Elektřina z velkých výšek – netradiční obnovitelný zdroj energie

Kromě klasické metody využívání větrné energie prostřednictvím větrných turbín se v poslední době hovoří i o možnosti využití větrné energie ve velkých výškách pomocí draků nebo kluzáků. Podle Saula Griffitha ze společnosti Makani Power se sídlem v kalifornské Alamedě není myšlenka využívání energie vzdušných proudů ve velkých výškách zcela nová – vyslovil ji již v roce 1827 anglický vynálezce George Pocock.

Zatímco příznivci „zelené energie“ požadují stále výkonnější větrné turbíny, objevuje se nová vlna ekologicky motivovaných inženýrů, kteří považují větrné turbíny za pozůstatek minulosti. Jedním z průkopníků koncepce využití obnovitelných zdrojů energie pomocí draků je Peter Lynn z Nového Zélandu, který tyto draky projektuje. V roce 2003 jako konzultant firmy Makani představil vizi „upoutaných létajících křídel“ a možnosti jejich využití pro výrobu levné elektrické energie. Zdůraznil, že drak osvobozuje vrtule větrné turbíny od nezbytných konstrukcí základů, věží a převodovky. Účinnost vrtule je dána jejím velmi rychlým pohybem.

Drak, nebo spíše malý upoutaný kluzák, je řízen počítačem a opisuje velké kruhy – stejné, jako konec větrné turbíny. Pohyb zařízení roztáčí malé turbíny, které jsou na něm připevněné, a energii posílá na zem přes vedení v úvazném lanu. Drak bude daleko lehčí než stejně výkonná klasická turbína, a bude moci pracovat v oblastech, kam se velké turbíny nehodí, třeba v hlubokých příbřežních vodách.

Kilometr nad zemí osmkrát více energie

Stručně řečeno, drak nahrazuje nejdůležitější část větrné turbíny a dostává ji do míst, kde je vítr nejsilnější. Ve výšce zhruba 80 m nad zemí fouká vítr obvykle rychlostí 4,6 m/s, ve výšce 800 m je to asi 7,2 m/s. Energie, kterou lze z větru získat, je úměrná třetí mocnině rychlosti větru. Proto: čím je větší výška, tím větší je i množství získané energie. Ve výšce 1 000 m nad zemí lze získat až osmkrát více energie než při zemi.

Vše, co potřebujeme, je drak a velmi dlouhé lano. Na papíře se vše zdá jednoduché, realizace však nebude tak snadná. Společnost Google poskytla v listopadu 2007 firmě Makani na výzkum tohoto druhu získávání elektřiny 10 milionů dolarů. V současné době se uskutečňují experimenty s draky o výkonu pouze okolo 10 kW. Ve srovnání s tím je výkon komerčních větrných turbín nesrovnatelně větší – až 5 000 kW. Proto je cíl vyrábět levnou elektřinu pomocí draků zatím velmi vzdálený.

Snaží se i Evropa

Stejný cíl mají i konstruktéři draků v Evropě. Bas Landsdorp a spolupracovníci z Delftské technické univerzity vyvíjejí systém, který se skládá z draků, kabelů a generátorů. První elektřinu se jim podařilo pomocí tohoto systému vyrobit v roce 2007. Během zkoušek dosáhl drak o ploše 10 m² výkon 3 kW. Byl dálkově ovládán řídicí pákou. Nyní je ve vývoji softwarový systém, elektronika a pozemní stanice, která má umožnit automatické řízení. Díky spojení automatizace a draka o ploše 20 m² by měl výkon dosáhnout 20 kW. Pracovníci univerzity se domnívají, že projekt funguje podle jejich představ a že bude možné výkon draků dále zvyšovat.

Využíváním draků k výrobě elektřiny se rovněž zabývá italská společnost Kite Gen. V září 2007 se na milánském letišti uskutečnily zkoušky s prototypem drakového systému ve výškách 400 m. Drak o ploše 10 m² létající ve větru o rychlosti 4 m/s, dosahoval v průměru výkonu 2,5 kW. Získá‑li projekt potřebnou finanční podporu, mohl by být k dispozici prototyp zařízení během dvou až tří let.

Funguje to jako „jojo“

V případě evropských drakových systémů se generátor elektřiny nachází na zemi a je roztáčen pohybem draka. Základní myšlenka spočívá v napodobení principu dětské hračky „jojo“. U systému firmy Kite Gen je drak uvázán na dvou lanech. Každé z nich je připevněno k samostatnému bubnu, který je napojen na vrátek ovládaný počítačem. Jakmile je drak vypuštěn a je ve stabilním tahu tažen lany, uvolní se vrátky. Lana roztáčejí bubny a ty roztáčejí generátor. Když je téměř celá délka lana odvinuta, přitahují vrátky draka zpět do původní polohy. Tento cyklus se neustále opakuje. Vrátek spotřebuje asi 12 % získané elektřiny.

Výzkumníci z delftské techniky uvažují o obdobném systému, který nazvali „žebříkový mlýn“ (laddermill). Místo jediného draka uvažují využít na jediném laně více draků a vyrobit tak jakýsi „létající páter noster“. Část draků stoupá vzhůru, táhne za lano a vyrábí energii, zatímco druhá polovina draků změní svou konfiguraci tak, aby nekladla příliš velký aerodynamický odpor a klesá k zemi. Komerční zařízení by údajně mohlo dosahovat výkonu až 50 MW, což je desetinásobek současných nejvýkonnějších větrných turbín.

Místo draků kluzáky

Bas Lansdorp přišel také s myšlenkou nahradit draky okřídlenými kluzáky. Výhoda oproti drakům spočívá v tom, že životnost fólií draků je nízká – tenké nylonové látce škodí ultrafialové záření. Upoutané letadlo s křídly je efektivnější, má delší životnost a vyprodukuje více elektřiny připadající na čtverečný metr funkční plochy. I když jeho pořízení je dražší, výroba elektřiny za celou životnost zařízení bude oproti produkci pomocí draků lacinější. Pracuje se na projektu Aeolus (podle řeckého boha větru Aiola), který předpokládá generátor o výkonu 100 kW. Později by měl být dokončen generátor o výkonu 1 000 kW.

Pro komerční využití této technologie pro výrobu elektřiny je však potřeba zodpovědět celou řadu otázek, jako například:

· Jak nejúčinněji udržet nebo maximalizovat stoupání draka v době sníženého proudění vzduchu?

· Jak je možné udržet draka co nejdéle ve vzduchu, pokud vítr zcela ustane a jak zabránit rozbití draka?

· Jakým způsobem minimalizovat odpor větru během stahování draka?

Cesta za efektivností

Výzkumníci potřebují maximalizovat množství elektřiny vyrobené v okamžiku, kdy drak stoupá, a zároveň minimalizovat její spotřebu, když je drak stahován dolů. Všechny vývojové skupiny proto pracují na počítačových algoritmech umožňujících drakům létat co nejefektivnějším způsobem. Zdá se, že nejlepší metodou, jak udržet draka ve vzduchu a maximalizovat stoupání, je přimět draka, aby létal ve tvaru „osmičky“.

Ukazuje se, že ekonomičnost výroby elektřiny pomocí draků bude určovat automatická regulace, nikoliv zvětšování draků. Dosud však není jasné, do jaké míry bude možné celý proces automatizovat. Navzdory velké složitosti kontrolních systémů jsou vědci přesvědčeni o tom, že uvedená technologie bude ekonomicky výhodná.

Evropská komise již doporučila, aby technologie výroby elektřiny ve velkých výškách byla zahrnuta mezi tzv. „zelené technologie“, které by se na výrobě elektřiny měly do roku 2020 podílet dvaceti procenty. Je otázkou, kdy by nové technologie měly začít konkurovat výrobcům tradičních větrných turbín. Zatím to není na pořadu dne. V současné době se výkon klasických větrných elektráren zvyšuje ročně o několik desítek procent a nezdá se, že by tento trend polevoval. Jestliže však „draková“ energie splní očekávání vývojářů nových zařízení, bude schopna časem nahradit velké množství energie, které dosud vyrábějí konvenční zdroje. Budoucí možnosti draků rozhodně stojí za to, aby se tento způsob „zelené výroby elektřiny“ dále podporoval.

Pramen: Brooks, M.: High flyers. New Scientist, 2008, č. 2656, s. 38‑41

---

Příklady letadélek
http://www.kitepower.eu/technology/3-sytem-components/56-kiteplane.html

Některé, i dost bizarní řešení větrných turbín
http://gcaptain.com/the-most-interesting-wind-turbine-designs?3397

http://www.makanipower.com/company/gallery
http://www.makanipower.com/flights
http://www.kitepower.eu/technology/2-core-concepts/6-pumping-operation.html – jak létá drak Deftské univerzity, animace

Dračí laddermill
http://windenergy1.com/?p=179