The technological evolution of devices used to capture wind energy has led today to the use of tethered unmanned aerial vehicles (UAV). These aircraft are used to capture wind energy by flying in crosswinds, and their energy is transmitted to the ground; so they could be considered tethered drones. These peculiar drone systems are called Airborne Wind Energy Systems or AWES.

AWES systems combine multiple concepts for the conversion of wind energy into electrical energy using autonomous aerial vehicles connected to the ground with a cable. The two main concepts are: on-vehicle (« fly-gen ») or on-ground (« ground-gen ») power generation:

AWES is still a young technology. The mathematical foundations of what would become AWES were presented in the scientific paper: « Crosswind Kite Power » by Miles L. Loyd in 1980. During the nineties, AWES research was practically abandoned; but in the last decade, the sector has experienced an extremely rapid acceleration. Several companies, mostly small start-ups and university spin-offs, have entered the wind energy business at high altitude, filing hundreds of patents and developing prototypes and demonstrators. Now that drone technology has matured, it has become possible to carry out the various concept demonstrators on AWES that today we can find flying in some parts of the world.

7 reasons to use AWES technology to generate electricity:

1. Enables access to more wind resources.

At higher altitudes, wind speed increases, and it does so almost exponentially. For example, the energy density of the wind doubles between 500 and 1500 meters. This translates into the global industrial trend of developing individual wind turbines with increased rated power (up to 5 MW) that have long blade lengths (to increase the swept area) and tall turbine shafts (to achieve stronger winds at higher altitudes); but these will never be able to reach the heights of an AWES. In the case of Spain, AWES would significantly increase both on-shore and off-shore wind resource potential (on the mainland and even more on islands).

Extrapolating the case to the whole planet, it is possible to conclude that a significant part of the world’s primary energy could potentially be extracted from medium and high altitude winds. This means there will be great commercial and research opportunities for the coming years in the field of AWES.

2. Mitigates the problem of intermittent renewable energy sources.

In 2016, Bill Gates called for « energy miracles. » By miracles, he meant new technologies that can help solar PV and conventional wind turbines achieve a faster and more affordable transition to 100% renewable energy that meets needs globally. He was especially looking for technologies that could solve the problem of intermittency of renewable energy sources (when there is no sun or wind there is no solar or wind generation). When asked to name such potential breakthroughs or « miracle » technologies, Bill Gates mentioned high-altitude wind power and called it a « potential magical solution » to the world’s energy problem. In another interview, he called High-Altitude Wind Energy one of the three most promising technologies for renewable energy generation.

Realistically, we will still have to wait a few years before we have the technologies (especially the materials that make up the cable) to reach heights greater than 500m; but with the current 200 to 500m we can access winds that are above the atmospheric boundary layer, which are less turbulent and more constant and which improve the load factors of current solar and wind generation systems. For example, according to Enerkite’s data for its EK200 system (see graph below), these winds would improve the estimated load factors of both solar photovoltaic (12%) and conventional wind generation systems (35%) by up to 75%:

3. Reduces generation costs (LCOE).

Introducing a new technology into the real world is no easy task, as many barriers to entry must be overcome. When the market considers adopting a new technology, it is because it improves on existing technologies in at least one aspect (e.g. economics, environment, social factors, etc.) and does so in a significant way (e.g. by improving it by at least 50%).

When quantifying improvements in the economics of renewable generation systems, the best approach is to compare the Levelized Cost Of Energy (LCOE). The LCOE represents the sum of the costs of a power generation asset over its lifetime (from construction to recycling) relative to the energy it has produced in that time (€/Mwh).

According to several sources, including the historical series of LCOE analysis carried out by the LAZARD consulting firm, current renewable energies (solar infrastructures larger than 1 MW and onshore wind turbine farms) have a lower LCOE than coal or natural gas plants. Therefore, AWES should be compared with current renewable energies, of which conventional wind turbines have the lowest LCOE given their maturity and period of existence in the market. Since there are no AWES systems in real operation, beyond a few concept demonstrators that operate with a certain degree of autonomy, we cannot consider their operation and maintenance aspects (OPEX); but we can quantify the investment costs (CAPEX) and infer the recycling costs (LCOE).

In a conventional wind turbine, 60% of the energy is generated with 30% of the outermost end of the blade; therefore, this can be replaced by an aerial vehicle whose wing area is equivalent to 30% of the blade area to generate the same energy. This transformation into an AWES system achieves a CAPEX saving of 50% in a typical infrastructure (see graph below) by replacing the blades and tower of the wind turbine with an aircraft tethered by a ground cable:

As for the recycling costs, it can be inferred that they are much lower; since the mass of an AWES (e.g. see the data of the European AWES Association in Kg/Mwh in the following graph) is approximately one third of a conventional wind turbine. Therefore we obtain a saving of 66% in terms of the mass of the material to be recycled.

The carbon footprint of a product is an environmental indicator, measured in mass of CO₂ equivalent, which aims to reflect « the total greenhouse gases (GHG) emitted by direct or indirect effect during the life cycle of that product. This indicator has been analyzed in the study: « Life Cycle Assessment of Electricity Production from Airborne Wind Energy » by Stefan Wilhem) based on a theoretical AWES system of 1.8 Mw including all necessary components up to grid connection. As an example case, a generic fixed-wing aircraft with a ground-based generator was considered. This system was then compared to a conventional wind turbine of similar power. The study concludes that the AWE plant studied has a carbon footprint of 49% compared to the conventional wind turbine (see carbon footprint breakdown by elements):

5. Has less visual impact.

As they say, a picture is worth a thousand words: the visual impact of the different technologies for generating 100 kW is very different.

6. Provides greater flexibility.

AWES provide a renewable generation system that can be installed and uninstalled in minutes and can be easily transported, installed and operated almost anywhere in the world. At the end of the day, an AWES is basically composed of three elements: an aircraft, a ground system and a cable that joins them, which can be « compacted » in a format that even allows it to be easily transported by road. In fact, the multiple AWES concept demonstrators that exist today, usually house all the elements in a container; thus allowing its transport by land, sea or air, easily and efficiently.

Flexibility means logistical advantages that make AWES a very attractive option in cases such as emergencies, military operations, self-consumption or in any isolated (off-grid) and/or remote systems in which they can compete successfully against optimized solutions such as generator sets.

7. Provides greater scalability.

There are now a large number of AWES concepts that have been demonstrated in flight (see the following picture of some European demonstrators). Once the AWES concept demonstrator has been developed, it can quickly be scaled up from a few Kw to several Mw.

At CT, we recognize the great potential of AWES to generate renewable energy. Therefore, in 2020 we started developing the enabling technologies needed for AWES to reach maturity through a collaboration with the Carlos III University of Madrid, who are pioneers in Spain in the development of AWES technologies, and we are designing our own 100% Spanish system focused on the self-consumption market; although we have also established a policy of alliances with more mature system integrators in order to provide solutions to the renewable generation market on a larger scale.

As CT is the leading Spanish company of the European AWE Association, for more than a year we have been launching communication initiatives and concrete actions coordinated with the rest of the European AWES industry, including the European AWES Center of Excellence on the island of La Gomera, the Flight Test Center in CEDER/Soria and our Flight Test Center in Madrid/Castilla León. The Center of Excellence brings together not only the infrastructure for operations, but also offers unique infrastructure for AWES aircraft conceptual design, advanced AWES modeling and simulation and advanced AWES integration environments. In addition, we are already working on proposals for larger scale generation for the national energy industry.

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D’autres clients ont ensuite rejoint l’environnement d’essais. C’est notamment le cas de GAMESA, pour qui nous réalisons des missions d’intégration de sous-stations, ainsi que les autres centres CORE d’Iberdrola au Royaume-Uni (Glasgow), aux États-Unis (Portland), et au Brésil (Rio de Janeiro).

Disposant d’un environnement propice, Iberdrola a également décidé de réaliser des essais d’interopérabilité pour les nouveaux équipements d’acquisition de données que différents fabricants souhaitaient intégrer dans les sous-stations.

•         Quel est l’objectif d’un tel laboratoire?

En premier lieu, disposer de notre propre laboratoire de télécontrôle nous permet de travailler dans un environnement aussi fiable et similaire que celui dans lequel les projets se déroulent sur le terrain ; dans ce cas, nous étudions le fonctionnement des communications entre les turbines d’un parc d’éoliennes et le centre de contrôle. Ensuite, cela nous donne la possibilité de tester de nouveaux équipements de sous-stations avant de les installer ; ce que nos clients nous demandent de plus en plus.

•         Quelles tâches exécutez-vous dans le laboratoire?

Actuellement, nous réalisons trois types de tâches : des essais de fonctionnalité pour la génération hydraulique, avec trois équipes de deux personnes ; le développement de nouveaux parcs pour Iberdrola ; et la configuration de serveurs pour Iberdrola Renouvelables. Le système SCADA, dont nous sommes les principaux développeurs pour Iberdrola et Gamesa, est la plateforme PcVue, implantée dans leurs centres de contrôle, qui gère simultanément des centaines d’installations de génération. Nous utilisons aussi les outils pris en charge par ce système, comme SQL, Serveurs OPC, Simulateurs de communications IEC101 et IEC104, le tout sous Windows.

•         Pour quels projets ou types de projets?

Parmi nos projets actuels figurent:

IBERDROLA

Parcs d’éoliennes en Grèce et en Pologne: développement et installation du système Scada pour trois nouveaux parcs d’éoliennes : Mikronoros, Askio et Korytnica (Pologne).

Port Augusta: développement d’un régulateur hybride pour l’intégration d’une centrale photovoltaïque et d’un parc d’éoliennes en Australie.

Projet Támega: développement et installation du système Scada pour les centrales d’Alto Támega et Gouvães, qui font partie du macro-projet Tâmega, lequel comprend trois centrales, les deux déjà mentionnées, et Daivões (1 158 MW installés et 1 760 MWh).

Parc d’éoliennes marines de Saint-Brieuc: développement et installation du système Scada pour ce parc situé à 16 km des côtes françaises, et comptant 62 aérogénérateurs et une puissance installée de 500 MW, outre la sous-station et des services auxiliaires.

CORE: soutien pour l’intégration dans CORE de nouvelles installations (sous-stations, parcs solaires, parcs d’éoliennes) et développement de Scada dans les nouveaux parcs, environ 20-24 par an.

Génération hydraulique: essais de fonctionnalité pour le nouveau bureau de génération hydraulique (COHI) des 4 bassins qui le composent : Duero, Tage, Sil et Méditerranée.

Essais d’intégration des systèmes d’acquisition de données d’Ingeteam, ZIV, etc., pour des sous-stations/éolien/solaire.

ISOTROL

Développement et mise en marche du système SCADA de plus d’une douzaine de centrales photovoltaïques avec une puissance de génération de 1,6 GW.

Projets achevés:

GAMESA

Intégration de sous-stations dans le centre de contrôle de Sarriguren.

CYCLES COMBINÉS

Bizkaia Energía: assistance et maintenance du système de régulation de puissance de la centrale d’Amorebieta.

ENGIE: assistance et maintenance du système de régulation de puissance de l’usine de Carthagène.

•     En quoi le fait d’avoir un laboratoire de SCADA-et de télécontrôle est porteur de valeur vis-à-vis des clients?

Disposer d’un environnement d’essais spécifique constitue un avantage différentiel qui, pour des clients tels qu’Iberdrola ou Gamesa, est d’une importance cruciale avant l’intégration d’une installation dans l’environnement de production. Il est fondamental de vérifier que toutes les commandes d’une vanne d’un barrage fonctionnent correctement, qu’un parc peut être mis à l’arrêt lorsque Red Eléctrica le demande, ou qu’un générateur produit les mégawatts spécifiés par REE (réseau de transport électrique d’Espagne) pour ne pas surcharger le réseau. Posséder ce type d’environnements confère ainsi une énorme valeur ajoutée à notre département ; sans compter que c’est pour nous tous un banc d’essais et d’apprentissage.

•         Comment l’opération à distance contribue-t-elle à l’efficacité et à la durabilité des processus des clients?

Disposer d’un système de surveillance et de télécontrôle permet de visualiser en temps réel les variables et les indicateurs énergétiques des installations de génération. Ainsi, tout incident peut être détecté immédiatement et résolu plus efficacement. Par exemple, en général, les parcs éoliens ne sont pas des sites facilement accessibles, et leur opération sur site 24 h sur 24 et 365 jours par an est impossible. Autre exemple encore plus probant : les parcs éoliens marins qui ont une capacité de génération plus grande et qui sont de plus en plus éloignés des côtes.

L’opération à distance nous permet d’aider nos clients à atteindre leurs objectifs en matière de durabilité. Par exemple, nous aidons DATA4 à accroître l’efficacité énergétique de son centre de données de Madrid, grâce à la maintenance de son système BMS (système de contrôle des bâtiments). De plus en plus d’entreprises tendent à mettre en œuvre un système de surveillance et de télécontrôle, et nous l’envisageons d’ailleurs pour nos propres installations, en Espagne comme dans les autres pays où nous sommes présents.

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Nous sommes en train de vivre un tournant décisif où la mobilité joue un rôle social fondamental, façonne les infrastructures de nos villes, et est de plus en plus liée aux besoins de l’utilisateur. Face à ces changements, le secteur de l’automobile commence à tourner le volant vers la production de véhicules conçus du point de vue de l’utilisation, afin de répondre aux différents styles de vie des utilisateurs.

Cette transformation, ainsi que l’environnement toujours plus compétitif, a de nombreuses répercussions dans l’industrie manufacturière, de plus en plus consciente de la nécessité d’accroître les investissements dans les processus de numérisation et d’intégration de sa chaîne de production. Mais tout ce chemin vers les véritables usines numériques dotées de processus de production plus flexibles, évolutifs et optimisés, requiert une feuille de route, un plan de transformation numérique.

Tout fabricant souhaitant investir dans l’Industrie 4.0 doit prendre en compte un aspect fondamental : déterminer la technologie qui fonctionnera le mieux pour atteindre ses objectifs et améliorer son ROI. Dans cet article, nous décrivons à grands traits les clés d’un plan de transformation numérique dans l’industrie automobile en nous appuyant sur des exemples de réussites avec des fabricants de référence, en qualité de fournisseur de solutions d’ingénierie et de services d’innovation tout au long du cycle de vie du produit.

Investir en R&D : une question incontournable

Face à la demande croissante du marché en véhicules, maintenir le volume de fabrication, la qualité et les bénéfices relève pratiquement de l’utopie. La nécessité d’investir dans les capacités de production n’est pas nouvelle, mais il est important de tenir compte de la manière dont les investissements sont réalisés. Les fabricants qui opteront pour une fabrication flexible et évolutive auront davantage de possibilités de maintenir et consolider leur position sur le marché à long terme. Les entreprises qui investissent 25 % de leur budget en R&D dans des applications logicielles seront récompensées par une forte croissance.

Chez CT, nous élaborons des plans de transformation numérique pour orienter nos clients dans tous les aspects où l’Industrie 4.0 intervient, depuis la numérisation de leur chaîne de valeur, interne comme externe (processus liés aux fournisseurs et aux clients), du produit (augmentation de sa valeur ajoutée), au modèle d’entreprise (génération et exploitation de nouveaux produits et services, avec la construction consécutive d’écosystèmes complets de services numériques accessibles pour l’utilisateur).

Le plan de transformation numérique, indispensable pour réduire les délais et les coûts

L’Industrie 4.0 offre un large éventail de technologies, mais toutes ne répondent pas aux besoins stratégiques de l’entreprise. Il convient donc dans un premier temps de définir l’objectif et la stratégie, pour ensuite évaluer et sélectionner la technologie la plus adaptée, alignée sur ces derniers. Les propositions technologiques que nous étudions préalablement et mettons en œuvre dans les processus de nos clients comprennent:

• Établissement de réseaux de capteurs pour les processus productif au moyen de la technologie IIoT.
• Numérisation de l’usine de production.
• Simulation de logistique interne.
• Application de cobots dans les processus manuels.
• Simulation de cellules robotisées.
• Application de la data analytics pour l’efficacité opérationnelle, entre autres.

Avoir un plan nous aide également à proposer au client une vision sur la valeur que les nouvelles technologies conféreront à son entreprise par rapport à l’investissement nécessaire. En outre, disposer d’une feuille de route toute tracée et bien étudiée permet de réduire les délais et les coûts liés à la méthode essai-erreur qui serait autrement nécessaire. Ces aspects sont fondamentaux pour que nos clients s’embarquent dans ce voyage avec confiance et sérénité.

La numérisation des entreprises est aussi une priorité sur la feuille de route des gouvernements locaux et nationaux qui entendent moderniser le tissu productif espagnol. Des programmes comme le « Kit numérique », qui s’inscrit dans le cadre du Plan de relève, transformation et résilience, de l’agenda España Digital 2025 et du Plan de numérisation des PME, offre des subventions aux entreprises qui mettent en œuvre des solutions numériques disponibles sur le marché comme des outils de gestion des processus, Business Intelligence et analytique, et cybersécurité, entre autres.

Fournisseur agréé ACCIÓ – Agence pour la compétitivité des entreprises en Catalogne

À l’échelle locale, des initiatives telles que les Cupones ACCIÓ pour la compétitivité des entreprises offrent une remise économique directe qui peut être échangée contre un service spécialisé en internationalisation, innovation ou Industrie 4.0, par l’intermédiaire des fournisseurs agréés par ACCIÓ. CT possède en Catalogne une unité commerciale, fournisseur agréé, spécialisée dans l’intégration de solutions 4.0 pour l’amélioration des processus commerciaux, notamment certaines solutions destinées à la fabrication additive ou à la simulation et la programmation de robots.

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