alt=Kiwee one, une éolienne aéroportée pour des usages nomades|vignette|313x313px|Kiwee One, une éolienne aéroportée pour des usages nomades. Cet article est assez daté, et ne rend pas compte de solutions plus récentes à date (2025), notamment chinoises. Une éolienne aéroportée ou en vol est un système de production d'énergie éolienne maintenue en l'air (sans mât). Il peut s'agir d'une turbine aéroportée, ou d'un système de type cerf-volant, voile ou drone, qui oscille dans le vent et transmet un mouvement au sol (ou en mer) via un câble, ce mouvement étant alors converti en électricité. L'idée remonte au moins à 1833. Elle vise à exploiter des vents d'altitude, plus forts et réguliers, permettant un meilleur facteur de charge et peut-être une électricité moins chère. Selon l'agence internationale pour les énergies renouvelables (Irena) ce type d'éolien sera commercialisé après 2025 et pourrait ensuite avoir un impact majeur sur le marché éolienIrena (2017) « Innovation Outlook Offshore Wind » ; Off shore Wind, International Renewable Energy Agency, Abu Dhabi, Rapport PDF, 160 pages.
Quelques dates
1833 : L'exploitation de l'énergie éolienne à haute altitude a été imaginée par John Adolphus EtzlerThe Paradise within the Reach of all Men, without Labor, by Powers of Nature and Machinery: An Address to all intelligent men, in two parts (1833). 1975 : Peter R. Payne et Charles McCutchen publient un livre traitant de la production d’énergie grâce aux cerfs-volants 1977 : Douglas Selsam conçoit un train circulaire de cerfs-volantshttp://www.speakerfactory.net/wind_old.htm,Auto-oriented Wind Harnessing Buoyant Aerial Tramway, 3 avril 1977 actionnant un générateur installé au niveau du sol. 1980 : Le mathématicien Miles L.Loyd publie Crosswind Kite PowerCrosswind Kite Power, J.ENERGY VOL.4,NO3 ARTICLE NO.80-4075 http://homes.esat.kuleuven.be/~highwind/wp-content/uploads/2011/07/Loyd1980.pdf, document de base d'analyse de la puissance générée par un cerf-volant évoluant rapidement en figures permettant d'accroître la surface balayée et la vitesse du vent apparent. Par la suite l'optimisation des cerfs-volants rigides ou souples accomplissant des figures circulaires ou en huit sera un axe central de recherche comprenant également l'étude des dispositifs et logiciels en vue de l'automatisation du vol puis du décollage et de l'atterrissage. 1997 : L'astronaute néerlandais Wubbo Ockels développe un projet analogue à celui de Douglas Selsam sous le nom de Laddermill, et dépose un brevethttp://www.google.com/patents/EP0841480B1?cl=fr EP0841480. Ce projet, devenu KitePower., sera le point de départ de recherches plus approfondies de l'Université technologique de Delft d'où il est issu. Les projets de la société italienne KiteGen Research., en collaboration avec l’École polytechnique de Turin, verront le jour peu de temps après. Des écloisons (startups) développeront différentes méthodes. 2010 : Congrès spécialisé à l'Université de Stanford.. 2010 : Congrès Mondial de l’Énergie de Montréal Projet Eolicare:éolienne aéroportée 2017 : l'énergéticien E.ON, après avoir en 2016 investi dans la start-up écossaise Kite Power Systems, annonce (le ) préparer dans le comté de Mayo en Irlande un prototype de drone-planeur (dit « AP3 ») de d’envergure et de capacité, relié à une génératrice en mer via un câble s'enroulant autour d'un treuil. L'opération est coportée avec la société néerlandaise Ampyx Power (créée en 2009). Le drone effectuera des mouvements en huit à 200-450 mètres d'altitude, avec 90 % de matériaux en moins que pour une éolienne au sol. Si le test est concluant, une version « AP4 » de pourrait être lancée (de quoi alimenter foyers). Un financement participatif vise à lever euros, en plus du soutien du programme « Horizon 2020 »Connaissance des énergies, (2017), Éolien « aéroporté » : un drone producteur d’électricité qui intéresse E.ON, le 21 avril 2017.. 2018-2019 : Une éolienne aéroportée est commercialisée pour la première fois par l'entreprise française Kitewinder sous le nom de Kiwee One. Elle comporte un rotor suspendu sous un cerf-volant porteur et transmettant l'énergie mécanique par un système de poulies de renvoi d'angle droit suivi d'une longue courroie de transmission vers le générateur au sol. 2026 : vols d'essai du SAWES S2000 ( Stratospheric Floating Wind Power Systems, système éolien aéroporté stratosphérique une conception avec 12 turbines pour atteindre une capacité nominale allant jusqu'à 3 mégawatts.), de Beijing Linyi Yunchuan Energy Technology, dans la province chinoise du Sichuanhttps://interestingengineering.com/energy/worlds-first-megawatt-airship-rises-6560-ft.
La ressource Les vents de hautes altitudes sont étudiés depuis des décennies par les météorologues, climatologues et chercheurs dans le domaine des sciences de l'environnement.
Les recherches des spécialistes en climatologie Ken Caldeira et Christina ArcherHigh-altitude winds: The greatest source of concentrated energy on Earth,rapport de Stanford du 23 juin 2009 de l'Université de Stanford démontrent l'existence de l'énorme réservoir énergétique constitué par les vents d'altitude supérieure à celle des vents que peuvent capter les éoliennes conventionnelles sur tour. En effet la vitesse et la régularité du vent augmentent avec l'altitude en raison de l'éloignement du sol et des obstacles perturbant le flux d'air. La ressource la plus importante serait contenue dans les courants-jets (jet stream), Ses recherches démontrent un maximum de 400 TW et 1800 TW entre et au-dessus du sol d’énergie cinétique. Une puissance qui pourrait être extraite des vents près de la surface (récoltés avec des éoliennes traditionnelles) et à travers toute la couche atmosphérique (récoltée avec des éoliennes aéroportées).
Toutefois sujet à controverse, une étudeHigh wind with low energy, Institut Max-Planck le 9 décembre 2009 de l'Institut Max-Planck menée par Axel Kleidon tendant à démontrer le contraire.
De plus, une vue plus sceptique sur les vents de hautes altitudes est fournie par l’agence European Geoscience Union. En effet leur évaluation décrit une disponibilité mondiale de 7,5 TW d’énergie cinétique grâce au vent d’altitude. Un résultat à pondérer par le fait que leur analyse est uniquement axée sur les courants jets, c'est-à-dire uniquement à une hauteur de à au-dessus du sol.
Toutes ces études permettent d’avoir une idée sur la répartition des zones géographiques et sur la densité d’éoliennes qui pourraient être installées. Ces analyses préliminaires ne prennent pas en compte les conséquences sur le vent et le climat d'une possible extraction de l’énergie cinétique des vents.
Méthodes envisagées Comme en témoignent les centaines de brevets d'invention sur le sujet, les projets d'éoliennes aéroportées, pour les plus avancés au stade de prototypes ou de preuves de concept, sont nombreux et peuvent être classés selon leurs caractéristiques techniques respectives. En effet, elles peuvent se distinguer de par la position de leur générateur qui sera soit en vol ou au sol. La liste des projets ci-après est loin d'être exhaustiveDes données plus complètes des projets sont archivées sur http://energykitesystems.net et est sujette à évolution rapide, l'éolienne aéroportée étant une industrie émergente.
Cependant, ces modèles ont des buts communs : fournir de l’électricité propre, durable et abordable aux populations les plus isolées géographiquement et qui ne possèdent pas de source d’énergie, en maîtrisant et captant ces vents puissants et réguliers. Cela leur permet ainsi de doubler le rendement énergétique et de préserver les ressources naturelles qui sont peu exploitées lors de leur production. En effet, leur procédé de fabrication et d’installation est simple et peu onéreux.
Mode aérostat Le mode aérostat est un moyen d’élever en altitude le système transportant l’hélice, nécessaire à la conversion de l’énergie cinétique du vent en énergie électrique. L’une des manières d’élever ce ballon est d’injecter de l’hélium dans le ballon. Ce gaz, ayant une densité moins importante que l’air, permet de maintenir en altitude le système dans les airs sans avoir recours à l’utilisation d’une quelconque énergie. Ce mode est caractérisé par un générateur qui est en vol.
Mode cerf-volant Les cerfs-volants ont été conçus dès l’Antiquité, et sont utilisés aujourd’hui pour produire de l’énergie électrique à partir de l’énergie cinétique du vent. En effet, leur capacité à se déployer en altitude couplée à leur légèreté, leur permet d’exploiter les vents forts et continus, appelés jet-stream, avec un rendement pouvant aller au-delà de .
Ils sont caractérisés par un mode de fonctionnement qui leur est spécifique, tout comme leur composition et leur constitution différentes selon l’entreprise d’origine. De plus, ce mode de production d’énergie implique un générateur qui est soit en vol ou au sol.
Cependant, tout comme les éoliennes aérostat, les éoliennes cerfs-volants exploitent la force du vent en altitude afin d’avoir un rendement optimal. En effet, cette vitesse est 3 à 4 fois supérieure à celle présente au niveau du sol et son cube représente l’énergie électrique générée.
En fonction de la position du générateur et le type de station à laquelle il est relié, les mouvements effectués pour capter le vent seront différents.
S’il se situe au sol, la partie inférieure des câbles reliant le cerf-volant au sol est enroulée au niveau d’une bobine qui est liée à un générateur quel que soit le type de station, qui est soit mobile, soit fixe. Dans ce cas, la station au sol recevra une énergie mécanique qui va être générée par des mouvements par vent de travers, qui vont également décrire des huit, lors de la montée en altitude de ces cerfs-volants dont l’utilité sera différente en fonction du type de station : mobile ou fixe.
Dans le cas où la station est fixe, le mode de fonctionnement de ces éoliennes va se décomposer en deux phases distinctes, selon la méthode dite « yoyo », ou « reel-out/reel-in » selon une expression anglaise traduisible par « débobinage/rembobinage » :
Phase de génération d’énergies, lors de l’élévation du cerf-volant en altitude induisant une force de traction perçue au niveau des câbles rotatifs fournissant une énergie mécanique et donc entraînant la rotation du générateur électrique. Phase de rappel ou phase de récupération, exploitant l’énergie précédemment produite pour rembobiner le câble et ainsi ramener le cerf-volant à sa position de départ. Durant cette phase, le cerf-volant devra présenter une résistance au vent la plus faible possible afin d’obtenir une énergie nette produite supérieure à cette énergie dépensée. Des systèmes de contrôles sont donc nécessaires pour diriger sa trajectoire et sa configuration.
Contrairement à la station fixe, la station mobile génère un flux d’énergie continu, car ne présente pas de phase de récupération bien que le déroulement et l’enroulement du câble soient présents. Dans ce cas, ce processus permet seulement de contrôler la trajectoire du cerf-volant. Ainsi la force de traction va de la même manière, faire tourner le générateur qui exploite, cependant, le mouvement de la station au sol et non le mouvement d’enroulement et déroulement du câble.
Dans le cas où le générateur se situe en vol, le cerf-volant se caractérise par la présence de petites turbines intégrées au niveau des ailes, pour transmettre l’électricité directement à la station par l’intermédiaire de câbles électriques. Le même mode de fonctionnement, par vent de travers pourra être observé.
Générateur en vol Pour les projets d'utilité, conversion en électricité acheminée vers la station.
Buoyant Airborne Turbine (BAT)