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The small wind turbine with big ambitions
Luxembourg company Swirl has developed a smart mini turbine that combines wind energy, solar power and cloud technology.
Audrey Somnard, Lëtzebuerger Journal (Luxembourg)
Read more on Yicai Global, The Hindu Business Line, Ventures Africa, El Economista(in Spanish) and Lëtzebuerger Journal (in French).
Luxembourger Joseph Hess has developed an innovative concept that combines wind energy, solar power and cloud technology to integrate energy production into a local grid network. The engineer is currently negotiating with several African countries interested in buying the technology.
Improving energy access is a global challenge, and all the more so when it comes to minimising environmental damage in the process. The environmental impact of base transceiver stations (GSM, or telecommunications towers) that run on diesel generators is significant, since they produce the equivalent of 30 tonnes of CO2 per year. In Africa alone, there are around one million off-grid GSM towers.
After spending years working in the industrial sector, Hess decided to switch to a more sustainable career path in 2010. He tested two initial models of his smart wind turbine in a wind tunnel and finally came up with an advanced prototype, which was installed in 2014 on the Aquatower building in Berdof, Luxembourg. The prototype subsequently needed an update, particularly the turbine’s electrical equipment, in order to connect to the same cloud network as the company’s newer projects.
After nearly two years of successful activity, it was taken down and each component analysed to learn the lessons of its activities. The results will help Swirl (Smart Wind Integrated Renewables Lëtzëbuerg), Hess’s company, launch serial production of these tiny turbines.
Swirl’s hybrid wind turbine combines wind and solar energy and adapts to its environment, making it autonomous. It’s also the first in the world to be equipped with artificial intelligence features. “We’ve developed an algorithm to optimise the wind turbine’s performance. The turbine will adapt to changes in the wind, collect data on temperature, humidity, etc. It will become an expert in its own activities,” Hess explained.
Swirl has relatively little competition in this segment of the market. A French company that belongs to the engineering and consultancy group EGIS sells wind turbines that can be integrated into GSM towers, but they are a little more complex and therefore more expensive. There’s also a Chinese company, Urban Green Energy, that manufactures and exports small wind turbine systems.
Hess’s design has four-metre blades and weighs just 20 kg. “It takes eight hours to produce. We’ve partnered with Canadian Solar for the photovoltaic part, and the lithium battery is from China,” said Swirl’s founder. “We want to decarbonise intelligently.”
In Western countries, renewables are developing along the same lines in both urban and rural areas. Individuals can even sell electricity produced by their own wind turbine or solar panels. In emerging countries, it’s difficult for conventional networks to supply electricity to an entire population due to the low density of rural populations, the huge distances that are sometimes involved, and the resulting lack of profitability of supplying to these areas. Swirl aims to install its small-scale smart wind turbines in these isolated zones where large-scale energy infrastructure is redundant. “We can produce 50 kilowatts [with each wind turbine], which is enough to supply the needs of a small village. There’s a phenomenal potential in Africa,” Hess said.
There is particularly strong potential for involvement in Africa’s mobile network, which could be transmitted by this next generation of base transceiver stations, especially given that 5G consumes considerably less power than its predecessors. In terms of Swirl’s business model, Africa makes sense. “Selling small-scale wind turbines in Europe on a one-by-one basis is just not profitable. Because of regulations, and also from the point of view of height, the distance between houses, noise, tariffs…” the entrepreneur explained. “It’s the same in many parts of the world, except perhaps in certain regions of the USA or Canada.”
Hess estimates that within the Economic Community of West African States (ECOWAS) alone, there’s potential to deploy 128,000 mini-grids based around his small-scale wind turbines by 2030. Swirl aims to create jobs within African communities by ensuring that the wind turbines are installed by local businesses and locally trained employees.
In 2017, Swirl gained a world-first certification for its wind turbine adapted to machine learning techniques. The company’s business model is currently based as much on licensing sales as on supplying electricity and services to businesses, institutions and governments around the world.
While Hess’s company has formed promising business relationships in Europe and in several African countries, concrete results have yet to emerge. Swirl’s target for 2018 was to sell 50 wind turbines, and up to 200 units per year by 2020. However, Hess remains confident: “We’re getting closer to meeting our objectives, thanks to letters of intent received at the end of August which would lead to significant purchases.”
Ingénieur de formation, Joseph Hess a développé un concept innovant qui mêle éolien, solaire et connexion au cloud, pour que la production d’énergie soit intégrée dans un circuit court. Le Luxembourgeois est actuellement en négociation avec plusieurs pays africains qui sont intéressés par ce procédé connecté.
L’accès à l’énergie est un défi mondial. Qui plus est quand il s’agit de respect de l’environnement. L’impact climatique de tours d’antennes GSM alimentées par un générateur aux énergies fossiles est très négatif puisque chacune d’entre elles génère l’équivalent de 30 tonnes de CO2 par an. Il y a environ un million de ces tours GSM « off-grid », ou hors-réseau, rien qu’en Afrique.
Après des années passées à travailler pour le secteur de l’industrie, Joseph Hess décide en 2010 de s’investir dans quelque chose de « durable ». Deux versions initiales testées en soufflerie plus tard, le prototype de son éolienne intelligente, installé en 2014 sur la tour Aquatower, le château d’eau à Berdorf au Luxembourg, était déjà raisonnablement avancé. Il a besoin maintenant d’une révision, surtout de l’équipement électrique, pour être sur le même cloud de communication que les nouveaux projets de l’entreprise. L’installation a été démontée après presque 2 ans de fonctionnement. Chaque composant a été analysé pour tirer les bonnes conclusions pour la fabrication en série.
Concrètement, l’éolienne « hybride » de Swirl (Smart Wind Integrated Renewable Letzebuerg), l’entreprise fondée par l’ingénieur, combine énergie issue du vent et du soleil et s’adapte à son environnement, ce qui la rend autonome. C’est d’ailleurs la première au monde qui est dotée d’intelligence artificielle. « Nous avons développé un algorithme pour
optimiser la rentabilité de l’éolienne. Elle va s’adapter aux changements du vent, récolter
des données sur la température, l’humidité, etc. Elle va devenir spécialiste d’elle-même »,
explique Joseph Hess.
Swirl est relativement seul sur ce segment. Il y a une entreprise française du groupe d’ingénierie et conseil EGIS qui vend des éoliennes incorporées dans des tours GSM, un peu plus complexes et donc plus chères. Il y a aussi une entreprise Chinoise (Urban Green
Energy) qui fabrique et exporte des petites éoliennes.
La petite machine de Joseph Hess a des pales qui mesurent quatre mètres, et pèse seulement 20kg. « Cela représente huit heures de travail pour la produire. Nous nous
sommes associés à Canadian Solar pour la partie photovoltaïque, et la batterie en lithium est chinoise », résume le fondateur de Swirl. « Nous voulons décarboner de façon intelligente ».
Dans les pays occidentaux, les énergies renouvelables progressent de même manière en
zone urbaine et rurale. Un particulier peut même vendre l’électricité produite par son
éolienne ou ses panneaux photovoltaïques. Dans les pays émergents, il est difficile de fournir de l’électricité à tout le monde à travers les réseaux conventionnels, à cause de la densité de population rurale très basse, des distances parfois énormes et du manque de rentabilité qui en résulte. Le but pour Swirl est donc d’installer ces petites éoliennes intelligentes dans des zones reculées où la grosse infrastructure énergétique ne fait pas de sens. « Nous pouvons produire 50 kilowatts [avec chaque éolienne], de quoi subvenir aux besoins d’un petit village. Il y a un potentiel phénoménal pour l’Afrique », poursuit Joseph Hess.
C’est notamment le cas pour le réseau mobile, qui pourrait être relayé par ces bornes
nouvelle génération, d’autant que la 5G consomme nettement moins que ses prédécesseurs. L’Afrique fait sens pour le modèle économique de Swirl également. «Vendre seulement des petites éoliennes une à une en Europe n’est pas rentable. A cause des régulations, en terme de hauteur, de distance entre les maisons, du bruit, des tarifs…», précise l’entrepreneur. « Cela ne l’est d’ailleurs pas beaucoup plus ailleurs, sauf dans certaines régions aux Etats-Unis et au Canada ».
Joseph Hess estime que rien qu’au niveau de la Communauté économique des États de
l’Afrique de l’Ouest (Cedeao), sa petite éolienne possède un potentiel de déploiement de
quelques 128 000 mini-grids jusqu’en 2030. Parallèlement, Swirl compte créer des emplois au sein des communautés africaines en installant les éoliennes avec des entreprises et des employés formés localement.
En 2017, Swirl a obtenu une première certification mondiale avec son éolienne adaptée au «machine learning », ou apprentissage machine. Le modèle économique de la petite société repose pour l’instant autant sur la vente de licences que sur la fourniture d’électricité et de services à des entreprises, institutions ou gouvernements partout dans le monde.
Si des relations potentiellement fructifères se sont nouées en Europe et avec quelques pays africains, rien n’a été encore concrétisé. Mais l’objectif de l’entreprise pour 2018 était de vendre 50 éoliennes et ils espèrent atteindre une fréquence de 200 machines par an en
2020. Joseph Hess est confiant : « Nous nous approchons de ces objectifs, grâce à des lettres d’intention reçues à la fin du mois d’août avec des commandes importantes ».
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