Sistemi di generazione per l’energia elettrica basati su velivoli autonomi filoguidati: modellazione e strategie di controllo

Scopo di questo capitolo è presentare i protagonisti dell’elaborato che, così come Bill Gates esordisce in una recente intervista al Financial Times ([36]), possono essere considerati "a magic solution" (tradotto, "una soluzione magica") per il problema energia che attanaglia la nostra epoca. Trattasi di velivoli autonomi filoguidati predisposti alla generazione di corrente elettrica. Dopo un excursus su motivazioni e logiche dietro le prime teorizzazioni, si passerà alla descrizione degli elementi strutturali che li compongono e delle due principali "correnti di pensiero" alla base delle varie sperimentazioni attualmente più quotate. L’ultimo paragrafo invece, renderà limpide le barriere che tale tecnologia deve ancora affrontare e superare per poter essere considerata una soluzione a tutti gli effetti valida.

Motivazioni e primi studi
Si potrebbe pensare che l’idea di utilizzare degli "aquiloni" per generare energia elettrica sia nata dall’esigenza di superare i punti deboli della pala eolica, e che quindi sia frutto di studi abbastanza recenti. In realtà le prime teorie prendono origine già dalla fine degli ’70 e certamente non per porsi come avversarie di quella tecnologia (la turbina eolica, per l’appunto) che proprio in quel periodo stava muovendo i primi importanti passi (nel 1980 si dà il via al primo parco eolico della storia).
Perciò, così come tante altre innovazioni, i primi documenti che argomentano di un eolico "ad alta quota" risalgono alla crisi petrolifera del 1973 - 1979. L’aumento spropositato del prezzo del barile spinse inevitabilmente ai ripari le maggiori superpotenze, le quali investirono su risorse alternative e nuovi modi proficui per servirsene. Sono tre le prime e principali pubblicazioni che resero l’HAWP così attraente sia per istituti di ricerca che per i primi imprenditori (ndr, "il denaro muove il mondo"); le stesse, di fatto, contribuirono alla diffusione di una nuova denominazione più esplicativa e intuitiva: AWES.
Fletcher e Roberts, col loro articolo "Electricity Generation from Jet-Stream Winds" ([9]) del 1979, furono i primi a vedere l’energia eolica da un punto di vista totalmente differente. Come si può intuire dal titolo, il paper esplora diversi tipi di turbine intese "volanti" e collegate a terra, cosicché il generatore potesse facilmente portare giù la corrente prodotta (Fig. 2.1). Ciò a cui si ambisce è riuscire a sfruttare al meglio i cosiddetti jet-streams (in italiano, correnti a getto), ovvero dei particolari flussi d’aria che si formano a quasi 11 km dalla superficie terrestre. Ma cos’hanno di così speciale e allettante queste correnti? Già all’epoca esistevano abbastanza studi per constatare che i jet-streams fossero flussi ventosi ad altissime velocità e che quindi, se adeguatamente impiegati, potevano totalmente stravolgere il comparto rinnovabile dell’epoca. Leggendo l’articolo sopra citato, si incontra spesso il termine concept. Questo perché fondare un intero studio sullo sfruttamento di venti posti a 11 km di altezza è qualcosa di assolutamente impensabile anche con l’ingegneria più recente. L’articolo quindi volle presentarsi più come uno spunto di ricerca papabile ad ampi riscontri dato soprattutto il periodo (particolarmente "sensibile") in cui venne pubblicato. Difatti, già nel 1980 un certo Miles Loyd ebbe la rivoluzionaria idea di progettare un generatore senza torre, usando solo un’ala collegata a terra tramite una fune, come fosse un aquilone. Di per sé l’intuizione proveniva da una semplice considerazione: la parte effettivamente utile della turbina eolica è l’area generata dall’elica in cui il vento va ad attaccare. È allora possibile mantenere quest’area sempre attiva servendosi di una sola ala? Sì, con il crosswind flight path (CFP) introdotto dallo stesso Loyd (Fig. 2.2).
Oggi la maggior parte delle startup ricercanti nel mondo dei sistemi AWE (Airborne Wind Energy), utilizza generatori predisposti esclusivamente al modello crosswind. Per questo motivo, e per una maggiore linearità dell’elaborato, la trattazione completa del CFP verrà affidata ai capitoli successivi ("GG-AWES e FG-AWES, i due paradigma di sviluppo" e "Modellare per controllare"). Per di più all’anno della pubblicazione, l’idea di Loyd non poteva avere affatto seguito in quanto ravvisava un interrogativo irrisolvibile per quell’epoca: in che modo il velivolo poteva percorrere un CFP autonomamente, senza un pilota? Ciò che mancava era non solo il concetto ma anche quello sviluppo tecnologico atto a poter concepire il volo del kite come il volo di un drone. Se a queste motivazioni aggiungiamo il ribasso del prezzo del petrolio col conseguente dileguarsi della crisi sussistente, il tramonto di ogni stimolo in ottica AWES divenne benché inevitabile.
Con il diffondersi delle rotte aree commerciali a ridosso del XX secolo, segue un periodo in cui l’interesse in applicazioni tecniche del kite divenne sempre più flebile. E questo nonostante la crescente popolarità di sport quali kitesurf o windsurf che resero evidenti alle masse la potenzialità del vento. Solo nel 2001 qualcosa inizia nuovamente a muoversi grazie al lavoro dell’astronauta e fisico olandese Wubbo Ockels. Egli prima brevettò poi pubblicò un elaborato in cui presentava il concept definito Laddermill. Questo sistema infatti, si discostava tanto dal progetto presentato da Loyd qualche anno fa: si tornava a parlare di HAWP e non di AWES proprio perché veniva completamente ridisegnata l’articolazione del velivolo preposto al volo. Il Laddermill usa una catena di kite sospinta in alto dalla forza del vento stesso. Essa assume una forma schiacciata/allungata cosicché un’estremità del loop (quella a terra) possa venir messa a contatto con una dinamo, generando quindi corrente elettrica (Fig. 2.3). Si verrà allora a creare un movimento rotatorio continuo in cui, istante per istante, metà dei kite spingerà in alto, l’altra in basso. Il ciclo così visto prende il nome di Pumping Mill.
Ockels viene oggi ritenuto il vero pioniere dell’HAWP. Fu il primo difatti a credere fermamente sulle enormi capacità dell’eolico ad alta quota. Ironia della sorte, il suo lavoro fece più che altro da combustibile per il ritorno "in auge" dell’interesse scientifico nelle airborne wind energy. Questo perché venne presto constatato come l’approccio di Loyd avesse delle vie applicative più semplici rispetto alla configurazione inventata da Ockels (nel 2019, non esiste alcuna sperimentazione basata sul modello Laddermill). D’altro canto il fisico olandese nella sua dissertazione, include una delle prime analisi che comprovano lo straordinario potenziale dei jet streams (già citati in [9]). Egli scrive che, all’altezza di 10 km, la densità energetica del vento si aggira intorno ai 5000 W/m2, che è 30 volte quella misurabile a 100 m dal suolo!
A partire dal 2001 quindi, lo scenario intorno agli AWES è investito da una totale crescita che avanza a ritmi esponenziali (Fig. 2.4). Aziende, università e incubatori di ricerca di tutto il mondo trovano nei kite ampie possibilità sia in termini di scienza e innovazione che di guadagno (vedi "La concorrenza privata motrice di sperimentazione"). Come "effetto collaterale", sempre più numerose sono le pubblicazioni che analizzano dati su dati circa l’effettivo potenziale offerto del vento: trovare e sfruttare i cosiddetti low level jet streams diventa perciò un imperativo necessario sia per agevolare le prime prove empiriche degli AWES sia per dar definitivamente le dimissioni alle turbine eoliche.