Digitaalisten kaksosten vaikutus uusiutuvan energian tulevaisuuteen

Useiden vuosisatojen ajan olemme hyödyntäneet öljy- ja kaasuvaroja sähkön tuottamiseen, ajoneuvojen ja lentokoneiden voimakoneina sekä laajan valikoiman tuotteiden, kuten kumin, muovien, lannoitteiden ja lääkkeiden, perustana.

Nämä uusiutumattomat, luonnonvarat muodostuvat hiilestä ja vedyistä ja tuottavat jopa 84 % maailman sähkön tuotannosta.

Näiden äärellisten, perinteisten varojen laajan käytön on kuitenkin johtanut saastumiseen ja ympäristövahinkoihin.

Päästämällä myrkyllisiä kasvihuonekaasuja ja haitallisia saasteita, fossiilisten polttoaineiden kaivaminen ja poltto ovat vaikuttaneet ilmastonmuutokseen ja globaaliin lämpenemiseen sekä vaikuttaneet ihmisten terveyteen ja ekosysteemeihin.

Avain ratkaisuksi tähän merkittävään, planeetalle kohdistuvaan negatiiviseen vaikutukseen, joka johtuu öljy- ja kaasuvaroista, on siirtyminen fossiilisten polttoaineiden käytöstä uusiutuviin energianlähteisiin.

Uusiutuva energia on peräisin ympäristön lähteistä, kuten säästä ja maantieteestä.

Aurinko-, tuuli-, vesivoima-, geoterminen ja biomassaenergia ovat merkittävimpiä uusiutuvia energianlähteitä, jotka ovat kestäviä.

Viimeisen vuosikymmenen aikana maailma on kääntynyt näiden uusiutuvien energianlähteiden puoleen vaihtoehtona siirtymiseen vihreään energiaan, mikä on johtanut jatkuvasti kasvavaan käyttöön eri sovelluksissa.

Kansainvälisen energiajärjestön (IEA) mukaan uusiutuvan energian kulutus sähkö-, lämpö- ja liikennetoimialoilla on ennustettu kasvavan noin 60 % vuosien 2024 ja 2030 välillä, mikä lisää uusiutuvien osuuden loppuenergiankulutuksesta 13 %:sta vuonna 2023 lähes 20 %:iin vuoteen 2030 mennessä.

Vaikka ne ovat hyödyllisiä ympäristölle, näiden luonnonvarojen integrointi sähkön tuotantoon, energian varastointiin ja liikenteeseen liittyy omat haasteensa johtuen niiden epätasaisesta luonteesta ja riippuvuudesta ulkoisista tekijöistä, kuten vuodenaikaisista ja sijainnista.

Lisäksi uusiutuvilla energianlähteillä on suuri alkuvaiheen infrastruktuurikustannus, ja niiden sähkön tuotannon nopeus on hidasta.

Tämän seurauksena perinteiset lähteet ovat edelleen käytössä suurimman osan sähkön tuotannosta.

Tämä tekee siitä tärkeää kehittää uusi strategia ja teknologia näiden haasteiden ratkaisemiseksi.

Tässä digitaalisten kaksosten (DT) teknologia tulee kuvaan.

Teknologia hyödyntää sopeutuvia malleja simuloimaan fyysisten järjestelmien todellista suorituskykyä digitaalisessa ympäristössä, mikä auttaa ennustamaan ja ehkäisemään mahdollisia järjestelmän virheitä.

Fyysinen ja digitaalinen: Virtuaalisten kopioiden synty

Digitaalinen kaksos on yksinkertaisesti fyysisen, todellisen kohteen, henkilön, järjestelmän tai prosessin virtuaalinen edustaja.

Sen avulla voidaan seurata, analysoida ja ennustaa fyysisten varojen käyttäytymistä eri skenaarioissa, mikä mahdollistaa parempien päätösten tekemisen.

Digitaalisten kaksosten kyky replikoida ja vuorovaikuttaa monimutkaisissa järjestelmissä on tehnyt niistä erittäin arvokkaita eri aloilla, joissa ne ajavat kehitystä tehokkuuden, kustannussäästön ja innovatiivisten ratkaisujen kehittämisessä.

McKinsey-arvioiden mukaan digitaalisten kaksosten globaali markkina kasvaa 73,5 miljardiin dollariin vuoteen 2027 mennessä, kasvaen 60 % vuodessa seuraavan viiden vuoden aikana.

Termi “digitaalinen kaksos” otettiin käyttöön NASAn John Vickersin toimesta vuonna 2010, mutta idean ydin tuli jo paljon aikaisemmin.

Avaruusjärjestö kehitti tekniikan avaruuslentojen tarkoituksiin 1960-luvulla.

Vuonna 2002 Dr. Michael Grieves esitteli virallisesti konseptin ja sovelsi sitä valmistukseen.

Konsepti jaettiin kolmeen osaan: fyysinen tila, virtuaalitila ja niiden välinen yhteys.

Monien vuosien kuluttua, vuonna 2011, Yhdysvaltain ilmavoimat kehittivät digitaalisen kaksosen lentokoneen suunnittelua ja kulumisen ennustamista varten.

Tämän jälkeen teknologia levisi muihin aloihin, kuten avaruusteollisuuteen, liikenteeseen, merenkulkuun, valmistukseen, terveydenhuoltoon ja öljy- ja kaasusovelluksiin.

Uusiutuvassa energiassa digitaalisen kaksosen päätehtävä on kerätä dataa paikan päällä olevista anturista ja toistaa fyysisten järjestelmien toimintaa virtuaalisessa ympäristössä.

Digitaalinen kaksos voidaan luoda kullekin uusiutuvan energian järjestelmälle sen elinkaaren vaiheissa tietyn tehtävän suorittamiseksi.

Tämä edellyttää laajaa tietomäärää, kuten komponenttien geometriaa, säädataa, aiempia ongelmia, historiallista ennustetta, kokeellista ja käytännön tietoa sekä reaaliaikaista tietoa, mikä tekee digitaalisen kaksosen soveltamisesta haasteellista.

Asia on, että digitaalisten kaksosten soveltamista uusiutuvissa energialähteissä ei ole tutkittu kovin laajasti.

Tästä syystä uusi tutkimus syventyy tähän konseptiin tässä tietyssä sektorissa.

Sharjan yliopiston tutkijat ovat tehneet perusteellisen tutkimuksen tekoälypohjaisista digitaalisista kaksosista välineenä, joka kiihdyttää siirtymistä puhtaaseen energiaan.

Heidän tutkimuksessaan he käyttivät tekoälyä, koneoppimista (ML) ja luonnollisen kielen prosessointia (NLP), mikä mahdollisti suurten raakadatamääräysten arvioinnin ja merkityksellisten näkymien ja nousevien trendien paljastamisen.

Tämän tutkimuksen tavoitteena on hyödyntää teknologian potentiaalia parantaa tehokkuutta ja kestävyyttä sekä ratkaista haasteita, kuten datan niukkuutta, monimutkaisia biologisia prosesseja, laitteiden heikentymistä ja ympäristöllistä muutoksellisuutta.

Vihreän siirtymän optimointi: Tekoälypohjaisten digitaalisten kaksosten lupaus ja haasteet

Kun maailma kamppailee hiilidioksidipäästöjen vähentämiseksi ja ilmastonmuutoksen torjumiseksi, tutkijat ovat kääntyneet tekoälypohjaisiin digitaalisiin kaksosiin uusiutuvan energian tulevaisuuden muokkaamiseksi.

Nämä digitaaliset edustajat voivat muuttaa uusiutuvan energian tuotantoa, hallintaa ja optimointia, kiihdyttäen siirtymistä fossiilisten polttoaineiden käytöstä.

Tutkijat totesivat, että “digitaalisten kaksosten on todettu olevan erittäin tehokkaita uusiutuvien energialaitosten optimoinnissa”, mutta kullekin uusiutuvan energianlähteelle on omat haasteensa, jotka “voivat rajoittaa digitaalisten kaksosten suorituskykyä, vaikka niillä on merkittävä potentiaali parantaa energiantuotantoa ja -hallintaa”.

Tutkimuksessaan he tunnistivat tutkimukselliset aukot, esittivät suosituksia ja käsittelivät asioita, jotka on ratkaistava hyödyntääkseen digitaalisten kaksosten teknologiaa täysimääräisesti uusiutuvan energian sektorilla.

Tutkijat tarjosivat myös tutkimuspolun, joka auttaa tutkijoita parantamaan teknologian luotettavuutta ja tarkkuutta.

Tutkimuksessaan he määrittivät digitaalisten kaksosten merkittävät edut sekä rajoitukset eri uusiutuvissa energialähteissä.

Suosituksensa painopiste on laajentaa laskentakapasiteettia, edistää mallinnustekniikoita ja parantaa datan keräämismenetelmiä, jotta digitaalisten kaksosten voidaan antaa tarkkaa ja luotettavaa tietoa päätöksenteon ja järjestelmän optimoinnin tarkoituksiin.

Tuulivoima

Tuulivoima hyödyntää tuulen voimaa sähkön tuottamiseen.

Vuonna 2024 sen osuus maailmanlaajuisesta sähkön tuotannosta kasvoi 8,1 %:iin.

Se on tarkoitus tulla toiseksi suurimmaksi uusiutuvan sähkön tuotannon lähteeksi aurinkosähkön jälkeen tämän vuosikymmenen lopussa.

Tuuliturbiineja asennetaan sekä maalle että merelle, kiinteisiin tai kelluviin perustuksiin.

Pääasiallisesti käytetään kahta tuuliturbinetyyppiä.

Pystyakselinen tuuliturbiini (VAWT) on sellainen, jossa akselin rotaatio on poikittainen tuulen liikkeeseen nähden.

Toinen on vaaka-akselinen tuuliturbiini (HAWT), joka rotaatio on rinnakkainen tuulen virtaukseen.

HAWT:lla voidaan hyödyntää eniten tuulen energiaa, mutta se vaatii vakaata ilmavirtausta ilman merkittäviä muutoksia.

VAWT:lla voidaan hyödyntää tuulta miltä suunnalta tahansa ja se toimii myös turbulentissa tuulivirtauksessa, mutta sen tuotannonopeus on alempi.

Digitaalisten kaksosten avulla voidaan tuulivoimalla ennustaa tuntemattomia parametreja ja korjata epätarkkoja mittauksia.

Haasteena on kuitenkin ympäristöolosuhteiden ja -tekijöiden tarkka mallinnus ja seuranta.

Epäluotettava data ja datavirheet etä- tai merellisillä alueilla luovat ongelmia digitaalisten kaksosten toiminnalle.

Ne myös kamppailevat kriittisten tekijöiden simuloimisessa vanhentuneissa turbiineissa, kuten vaihdelaatikkojen heikkenemisessä, siipien kuluminen ja sähköjärjestelmän suorituskyky.

Klikkaa tästä luettelo parhaimmista tuulivoiman osakkeista.

Aurinkovoima

Aurinkovoima on tärkein uusiutuvan energian kasvun ajuri, ja se on jo useita vuosia ollut suurin uusiutuvan energian lähde.

Vuonna 2024 se tuotti yli 2 000 TWh sähköä, ja sen osuus kasvoi 6,9 %:iin, mikä teki siitä nopeimmin kasvavan sähkönlähteen 20. vuoden peräkkäin.

Aurinkosähkö tuotetaan suoraan auringonvalosta fotovoltaisten (PV) paneelien avulla.

Fotovoltaisten paneelien eli aurinkopaneelien sisällä on fotovoltaisia soluja, jotka absorboivat auringonvalon ja muuttavat auringonenergian sähköksi.

Keskitetty aurinkovoima on epäsuora tapa tuottaa sähköä, jossa linssit tai peilit keskittävät auringonvalon tiettyyn pisteeseen.

Aurinkovoimassa digitaalisten kaksosten avulla voidaan käyttää reaaliaikaista dataa antureista ja löytää avaintekijöitä, jotka vaikuttavat tehokkuuteen ja tuotantoon.

Vaikka niillä on potentiaalia, digitaaliset kaksoset eivät pysty tarkasti ennustamaan suorituskykyä ilmakehän olosuhteiden vuoksi.

Ne myös kamppailevat paneelien heikkenemisen seuraamisessa ja ympäristötekijöiden vaikutuksissa ajan myötä, mikä vaikuttaa niiden tarkkuuteen ja hyödyllisyyteen.

Kuten tuulivoimalla, datan kerääminen etä- tai merellisiltä alueilta voi olla niukkaa tai epäluotettavaa.

Klikkaa tästä luettelo parhaimmista aurinkovoiman osakkeista.

Geoterminen voima

Tämä uusiutuva energia on peräisin maan sisäisestä lämmöstä ja käytetään lämmitykseen ja jäähdytykseen sekä sähkön tuottamiseen.

Sen osuus uusiutuvasta energiasta on alle 3 %.

Digitaalisten kaksosten avulla voidaan simuloida koko geoterminen prosessi, erityisesti porausta.

Ne voivat myös säästää aikaa ja kustannuksia ennustamalla kulumista ja tuottamalla kustannusanalyysiä.

Suurin haaste on kuitenkin laadukkaan datan saatavuus, mikä rajoittaa teknologian kykyä simuloida geologisia epävarmuuksia ja maanpinnan alla olevia olosuhteita.

Lisäksi on haasteita simuloida geotermisten järjestelmien monimutkaisia pitkäaikaiskäyttäytymisiä, kuten lämmönsiirtoa ja fluidin virtausta.

Vesivoima

Vesivoima hyödyntää veden virtausta sähkön tuottamiseen.

Vuonna 2024 se kattoi suurimman osan maailmanlaajuisesta uusiutuvan energian sähkön tuotannosta, mutta sen 14 %:n osuus on ennustettu laskevan 1 %:lla vuoteen 2030 mennessä, kun aurinko- ja tuulivoiman käyttö kasvaa.

Vesivoima liittyy kuitenkin suuriin rakennuskustannuksiin, vaikuttaa negatiivisesti veden laatuun ja vaikuttaa eläinten elinympäristöihin.

Digitaalisten kaksosten avulla voidaan simuloida järjestelmää, jotta voidaan tunnistaa siihen vaikuttavat tekijät.

Vanhoissa laitoksissa ne voivat auttaa vähentämään työntekijöiden uupumusta ja parantamaan tuottavuutta.

3D-laser-skannaus käytetään tarkistamaan kustannustehokkaan uupumisen rakentamista.

Haasteena on kuitenkin datan niukkuus, vanhentuneen infrastruktuurin suorituskyky ja veden virtaamisen monimutkaisuuden sekä ympäristö- ja ekologisten rajoitusten mallintaminen.

Biomassaenergia

Tämä energiamuoto on peräisin orgaanisesta aineksesta, kuten hajoittuneista eläimistä ja kasveista.

Se voidaan tuottaa eri lähteistä, kuten metaanista, maatalouskasveista, eläinjätteistä ja jätteistä.

Tekoälypohjaiset mallit voivat parantaa biomassan toimintaa ja operointia tarjoamalla syvemmän ymmärryksen koko prosessista ja laitoksen asettelusta.

Kuitenkin, kun sovelletaan tähän uusiutuvan energian järjestelmään, digitaalisten kaksosten on haasteita mallintaa tarkasti biomassan muunnosta ja biologisia, biokemiallisia ja termokemiallisia prosesseja.

Ne myös kamppailevat biomassan tuotantoketjun simuloimisessa.

Sijoittaminen digitaalisiin kaksosiin

Jos tarkastelemme sijoitusmahdollisuuksia tässä alalla, PTC Inc. (PTC ) erottuu digitaalisten kaksosten ydinosaamisellaan ja vahvalla markkinasuorituksella.

PTC Inc. (PTC )

PTC:n tuotevalikoima sisältää Windchillin yritysten tuotteen elinkaaren hallintaohjelmistona, Creon tuotteiden suunnittelua varten, ALM-ohjelmistona Codebeamerin modernille kehitykselle, ServiceMaxin palvelunhallinnalle, pilvipohjaisen PLM-alustan Arenan, pilvipohjaisen CAD-alustan Onshapen, Kepwaren teolliseen dataan pääsyyn, ThingWorxin teolliseen Internet-of-Things (IIoT) -sovellusten kehittämiseen, skaalautuvan yritys-AR-alustan Vuforian ja Servigisticsin varaosien hallintaan.

PTC:n digitaaliset kaksoset on sovellettu myös uusiutuvan energian sektoriin.

Ranskalainen energiaryhmä ENGIE teki yhteistyön heidän kanssaan kehittääkseen virtuaalisen uunin teollisten laitteiden siirtymisen avuksi.

EDF käytti ThingWorxia ja Vuforia seuratakseen toimintaa, parantamalla työntekijöiden koulutusta ja simuloimalla kriittisiä huolto-tehtäviä ydinvoimalaitosten järjestelmissä.

Howden sovelsi teknologiaa parantaakseen kompressoreitaan ja tuulittimiaan, joita käytetään öljy- ja kaasutoiminnassa sekä sähkön tuotannossa.

PTC:n osakkeet ovat saavuttaneet uuden ennätyksen yli 219 dollarin, ja ne ovat kasvaneet 16,83 % vuoden alusta ja 57,5 % huhtikuusta lähtien.

Niillä on EPS (TTM) 4,24 ja P/E (TTM) 50,64.

Kolmannen vuosineljänneksen 2025 tuloksissa se ilmoitti 14 %:n kasvun liiketoiminnan ja vapaan rahan virtauksessa, joka oli 850 miljoonaa dollaria.

“Kolmas neljännes oli jälleen vahva suoritus PTC:lle”, totesi Neil Barua, PTC:n toimitusjohtaja, ja mainitsi edistystä CAD:ssa, PLM:ssa, ALM:ssa, SLM:ssa ja SaaS:ssa uusien tuotteiden ja parannusten myötä.

Tämän neljänneksen aikana yhtiö osti takaisin 75 miljoonan dollarin arvosta osakkeita 2 miljardin dollarin valtuutuksesta.

Tällä viikolla PTC laajensi yhteistyötään NVIDIA:n kanssa ilmoittamalla NVIDIA Omniverse -teknologioiden integroinnin Creoon ja Windchilliin, jotta yritykset voivat parantaa tuotteiden laatua, kiihdyttää kehitystä ja tehostaa yhteistyötä monimutkaisten tuotteiden koko elinkaaren aikana.

“Nykyään monimutkaisimmat tuotteet – aina AI-laitteista teollisuuden koneisiin – ovat monimutkaisempia, integroituja ja insinööritasolla vaativampia kuin koskaan aiemmin”, Barua totesi ja lisäsi, että tämän yhteistyön kautta “annamme asiakkaillemme mahdollisuuden sisällyttää suunnittelu- ja konfiguraatiotiedot reaaliajassa simuloituun ympäristöön”.

Aikaisemmin tänä vuonna PTC julkaisi ServiceMax AI:n, joka hyödyntää täydellistä dokumentoituja laitteiden historiaa, huoltohistoriaa ja muuta tietoa auttaakseen organisaatioita modernisoimaan työprosessejaan ja kenttätyöntekijöiden työtä vähemmän aikaa vievällä tavalla.

Uusimmat PTC Inc. (PTC) Osakeuutiset ja Kehitykset

Lopputulet digitaalisten kaksosten ja puhdasenergian suhteen

Digitaalisten kaksosten teknologia on osoittautunut tehokkaaksi välineeksi uusiutuvien energialaitosten optimoinnissa.

Vaikka sen potentiaali maksimoida tehokkuutta, ennustetta ja järjestelmien integrointia on kiistätön, se kärsii myös rajoituksista.

Vain voittamalla datan saatavuuden haasteet, hallitsemalla monimutkaiset mallinnusympäristöt ja luomalla kustannustehokkaita, skaalautuvia ratkaisuja voidaan saavuttaa todellinen omaksuminen.

Niinpä, kun maailma siirtyy uusiutuvien energialähteisiin vähentääkseen hiilidioksidipäästöjä ja taistellakseen ilmastonmuutosta vastaan, digitaalisten kaksosten on mahdollista määritellä seuraava aikakausi vihreän energian kehityksessä.

Viitteet:

1. Semeraro, C., Aljaghoub, H., Al-Ali, H.K.M.H., Abdelkareem, M.A., & Olabi, A.G. “Harnessing the future: Exploring digital twin applications and implications in renewable energy.” Energy Nexus, vol. 18, 1 June 2025, p. 100415. ScienceDirect. https://doi.org/10.1016/j.nexus.2025.100415