen fliegt schnell, hohe Zugkraft • Leine wird von Trommel abgerollt • Generator produziert Elektrizität • Rückholphase: • Drachen fliegt langsam, geringe Zugkraft • Leine wird wieder aufgerollt Vorteil: elektrische Maschine am Boden Nachteil: langsam drehender, schwerer Generator 33

Illustration des Pumpzyklus (Lift Modus)

[AmpyxPower]

34

Illustration des Pumpzyklus (Lift Modus)

Welche Abrollgeschwindigkeit ist optimal? Zu langsam: Generator dreht zu wenig. Zu schnell: Drachen “sieht” weniger Wind, zu wenig Kraft. [AmpyxPower]

35

Welche Abrollgeschwindigkeit ist optimal? Maximale Leistung wird bei 1/3 der Windgeschwindigkeit erreicht Kraft

Leistung = Kraft x Abrollgeschw.

Abrollgeschwindigkeit

1,0

0,8

0,6

Bemerkung: Drachen fliegt viel schneller quer zum Wind, abhängig von seiner aerodynamischen Effizienz. Je schneller, desto höher die Kraft.

0,4

0,2

36

Die Formel von Miles Loyd

Leistung Luftdichte Drachenfläche Windgeschw. AuftriebsWiderstandsVerhältnis (L/D)

Flügelfläche von 1 m2 produziert Leistung von 40 kW (bei Wind von 13 m/s und L/D Verhältnis von 15). Dieselbe Effizienz für Lift und Drag Modus.

37

Wieviel sind 40 kW pro m2 ? Ein Quadratmeter Flügel liefert mehr Elektrizität als 400 m2 Solarzellen

Eine realistische Schätzung ist, dass der Flügel nur 25% des Jahres diese Leistung erbringt, im Mittel also10 kW pro m2. Zwei Personen benötigen 1m2. Flügelfläche, um ihren Gesamtenergieverbrauch zu decken.

[solar cells / master students Wouter Vandermeulen and Jeroen Stuyts]

38

Flugwindenergiekonferenz 2011 in Leuven

Flugwindenergiekonferenz letzten September in Title Berlin subtitle

“What do we see here on the slide, in one sentence”

40

VERSCHIEDENE KONZEPTE

Categorisation of Crosswind concepts Ground-Based Generation

On-Board Generation

Fixed Wing

Soft Wing

(not efficient)

42

Categorisation of Crosswind concepts Ground-Based Generation

On-Board Generation

Fixed Wing

Soft Wing

(not efficient)

43

Categorisation of Crosswind concepts

Fixed Wing

Soft Wing

Ground-Based Generation

On-Board Generation

AmpyxPower (NL), KU Leuven (B), University of Freiburg (D)

Makani power (US)

SkySails (D), TU Delft (NL), Enerkite (D), NTS (D), KITEnergy (IT), Swiss Kite Power (CH)

(not efficient)

44

AmpyxPower: fixed wings with ground-based generation

AmpyxPower • startup from TU Delft, since 2008 • 10 permanent staff • financed via venture capital, KLM,

statkraft, ...

Concept: pomp cyclus met vaste vleugel

46

Power Plane full of electronics

GPS, accelerometer, magnetometer, pitot buis, CPU, batterij, ...

47

AmpyxPower: fixed wings with ground based generation

AmpyxPower: fixed wings with ground based generation

4

AmpyxPower: fixed wings with ground based generation 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

g. 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.

The Ampyx Power Plane has 3 m surface area and delivers up to 18 kW, 6 kW per m2. This is still much less than the 40 kW per m2, mostly due to cable drag, which is angle less ofrelevant for larger scale systems. 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.

SkySails: flexible airfoils with ground based generation

SkySails • start-up since 2001 • ~30 permanent staff • works mainly on traction kites for seagoing vessels • also interested in electricity production • financed by private capital, shipping companies, state, ...

Concept: tractie van schepen of pomp cyclus met flexibele vleugel

52

SkySails: flexible airfoils with ground based generation

SkySails: flexible airfoils with ground based generation

Many other teams investigate flexible wings with ground-based generation, e.g. TU Delft

Enerkite

Makani Power: fixed wings with on-board generation

Makani Power subtitle

• startup since 2006, in Californie • ~15 permanente medewerkers • fixed wings with on-board generation • recently bought by google x

57

Makani Power: fixed wings with on-board generation

Makani Power: fixed wings with on-board generation

Makani Power: fixed wings with on-board generation

Other Concepts

Skywindpower

Altaeros Energies

Magenn

KiteGen

Airborne wind energy teams in the worlds 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

THE WORK IN LEUVEN / FREIBURG

HIGHWIND subtitle

• European project, since 2011 • ~ 6 people • computer simulation & optimization • small prototype with fixed wings

64

HIGHWIND Team

Prof. Moritz Diehl principal investigator

[Prof. Jan Swevers control systems]

[Dr. Sébastien Gros simulation, now Chalmers]

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

Tethered plane models Nonlinear dynamics based DAE

Translational:

Rotational:

Aero. coefficients:

Aero. forces/torques:

2

m 6 0 6 4 0 x

0 m 0 y

0 0 m z

32

x x ¨ 6 y 7 7 6 y¨ z 5 4 z¨ 0 2 3 0 R˙ = R!⇥ RT 4 0 5 , ˙ 3 2 ˙ x˙ y ~v = 4 y˙ + ˙ (rA + x) 5 z˙

1 ~y F~A = ⇢Ak~v k(CL~v ⇥ E 2

* Gros et al. 2012, AWE Book

3

2

6 7 6 7=6 5 6 4

⌘ 2 2 ˙ ˙ ˙ ¨ Fx + m rA + x + 2 y˙ + y ⇣ ⌘ 2 Fy + m y ˙ 2x˙ ˙ ¨(rA + x) Fz gm x˙ 2 y˙ 2 z˙ 2

J !˙ = T

⇣

! ⇥ J!,

R=

⇥

~x E

~ T ~v E z w(x, ~ y, z, , t), ↵= , ~ T ~v E x 3 2 CR 1 CD~v ), T~A = ⇢Ak~v k2 4 CP 5 2 CY

3 7 7 7 7 5

~y E

~z E

~ yT ~v E = ~ T ~v E x

⇤

Example1: Optimal Trajectory for Ampyx Plane Orbit optimized for maximum power generation [Greg Horn]

67

Example 2: Rotation Start [Kurt Geebelen, Andrew Wagner, Milan Vukov, Mario Zanon, Sebastien Gros, Greg Horn]

68

Example 2: Rotation Start - SIMULATION [Greg Horn]

69

Rotation Start - Control Experiments [Kurt Geebelen, Andrew Wagner, Milan Vukov, Mario Zanon, Sebastien Gros, Greg Horn]

70

Rotationele Startup - Controle Experimenten [Kurt Geebelen, Andrew Wagner, Milan Vukov, Mario Zanon, Sebastien Gros, Greg Horn]

71

The New HIGHWIND Outdoors Carousel

Open positions in Freiburg at new chair for systems theor optimization:

Postdoc (E13/A13) on Co Optimization

PhD scholarship on Embed MPC Algorithms (ITN TE

PhD/Postdoc on Distribut methods

Postdoc/PhD position on Airborne Wind Energy Sys HIGHWIND)

The outdoors plane is The Outdoor Plane Hardware Sensor Basic Design work Outdoor in progress...

Plane Electronics

e with the adios

pment r sensors

allback

20 VAC

orked on ctronics

●

●

●

●

Use cable linkage convert ● to 2.5 m wingspan elevation rotation axis to be coaxial with the ● azimuth axis

Having a proper and Luxury!

Use two non-contact absolute magnetic encodersrudder →

HIGHWIND fully Progress Towards Outdoor Experiments No Azimuth Frictiondesigned, about Elevation encoder doubles as ● First Plane, a slipring!!

●

Minimal Elevation Friction Andrew Wagner halfway completed

●

No Mechanical Mixing ●

One MS Student plus part of Reinhart's

Outdoors Carousel and Winch work...

Conclusions • Airborne wind energy (AWE) harvests wind between 200m and 800m height. About 15 teams in the world explore different concepts.

• The crosswind-effect is crucial: the kite flies with high speed vliegt orthogonal to the wind. Power densities of up to 40 kW per m2 are possible.

• The Freiburg team works on similation, optimization, and a small scale prototype

76