Pieter Edelman
8 July 2016

In principe kan windenergie efficiënter worden opgevangen door een vliegtuig dan door een windmolen. Het Haagse Ampyx Power is een van de bedrijven die dit principe willen omzetten in de praktijk. Het maken van een autonoom vliegtuigje dat aan een kabel vastzit, bleek echter geen sinecure.

Richard Ruiterkamp is ondertussen wel een realist geworden. Gaat Ampyx Power, het bedrijf waarvan hij medeoprichter en technisch directeur is, de problemen met horizonvervuiling van traditionele windmolens oplossen? Zou kunnen. En geluidsoverlast? Misschien. Maar één ding staat vast: de technologie gaat windenergie op kostprijs concurrerend maken met fossiele energie, zonder enige vorm van subsidie. Na acht jaar onder de radar opereren is er genoeg ervaring opgedaan om die claim te kunnen onderbouwen. ‘Er zit misschien nog vijftien procent ruis in de berekeningen, maar dat is het wel’, zegt Ruiterkamp.

Het veertig man tellende Haagse bedrijf, een spin-off van de TU Delft, is een van de handvol ondernemingen die inzetten op een alternatieve manier om windenergie te oogsten: zelfstandig sturende zweefvliegtuigen van tientallen meters breed moeten op een hoogte van enkele honderden meters achtjes gaan vliegen in de wind. Daarbij trekken ze een kabel uit die om een lier op de grond gewikkeld zit, waarbij stroom wordt opgewekt. Wanneer de kabel maximaal is afgewikkeld, duikt het vliegtuig naar beneden zodat er geen kracht meer op staat en kan de lijn worden ingerold, waarna de cyclus opnieuw begint.

De redenering achter het principe is eigenlijk simpel, legt Ruiterkamp uit: ‘Als je door een economische bril naar een windturbine kijkt, dan zie je dat de kosten gelokaliseerd zijn in de fundering, de paal en de wieken, vooral het binnenste deel van die wieken. Als je nu met een natuurkundige bril kijkt, zie je juist dat de buitenste dertig procent van de wieken zeventig van het vermogen levert, want vanuit de stromingsleer weten we dat dingen die hard door de lucht heen gaan kwadratisch meer lift opleveren. Wij proberen al het materiaal weg te knippen dat niet primair nodig is voor stroomopwekking. Wat je dan overhoudt, is een klein vliegend vleugeltje. En op die manier kun je met zo’n negentig procent minder materiaal een gelijk vermogen halen.’

De aanpak pikt nog een tweede voordeel mee waar conventionele windturbines moeilijk bij kunnen. De windsnelheid neemt rap toe met de hoogte boven de grond, althans de eerste paar honderd meter. En het opgewekte vermogen schaalt met de derde macht van de windsnelheid. Dat is een van de redenen dat windturbines steeds groter worden, maar daar zitten natuurlijk praktische en economische grenzen aan. De Ampyx-vliegtuigen hebben daar minder last van.

 advertorial 

The waves of Agile

Derk-Jan de Grood has created a rich source of knowledge for Agile coaches and leaders. With practical tips to create a learning organization that delivers quality solutions with business value. Order The waves of Agile here.

Ampyx Power vlucht

Autonome vliegtuigen: volgens het Haagse Ampyx Power de toekomst van windenergie.

Alleen maar een windzak

Het idee is beslist niet nieuw; al bijna een eeuw geleden werd er een patent op verleend. Het duurde echter tot de jaren tachtig voordat de wetenschap er serieus mee aan de slag ging. Ook toen dit gebeurde, kwam het nog niet direct tot serieuze toepassingen, onder meer vanwege de complexiteit die komt kijken bij de vereiste autonomie van dergelijke systemen. ‘Vervolgens gebeurde er een jaar of twintig niks, tot er rond 2000 een derde golf van interesse voor deze technologie ontstond’, vertelt Ruiterkamp.

Zo ook bij de TU Delft, waar onder meer Wubbo Ockels aan het idee werkte en Ruiterkamp ermee in aanraking kwam. Toen het onderzoek in 2008 dermate serieuze vormen begon aan te nemen dat het niet meer goed paste binnen het academische, besloot hij Ampyx Power op te richten samen met collega-onderzoeker Bas Lansdorp, die ondertussen zijn aandeel grotendeels heeft verkocht.

Op dat moment concentreerde het onderzoek zich nog op vliegers. ‘We hadden toen nog met zijn allen het idee om dit vanuit veiligheidsoverwegingen met een zacht ding te doen. Maar als je daar net iets dieper over nadenkt, dan kom je erachter dat een vlieger zonder spanning op een lijn alleen maar een windzak is. Dus als de kabel breekt, dan heb je juist een onbestuurbaar ding in de lucht hangen. Bovendien is de aerodynamische efficiëntie van een vlieger extreem laag, en die telt in de vermogensvergelijking mee in de efficiëntie van het systeem.’

Ter vergelijking: gekeken naar het glijgetal, ofwel de horizontaal afgelegde afstand per gedaalde meter, dan blijft een vlieger steken op vier, tegen vijfentwintig voor een lijnvliegtuig, zestig voor een regulier zweefvliegtuig en rond de honderd voor een albatros. ‘Wij zitten nu rond de dertig met ons prototype, dus je wekt makkelijk vijf tot tien keer meer vermogen op per vierkante meter materiaal dan met een vlieger’, legt Ruiterkamp uit.

Een vliegtuig is natuurlijk wel duurder om te bouwen dan een vlieger. Maar ook dat voordeel blijkt bij nadere inspectie relatief: ‘Een gemiddelde parachute moet je elke zeshonderd uur bijna helemaal weggooien omdat er uv-schade in het doek zit. Daar kun je met allerlei coatings wel weer wat op verzinnen, maar het kostenvoordeel gaat snel achteruit. Je ziet eigenlijk dat alle startende bedrijven beginnen met vliegers, maar er op een gegeven moment allemaal achter komen dat dat economisch niet werkt en dat je naar een vaste vleugel moet’, constateert Ruiterkamp.

De eerste stap na de spin-off was dus om een prototype te maken van een vliegtuigje. Vooral om investeerders te overtuigen. ‘We konden aantonen dat het werkte in vliegers, maar investeerders zijn niet zo gewend aan het bewijzen van een concept met iets anders dan wat je vervolgens gaat doen. Daarom hebben we een vliegtuig gebouwd van relevante afmetingen, waarmee we – gewoon met een mens op de grond die het via een controllerkastje bestuurde – hebben aangetoond dat het kan en dat er netto vermogen uitkomt, ongeveer op het schaalniveau dat je zou verwachten.’

Onder water

Ampyx is dus lang niet de enige die werkt aan het concept van airborne wind power. Het meest spraakmakend – en Ampyx’ grootste concurrent – is waarschijnlijk Makani Power uit Californië. Dat werd een aantal jaar geleden overgenomen door Google X, de tak van de zoekmachinegigant die zich richt op grensverleggende technologie. ‘Zij hebben een heel ander ontwikkelbudget dan dat wij hebben. Maar het is supergoed dat ze er zijn, want Google neemt dit serieus. Ik ben blijkbaar niet de enige idioot’, lacht Ruiterkamp.

Niet iedereen pakt het echter op dezelfde manier aan. De Makani-vliegtuigen trekken bijvoorbeeld geen kabel uit, maar hebben windturbines aan boord. ‘Vanuit de natuurkunde is het identiek aan wat wij doen’, legt Ruiterkamp uit. ‘Je hebt lift en drag als de twee belangrijke aerodynamische effecten, waarbij lift per definitie loodrecht op de schijnbare wind staat en de drag daar parallel aan is. Wij gebruiken lift, maar je kunt het net zo goed met drag doen.’

Een andere speler die ook inzet op drag is MIT-spin-off Altaeros, dat werkt aan een windturbine die aan een vlieger wordt opgelaten. Ruiterkamp: ‘Zij hebben een container, je drukt op een knop, het ding blaast zichzelf op en huppetee, je hebt een beetje stroom. Maar zij richten zich op de nichemarkt in off-grid, bijvoorbeeld wetenschappelijke installaties op de Noordpool. Het concept schaalt namelijk niet; als je het groter gaat maken, wordt het gewicht van die turbine een limiterende factor. Slimmer is om in de vergelijking je snelheid ten opzichte van de wind te manipuleren, als je door de lucht gaat slingeren haal je zo dertig keer meer vermogen.’

‘En dan is er ook nog een vreemde eend in de bijt: een spin-off van Saab Technologies, die doet wat Makani doet maar dan onder water. Je hebt een factor duizend dichtheidsverschil tussen lucht en water, dus je kunt in principe langzamer vliegen. Die zien we niet echt als concurrent; dat is echt wel een ander concept.’

Virtuele doos

Ruiterkamp schat dat Ampyx samen met Makani het verst is in de ontwikkeling, puur kijkend naar wanneer de bedrijven zijn opgericht. Om van een proof-of-concept-prototype te komen tot een robotisch vliegtuig dat in een uitgebreide reeks omstandigheden kan opstijgen, landen en vliegen, is namelijk een fors ontwikkeltraject nodig – forser dan de oprichters eigenlijk hadden gehoopt.

Maar de belangrijkste hobbel hebben ze nu zo’n beetje genomen, denkt Ruiterkamp: het ontwikkelen van het softwarebrein voor de vliegtuigen. ‘Onze eerste hoop was om een vliegtuig te kopen met een off-the-shelf autopiloot, de code een klein beetje aan te passen om het systeemmodel mee te kunnen nemen en dan zouden we klaar zijn’, blikt hij terug. ‘Maar we moesten die autopiloot uiteindelijk helemaal vanaf nul ontwikkelen. De fysica van een vliegtuig aan een touwtje bleek gewoon fundamenteel anders te zijn dan van elk ander vliegend ding.’

‘Als je bijvoorbeeld met een gewoon zweefvliegtuig de neus omhoog trekt, dan neemt je lift toe en ga je omhoog ten koste van snelheid. Als je datzelfde vliegtuig aan een touwtje knoopt, dan ga je juist harder vliegen, precies het tegenovergestelde. Ook bijvoorbeeld de trajectory planning is fundamenteel anders. Normaal maak je voor een robotische vlucht een patroon van gps-coördinaten in de lucht en trackt dat vliegtuig dat patroon op een bepaalde manier. Maar wij vliegen vaak met zestig graden dwarshelling, op een bolschil die ook nog eens expandeert en krimpt. Dan moet je op een fundamenteel andere manier je waypoints inplannen. Om dat allemaal uit te bouwen tot een autopilotsysteem, tot een controller, dat heeft best wel wat tijd gekost.’

Daarbij speelt ook nog eens mee dat het geheel extreem betrouwbaar moet werken. Niet alleen vanwege de veiligheid, maar ook vanuit economisch perspectief, legt Ruiterkamp uit: ‘Als je een failure rate van een jaar hebt, dan valt er elk jaar wel een machine uit de lucht. Vermenigvuldig dat met het aantal machines dat je hebt, en dan kom je er wel op uit om te voldoen aan de veiligheidsniveaus van de burgerluchtvaart. En dan willen we ook nog eens een keer opereren bij weersomstandigheden waarbij normale drones juist lekker thuis blijven. Het systeem moet dusdanig robuust zijn dat het om kan gaan met vrijwel alle dingen die de natuur ertegenaan kan gooien.’

Ook de vliegtuigen besloot Ampyx uiteindelijk zelf te ontwikkelen. Een standaard model zou namelijk eerst helemaal in kaart gebracht moeten worden en is bovendien niet geoptimaliseerd voor de toepassing. Ruiterkamp: ‘Een vliegtuig aan een touwtje heeft fundamenteel andere eigenschappen, hoewel het er hetzelfde uitziet. De lift die de vleugel levert, is bijvoorbeeld veel groter dan het gewicht van het vliegtuig, en dat wordt opgevangen door de spanning in het touwtje. Een standaard zweefvliegtuig zou zijn vleugels waarschijnlijk in de eerste vlucht samenvouwen; je moet eerder kijken naar hoe een F16 in elkaar is gezet.’

Gelukkig bleken er ook zaken te zijn die minder ingewikkeld waren. De kabel en lier zijn bijvoorbeeld vrij standaard, en een pneumatische lanceerinrichting voor drones kan bijna standaard worden ingekocht. Na lancering klimt het vliegtuig met propellertjes naar de gewenste hoogte. ‘En voor de landing hebben we een soort van virtuele doos van acht meter lang en vier meter hoog ontwikkeld; als het vliegtuig daar maar ergens doorheen vliegt, dan kunnen wij het uit de lucht trekken, afremmen en tot stilstand laten komen. En vervolgens heb je een systeempje om het toestel terug te trekken, waarna het weer klaar is voor de start. Dat is allemaal pisbakkenstaal. En als fundering heb je alleen een platte plaat beton met een paar pennen in de grond nodig, want je krachten zijn heel anders dan bij een normale windmolen’, verklaart Ruiterkamp.

Ampyx Power autopilot
Een vliegtuig aan een kabel vereist een fundamenteel andere autopiloot dan een vrij vliegend toestel.

Kwestie van parameters aanpassen

Voor Ampyx is het nu zaak om alles ook echt ‘vluchtklaar’ te krijgen. Het huidige prototype van zijn Powerplane mist nog de betrouwbaarheid om lange tijd achtereen te opereren, maar het bedrijf heeft al een volgende versie op de tekentafel die met het verbeterde controlesysteem moet gaan vliegen. ‘Dat toestel heeft een spanwijdte van twaalf meter en is bedoeld voor het uitontwikkelen en aantonen van de controllertechnologie en het bijbehorende sensorpakket’, licht Ruiterkamp toe. ‘Het is groot genoeg om al die technologie aan boord mee te kunnen nemen. We wilden ook dat het een schaal had dat het niet helemaal niks doet; het moet ongeveer 200 tot 250 kilowatt aan vermogen opleveren. Dat is al bijna vergelijkbaar met de oudere windmolens die bij Lelystad langs de A6 staan.’

Wanneer de controller dan echt af is, is verdere opschaling relatief eenvoudig. ‘Je controller is in principe schaalinvariant; het maakt voor de robot niet uit of ie nou een Boeing vliegt of een zweefvliegtuig. Dat is een kwestie van parameters aanpassen. Dus de strategie is dat dat hele controllerpakket drop-in ingezet kan worden voor de opgeschaalde versie’, aldus Ruiterkamp. Dat moet in 2018 of 2019 gaan gebeuren en resulteren in een apparaat dat twee megawatt of meer kan opleveren.

Natuurlijk zullen projectontwikkelaars dan nog niet gelijk op grote schaal in de onbewezen technologie stappen. Het plan is dan ook om daar eerst een klein proefparkje met rond de acht systemen van te bouwen, waarmee de technologie zich gedurende een jaar of twee kan bewijzen. ‘Dat moet wel al gelijk een eerste commerciële activiteit worden met een klant. Als je acht van die apparaten voor twee jaar moet financieren terwijl je niks verkoopt, dan is het niet te doen’, zegt Ruiterkamp.

Ampyx is hiervoor al in gesprek met enkele mogelijke lanching customers. Sowieso heeft het over interesse van mogelijke kopers niet te klagen. ‘Alle grote systeemontwikkelaars en energiebedrijven zijn continu op zoek naar nieuwe technologie die schaalbaar, kostenreducerend en groen is en in de komende tien jaar online komt. Die maken hun analyse en komen dan vroeg of laat wel een keer bij ons of een van onze concurrenten uit.’

Ondertussen zijn er nog enkele andere noten te kraken. De ontwikkelingen hebben zich nu bijvoorbeeld steeds geconcentreerd op een installatie op land, maar in alle voorspellingen speelt ook energieopwekking op zee een rol – een heel ander verhaal. Ampyx heeft daar in principe al rekening mee gehouden met het ontwerp van zijn lanceerplatform, maar uitgewerkt is het nog niet. Het bedrijf is daarvoor bezig met een samenwerking met ECN, Marin en Motion, dat ook al voor windturbines drijvende funderingen ontwierp.

Ampyx Power powerplane
De huidige versie van de Powerplane is nog vooral bedoeld voor conceptontwikkeling.

Dubbeldekkerachtig ding

Naast de kostenvoordelen heeft de Ampyx-aanpak nog een aantal andere potentiële voordelen. ‘Dat is secundair; ik verwacht dat dat een aantal vinkjes zullen zijn, mooi meegenomen. Als je een technologie de wereld in wilt zetten, moet je primair een economische propositie hebben’, vindt Ruiterkamp. Maar dat wil niet zeggen dat ze onbelangrijk zijn.

Zo kan het beschikbare landoppervlak, althans in theorie, efficiënter worden gebruikt. Ruiterkamp legt uit: ‘Als je de afremming van de lucht met een rotorschijf uitzet tegen de energieopwekking in een grafiek, dan heb je twee nulpunten. Als je geen lucht afremt, dan heb je dus ook geen energieomzetting, en op het moment dat je alle energie uit de flow haalt, heb je geen stroming meer. Daartussen zit een bergparabool met een optimum. Dat optimum heet de Betz-limiet en die ligt rond de 59 procent. Dus een optimale windturbine kan maximaal 59 procent van het vermogen in de wind omzetten in mechanisch of elektrisch vermogen.’

‘Wij doen iets fundamenteel anders. Wij zitten wel met dezelfde vergelijking, maar wij hebben daarin een gigantisch oppervlak, omdat we een heel lang pad afleggen. Dat kun je uitruilen tegen de hoeveelheid wind die je afremt. In termen van die Betz-limiet zitten wij daardoor extreem laag, onder de een procent waarschijnlijk. Daardoor heeft het neerzetten van een heleboel systemen vlak bij elkaar wel degelijk zin en kun je per hectare grondoppervlak ook meer vermogen uit de wind halen.’

Ook wat betreft de visuele en geluidsoverlast komen de Ampyx-systemen er beter van af – waarschijnlijk. ‘Een apparaat van dertig tot veertig meter spanwijdte dat op driehonderd meter hoogte vliegt, heeft visueel gewoon een aanzienlijk mindere impact dan een rotorschijf van honderd meter diameter op honderdtwintig meter hoogte. Wij leven uiteindelijk van oppervlakte en efficiëntie, dus het zou ook zomaar een dubbeldekkerachtig ding kunnen worden; dat is conceptueel nog niet vastgelegd. En voor geluidsenergie die op de grond komt, geldt een omgekeerde-kwadraatwet. Dus stel dat het brongeluid dezelfde intensiteit heeft – omdat het nu eenmaal een aerodynamisch effect is – maar het apparaat vliegt twee keer zo hoog, dan is de impact vier keer zo klein.’

En dan is er nog het voordeel van de perceptie: ‘Mensen vinden het echt verschrikkelijk irritant om naar hun werk te fietsen met tegenwind en die windturbines stil te zien staan. Maar windturbines hebben een economisch beginpunt dat hoger ligt dan waarbij jij op je fietsje tegenwind ervaart. Omdat mensen niet willen zien dat ze stilstaan, worden ze vaak toch aangezet terwijl ze de facto niks opleveren. In ons verhaal blijven de vliegtuigen gewoon aan de grond als het niet hard genoeg waait om economisch rendabel te zijn.’