Cómo los gemelos digitales impulsarán el futuro de la energía renovable

Durante varios siglos, hemos estado utilizando recursos de petróleo y gas para generar electricidad, impulsar vehículos y aviones, y servir como base para una amplia gama de productos, incluidos el caucho, los plásticos, los fertilizantes y los productos farmacéuticos.

Estos recursos naturales no renovables se producen a partir de carbono e hidrógeno y suministran hasta el 84 % de la generación eléctrica mundial. Sin embargo, el uso extensivo de estos recursos finitos y convencionales ha provocado contaminación y daño ambiental.

Al liberar gases de efecto invernadero tóxicos y contaminantes nocivos, la extracción y combustión de combustibles fósiles han contribuido al cambio climático y al calentamiento global, y han afectado la salud humana y los ecosistemas.

Una solución clave a este impacto significativamente negativo en el planeta causado por los recursos de petróleo y gas es realizar una transición de los combustibles fósiles a fuentes de energía renovable.

La energía renovable se extrae de fuentes ambientales como el clima y la ubicación geográfica. Es energía verde de cero emisiones.

La energía solar, eólica, hidroeléctrica, geotérmica y de biomasa son los ejemplos más destacados de fuentes de energía renovable, que son sostenibles.

Durante la última década, el mundo ha recurrido a estas fuentes de energía renovable como una forma de lograr una transición energética verde, lo que ha resultado en un aumento constante de su uso en diversas aplicaciones.

Según la Agencia Internacional de Energía (IEA), el consumo de energía renovable en los sectores de energía, calor y transporte se prevé que aumente alrededor del 60 % entre 2024 y 2030, lo que impulsará la participación de las renovables en el consumo final de energía del 13 % en 2023 a casi el 20 % para 2030.

Aunque benefician al medio ambiente, la integración de estos recursos naturales en la generación eléctrica, el almacenamiento de energía y el transporte conlleva sus propios desafíos debido a su naturaleza intermitente y a la fuerte dependencia de factores externos como la estación y la ubicación. Esta dependencia requiere un sistema de almacenamiento de energía.

También existe un alto costo inicial de infraestructura asociado a las fuentes de energía renovable, mientras que su ritmo de generación de energía es lento.

Como resultado, las fuentes convencionales siguen utilizándose para la mayor parte de la generación eléctrica. Esto hace que sea crucial contar con una nueva estrategia y tecnología para afrontar mejor estos desafíos. Eso implica comprender, estudiar y analizar el comportamiento de los parámetros de cada sistema durante las fases de diseño, producción y servicio del ciclo de vida útil de cada sistema de energía renovable. Aquí es donde la tecnología de gemelo digital (DT) entra en escena.

La tecnología utiliza modelos adaptativos para simular el rendimiento en tiempo real de los sistemas físicos en un entorno digital, lo que a su vez ayuda a predecir y prevenir posibles fallas del sistema.

De lo físico a lo digital: La aparición de réplicas virtuales

Un gemelo digital es simplemente la representación virtual o réplica de un objeto, persona, sistema o proceso físico del mundo real. Para reflejar su contraparte física, la réplica digital utiliza datos en tiempo real capturados con la ayuda de sensores, simulaciones y aprendizaje automático.

Esto permite el monitoreo, análisis y predicción del comportamiento del activo físico en varios escenarios, lo que nos permite tomar mejores decisiones.

La capacidad de estos gemelos digitales para replicar e interactuar con sistemas complejos los ha vuelto altamente valiosos en diversas industrias, donde impulsan mejoras en la eficiencia, reducción de costos y el desarrollo de soluciones innovadoras.

Según estimaciones de McKinsey, el mercado global de la tecnología de gemelos digitales alcanzará $73.5 billion by 2027, creciendo un 60 % anual durante los próximos cinco años.

El término ‘gemelo digital’ fue adoptado por John Vickers de la NASA en 2010, pero la idea central surgió mucho antes. La agencia espacial desarrolló la tecnología para su uso en misiones de exploración espacial en la década de 1960.

Sin embargo, fue en 2002 cuando el Dr. Michael Grieves anunció formalmente el concepto y lo aplicó a la fabricación. El concepto se dividió en tres partes clave: el espacio físico real, el espacio virtual de esa parte física y el vínculo que conecta ambos.

Muchos años después, en 2011, la Fuerza Aérea de EE. UU. desarrolló un gemelo digital para diseñar aviones y predecir fatiga y mantenimiento. A partir de ahí, la tecnología se extendió a otros campos, incluidos la aeroespacial, el transporte, la navegación, la fabricación, la salud y las aplicaciones de petróleo y gas.

En energía renovable, la función principal de un gemelo digital es recopilar datos de sensores in situ para reproducir las operaciones del sistema físico en un entorno virtual.

Se puede crear un gemelo digital para cada tipo de sistema de energía renovable durante sus fases del ciclo de vida para cumplir una tarea específica. Esto implica la necesidad de enormes cantidades de datos, incluyendo la geometría de cada componente, datos meteorológicos, problemas previos, pronósticos históricos, datos experimentales y prácticos, y datos en tiempo real, lo que hace que la aplicación del gemelo digital en el sector sea compleja y desafiante.

El hecho es que la aplicación de gemelos digitales en sistemas de energía renovable no se ha explorado tan extensamente.

Así que el nuevo estudio profundiza en el concepto en este sector particular. Investigadores de la Universidad de Sharjah han realizado una exploración profunda de los gemelos digitales impulsados por IA como herramienta para acelerar la transición hacia la energía limpia.

En su artículo, los investigadores llevan a cabo una revisión exhaustiva de la arquitectura, funciones, ciclo de vida y aplicaciones de la tecnología de gemelos digitales en sistemas de energía renovable.

Para ello, utilizaron IA, aprendizaje automático (ML) y procesamiento de lenguaje natural (NLP) que les permitió evaluar grandes volúmenes de datos sin procesar y descubrir ideas significativas sobre patrones estructurados y tendencias emergentes.

Con esta investigación, la idea es aprovechar el potencial de la tecnología para mejorar la eficiencia y la sostenibilidad, al tiempo que se abordan los desafíos de escasez de datos, procesos biológicos complejos, modelado de equipos degradados y variabilidad ambiental.

Optimizar la transición verde: La promesa y los desafíos de los gemelos digitales impulsados por IA

A medida que el mundo lucha por reducir las emisiones de carbono y combatir el cambio climático, los investigadores se han volcado a los gemelos digitales impulsados por IA para remodelar el futuro de la energía.

Estas representaciones digitales del mundo físico, según los investigadores, pueden transformar la generación, gestión y optimización de fuentes de energía renovable, lo que a su vez acelera la transición lejos de los combustibles fósiles. Pero para ello, debemos superar sus notables limitaciones.

Como señalaron los investigadores, “los gemelos digitales son altamente eficaces en la optimización de sistemas de energía renovable”, pero cada fuente de energía renovable presenta desafíos únicos que pueden “limitar el rendimiento de las tecnologías de gemelos digitales, a pesar de su considerable promesa de mejorar la generación y gestión de energía”.

Así, tras realizar una revisión exhaustiva de la literatura existente sobre el tema, sobre cómo se están utilizando los gemelos digitales en el sector, reconocieron brechas de investigación, sugirieron directrices y abordaron los problemas que deben resolverse para aprovechar al máximo la tecnología de gemelos digitales en el sector de energía renovable.

También se ofrece una hoja de ruta de investigación para ayudar a los científicos a mejorar la fiabilidad y precisión de la tecnología.

En su estudio, los investigadores definieron ventajas significativas de los gemelos digitales¹ así como sus limitaciones en varios sistemas de energía renovable. El enfoque de las recomendaciones realizadas por los investigadores se centra en ampliar las capacidades computacionales, avanzar en técnicas de modelado y mejorar los métodos de recopilación de datos para garantizar que los gemelos digitales puedan ofrecer ideas precisas y fiables para la toma de decisiones y la optimización del sistema.

Energía eólica

La energía eólica aprovecha la fuerza del viento para generar electricidad. En 2024, su contribución a la generación eléctrica mundial creció al 8,1 %. Está destinada a convertirse en la segunda mayor fuente de generación eléctrica renovable global, detrás de la energía solar fotovoltaica, para finales de esta década.

Para convertir la energía cinética del viento en electricidad, se instalan turbinas eólicas en tierra firme y también en alta mar, ya sea fijas o flotantes.

Principalmente, se utilizan dos tipos de turbinas eólicas aquí. La turbina eólica de eje vertical (VAWT) es aquella cuya rotación del eje es perpendicular al movimiento del viento. La otra son las turbinas eólicas de eje horizontal (HAWT), que giran paralelamente al flujo del viento.

Mientras que la HAWT captura la máxima cantidad de energía eólica, requiere un flujo de aire estable sin fluctuaciones considerables. En contraste, la VAWT captura el viento desde cualquier dirección y opera en un flujo de viento turbulento con una tasa de generación de energía más baja.

El uso de gemelos digitales aquí puede ayudar a predecir parámetros desconocidos y corregir mediciones inexactas.

Sin embargo, enfrentan desafíos para modelar y monitorear con precisión los factores y condiciones ambientales. Los datos poco fiables y las brechas en los datos recopilados de áreas remotas o offshore también generan problemas para los gemelos digitales. Además, les cuesta simular factores críticos en turbinas envejecidas, como la degradación de la caja de cambios, la erosión de las palas y el rendimiento del sistema eléctrico.

Haz clic aquí para obtener una lista de las principales acciones de energía eólica.

Energía solar

El principal motor del crecimiento de las renovables es la energía solar, que ha sido la mayor contribuyente a la generación de energía limpia durante varios años. En 2024, proporcionó más de 2 000 TWh de electricidad, añadiendo 474 TWh para alcanzar una participación del 6,9 %, lo que la convirtió en la fuente de energía de más rápido crecimiento por 20.º año consecutivo.

La fuente de electricidad nueva de más rápido crecimiento y la más grande es la energía solar. La luz solar se convierte directamente en electricidad mediante fotovoltaicos (PV). Un panel PV, o panel solar, contiene celdas PV fabricadas con un semiconductor que transmite energía. Estas celdas absorben la luz solar y convierten la energía solar en electricidad.

Mientras tanto, la energía solar concentrada (CSP) es una forma indirecta de generar electricidad, ya que se utilizan lentes o espejos para concentrar la luz solar en un punto focal.

En cuanto a la energía solar, los gemelos digitales utilizan datos en tiempo real de sensores para identificar los factores clave que influyen en la eficiencia y la potencia de salida. A pesar de su potencial, los gemelos digitales aquí no pueden predecir con precisión el rendimiento debido a variaciones en las condiciones atmosféricas. Además, tienen dificultades para monitorear la degradación de los paneles y las influencias ambientales a lo largo del tiempo, lo que afecta su precisión y utilidad.

Al igual que con la energía eólica, la recopilación de datos de áreas remotas o offshore puede ser escasa o poco fiable aquí.

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Energía geotérmica

Esta energía renovable se extrae del calor interno del núcleo de la Tierra y se utiliza para calefacción y refrigeración además de la generación eléctrica. Su participación en la energía renovable es inferior al 3 %.

Los gemelos digitales pueden ayudar a simular todo el proceso operativo de utilización de la energía geotérmica, especialmente el proceso de perforación. Al facilitar el análisis de costos y predecir la fatiga, pueden ahorrar tanto tiempo como costos asociados a la operación.

El mayor desafío aquí es la disponibilidad limitada de datos de alta calidad, lo que obstaculiza la capacidad de la tecnología para simular incertidumbres geológicas y condiciones bajo la superficie terrestre. Además, existen comportamientos a largo plazo complejos de los sistemas geotérmicos, como la transferencia de calor y la dinámica de flujo de fluidos, que son difíciles de modelar para los gemelos digitales.

Energía hidroeléctrica

La energía hidroeléctrica utiliza el flujo de agua para producir energía. Aprovecha los efectos de la gravedad y la elevación.

En 2024, la energía hidroeléctrica representó la mayor parte de la generación eléctrica mundial mediante tecnología de energía renovable. Pero se espera que la participación del 14 % de esta fuente renovable principal sea prevista por la IEA experimente una disminución de un por ciento para 2030, ya que el creciente uso de la energía solar fotovoltaica y eólica hace que la hidroenergía sea menos prominente. Aún se espera que crezca a medida que se activen nuevos proyectos.

La energía hidroeléctrica está asociada con altos costos de construcción, afecta negativamente la calidad del agua y tiene una influencia adversa en los hábitats de los animales.

Los gemelos digitales pueden aplicarse a la energía hidroeléctrica para simular el sistema con el fin de identificar los factores que lo afectan. En plantas más antiguas, pueden ayudar a mitigar el impacto de la fatiga de los trabajadores en la productividad. Aquí se utiliza escaneo láser 3D para detectar construcciones de fatiga rentables.

El desafío, sin embargo, es la escasez de datos, el rendimiento de la infraestructura envejecida y la modelación precisa de la compleja variabilidad del flujo de agua, así como el monitoreo de las limitaciones ambientales y ecológicas.

Energía de biomasa

Este tipo de energía se deriva de material orgánico, que incluye animales y plantas descompuestos. Puede extraerse de diversas fuentes sólidas, líquidas y gaseosas como metano, cultivos agrícolas, aceites vegetales, estiércol animal y residuos sólidos municipales.

Los modelos impulsados por IA pueden ayudar a mejorar la funcionalidad y operación de la energía de biomasa al ofrecer una comprensión más profunda de todo el proceso y la configuración de la planta, como un quemador.

Pero cuando se aplican a este sistema de energía renovable, los gemelos digitales tienen dificultades para modelar con precisión la conversión de biomasa y los procesos biológicos, bioquímicos y termoquímicos. También enfrentan desafíos al simular la cadena completa de suministro de la producción de energía de biomasa.

Invertir en la tecnología de gemelos digitales

Ahora, si observamos una oportunidad de inversión en este sector, PTC Inc. (PTC ) destaca por su enfoque central en gemelos digitales y su sólido desempeño en el mercado. La empresa global de software permite a las compañías de fabricación y productos transformar digitalmente cómo diseñan, fabrican y dan servicio a los productos físicos.

PTC Inc. (PTC )

El conjunto de productos de PTC incluye Windchill para la gestión del ciclo de vida del producto empresarial, Creo para crear productos con CAD/CAM/CAE, el software ALM Codebeamer para desarrollo moderno, ServiceMax centrado en activos para la gestión de servicios, la plataforma PLM nativa en la nube Arena, la plataforma CAD nativa en la nube Onshape, Kepware para acceder y controlar datos industriales, ThingWorx para crear y desplegar aplicaciones de Internet Industrial de las Cosas (IIoT), la plataforma AR empresarial escalable Vuforia, Servigistics para la gestión de piezas de servicio y Arbortext para crear, gestionar y entregar contenido de manera eficiente.

Los gemelos digitales de PTC también se han utilizado en todo el sector de energía renovable.

Hace un par de años, el grupo energético francés ENGIE se asoció con ella para desarrollar un horno virtual que ayude en la transición de activos industriales. EDF, por su parte, utilizó ThingWorx y Vuforia para monitorear operaciones, mejorar la capacitación de los trabajadores y simular tareas críticas de mantenimiento para sus sistemas de centrales nucleares. Howden aplicó la tecnología para mejorar sus compresores y ventiladores utilizados en petróleo y gas y generación de energía.

En cuanto a su desempeño en el mercado, las acciones de PTC alcanzaron un máximo histórico (ATH) por encima de $219, registrando un aumento del 16,83 % en lo que va del año (YTD) y un 57,5 % desde abril. Con ello, tiene un EPS (TTM) de 4,24 y un P/E (TTM) de 50,64.

Para el tercer trimestre fiscal de 2025, informó un crecimiento del 14 % en el flujo de efectivo operativo y libre, que ascendió a $850 millones.

“El tercer trimestre fue otro trimestre sólido de ejecución para PTC”, señaló Neil Barua, presidente y director ejecutivo de PTC, al compartir los avances en CAD, PLM, ALM, SLM y SaaS con nuevas ofertas y mejoras de productos.

Durante este trimestre, la compañía realizó recompras de acciones por valor de $75 millones como parte de su autorización de $2 mil millones.

Esta semana, PTC amplió su colaboración con NVIDIA al anunciar la integración de las tecnologías NVIDIA Omniverse en Creo y Windchill para ayudar a las empresas a mejorar la calidad del producto, acelerar el desarrollo y colaborar de manera más eficaz en productos complejos a lo largo de todo su ciclo de vida.

“Los productos más avanzados de hoy —desde hardware de IA hasta maquinaria industrial— son más complejos, integrados y con mayor intensidad de ingeniería que nunca”, dijo Barua, señalando que con esta colaboración, “estamos brindando a nuestros clientes la capacidad de incorporar datos de diseño y configuración en un entorno de simulación inmersivo en tiempo real”.

A principios de este año, PTC lanzó ServiceMax AI, que aprovechará todo el historial documentado de datos de equipos, historial de servicio y más para ayudar a las organizaciones a modernizar sus flujos de trabajo y a que los técnicos de servicio de campo realicen más trabajo en menos tiempo.

Últimas noticias y desarrollos de acciones de PTC Inc. (PTC)

Reflexiones finales sobre los gemelos digitales y la energía limpia

La tecnología de gemelos digitales ha surgido como un instrumento eficaz para optimizar los sistemas de energía renovable. Aunque su potencial para maximizar la eficiencia, la previsión y la integración del sistema es indiscutible, también presenta desventajas.

Solo superando los desafíos de disponibilidad de datos, gestionando entornos de modelado complejos y construyendo soluciones rentables y escalables se podrá lograr una adopción real.

Así, a medida que el mundo realiza una transición hacia fuentes de energía renovable para reducir las emisiones de carbono y combatir el cambio climático, los gemelos digitales están listos para definir la próxima era de la energía verde.

Referencias:

1. Semeraro, C., Aljaghoub, H., Al-Ali, H.K.M.H., Abdelkareem, M.A., & Olabi, A.G. “Aprovechando el futuro: Explorando aplicaciones e implicaciones de los gemelos digitales en la energía renovable.” Energy Nexus, vol. 18, 1 June 2025, p. 100415. ScienceDirect. https://doi.org/10.1016/j.nexus.2025.100415