كيف ستقود التوائم الرقمية مستقبل الطاقة المتجددة

لعدة قرون الآن، كنا نستخدم موارد النفط والغاز لتوليد الكهرباء، وتشغيل المركبات والطائرات، وتكون كأساس لمجموعة واسعة من المنتجات، بما في ذلك المطاط، البلاستيك، الأسمدة، والأدوية.

هذه الموارد غير المتجددة والطبيعية تُنتج من الكربون والهيدروجين وتُوفر ما يصل إلى 84٪ من توليد الطاقة في العالم. ومع ذلك، أدى الاستخدام المكثف لهذه الموارد المحدودة والتقليدية إلى التلوث وتلف البيئة.

من خلال إطلاق غازات الدفيئة السامة والملوثات الضارة، فإن استخراج وحرق الوقود الأحفوري قد ساهم في تغير المناخ والاحترار العالمي، وأثر على صحة الإنسان والأنظمة البيئية.

حل رئيسي لهذا التأثير السلبي الكبير على الكوكب الناجم عن موارد النفط والغاز هو التحول من الوقود الأحفوري إلى مصادر الطاقة المتجددة.

الطاقة المتجددة تُستخرج من مصادر بيئية مثل الطقس والموقع الجغرافي. إنها طاقة خضراء خالية من الانبعاثات.

الطاقة الشمسية، وطاقة الرياح، والطاقة الكهرومائية، والطاقة الحرارية الجوفية، وطاقة الكتلة الحيوية هي أبرز أمثلة مصادر الطاقة المتجددة، والتي تُعد مستدامة.

على مدار العقد الماضي، اتجه العالم إلى هذه المصادر المتجددة كوسيلة لإجراء تحول طاقة خضراء، مما أدى إلى زيادة مستمرة في استخدامها عبر مختلف التطبيقات.

وفقًا للوكالة الدولية للطاقة (IEA)، من المتوقع أن يزداد استهلاك الطاقة المتجددة في قطاعات الكهرباء والحرارة والنقل بحوالي 60٪ بين عامي 2024 و2030، مما سيعزز حصة المتجددة في استهلاك الطاقة النهائي من 13٪ في 2023 إلى ما يقرب من 20٪ بحلول 2030.

على الرغم من فائدتها للبيئة، فإن دمج هذه الموارد الطبيعية في توليد الطاقة وتخزينها والنقل يأتي مع تحدياته الخاصة بسبب طبيعتها المتقطعة واعتماده الكبير على عوامل خارجية مثل الموسم والموقع. هذا الاعتماد يتطلب نظام تخزين طاقة.

هناك أيضًا تكلفة بنية تحتية أولية مرتفعة مرتبطة بمصادر الطاقة المتجددة، بينما معدل توليدها للطاقة بطيء.

وبالتالي، لا تزال المصادر التقليدية تُستخدم لمعظم توليد الطاقة. وهذا يجعل من الضروري وجود استراتيجية وتكنولوجيا جديدة للتعامل بشكل أفضل مع هذه التحديات. وهذا يعني فهم ودراسة وتحليل سلوك معلمات كل نظام خلال مراحل التصميم والإنتاج والخدمات لكل دورة حياة مفيدة لنظام الطاقة المتجددة. هنا يأتي دور تقنية التوأم الرقمي (DT).

تستخدم التقنية نماذج تكيفية لمحاكاة أداء الأنظمة الفيزيائية في الوقت الحقيقي داخل بيئة رقمية، مما يساعد على التنبؤ ومنع الأعطال المحتملة للنظام. 

من الفيزيائي إلى الرقمي: ظهور النسخ الافتراضية

التوأم الرقمي هو ببساطة التمثيل الافتراضي أو النسخة المتماثلة لكائن مادي في العالم الحقيقي، أو شخص، أو نظام، أو عملية. لتقليد نظيره المادي، يستخدم النسخة الرقمية البيانات في الوقت الحقيقي التي تُلتقط بمساعدة المستشعرات، والمحاكاة، وتعلم الآلة. 

هذا يسمح بالمراقبة والتحليل والتنبؤ بسلوك الأصل المادي في سيناريوهات مختلفة، وبالتالي يمكننا اتخاذ قرارات أفضل.

قدرة هذه التوائم الرقمية على تكرار والتفاعل مع الأنظمة المعقدة جعلتها ذات قيمة عالية عبر الصناعات، حيث تدفع تحسينات في الكفاءة، وخفض التكاليف، وتطوير حلول مبتكرة.

وفقًا لتقديرات ماكنزي، سيصل السوق العالمي لتقنية التوأم الرقمي إلى 73.5 مليار دولار بحلول 2027، مع نمو سنوي بنسبة 60٪ خلال السنوات الخمس المقبلة.

تم تبني مصطلح ‘التوأم الرقمي’ من قبل جون فيكرز في ناسا عام 2010، لكن الفكرة الأساسية تعود إلى وقت أبكر. فقد طورت الوكالة الفضائية التقنية لاستخدامها في مهام استكشاف الفضاء في الستينات.

كان ذلك في عام 2002 عندما أعلن الدكتور مايكل غريفز رسميًا عن المفهوم وطبقَه على التصنيع. تم تقسيم المفهوم إلى ثلاثة أجزاء رئيسية: الفضاء المادي الفعلي، والفضاء الافتراضي لهذا الجزء المادي، والرابط الذي يربط بينهما.

بعد سنوات عديدة، في عام 2011، طورت القوات الجوية الأمريكية توأمًا رقميًا لتصميم الطائرات وتوقع التعب والصيانة. ومن ثم انتشرت التقنية إلى مجالات أخرى، بما في ذلك الفضاء الجوي، والنقل، والشحن، والتصنيع، والرعاية الصحية، وتطبيقات النفط والغاز.

في مجال الطاقة المتجددة، الوظيفة الأساسية للتوأم الرقمي هي جمع البيانات من المستشعرات في الموقع لإعادة إنتاج عمليات النظام المادي في بيئة افتراضية.

يمكن إنشاء توأم رقمي لكل نوع من أنظمة الطاقة المتجددة خلال مراحل دورة حياته لخدمة مهمة محددة. وهذا يعني الحاجة إلى كميات هائلة من البيانات، بما في ذلك هندسة كل مكون، وبيانات الطقس، والمشكلات السابقة، والتنبؤات التاريخية، والبيانات التجريبية والعملية، والبيانات في الوقت الحقيقي، مما يجعل تطبيق التوأم الرقمي في هذا القطاع معقدًا وتحديًا. 

المسألة هي أن تطبيق التوائم الرقمية في أنظمة الطاقة المتجددة لم يُستكشف بشكل واسع.

لذلك، تتعمق الدراسة الجديدة في المفهوم في هذا القطاع المحدد. قام باحثون في جامعة الشارقة بإجراء استكشاف متعمق للتوائم الرقمية المدعومة بالذكاء الاصطناعي كأداة لتسريع انتقال الطاقة النظيفة.

في ورقتهم، أجرى الباحثون مراجعة شاملة للمعمارية والوظائف ودورة الحياة والتطبيقات لتقنية التوأم الرقمي في أنظمة الطاقة المتجددة.

لهذا، استخدموا الذكاء الاصطناعي، وتعلم الآلة (ML)، ومعالجة اللغة الطبيعية (NLP) التي مكنتهم من تقييم كميات كبيرة من البيانات الخام واكتشاف رؤى ذات معنى حول الأنماط المهيكلة والاتجاهات الناشئة.

من خلال هذا البحث، الفكرة هي استغلال إمكانات التقنية لتحسين الكفاءة والاستدامة مع معالجة تحديات ندرة البيانات، والعمليات البيولوجية المعقدة، ونمذجة المعدات المتدهورة، وت variability البيئية.

تحسين التحول الأخضر: الوعد وتحديات التوائم الرقمية المدعومة بالذكاء الاصطناعي

بينما يكافح العالم لتقليل انبعاثات الكربون ومكافحة تغير المناخ، لجأ الباحثون إلى التوائم الرقمية المدعومة بالذكاء الاصطناعي لإعادة تشكيل مستقبل الطاقة.

وفقًا للباحثين، يمكن لهذه التمثيلات الرقمية للعالم المادي أن تحول توليد وإدارة وتحسين مصادر الطاقة المتجددة، وبالتالي تسريع الانتقال بعيدًا عن الوقود الأحفوري. ولكن لتحقيق ذلك، نحتاج إلى التغلب على قيودها الملحوظة.

كما أشار الباحثون، “التوائم الرقمية فعّالة للغاية في تحسين أنظمة الطاقة المتجددة”، لكن كل مصدر طاقة متجددة يقدم تحديات فريدة يمكن أن “تحد من أداء تقنيات التوأم الرقمي، رغم وعدها الكبير في تحسين توليد الطاقة وإدارتها”.

لذا، بعد إجراء مراجعة شاملة للأدبيات القائمة حول الموضوع، حول كيفية استخدام التوائم الرقمية في القطاع، حددوا فجوات بحثية، واقترحوا إرشادات، وتناولوا القضايا التي تحتاج إلى معالجة للاستفادة الكاملة من تقنية التوأم الرقمي في قطاع الطاقة المتجددة.

كما تم تقديم خارطة طريق بحثية لمساعدة العلماء على تعزيز موثوقية التقنية ودقتها.

في دراستهم، حدد الباحثون المزايا الكبيرة للتوائم الرقمية¹ وكذلك قيودها عبر مختلف أنظمة الطاقة المتجددة. تركّز التوصيات التي قدمها الباحثون على توسيع القدرات الحاسوبية، وتطوير تقنيات النمذجة، وتحسين طرق جمع البيانات لضمان أن التوائم الرقمية يمكنها تقديم رؤى دقيقة وموثوقة لاتخاذ القرار وتحسين النظام.

طاقة الرياح

تستغل طاقة الرياح قوة الرياح لتوليد الكهرباء. في عام 2024، ارتفع مساهمتها في توليد الطاقة العالمية إلى 8.1٪. من المقرر أن تصبح الثاني الأكبر مصدرًا للطاقة الكهربائية المتجددة عالميًا بعد الطاقة الشمسية الكهروضوئية بحلول نهاية هذا العقد.

لتحويل الطاقة الحركية للرياح إلى كهرباء، تُثبت توربينات الرياح على البر على الأرض وكذلك في البحر، إما ثابتة أو عائمة.

في الأساس، يُستخدم نوعان من توربينات الرياح هنا. توربين الرياح ذو المحور الرأسي (VAWT) هو الذي يكون دوران المحور عموديًا على حركة الرياح. والنوع الآخر هو توربين الرياح ذو المحور الأفقي (HAWT)، الذي يدور موازياً لتدفق الرياح.

بينما يلتقط HAWT أقصى كمية من طاقة الرياح، فإنه يتطلب تدفق هواء مستقر دون تقلبات كبيرة. بالمقابل، يلتقط VAWT الرياح من أي اتجاه ويعمل في موقع تدفق رياح مضطرب بمعدل توليد طاقة أقل.

يمكن لاستخدام التوائم الرقمية هنا المساعدة في التنبؤ بالمعلمات غير المعروفة وتصحيح أي قياسات غير دقيقة.

ومع ذلك، تواجههم تحديات في نمذجة ومراقبة العوامل والظروف البيئية بدقة. البيانات غير الموثوقة والفجوات في البيانات المجمعة من المناطق النائية أو البحرية تخلق أيضًا مشكلات للتوائم الرقمية. علاوة على ذلك، يواجهون صعوبة في محاكاة العوامل الحرجة في التوربينات القديمة مثل تدهور صندوق التروس، تآكل الشفرات، وأداء النظام الكهربائي.

انقر هنا للحصول على قائمة بأفضل أسهم طاقة الرياح.

الطاقة الشمسية

المحرك الرئيسي لنمو الطاقة المتجددة هو الطاقة الشمسية، التي كانت تقدم أكبر مساهمات في توليد الطاقة النظيفة لعدة سنوات الآن. في عام 2024، وفرت أكثر من 2,000 تيراواط ساعة من الكهرباء، مضيفة 474 تيراواط ساعة لتصل إلى حصة 6.9٪، مما جعلها أسرع مصدر طاقة نمواً للعام العشرين على التوالي.

أسرع مصدر نمو وأكبر مصدر للكهرباء الجديدة هو الطاقة الشمسية. يتم تحويل ضوء الشمس مباشرة إلى كهرباء باستخدام الخلايا الضوئية (PV). يحتوي اللوح الضوئي، أو اللوح الشمسي، على خلايا ضوئية مصنوعة من شبه موصل ينقل الطاقة. تمتص هذه الخلايا ضوء الشمس وتحوّل الطاقة الشمسية إلى كهرباء.

في الوقت نفسه، تُعد الطاقة الشمسية المركزة (CSP) طريقة غير مباشرة لتوليد الكهرباء، حيث تُستخدم العدسات أو المرايا لتركيز ضوء الشمس إلى نقطة تركيز.

فيما يتعلق بالطاقة الشمسية، تستخدم التوائم الرقمية بيانات الوقت الحقيقي من المستشعرات لتحديد العوامل الرئيسية التي تؤثر على الكفاءة وإنتاجية الطاقة. على الرغم من إمكاناتها، لا تستطيع التوائم الرقمية هنا التنبؤ بدقة بالأداء بسبب التغيرات في الظروف الجوية. كما تواجه صعوبة في مراقبة تدهور الألواح وتأثيرات البيئة مع مرور الوقت، مما يؤثر على دقتها وفائدتها.

مثلما هو الحال مع طاقة الرياح، قد يكون جمع البيانات من المناطق النائية أو البحرية نادرًا أو غير موثوق به هنا.

انقر هنا للحصول على قائمة بأفضل أسهم الطاقة الشمسية.

الطاقة الحرارية الجوفية

تُستخرج هذه الطاقة المتجددة من الحرارة الداخلية لجوهر الأرض وتُستخدم للتدفئة والتبريد بالإضافة إلى توليد الكهرباء. حصتها من الطاقة المتجددة أقل من 3٪.

يمكن للتوائم الرقمية المساعدة في محاكاة العملية التشغيلية الكاملة لاستخدام الطاقة الحرارية الجوفية، خاصة عملية الحفر. من خلال تسهيل تحليل التكلفة وتوقع التعب، يمكنها توفير الوقت والتكلفة المرتبطين بالعملية.

التحدي الأكبر هنا هو محدودية توفر بيانات عالية الجودة، مما يعيق قدرة التقنية على محاكاة عدم اليقين الجيولوجي والظروف تحت سطح الأرض. ثم هناك سلوكيات طويلة الأمد معقدة للأنظمة الحرارية الجوفية، مثل انتقال الحرارة وتدفق السوائل، والتي يصعب على التوائم الرقمية نمذجتها.

الطاقة الكهرومائية

تستفيد الطاقة الكهرومائية من تدفق المياه لتوليد الطاقة. إنها تستغل تأثيرات الجاذبية والارتفاع.

في عام 2024، شكلت الطاقة المائية معظم توليد الكهرباء العالمي عبر تكنولوجيا الطاقة المتجددة. لكن حصة هذا المصدر المتجدد الأكبر البالغة 14٪ من المتوقع أن تشهد انخفاضًا بنسبة نسبة مئوية واحدة بحلول 2030 متوقع من قبل الوكالة الدولية للطاقة، مع تزايد استخدام الطاقة الشمسية الكهروضوئية وطاقة الرياح مما يقلل من بروز الطاقة المائية. من المتوقع أن تستمر في النمو مع تفعيل مشاريع جديدة.

تُرتبط الطاقة الكهرومائية بتكاليف بناء مرتفعة، وتؤثر سلبًا على جودة المياه، ولها تأثير سلبي على موائل الحيوانات.

يمكن تطبيق التوائم الرقمية على الطاقة الكهرومائية لمحاكاة النظام من أجل تحديد العوامل المؤثرة فيه. في المحطات القديمة، يمكنها المساعدة في تخفيف تأثير تعب العمال على الإنتاجية. يُستخدم المسح الضوئي ثلاثي الأبعاد هنا لاكتشاف بناء متعب بتكلفة فعالة.

التحدي، مع ذلك، هو ندرة البيانات، أداء البنية التحتية المتقادمة، والنمذجة الدقيقة لتقلبات تدفق المياه المعقدة، بالإضافة إلى مراقبة القيود البيئية والبيولوجية.

طاقة الكتلة الحيوية

هذا النوع من الطاقة مستمد من مادة عضوية، تشمل حيوانات ونباتات متحللة. يمكن استخراجها من مصادر صلبة، سائلة، وغازية مختلفة مثل الميثان، المحاصيل الزراعية، الزيوت النباتية، روث الحيوانات، والنفايات الصلبة البلدية.

يمكن للنماذج المدفوعة بالذكاء الاصطناعي المساعدة في تحسين وظائف وتشغيل طاقة الكتلة الحيوية من خلال تقديم فهم أعمق للعملية بأكملها وإعداد المحطة، مثل المِوقد.

ولكن عند تطبيقها على هذا النظام المتجدد، تكافح التوائم الرقمية لنمذجة تحويل الكتلة الحيوية والعمليات البيولوجية والكيميائية الحيوية والحرارية بدقة. كما تواجه تحديات في محاكاة سلسلة إمداد إنتاج طاقة الكتلة الحيوية بالكامل.

الاستثمار في تقنية التوأم الرقمي

الآن، إذا نظرنا إلى فرصة استثمارية في هذا المجال، فإن PTC Inc. (PTC ) تبرز بتركيزها الأساسي على التوأم الرقمي وأدائها القوي في السوق. تمكن الشركة العالمية للبرمجيات الشركات المصنعة ومنتجاتها من التحول الرقمي في كيفية تصميمها، تصنيعها، وخدمة المنتجات المادية.

PTC Inc. (PTC )

تشمل مجموعة منتجات PTC برنامج Windchill لإدارة دورة حياة المنتج للمؤسسات، وCreo لتصميم المنتجات باستخدام CAD/CAM/CAE، وبرنامج ALM Codebeamer للتطوير الحديث، وServiceMax المتمركز حول الأصول لإدارة الخدمات، ومنصة PLM السحابية Arena، ومنصة CAD السحابية Onshape، وKepware للوصول إلى البيانات الصناعية والتحكم فيها، وThingWorx لبناء ونشر تطبيقات إنترنت الأشياء الصناعية (IIoT)، ومنصة الواقع المعزز المؤسسية القابلة للتوسع Vuforia، وServigistics لإدارة قطع الخدمة، وArbortext لإنشاء وإدارة وتقديم المحتوى بكفاءة.

تم استخدام توائم PTC الرقمية أيضًا عبر قطاع الطاقة المتجددة.

قبل بضع سنوات، تعاونت مجموعة الطاقة الفرنسية ENGIE معها لتطوير فرن افتراضي للمساعدة في انتقال الأصول الصناعية. وفي الوقت نفسه، استخدمت EDF منصة ThingWorx وVuforia لمراقبة العمليات، تحسين تدريب العمال، ومحاكاة مهام الصيانة الحرجة لأنظمة محطاتها النووية. طبّق Howden التقنية لتعزيز الضواغط والمراوح المستخدمة في النفط والغاز وتوليد الطاقة.

فيما يتعلق بأدائه في السوق، وصلت أسهم PTC إلى أعلى مستوى تاريخي (ATH) فوق 219 دولارًا، مسجلة ارتفاعًا بنسبة 16.83٪ منذ بداية العام بينما ارتفعت بنسبة 57.5٪ منذ أبريل. وبذلك، لديها ربحية السهم (EPS) (TTM) قدرها 4.24 ومضاعف السعر إلى الأرباح (P/E) (TTM) يبلغ 50.64.

في الربع المالي الثالث من عام 2025، قامت بالإبلاغ عن نمو بنسبة 14٪ في التدفق التشغيلي والنقدي الحر، والذي بلغ 850 مليون دولار.

قال نيل باروا، الرئيس التنفيذي لشركة PTC، “كان الربع الثالث ربعًا قويًا آخر في التنفيذ لشركة PTC”، مشيرًا إلى التقدم في CAD وPLM وALM وSLM وSaaS مع عروض منتجات جديدة وتحسينات.

خلال هذا الربع، قامت الشركة بإعادة شراء أسهم بقيمة 75 مليون دولار كجزء من تفويضها البالغ 2 مليار دولار.

هذا الأسبوع، وسعت PTC تعاونها مع NVIDIA بالإعلان عن دمج تقنيات NVIDIA Omniverse في Creo وWindchill لمساعدة الشركات على تحسين جودة المنتج، تسريع التطوير، والتعاون بشكل أكثر فعالية على المنتجات المعقدة عبر دورة حياتها بالكامل.

قال باروا: “إن أكثر المنتجات تقدمًا اليوم – من الأجهزة الذكية إلى الآلات الصناعية – أكثر تعقيدًا وتكاملًا ومكثفة هندسيًا من أي وقت مضى”، مشيرًا إلى أنه مع هذا التعاون، “نمنح عملائنا القدرة على دمج بيانات التصميم والتكوين في بيئة محاكاة غامرة في الوقت الحقيقي”.

في وقت سابق من هذا العام، أطلقت PTC خدمة ServiceMax AI، التي ستستفيد من السجل الكامل الموثق لبيانات المعدات، تاريخ الصيانة، والمزيد لمساعدة المؤسسات على تحديث سير العمل وتقليل الوقت المستغرق لإنجاز المهام للمتقنيين الميدانيين.

أحدث أخبار وتطورات أسهم PTC Inc. (PTC)

أفكار نهائية حول التوائم الرقمية والطاقة النظيفة

ظهرت تقنية التوأم الرقمي كأداة فعّالة لتحسين أنظمة الطاقة المتجددة. بينما لا يمكن إنكار إمكاناتها في تعظيم الكفاءة، التنبؤ، وتكامل الأنظمة، فإنها تعاني أيضًا من بعض العيوب.

فقط من خلال التغلب على تحديات توفر البيانات، إدارة بيئات النمذجة المعقدة، وبناء حلول فعّالة من حيث التكلفة وقابلة للتوسع يمكن تحقيق التبني الحقيقي.

لذا، مع تحول العالم إلى مصادر الطاقة المتجددة بهدف تقليل انبعاثات الكربون ومكافحة تغير المناخ، فإن التوائم الرقمية ستحدد العصر التالي للطاقة الخضراء.

المراجع:

1. Semeraro, C., Aljaghoub, H., Al-Ali, H.K.M.H., Abdelkareem, M.A., & Olabi, A.G. “استغلال المستقبل: استكشاف تطبيقات التوأم الرقمي وتداعياته في الطاقة المتجددة.” Energy Nexus, vol. 18, 1 June 2025, p. 100415. ScienceDirect. https://doi.org/10.1016/j.nexus.2025.100415