di Nel panorama delle energie rinnovabili, una nuova frontiera sta prendendo quota: l’energia eolica aviotrasportata. Questa tecnologia innovativa promette di rivoluzionare la produzione di energia elettrica sfruttando velivoli autonomi che, sollevati dal vento, generano elettricità senza la necessità di grandi strutture fisse. Lorenzo Mario Fagiano, docente presso il Dipartimento di Elettronica, Informazione e Bioingegneria del Politecnico di Milano, ci guida alla scoperta di questa tecnologia emergente, illustrando i suoi vantaggi, le sfide che deve affrontare e il ruolo di primo piano del Politecnico nella ricerca e nello sviluppo di soluzioni all’avanguardia.
Cos’è l’energia eolica aviotrasportata?
L’energia eolica aviotrasportata (airborne wind energy) è la tecnologia di conversione dell’energia eolica in energia elettrica, tramite l’utilizzo di velivoli autonomi collegati a terra da cavi.
Vi sono ad oggi diverse soluzioni in fase di sviluppo avanzato o di prima commercializzazione, con una taglia di circa 100kW di potenza nominale per singolo sistema. Alcune soluzioni utilizzano velivoli flessibili, simili ad aquiloni o parapendii, altre fanno uso di velivoli ad ala rigida, simili a droni.
Quali sono i vantaggi?
Tecnologie avanzate di sensoristica, controllo automatico e intelligenza artificiale permettono ai velivoli di sfruttare la potenza del vento per sostenersi in aria, oltre a generare elettricità tramite dispositivi posti a terra o a bordo del velivolo stesso. Non è quindi necessario costruire e installare strutture costose e ad alto impatto come la torre e il rotore di una turbina eolica convenzionale.
La massa di un sistema aviotrasportato è infatti pari a meno di un decimo della massa di un’equivalente turbina eolica, di conseguenza i costi di costruzione e installazione sono di molto inferiori. Inoltre, l’utilizzo di cavi, relativamente leggeri, permette a questi sistemi di raggiungere quote elevate rispetto al suolo, dove il vento ha una maggiore intensità, con conseguente maggiore quantità di energia prodotta e maggiore disponibilità della fonte primaria.
I sistemi attuali operano già tra 200 e 500 metri dal suolo, quote irraggiungibili per le altre tipologie di generatori eolici, e possono produrre fino a due volte l’energia in un anno, a pari potenza nominale. L’effetto combinato di costi inferiori e maggiore produttività risulta in una stima del costo dell’energia inferiore a ogni altra soluzione ad oggi esistente, rinnovabile e non. Inoltre, la risorsa eolica di alta quota è disponibile in un maggior numero di siti, rendendo questa tecnologia altamente complementare rispetto alle tecnologie esistenti quali l’eolico tradizionale e il solare fotovoltaico. Infine, le caratteristiche dell’eolico aviotrasportato lo rendono adatto all’installazione su piattaforme flottanti in mare profondo a basso costo e impatto ambientale.
Quali sono le sfide?
I principi alla base della tecnologia eolica sono stati concepiti verso la fine degli anni 1970, tuttavia solo da circa 15 anni diversi centri di ricerca e aziende innovative hanno intrapreso un vero e proprio sviluppo tecnologico mirato alla commercializzazione di questi sistemi, grazie a investimenti pubblici, nazionali ed Europei, e privati.
Dal punto di vista tecnico/scientifico, le sfide attuali riguardano lo sviluppo di sistemi di automazione e di componenti ottimizzati che garantiscano una elevata affidabilità e tolleranza ai guasti, oltre allo sviluppo delle conoscenze e delle soluzioni tecnologiche per scalare la taglia del singolo sistema dal centinaio di kW, sviluppata oggi per applicazioni di piccola scala, su isole e in luoghi remoti con bassa richiesta di energia, a 2-3 MW di potenza nominale. Tale taglia è ritenuta essere quella necessaria per entrare nel mercato della produzione di energia elettrica su grande scala.
Dal punto di vista del mercato, le sfide attuali riguardano lo sviluppo di una adeguata regolamentazione per questi sistemi innovativi e di appropriate misure di supporto per favorire un rapido sviluppo del settore e di tutta la catena del valore ad esso collegata.
Qual è lo scenario internazionale?
A oggi, il maggior numero di gruppi di ricerca e sviluppatori di sistemi eolici aviotrasportati è presente nell’Unione Europea. Nel 2019, l’associazione Airborne Wind Europe si è costituita per creare le condizioni migliori per lo sviluppo del settore. Nella primavera del 2024, il Parlamento Tedesco ha approvato una specifica tariffa agevolata per l’energia elettrica ottenuta da sistemi eolici aviotrasportati.
Studi di settore hanno stimato che, con un adeguato supporto in termini di finanziamenti e procedure normative, l’energia eolica aviotrasportata ha le potenzialità per contribuire in modo significativo agli obiettivi di neutralità climatica, sostenibilità e sicurezza dell’approvvigionamento energetico fissati dalla UE e da tutte le nazioni industrializzate del mondo, creando al contempo un’intera nuova filiera industriale con conseguente sviluppo economico e crescita.
Qual è il ruolo del Politecnico di Milano?
Il Politecnico di Milano si colloca alla frontiera della ricerca e sviluppo della tecnologia eolica aviotrasportata ed è attualmente uno dei maggiori punti di riferimento a livello globale. Grazie a progetti finanziati dall’Unione Europea (progetto Horizon Europe MERIDIONAL, rete Maria Skłodowska Curie AWETRAIN), dal PNRR (nell’ambito del Partenariato Esteso “NEST”, progetto PRIN “DeepAirborne”), da Fondazione Cariplo (progetto “NextWind”) e da iniziative pubblico-privato, i ricercatori del Politecnico di Milano svolgono ricerca avanzata e sviluppano attivamente gli aspetti di aerodinamica, fluidodinamica, intelligenza artificiale, automazione, conversione elettrica, impatto ambientale, connessi con i sistemi eolici aviotrasportati, con la partecipazione attiva di tre dipartimenti (DAER, DEIB, DICA).
Il Politecnico di Milano è inoltre membro fondatore di Airborne Wind Europe. Altri membri accademici dell’associazione sono la TU Delft (membro fondatore) e RWTH Aachen, con cui il Politecnico di Milano ha accordi di collaborazione quali IDEA League e ENHANCE, oltre all’Università di Stoccarda, l’Università di Porto, l’Università Carlos III di Madrid, e l’Università di Ghent.
Il Politecnico di Milano ha organizzato e ospitato il nono convegno internazionale del settore nel 2022, con la partecipazione di circa 170 delegati provenienti da tutto il mondo, e ha confermato la sua posizione di guida nell’ambito della ricerca scientifica al decimo convegno internazionale, tenutosi a Madrid ad aprile 2024, con la partecipazione di quindici tra studenti, dottorandi e docenti, che hanno illustrato gli sviluppi della propria ricerca.
Il suo lavoro nell’ambito dell’energia eolica aviotrasportata rappresenta una frontiera all’avanguardia della tecnologia. Qual è stato il percorso che l’ha portata ad appassionarsi a questa materia?
Dopo la Laurea Magistrale presso il Politecnico di Torino e una breve esperienza lavorativa nell’industria, decisi di intraprendere un Dottorato di Ricerca in Automatica nel 2006, ed ebbi la fortuna di incontrare due relatori, i professori Massimo Canale e Mario Milanese, che mi proposero di sviluppare un percorso su due binari: da un lato lo sviluppo di metodologie di base nel campo dei controlli automatici, dall’altro lo studio di questa nuova tecnologia, che al tempo chiamavamo energia eolica di alta quota, high-altitude wind energy (o power).
La mia tesi di dottorato è stata la prima in questo settore, e ha suscitato un buon interesse a livello internazionale e ricevuto alcuni riconoscimenti, tra cui l’ENI Award Debut in Research 2010, consegnatomi dal Presidente Giorgio Napolitano in una cerimonia presso il Quirinale.
Il potenziale impatto sulla transizione energetica, le sfide scientifiche e tecniche, e i riconoscimenti per la ricerca mia e dei miei colleghi mi hanno motivato, da allora, a proseguire in quest’ambito durante tutte le mie esperienze lavorative in accademia e nell’industria, presso la UC Santa Barbara, ETH Zurigo, ABB Corporate Research e infine al Politecnico di Milano, in modo più o meno preponderante nel corso degli anni, affiancando l’eolico aviotrasportato ad altri filoni di ricerca, sempre mantenendo l’impostazione di sviluppare in parallelo ricerca metodologica e ricerca applicata. Nel frattempo, si è sviluppata una comunità scientifica dedicata di cui il nostro gruppo è ormai parte integrante.
Quali sono gli ambiti di ricerca che le piacerebbe sviluppare in futuro?
Al momento e per i prossimi anni continueremo a lavorare in modo preponderante sulla tecnologia eolica aviotrasportata, con l’obiettivo di contribuire in modo sostanziale al suo sviluppo tecnico/scientifico e alla sua industrializzazione.
Nel laboratorio Safe Automation Systems (SAS-Lab) conduciamo inoltre ricerca fondamentale nell’ambito della modellazione, ottimizzazione e automazione di sistemi complessi, con applicazioni in settori industriali come la robotica aerea (droni di tipo multicottero per applicazioni civili), l’industria manifatturiera e di processo, la generazione e distribuzione dell’energia.
Questa varietà di tematiche ci consente di astrarre e individuare problemi fondamentali di rilevante interesse, da indagare con metodi matematici e della teoria dei sistemi. Un filone di ricerca su cui vogliamo concentrarci è lo sviluppo di metodi per migliorare più aspetti contemporaneamente in sistemi complessi, che cambiano nel tempo e sono difficili da prevedere. Questi studi sono importanti non solo per l’ingegneria, ma anche per altri settori.