Miten digitaaliset kaksoset ohjaavat uusiutuvan energian tulevaisuutta

Jo useiden vuosisatojen ajan olemme hyödyntäneet öljy- ja kaasuresursseja sähkön tuotantoon, ajoneuvojen ja lentokoneiden voimanlähteenä sekä monien tuotteiden, kuten kumin, muovien, lannoitteiden, ja lääkkeiden, perustana.

Nämä uusiutumattomat, luonnonvarat koostuvat hiilestä ja vedystä, ja ne tuottavat jopa 84 % maailman sähköntuotannosta. Näiden rajallisten, perinteisten resurssien laaja käyttö on kuitenkin aiheuttanut saastumista ja ympäristövahinkoja. 

Vapauttamalla myrkyllisiä kasvihuonekaasuja ja haitallisia saasteita, fossiilisten polttoaineiden louhinta ja polttaminen on vaikuttanut ilmastonmuutokseen ja maapallon lämpenemiseen sekä heikentänyt ihmisten terveyttä ja ekosysteemejä.

Keskeinen ratkaisu öljy- ja kaasuresurssien aiheuttamaan merkittävään negatiiviseen vaikutukseen planeettaan on siirtyminen fossiilisista polttoaineista uusiutuviin energialähteisiin.

Uusiutuva energia kerätään ympäristön lähteistä, kuten säästä ja maantieteellisestä sijainnista. Se on nollapäästöinen vihreä energia.

Aurinko-, tuuli-, vesivoima-, geoterminen ja biomassaenergia ovat merkittävimpiä uusiutuvien energialähteiden esimerkkejä, jotka ovat kestäviä.

Viimeisen vuosikymmenen aikana maailma on kääntynyt näihin uusiutuviin energialähteisiin vihreän energiasiirtymän toteuttamiseksi, mikä on johtanut niiden käytön tasaisen kasvuun eri sovelluksissa.

Kansainvälisen energiajärjestön (IEA) mukaan uusiutuva energia kulutus sähkö-, lämpö- ja liikennesektoreilla on ennustettu kasvavan noin 60 % välillä 2024–2030, mikä nostaa uusiutuvan energian osuutta lopullisessa energiankulutuksessa 13 % vuonna 2023 lähes 20 %:iin vuoteen 2030 mennessä.

Vaikka ne ovat hyödyllisiä ympäristölle, näiden luonnonvarojen integrointi sähkön tuotantoon, energian varastointiin ja liikenteeseen tuo mukanaan omat haasteensa niiden epäsäännöllisen luonteen ja vahvan riippuvuuden ulkoisista tekijöistä, kuten vuodenaikojen ja sijainnin, vuoksi. Tämä riippuvuus edellyttää energian varastointijärjestelmää.

Uusiutuvilla energialähteillä on myös korkea alkuperäinen infrastruktuurikustannus, samalla kun niiden energian tuotantonopeus on hidas.

Tämän seurauksena perinteisiä lähteitä käytetään edelleen suurimman osan sähkön tuotannosta. Tämä tekee tärkeäksi, että on olemassa uusi strategia ja teknologia näiden haasteiden parempaan hallintaan. Tämä tarkoittaa kunkin järjestelmän parametrien käyttäytymisen ymmärtämistä, tutkimista ja analysointia suunnittelu-, tuotanto- ja palveluvaiheissa jokaisen uusiutuvan energiajärjestelmän käyttökelpoisen elinkaaren aikana. Tässä tulee digitaalisen kaksosen (DT) teknologia kuvaan.

Teknologia hyödyntää adaptiivisia malleja simuloidakseen fyysisten järjestelmien reaaliaikaista suorituskykyä digitaalisessa ympäristössä, mikä puolestaan auttaa ennustamaan ja estämään mahdollisia järjestelmävikoja. 

Fyysisestä digitaaliseksi: Virtuaalisten kopioiden synty

Digitaalinen kaksonen on yksinkertaisesti virtuaalinen esitys tai kopio fyysisestä, todellisesta kohteesta, henkilöstä, järjestelmästä tai prosessista. Peilatakseen sen fyysistä vastinetta, digitaalinen kopio käyttää reaaliaikaisia tietoja, jotka on kerätty antureiden avulla, simulaatioita ja koneoppimista. 

Tämä mahdollistaa fyysisen omaisuuden käyttäytymisen seurannan, analyysin ja ennustamisen eri skenaarioissa, jolloin voimme tehdä parempia päätöksiä.

Kyky näiden digitaalisten kaksosten replikointiin ja vuorovaikutukseen monimutkaisten järjestelmien kanssa on tehnyt niistä erittäin arvokkaita eri toimialoilla, joissa ne edistävät tehokkuuden parantamista, kustannusten vähentämistä ja innovatiivisten ratkaisujen kehittämistä.

McKinseyn arvioiden mukaan digitaalisen kaksosen teknologian globaali markkina tulee saavuttamaan $73,5 miljardia vuoteen 2027 mennessä, kasvaen 60 % vuosittain seuraavan viiden vuoden aikana.

Termi ‘digital twin’ otettiin käyttöön NASA:n John Vickersin toimesta vuonna 2010, mutta sen perusidea oli olemassa jo paljon aiemmin. Avaruushallinto kehitti teknologian alun perin avaruustutkimusmissioneihin 1960‑luvuilla.

Vuonna 2002 tosin tohtori Michael Grieves julkisti virallisesti käsitteen ja sovelsi sitä valmistukseen. Käsitteelle annettiin kolme keskeistä osaa: todellinen fyysinen tila, sen fyysisen osan virtuaalinen tila ja näitä yhdistävä linkki.

Monien vuosien jälkeen, vuonna 2011, Yhdysvaltain ilmavoimat kehittivät digitaalisen kaksosen lentokoneiden suunnitteluun sekä väsymisen ja huollon ennustamiseen. Tämän jälkeen teknologia levisi muihin aloihin, kuten ilmailuun, liikenteeseen, meriliikenteeseen, valmistukseen, terveydenhuoltoon sekä öljy- ja kaasusovelluksiin.

Uusiutuvassa energiassa digitaalisen kaksosen ensisijainen tehtävä on kerätä tietoa paikan päällä olevista antureista jäljitelläkseen fyysisen järjestelmän toimintoja virtuaalisessa ympäristössä.

Digitaalinen kaksonen voidaan luoda jokaiselle uusiutuvan energiajärjestelmän tyypille sen elinkaaren vaiheissa tiettyä tehtävää varten. Tämä merkitsee valtavan määrän dataa, mukaan lukien jokaisen komponentin geometria, säätiedot, aiemmat ongelmat, historialliset ennusteet, kokeelliset ja käytännön tiedot sekä reaaliaikaiset tiedot, mikä tekee digitaalisen kaksosen soveltamisesta alalla monimutkaista ja haastavaa. 

Asia on se, että digitaalisten kaksosten soveltamista uusiutuvan energian järjestelmissä ei ole juuri tutkittu niin laajasti. 

Uusi tutkimus siis sukeltaa syvälle tähän käsitteeseen juuri tässä sektorissa. Sharjahin yliopiston tutkijat ovat tehneet perusteellisen tarkastelun tekoälypohjaisista digitaalisista kaksosista työkaluna puhtaan energiasiirtymän nopeuttamiseksi.

Paperissaan tutkijat suorittavat perusteellisen tarkastelun digitaalisen kaksosen teknologian arkkitehtuurista, toiminnoista, elinkaaresta ja sovelluksista uusiutuvan energian järjestelmissä.

Tässä he käyttivät tekoälyä, koneoppimista (ML) ja luonnollisen kielen prosessointia (NLP), jotka mahdollistivat suurten raakadatamäärien arvioinnin ja merkittävien oivallusten löytämisen rakenteellisista malleista ja nousevista trendeistä.

Tämän tutkimuksen avulla pyritään hyödyntämään teknologian potentiaalia tehokkuuden ja kestävyyden parantamiseksi samalla kun käsitellään datan niukkuuden, monimutkaisten biologisten prosessien, heikentyneen laitteistomallinnuksen ja ympäristön vaihtelun haasteita.

Vihreän siirtymän optimointi: Tekoälypohjaisten digitaalisten kaksosten lupaukset ja haasteet

Kun maailma kamppailee hiilidioksidipäästöjen vähentämiseksi ja ilmastonmuutosta vastaan, tutkijat ovat kääntyneet tekoälypohjaisten digitaalisten kaksosten puoleen energian tulevaisuuden muokkaamiseksi.

Näiden digitaalisten esitysten fyysisestä maailmasta, tutkijoiden mukaan, on mahdollista muuttaa uusiutuvien energialähteiden tuotantoa, hallintaa ja optimointia, mikä puolestaan nopeuttaa siirtymistä pois fossiilisista polttoaineista. Mutta tähän on voitava voittaa niiden merkittävät rajoitukset.

Tutkijoiden mukaan, “digitaaliset kaksoset ovat erittäin tehokkaita uusiutuvien energiajärjestelmien optimoinnissa”, mutta jokainen uusiutuva energialähde tuo mukanaan ainutlaatuisia haasteita, jotka voivat “rajoittaa digitaalisten kaksosten teknologioiden suorituskykyä, huolimatta niiden merkittävästä lupauksesta energian tuotannon ja hallinnan parantamisessa”.

Joten, laajan kirjallisuuskatsauksen jälkeen aiheesta, miten digitaaliset kaksoset ovat käytössä sektorilla, he tunnistivat tutkimusaukkoja, ehdottivat ohjeistuksia ja käsittelivät ongelmia, jotka täytyy ratkaista saadakseen täyden hyödyn digitaalisen kaksosen teknologiasta uusiutuvan energian sektorilla.

Tutkimusroadmapia tarjotaan myös auttamaan tutkijoita parantamaan teknologian luotettavuutta ja tarkkuutta.

Heidän tutkimuksessaan, the researchers defined significant advantages of digital twins¹ sekä niiden rajoitukset useiden eri uusiutuvien energiajärjestelmien osalta. Tutkijoiden suositusten keskiössä on laskentakykyjen laajentaminen, mallinnustekniikoiden edistäminen ja tiedonkeruumenetelmien parantaminen, jotta digitaaliset kaksoset voivat tarjota tarkkoja ja luotettavia oivalluksia päätöksenteolle ja järjestelmän optimoinnille.

Tuulienergia

Tuulienergia hyödyntää tuulen voimaa sähkön tuottamiseen. Vuonna 2024 sen osuus maailmanlaajuisesta sähkön tuotannosta kasvoi 8,1 %:iin. Se on määrätty tulemaan toiseksi suurimmaksi lähteeksi maailmanlaajuisessa uusiutuvassa sähkön tuotannossa aurinko-PV:n jälkeen tämän vuosikymmenen loppuun mennessä.

Muuntaakseen tuulen kineettisen energian sähköksi, tuuliturbiineja asennetaan maalla maalla sekä merellä, joko kiinteinä tai kelluvina. 

Pääasiassa kaksi tyyppiä tuuliturbiineja käytetään täällä. Pystyakselinen tuuliturbiini (VAWT) on sellainen, jossa akselin kierto on kohtisuorassa tuulen liikkeeseen. Toinen on vaakasuuntainen tuuliturbiini (HAWT), joka pyörii tuulivirran suuntaisesti.

Vaikka HAWT kerää maksimaalisen määrän tuulienergiaa, se vaatii vakaan ilmavirtauksen ilman merkittäviä vaihteluita. VAWT puolestaan kerää tuulta mistä tahansa suunnasta ja toimii turbulentissa tuulivirrassa, mutta sen energian tuotantonopeus on alhaisempi.

Digitaalisten kaksosten käyttö tässä voi auttaa ennustamaan tuntemattomia parametreja ja korjaamaan epätarkat mittaukset. 

Kuitenkin ne kohtaavat haasteita ympäristötekijöiden ja -olosuhteiden tarkassa mallintamisessa ja seurannassa. Epäluotettavat tiedot ja puutteet etä- tai offshore-alueilta kerätyissä tiedoissa aiheuttavat myös ongelmia digitaalisille kaksosille. Lisäksi ne kamppailevat simuloidessaan kriittisiä tekijöitä ikääntyvissä turbiineissa kuten vaihteiston kuluminen, lapojen eroosio ja sähköjärjestelmän suorituskyky.

Klikkaa tästä saadaksesi listan parhaista tuulienergian osakkeista.

Aurinkoenergia

Uusiutuvan energian kasvun pääasiallinen ajuri on aurinkoenergia, joka on viime vuosina tehnyt suurimmat panokset puhtaan energian tuotantoon. Vuonna 2024 se tuotti yli 2 000 TWh sähköä, lisäten 474 TWh saavuttaakseen 6,9 %:n osuuden, mikä teki siitä nopeimmin kasvavan energialähteen 20. peräkkäisenä vuonna. 

Nopeimmin kasvava ja suurin uusi sähkön lähde on aurinkoenergia. Auringonvalo muunnetaan suoraan sähköksi fotovoltaisilla (PV) soluilla. PV-paneeli, eli aurinkopaneeli, sisältää PV-soluja, jotka on valmistettu energiaa siirtävän puolijohteen avulla. Nämä solut absorboivat auringonvalon ja muuntavat aurinkoenergian sähköksi.

Sillä välin keskitetty aurinkovoima (CSP) on epäsuora tapa tuottaa sähköä, jossa linssit tai peilit keskittävät auringonvalon pisteeseen. 

Aurinkoenergiaan liittyen digitaaliset kaksoset hyödyntävät antureiden reaaliaikaisia tietoja löytääkseen avaintekijät, jotka vaikuttavat tehokkuuteen ja tuotantotehoon. Potentiaalistaan huolimatta digitaaliset kaksoset eivät pysty tarkasti ennustamaan suorituskykyä ilmakehän vaihteluiden vuoksi. Lisäksi ne kamppailevat paneelien kulumisen ja ympäristövaikutusten seurannassa ajan myötä, mikä heikentää niiden tarkkuutta ja hyödyllisyyttä.

Kuten tuulienergiassa, myös täällä tiedonkeruu etä- tai offshore-alueilta voi olla niukkaa tai epäluotettavaa.

Klikkaa tästä saadaksesi listan parhaista aurinkoenergiaosakkeista.

Geoterminen energia

Tämä uusiutuva energia on kerätty Maan ytimen sisäisestä lämmöstä ja on käytetty lämmitykseen ja jäähdytykseen sähkön tuotannon lisäksi. Sen osuus uusiutuvasta energiasta on alle 3 %.

Digitaaliset kaksoset voivat auttaa simuloimaan koko geotermisen energian hyödyntämisprosessin, erityisesti porausprosessin. Tarjoamalla kustannusanalyysin ja väsymisen ennustamisen ne voivat säästää sekä aikaa että kustannuksia, jotka liittyvät operaatioon.

Suurin haaste tässä on korkealaatuisten tietojen rajoitettu saatavuus, mikä estää teknologiaa simuloimasta geologisia epävarmuuksia ja Maan pinnan alaisia olosuhteita. Lisäksi geotermisillä järjestelmillä on monimutkaisia pitkän aikavälin käyttäytymisiä, kuten lämmönsiirto ja nesteen virtaus dynamiikka, jotka ovat digitaalisille kaksosille vaikeita mallintaa.

Vesivoima

Vesivoima hyödyntää veden virtausta tuottaakseen energiaa. Se hyödyntää gravitaation ja korkeuseron vaikutuksia.

Vuonna 2024 vesivoima muodosti suurimman osan maailmanlaajuisesta sähköntuotannosta uusiutuvan energian teknologian avulla. Mutta tämän suurimman uusiutuvan lähteen 14 % osuus on IEA:n odotuksen mukaan odotettavissa yhden prosentin lasku vuoteen 2030 mennessä, kun aurinko-PV:n ja tuulienergian käyttö kasvaa ja vesivoima vähemmän merkittäväksi tulee. Se odotetaan edelleen kasvavan, kun uudet hankkeet käynnistyvät. 

Vesivoimaan liittyy korkeat rakennuskustannukset, se vaikuttaa negatiivisesti veden laatuun ja heikentää eläinten elinympäristöjä.

Digitaalisia kaksosia voidaan soveltaa vesivoimaan simuloimaan järjestelmää tunnistaakseen siihen vaikuttavat tekijät. Vanhemmissa laitoksissa ne voivat auttaa lievittämään työntekijöiden väsymyksen vaikutusta tuottavuuteen. 3D-laserskannaus käytetään täällä kustannustehokkaan väsymisrakentamisen havaitsemiseen.

Haasteena on kuitenkin datan niukkuus, vanhenevan infrastruktuurin suorituskyky ja monimutkaisen vesivirran vaihtelun tarkka mallintaminen sekä ympäristö- ja ekologisten rajoitteiden seuranta.

Biomassaenergia

Tämä energian tyyppi perustuu orgaanisesta materiaalista, joka sisältää hajonneet eläimet ja kasvit. Sitä voidaan kerätä erilaisista kiinteistä, nestemäisistä ja kaasumaisista lähteistä, kuten metaanista, maatalous- viljelykasveista, kasviöljyistä, eläinlannasta ja kunnallisesta kiinteästä jätteestä.

Tekoälypohjaiset mallit voivat parantaa biomassaenergian toiminnallisuutta ja käyttöä tarjoamalla syvemmän ymmärryksen koko prosessista ja laitoksen kokoonpanosta, kuten polttimesta.

Kuitenkin kun niitä sovelletaan tähän uusiutuvaan energiajärjestelmään, digitaaliset kaksoset kamppailevat tarkasti mallintaakseen biomassan muuntamista sekä biologisia, biokemiallisia että termokemiallisia prosesseja. Ne kohtaavat myös haasteita biomassaenergia-tuotantoketjun koko toimitusketjun simuloinnissa.

Sijoittaminen digitaalisen kaksosen teknologiaan

Jos tarkastelemme sijoitusmahdollisuutta tällä alalla, PTC Inc. (PTC ) erottuu ydindigitaalisesta kaksoskeskittymistään ja vahvasta markkinasuorituksestaan. Globaali ohjelmistoyritys mahdollistaa valmistuksen ja tuotteen yritysten digitaalisen muuntamisen suunnittelussa, valmistuksessa ja huollossa fyysisiä tuotteita.

PTC Inc. (PTC )

PTC:n tuotevalikoimaan kuuluu Windchill yritystason tuotteen elinkaaren hallintaohjelmisto, Creo tuotteiden rakentamiseen CAD/CAM/CAE:lla, ALM-ohjelmisto Codebeamer nykyaikaista kehitystä varten, omaisuuskeskeinen ServiceMax palveluhallintaan, pilvipohjainen PLM-alusta Arena, pilvipohjainen CAD-alusta Onshape, Kepware teollisen datan käyttöön ja hallintaan, ThingWorx teollisten esineiden internet (IIoT) -sovellusten rakentamiseen ja käyttöönottoon, skaalautuva yritystason AR-alusta Vuforia, Servigistics palveluosien hallintaan sekä Arbortext sisällön luomiseen, hallintaan ja tehokkaaseen jakeluun.

PTC:n digitaalisia kaksosia on myös käytetty uusiutuvan energian sektorilla. 

Muutama vuosi sitten Ranskan energianyhtiö ENGIE teki yhteistyötä sen kanssa kehittääkseen virtuaalisen uunin teollisten omaisuuksien siirtymän tukemiseksi. Samaan aikaan EDF käytti ThingWoxia ja Vuforiaa operaatioiden valvontaan, työntekijäkoulutuksen parantamiseen ja kriittisten huoltotehtävien simulointiin ydinvoimalaitostensa järjestelmissä. Howden sovelsi teknologiaa parantaakseen kompressoreitaan ja puhaltimiaan öljy‑ ja kaasuteollisuudessa sekä energian tuotannossa.

Markkinasuorituksen osalta PTC:n osakkeet ovat saavuttaneet ennätyskorkeuden (ATH) yli 219 $, kirjaten 16,83 %:n nousun vuoden alusta (YTD) ja ollen nousseet 57,5 % huhtikuusta lähtien. Tämän myötä sen EPS (TTM) on 4,24 ja P/E (TTM) 50,64.

Vuoden 2025 kolmannelle tilikaudelle, se raportoi 14 %:n kasvun toiminnallisessa ja vapaan kassavirran tuloksessa, joka oli 850 miljoonaa dollaria.

“Q3 oli toinen vahva toteutuskautta PTC:lle,” totesi Neil Barua, PTC:n presidentti ja toimitusjohtaja, korostaen edistymistä CAD-, PLM-, ALM-, SLM- ja SaaS-alueilla uusien tuotevalikoimien ja parannusten myötä.

Tämän kauden aikana yhtiö teki 75 miljoonan dollarin arvosta osakkeiden takaisinostoja osana 2 miljardi dollarin valtuutusta.

Tällä viikolla PTC laajensi yhteistyötään NVIDIA:n kanssa ilmoittaen NVIDIA Omniverse -teknologioiden integroinnista Creo- ja Windchill-alustoihin auttaakseen yrityksiä parantamaan tuotelaatua, nopeuttamaan kehitystä ja tekemään yhteistyötä tehokkaammin monimutkaisten tuotteiden koko elinkaaren aikana.

“Nykyajan kehittyneimmät tuotteet—tekoälylaitteistosta teollisuuslaitteisiin—ovat monimutkaisempia, integroidumpia ja insinööriintensiivisempiä kuin koskaan aikaisemmin,” sanoi Barua ja totesi, että tämän yhteistyön myötä “annamme asiakkaillemme mahdollisuuden sisällyttää suunnittelu- ja konfiguraatiotiedot reaaliaikaiseen, immersiiviseen simulaatioympäristöön”.

Aikaisemmin tänä vuonna PTC julkaisi ServiceMax AI:n, joka hyödyntää laajaa laitteistodatan, huoltohistorian ja muun dokumentoidun historian kokonaisuutta auttaakseen organisaatioita modernisoimaan työnkulkujaan ja kenttähuoltotekniikoita saamaan enemmän tehtyä vähemmässä ajassa.

Viimeisimmät PTC Inc. (PTC) osakeuutiset ja kehitykset

Lopulliset ajatukset digitaalisista kaksosista ja puhtaasta energiasta

Digitaalinen kaksosteknologia on noussut tehokkaaksi välineeksi uusiutuvien energiajärjestelmien optimointiin. Vaikka sen potentiaali maksimoida tehokkuus, ennustaminen ja järjestelmien integrointi on kiistaton, sillä on myös haittapuolia.

Vain voittamalla datan saatavuushaasteet, hallitsemalla monimutkaiset mallinnusympäristöt ja rakentamalla kustannustehokkaita, skaalautuvia ratkaisuja, todellinen käyttöönotto voidaan saavuttaa.

Joten, kun maailma siirtyy uusiutuviin energialähteisiin tarkoituksena vähentää hiilidioksidipäästöjä ja torjua ilmastonmuutosta, digitaaliset kaksoset tulevat määrittelemään seuraavan vihreän energian aikakauden.

Lähteet:

1. Semeraro, C., Aljaghoub, H., Al-Ali, H.K.M.H., Abdelkareem, M.A., & Olabi, A.G. “Hyödyntäen tulevaisuutta: Digitaalisten kaksosten sovellusten ja vaikutusten tutkiminen uusiutuvassa energiassa.” Energy Nexus, vol. 18, 1 kesäkuu 2025, p. 100415. ScienceDirect. https://doi.org/10.1016/j.nexus.2025.100415