Wie digitale Zwillinge die Zukunft der erneuerbaren Energien vorantreiben werden

Seit mehreren Jahrhunderten nutzen wir Öl- und Gasressourcen, um Strom zu erzeugen, Fahrzeuge und Flugzeuge anzutreiben und als Grundlage für eine Vielzahl von Produkten, darunter Gummi, Kunststoffe, Düngemittel und Pharmazeutika.

Diese nicht erneuerbaren, natürlichen Ressourcen werden aus Kohlenstoff und Wasserstoff gewonnen und decken bis zu 84 % der weltweiten Stromerzeugung. Der umfangreiche Einsatz dieser begrenzten, konventionellen Ressourcen hat jedoch zu Verschmutzung und Umweltschäden geführt. 

Durch die Freisetzung giftiger Treibhausgase und schädlicher Schadstoffe, die Gewinnung und Verbrennung fossiler Brennstoffe haben zur Klimaerwärmung und globalen Erwärmung beigetragen und beeinträchtigen die menschliche Gesundheit sowie Ökosysteme.

Eine zentrale Lösung für die stark negative Auswirkung auf den Planeten, die durch Öl- und Gasressourcen verursacht wird, besteht darin, von fossilen Brennstoffen auf erneuerbare Energiequellen umzusteigen.

Erneuerbare Energie wird gewonnen aus Umweltquellen wie Wetter und geografischer Lage. Es ist emissionsfreie grüne Energie.

Solar-, Wind-, Wasserkraft-, Geothermie- und Biomasseenergie sind die prominentesten Beispiele für erneuerbare Energiequellen, die nachhaltig sind.

Im letzten Jahrzehnt hat die Welt sich diesen erneuerbaren Energiequellen zugewandt, um eine grüne Energiewende zu ermöglichen, was zu einem stetigen Anstieg ihrer Nutzung in verschiedenen Anwendungen.

Laut der Internationalen Energieagentur (IEA) ist der Verbrauch erneuerbarer Energien in den Bereichen Strom, Wärme und Verkehr voraussichtlich prognostiziert zu steigen um etwa 60 % zwischen 2024 und 2030, was den Anteil erneuerbarer Energien am Endenergieverbrauch von 13 % im Jahr 2023 auf fast 20 % bis 2030 erhöhen wird.

Obwohl sie für die Umwelt vorteilhaft sind, bringt die Integration dieser natürlichen Ressourcen in Stromerzeugung, Energiespeicherung und Verkehr eigene Herausforderungen mit sich, da sie intermittierend sind und stark von externen Faktoren wie Jahreszeit und Standort abhängen. Diese Abhängigkeit erfordert ein Energiespeichersystem.

Es gibt zudem hohe anfängliche Infrastrukturkosten für erneuerbare Energiequellen, während ihre Leistungsabgabe langsam ist.

Infolgedessen werden konventionelle Quellen nach wie vor für die meisten Stromerzeugungen verwendet für den größten Teil der Stromerzeugung. Dies macht es entscheidend, eine neue Strategie und Technologie zu haben, um diese Herausforderungen besser zu bewältigen. Das bedeutet, das Verhalten der Parameter jedes Systems während der Entwurfs-, Produktions- und Servicephasen des nutzbaren Lebenszyklus jedes erneuerbaren Energiesystems zu verstehen, zu untersuchen und zu analysieren. Dies ist der Punkt, an dem die Technologie der digitalen Zwillinge (DT) ins Spiel kommt.

Die Technologie nutzt adaptive Modelle, um die Echtzeit-Performance physischer Systeme in einer digitalen Umgebung zu simulieren und so potenzielle Systemausfälle vorherzusagen und zu verhindern. 

Von physisch zu digital: Das Aufkommen virtueller Replikate

Ein digitaler Zwilling ist einfach die virtuelle Darstellung oder Replik eines physischen, realen Objekts, einer Person, eines Systems oder Prozesses. Um sein physisches Gegenstück zu spiegeln, verwendet das digitale Replikat Echtzeitdaten, die mit Hilfe von Sensoren erfasst werden, Simulationen und maschinelles Lernen. 

Dies ermöglicht die Überwachung, Analyse und Vorhersage des Verhaltens des physischen Assets in verschiedenen Szenarien, wodurch wir bessere Entscheidungen treffen.

Die Fähigkeit dieser digitalen Zwillinge, komplexe Systeme zu replizieren und zu interagieren, hat sie in vielen Branchen äußerst wertvoll gemacht, wo sie Verbesserungen in Effizienz, Kostenreduktion und die Entwicklung innovativer Lösungen ermöglichen.

Laut Schätzungen von McKinsey wird der globale Markt für Digital‑Twin‑Technologie bis $73.5 billion by 2027, und in den nächsten fünf Jahren jährlich um 60 % wachsen.

Der Begriff ‘digital twin’ wurde 2010 von NASA’s John Vickers übernommen, aber die Grundidee stammt viel früher. Die Raumfahrtbehörde entwickelte die Technologie tatsächlich bereits in den 1960er Jahren für Weltraummissions.

Im Jahr 2002 jedoch kündigte Dr. Michael Grieves das Konzept formell an und wandte es auf die Fertigung an. Das Konzept wurde aufgeteilt in drei Schlüsselbereiche: den tatsächlichen physischen Raum, den virtuellen Raum dieses physischen Teils und die Verbindung zwischen beiden.

Viele Jahre später, im Jahr 2011, entwickelte die US Air Force einen digitalen Zwilling, um Flugzeuge zu entwerfen und Ermüdung sowie Wartung vorherzusagen. Von dort aus verbreitete sich die Technologie in weitere Bereiche, darunter Luft- und Raumfahrt, Transport, Schifffahrt, Fertigung, Gesundheitswesen und Anwendungen in Öl und Gas.

Im Bereich der erneuerbaren Energien besteht die Hauptfunktion eines digitalen Zwillings darin, Daten von Vor-Ort‑Sensoren zu sammeln, um die Vorgänge des physischen Systems in einer virtuellen Umgebung nachzubilden.

Ein digitaler Zwilling kann für jede Art von erneuerbarem Energiesystem während seiner Lebenszyklusphasen erstellt werden, um eine spezifische Aufgabe zu erfüllen. Dies bedeutet, dass enorme Datenmengen benötigt werden, einschließlich der Geometrie jeder Komponente, Wetterdaten, früherer Probleme, historischer Prognosen, experimenteller und praktischer Daten sowie Echtzeitdaten, was die Anwendung digitaler Zwillinge in diesem Sektor komplex und herausfordernd macht. 

Die Sache ist, dass die Anwendung digitaler Zwillinge in Systemen erneuerbarer Energien nicht wirklich so umfassend erforscht ist, umfangreich. 

Daher geht die neue Studie tief in das Konzept in diesem speziellen Sektor ein. Forscher der University of Sharjah haben eine gründliche Untersuchung von KI‑gestützten digitalen Zwillingen als Werkzeug zur Beschleunigung der sauberen Energiewende durchgeführt.

In ihrem Papier führen die Forscher eine gründliche Überprüfung der Architektur, Funktionen, des Lebenszyklus und der Anwendungen der Digital‑Twin‑Technologie in Systemen erneuerbarer Energien durch.

Dafür nutzten sie KI, maschinelles Lernen (ML) und natürliche Sprachverarbeitung (NLP), die es ihnen ermöglichten, große Mengen Rohdaten zu analysieren und bedeutungsvolle Erkenntnisse über strukturierte Muster und aufkommende Trends zu gewinnen.

Mit dieser Forschung soll das Potenzial der Technologie genutzt werden, um Effizienz und Nachhaltigkeit zu verbessern, während die Herausforderungen von Datenknappheit, komplexen biologischen Prozessen, degradierter Gerätemodellierung und Umweltvariabilität angegangen werden.

Optimierung der grünen Wende: Das Versprechen & die Herausforderungen KI‑gesteuerter digitaler Zwillinge

Während die Welt bemüht ist, CO₂-Emissionen zu reduzieren und dem Klimawandel entgegenzuwirken, haben Forscher KI‑gestützte digitale Zwillinge eingesetzt, um die Zukunft der Energie neu zu gestalten.

Diese digitalen Darstellungen der physischen Welt können laut den Forschern die Erzeugung, das Management und die Optimierung erneuerbarer Energiequellen transformieren und damit die Umstellung von fossilen Brennstoffen beschleunigen. Dafür müssen jedoch ihre bemerkenswerten Einschränkungen überwunden werden.

Wie die Forscher feststellten, “Digitale Zwillinge sind äußerst effektiv bei der Optimierung erneuerbarer Energiesysteme”, aber jede erneuerbare Energiequelle stellt einzigartige Herausforderungen dar, die “die Leistung digitaler Zwillingstechnologien einschränken können, trotz ihres erheblichen Potenzials zur Verbesserung der Energieerzeugung und -verwaltung”.

Nachdem also eine umfassende Überprüfung der bestehenden Literatur zu diesem Thema durchgeführt wurde, wie digitale Zwillinge werden eingesetzt im Sektor, erkannten sie Forschungslücken, schlugen Richtlinien vor und behandelten die Probleme, die angegangen werden müssen um das volle Potenzial der Digital‑Twin‑Technologie im Bereich erneuerbarer Energien auszuschöpfen.

Ein Forschungs‑Roadmap wird ebenfalls angeboten um Wissenschaftlern zu helfen, die Zuverlässigkeit und Präzision der Technologie zu verbessern.

In ihrer Studie, die Forscher definierten bedeutende Vorteile digitaler Zwillinge¹ sowie ihre Einschränkungen über verschiedene erneuerbare Energiesysteme hinweg. Der Schwerpunkt der von den Forschern gemachten Empfehlungen liegt auf der Erweiterung der Rechenkapazitäten, der Weiterentwicklung von Modellierungstechniken und der Verbesserung von Datenerfassungsmethoden, um sicherzustellen, dass digitale Zwillinge präzise und zuverlässige Erkenntnisse für Entscheidungsfindungen und Systemoptimierung liefern können.

Windenergie

Windenergie nutzt die Kraft des Windes, um Strom zu erzeugen. Im Jahr 2024 betrug ihr Beitrag zur globalen Stromerzeugung stieg auf 8,1 %. Sie ist vorgesehen die zweitgrößte Quelle der globalen erneuerbaren Stromerzeugung nach Solar‑PV bis zum Ende dieses Jahrzehnts.

Um die kinetische Energie des Windes in Strom umzuwandeln, werden Windturbinen an Land sowie offshore im Meer installiert, entweder fest verankert oder schwimmend. 

Im Wesentlichen werden hier zwei Arten von Windturbinen verwendet hier. Die vertikalachsige Windturbine (VAWT) ist eine, bei der die Drehung der Achse senkrecht zur Windrichtung verläuft. Die andere ist die horizontalachsige Windturbine (HAWT), die parallel zum Windstrom rotiert.

Während HAWT die maximale Menge an Windenergie erfasst, erfordert sie einen stabilen Luftstrom ohne erhebliche Schwankungen. VAWT hingegen erfasst Wind aus jeder Richtung und arbeitet an einem turbulenten Windstromstandort mit einer geringeren Stromerzeugungsrate.

Der Einsatz digitaler Zwillinge kann hier helfen, unbekannte Parameter vorherzusagen und ungenaue Messungen zu korrigieren. 

Allerdings stehen sie vor Herausforderungen bei der genauen Modellierung und Überwachung von Umweltfaktoren und -bedingungen. Unzuverlässige Daten und Lücken in den von abgelegenen oder Offshore‑Gebieten gesammelten Daten verursachen ebenfalls Probleme für digitale Zwillinge. Darüber hinaus haben sie Schwierigkeiten, kritische Faktoren in alternden Turbinen wie Getriebeverschleiß, Blattabnutzung, und die Leistung des elektrischen Systems zu simulieren.

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Solarenergie

Der Haupttreiber des Wachstums erneuerbarer Energien ist Solarenergie, die seit mehreren Jahren den größten Beitrag zur sauberen Energieerzeugung leistet. Im Jahr 2024 lieferte sie mehr als 2.000 TWh Strom, was 474 TWh hinzufügte und einen Anteil von 6,9 % erreichte, wodurch sie die am schnellsten wachsende Stromquelle für das 20. Jahr in Folge wurde. 

Die am schnellsten wachsende und größte Quelle neuer Stromerzeugung ist Solarenergie. Das Sonnenlicht wird direkt mittels Photovoltaik (PV) in Strom umgewandelt. Ein PV‑Panel, oder Solarpanel, enthält PV‑Zellen, die aus einem energieübertragenden Halbleiter gefertigt sind. Diese Zellen absorbieren das Sonnenlicht und wandeln Solarenergie in Strom um.

Gleichzeitig ist konzentrierte Solarenergie (CSP) ein indirekter Weg zur Stromerzeugung, bei dem Linsen oder Spiegel das Sonnenlicht auf einen Brennpunkt konzentrieren. 

Bezüglich Solarenergie nutzen digitale Zwillinge Echtzeitdaten von Sensoren, um die Schlüsselfaktoren zu ermitteln, die Effizienz und Ausgangsleistung beeinflussen. Trotz ihres Potenzials können digitale Zwillinge hier die Leistung nicht genau vorhersagen, da atmosphärische Bedingungen variieren. Außerdem haben sie Schwierigkeiten, die Paneldegradation und Umwelteinflüsse im Laufe der Zeit zu überwachen, was ihre Genauigkeit und Nützlichkeit beeinträchtigt.

Ähnlich wie bei der Windenergie kann die Datenerfassung aus abgelegenen oder Offshore‑Gebieten hier spärlich oder unzuverlässig sein.

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Geothermie

Diese erneuerbare Energie wird aus der inneren Wärme des Erdkerns gewonnen und wird für Heizung und Kühlung zusätzlich zur Stromerzeugung verwendet. Ihr Anteil an erneuerbarer Energie liegt unter 3 %.

Digitale Zwillinge können helfen, den gesamten Betriebsprozess der Nutzung von Geothermie zu simulieren, insbesondere den Bohrvorgang. Durch die Erleichterung von Kostenanalysen und die Vorhersage von Ermüdung können sie sowohl Zeit als auch Kosten der Operation einsparen.

Die größte Herausforderung hier ist die begrenzte Verfügbarkeit hochwertiger Daten, die die Fähigkeit der Technologie einschränkt, geologische Unsicherheiten und Bedingungen unter der Erdoberfläche zu simulieren. Außerdem gibt es komplexe langfristige Verhaltensweisen geothermischer Systeme, wie Wärmeübertragung und Fluidströmung -Dynamiken, die für digitale Zwillinge schwer zu modellieren sind.

Wasserkraft

Wasserkraft nutzt den Wasserfluss, um Energie zu erzeugen. Sie nutzt die Effekte von Schwerkraft und Höhenunterschied.

Im Jahr 2024 machte die Wasserkraft den größten Teil der globalen Stromerzeugung durch erneuerbare Energietechnologien aus. Aber dieser größte erneuerbare Quellanteil von 14 % wird laut IEA erwartet bis 2030 um einen Prozentpunkt zurückgehen, da die wachsende Nutzung von Solar‑PV und Windenergie die Wasserkraft weniger prominent macht. Sie wird jedoch weiterhin voraussichtlich wachsen, wenn neue Projekte aktiv werden. 

Wasserkraft ist mit hohen Baukosten verbunden, wirkt sich negativ auf die Wasserqualität aus und hat einen nachteiligen Einfluss auf Tierhabitate.

Digitale Zwillinge können auf Wasserkraft angewendet werden, um das System zu simulieren und Faktoren zu identifizieren, die es beeinflussen. In älteren Anlagen können sie helfen, die Auswirkungen von Arbeiterermüdung auf die Produktivität zu mildern. 3D‑Laserscanning wird hier eingesetzt, um kostengünstige Ermüdungsbauweisen zu erkennen.

Die Herausforderung besteht jedoch in Datenknappheit, der Leistung alternder Infrastruktur und der genauen Modellierung der komplexen Variabilität des Wasserflusses sowie der Überwachung von Umwelt- und ökologischen Einschränkungen.

Biomasseenergie

Diese Art von Energie wird gewonnen aus organischem Material, das verrottete Tiere und Pflanzen umfasst. Sie kann extrahiert aus verschiedenen festen, flüssigen und gasförmigen Quellen wie Methan, landwirtschaftlichen Ernten, Pflanzenölen, Tiermist und kommunalem Festmüll.

KI‑gesteuerte Modelle können die Funktionalität und den Betrieb von Biomasseenergie verbessern, indem sie ein tieferes Verständnis des gesamten Prozesses und der Anlagengestaltung, wie z. B. eines Brenners, bieten.

Aber bei Anwendung auf dieses System erneuerbarer Energie haben digitale Zwillinge Schwierigkeiten, die Biomasseumwandlung sowie biologische, biochemische und thermochemische Prozesse präzise zu modellieren. Sie stehen auch vor Herausforderungen bei der Simulation der gesamten Lieferkette der Biomasseenergieproduktion.

Investition in die Digital‑Twin‑Technologie

Betrachten wir nun eine Investitionsmöglichkeit in diesem Bereich, PTC Inc. (PTC ) sticht durch seinen Fokus auf digitale Zwillinge und starke Marktperformance hervor. Das globale Softwareunternehmen ermöglicht Fertigungs- und Produktunternehmen, digital zu transformieren, wie sie entwerfen, herstellen und physische Produkte.

PTC Inc. (PTC )

PTCs Produktpalette umfasst Windchill für Enterprise-Produktlebenszyklus‑Management‑Software, Creo zum Erstellen von Produkten mit CAD/CAM/CAE, ALM‑Software Codebeamer für moderne Entwicklung, asset‑zentriertes ServiceMax für Service‑Management, cloud‑native PLM‑Plattform Arena, cloud‑native CAD‑Plattform Onshape, Kepware zum Zugriff und zur Steuerung industrieller Daten, ThingWorx zum Erstellen und Bereitstellen von Industrial‑Internet‑of‑Things‑ (IIoT) Anwendungen, skalierbare Enterprise‑AR‑Plattform Vuforia, Servigistics für Service‑Teile‑Management und Arbortext zum effizienten Erstellen, Verwalten und Bereitstellen von Inhalten.

PTCs digitale Zwillinge wurden auch in dem Sektor erneuerbarer Energien eingesetzt. 

Vor einigen Jahren ging die französische Energiegroupe ENGIE eine Partnerschaft mit dem Unternehmen ein, um einen virtuellen Ofen zu entwickeln, der den Übergang industrieller Anlagen unterstützt. EDF nutzte hingegen ThingWorx und Vuforia, um den Betrieb zu überwachen, die Mitarbeiterschulung zu verbessern und kritische Wartungsaufgaben für seine Kernkraftwerksysteme zu simulieren. Howden setzte die Technologie ein, um seine Kompressoren und Lüfter, die in Öl‑ und Gas‑ sowie Stromerzeugung verwendet werden, zu verbessern.

Bezüglich seiner Marktperformance haben PTC‑Aktien ein Allzeithoch (ATH) von über 219 $ erreicht, mit einem Anstieg von 16,83 % im Jahresverlauf und einem Plus von 57,5 % seit April. Damit liegt das EPS (TTM) bei 4,24 und das KGV (TTM) bei 50,64.

Für das dritte Geschäftsjahrquartal 2025 hat das Unternehmen gemeldet ein Wachstum von 14 % beim operativen und freien Cashflow verzeichnet, das bei 850 Millionen $ lag.

“Q3 war ein weiteres solides Quartal der Umsetzung für PTC,” bemerkte Neil Barua, Präsident und CEO von PTC, und über Fortschritte in CAD, PLM, ALM, SLM und SaaS mit neuen Produktangeboten und Verbesserungen berichtete.

Im Laufe dieses Quartals tätigte das Unternehmen Aktienrückkäufe im Wert von 75 Millionen $, im Rahmen seiner 2‑Milliarden‑Dollar‑Genehmigung.

Diese Woche erweiterte PTC seine Zusammenarbeit mit NVIDIA, indem es die Integration der NVIDIA‑Omniverse‑Technologien in Creo und Windchill ankündigte, um Unternehmen zu helfen, die Produktqualität zu verbessern, die Entwicklung zu beschleunigen und bei komplexen Produkten über den gesamten Lebenszyklus hinweg effektiver zusammenzuarbeiten.

“Die heutigen fortschrittlichsten Produkte – von KI‑Hardware bis zu Industriemaschinen – sind komplexer, integrierter und ingenieurintensiver als je zuvor,” sagte Barua und bemerkte, dass mit dieser Zusammenarbeit “wir unseren Kunden die Möglichkeit geben, Design‑ und Konfigurationsdaten in einer Echtzeit‑Immersions‑Simulationsumgebung zu integrieren.”

Anfang dieses Jahres veröffentlichte PTC ServiceMax AI, das die vollständige dokumentierte Historie von Anlagendaten, Servicehistorie und mehr nutzen wird, um Unternehmen zu helfen, ihre Arbeitsabläufe zu modernisieren und Feldservice‑Techniker in kürzerer Zeit mehr Arbeit erledigen zu lassen.

Neueste Nachrichten und Entwicklungen zu PTC Inc. (PTC) Aktien

Abschließende Gedanken zu digitalen Zwillingen & sauberer Energie

Die Technologie der digitalen Zwillinge hat sich als effektives Instrument zur Optimierung von Systemen erneuerbarer Energien erwiesen. Während ihr Potenzial, Effizienz, Vorhersage und Systemintegration zu maximieren, unbestreitbar ist, weist sie auch Nachteile auf.

Nur durch die Überwindung von Herausforderungen bei der Datenverfügbarkeit, das Management komplexer Modellierungsumgebungen und den Aufbau kosteneffizienter, skalierbarer Lösungen kann eine echte Akzeptanz erreicht werden. 

Während die Welt also zu erneuerbaren Energiequellen wechselt um die CO₂-Emissionen zu reduzieren und dem Klimawandel entgegenzuwirken, werden digitale Zwillinge die nächste Ära der grünen Energie prägen.

Referenzen:

1. Semeraro, C., Aljaghoub, H., Al‑Ali, H.K.M.H., Abdelkareem, M.A., & Olabi, A.G. „Die Zukunft nutzen: Erforschung von Digital‑Twin‑Anwendungen und -Implikationen in der erneuerbaren Energie.“ Energy Nexus, Band 18, 1. Juni 2025, S. 100415. ScienceDirect. https://doi.org/10.1016/j.nexus.2025.100415