Comment les jumeaux numériques façonneront l’avenir des énergies renouvelables

Depuis plusieurs siècles, nous utilisons les ressources pétrolières et gazières pour produire de l’électricité, alimenter les véhicules et les avions, et servir de base pour une large gamme de produits, notamment le caoutchouc, les plastiques, les engrais et les produits pharmaceutiques.

Ces ressources naturelles non renouvelables sont composées de carbone et d’hydrogène et fournissent jusqu’à 84 % de la production mondiale d’électricité. Cependant, l’utilisation intensive de ces ressources limitées et conventionnelles a entraîné pollution et dommages environnementaux.

En libérant des gaz à effet de serre toxiques et des polluants nocifs, l’extraction et la combustion des combustibles fossiles ont contribué au changement climatique et au réchauffement planétaire, affectant la santé humaine et les écosystèmes.

Une solution clé à cet impact négatif considérable sur la planète causé par les ressources pétrolières et gazières consiste à passer des combustibles fossiles aux sources d’énergie renouvelable.

L’énergie renouvelable est extraite de sources environnementales telles que les conditions météorologiques et la localisation géographique. C’est une énergie verte à zéro émission.

L’énergie solaire, éolienne, hydroélectrique, géothermique et la biomasse sont les exemples les plus marquants de sources d’énergie renouvelable, qui sont durables.

Au cours de la dernière décennie, le monde s’est tourné vers ces sources d’énergie renouvelable afin de réaliser une transition énergétique verte, entraînant une augmentation constante de leur utilisation dans diverses applications.

Selon l’Agence internationale de l’énergie (AIE), la consommation d’énergie renouvelable dans les secteurs de l’électricité, du chauffage et des transports devrait augmenter d’environ 60 % entre 2024 et 2030, ce qui portera la part des renouvelables dans la consommation finale d’énergie de 13 % en 2023 à près de 20 % d’ici 2030.

Bien qu’elles soient bénéfiques pour l’environnement, l’intégration de ces ressources naturelles dans la production d’électricité, le stockage d’énergie et le transport comporte ses propres défis en raison de leur nature intermittente et de leur forte dépendance à des facteurs externes tels que la saison et la localisation. Cette dépendance nécessite un système de stockage d’énergie.

Il existe également un coût initial d’infrastructure élevé lié aux sources d’énergie renouvelable, tandis que leur taux de production d’électricité est lent.

En conséquence, les sources conventionnelles sont encore utilisées pour la majeure partie de la production d’électricité. Cela rend crucial l’adoption d’une nouvelle stratégie et technologie pour mieux relever ces défis. Cela implique de comprendre, d’étudier et d’analyser le comportement des paramètres de chaque système pendant les phases de conception, de production et de service du cycle de vie utile de chaque système d’énergie renouvelable. C’est ici que la technologie du jumeau numérique (DT) entre en jeu.

La technologie utilise des modèles adaptatifs pour simuler la performance en temps réel des systèmes physiques dans un environnement numérique, aidant ainsi à prédire et prévenir les pannes potentielles du système. 

Du physique au numérique : l’émergence des répliques virtuelles

Un jumeau numérique est simplement la représentation ou la réplique virtuelle d’un objet, d’une personne, d’un système ou d’un processus physique du monde réel. Pour refléter son homologue physique, la réplique numérique utilise des données en temps réel capturées à l’aide de capteurs, de simulations et d’apprentissage automatique. 

Cela permet de surveiller, d’analyser et de prédire le comportement de l’actif physique dans divers scénarios, nous permettant ainsi de prendre de meilleures décisions.

La capacité de ces jumeaux numériques à reproduire et interagir avec des systèmes complexes les a rendus très précieux dans tous les secteurs, où ils favorisent des améliorations d’efficacité, la réduction des coûts et le développement de solutions innovantes.

Selon les estimations de McKinsey, le marché mondial de la technologie des jumeaux numériques atteindra $73,5 milliards d’ici 2027, avec une croissance de 60 % par an au cours des cinq prochaines années.

Le terme « jumeau numérique » a été adopté par John Vickers de la NASA en 2010, mais l’idée fondamentale existait bien avant. L’agence spatiale a en fait développé la technologie pour les missions d’exploration spatiale dans les années 1960.

C’est en 2002 cependant que le Dr Michael Grieves a officiellement annoncé le concept et l’a appliqué à la fabrication. Le concept a été divisé en trois parties clés : l’espace physique réel, l’espace virtuel de cette partie physique, et le lien les connectant.

De nombreuses années plus tard, en 2011, la Force aérienne américaine a développé un jumeau numérique pour concevoir des avions et prédire la fatigue et la maintenance. À partir de là, la technologie s’est répandue à d’autres domaines, notamment l’aérospatiale, le transport, la navigation, la fabrication, la santé et les applications pétrolières et gazières.

Dans le domaine des énergies renouvelables, la fonction principale d’un jumeau numérique est de collecter des données provenant de capteurs sur site afin de reproduire les opérations du système physique dans un environnement virtuel.

Un jumeau numérique peut être créé pour chaque type de système d’énergie renouvelable au cours de ses phases du cycle de vie afin d’accomplir une tâche spécifique. Cela implique un besoin de grandes quantités de données, incluant la géométrie de chaque composant, les données météorologiques, les problèmes antérieurs, les prévisions historiques, les données expérimentales et pratiques, ainsi que les données en temps réel, rendant l’application du jumeau numérique dans le secteur complexe et difficile. 

Le fait est que l’application des jumeaux numériques aux systèmes d’énergie renouvelable n’est pas vraiment explorée de façon aussi approfondie. 

Ainsi, la nouvelle étude explore en profondeur le concept dans ce secteur particulier. Des chercheurs de l’Université de Sharjah ont réalisé une exploration approfondie des jumeaux numériques alimentés par l’IA comme outil pour accélérer la transition vers une énergie propre.

Dans leur article, les chercheurs effectuent une revue exhaustive de l’architecture, des fonctions, du cycle de vie et des applications de la technologie des jumeaux numériques dans les systèmes d’énergie renouvelable.

Pour cela, ils ont utilisé l’IA, l’apprentissage automatique (ML) et le traitement du langage naturel (NLP) qui leur ont permis d’évaluer de grands volumes de données brutes et de découvrir des informations pertinentes sur les schémas structurés et les tendances émergentes.

Avec cette recherche, l’idée est de tirer parti du potentiel de la technologie pour améliorer l’efficacité et la durabilité tout en relevant les défis liés à la rareté des données, aux processus biologiques complexes, à la modélisation d’équipements dégradés et à la variabilité environnementale.

Optimiser la transition verte : promesses et défis des jumeaux numériques pilotés par l’IA

Alors que le monde s’efforce de réduire les émissions de carbone et de lutter contre le changement climatique, les chercheurs se sont tournés vers les jumeaux numériques alimentés par l’IA pour remodeler l’avenir de l’énergie.

Ces représentations numériques du monde physique, selon les chercheurs, peuvent transformer la génération, la gestion et l’optimisation des sources d’énergie renouvelable, accélérant ainsi la transition loin des combustibles fossiles. Mais pour cela, il faut surmonter leurs limites notables.

Comme le soulignent les chercheurs, « les jumeaux numériques sont très efficaces pour optimiser les systèmes d’énergie renouvelable », mais chaque source d’énergie renouvelable présente des défis uniques qui peuvent « limiter les performances des technologies de jumeaux numériques, malgré leur promesse considérable d’améliorer la génération et la gestion de l’énergie ».

Ainsi, après avoir mené une revue exhaustive de la littérature existante sur le sujet, concernant la façon dont les jumeaux numériques sont utilisés dans le secteur, ils ont identifié des lacunes de recherche, proposé des directives et abordé les problèmes qui doivent être résolus afin de tirer pleinement parti de la technologie des jumeaux numériques dans le secteur de l’énergie renouvelable.

Une feuille de route de recherche est également proposée pour aider les scientifiques à améliorer la fiabilité et la précision de la technologie.

Dans leur étude, les chercheurs ont défini les avantages significatifs des jumeaux numériques¹ ainsi que leurs limites à travers divers systèmes d’énergie renouvelable. L’accent des recommandations formulées par les chercheurs porte sur l’expansion des capacités de calcul, l’amélioration des techniques de modélisation et l’optimisation des méthodes de collecte de données afin de garantir que les jumeaux numériques puissent fournir des informations précises et fiables pour la prise de décision et l’optimisation des systèmes.

Énergie éolienne

L’énergie éolienne exploite la puissance du vent pour générer de l’électricité. En 2024, sa contribution à la production mondiale d’électricité a atteint 8,1 %. Elle est prévue à devenir la deuxième plus grande source de production mondiale d’électricité renouvelable derrière le solaire photovoltaïque d’ici la fin de cette décennie.

Pour convertir l’énergie cinétique du vent en électricité, des éoliennes sont installées à terre ainsi qu’en mer, soit fixes, soit flottantes. 

Principalement, deux types d’éoliennes sont utilisées ici. L’éolienne à axe vertical (VAWT) possède une rotation de l’axe perpendiculaire au mouvement du vent. L’autre type, les éoliennes à axe horizontal (HAWT), tournent parallèlement au flux du vent.

Alors que les HAWT captent la quantité maximale d’énergie éolienne, elles nécessitent un flux d’air stable sans fluctuations importantes. En revanche, les VAWT captent le vent de n’importe quelle direction et fonctionnent dans des zones de flux turbulent avec un taux de production d’énergie plus faible.

L’utilisation de jumeaux numériques ici peut aider à prédire les paramètres inconnus et à corriger les mesures inexactes. 

Cependant, ils rencontrent des défis pour modéliser et surveiller avec précision les facteurs et conditions environnementaux. Des données peu fiables et des lacunes dans les données collectées depuis des zones éloignées ou offshore créent également des problèmes pour les jumeaux numériques. De plus, ils peinent à simuler les facteurs critiques des turbines vieillissantes tels que la dégradation de la boîte de vitesses, l’érosion des pales et la performance du système électrique.

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Énergie solaire

Le principal moteur de la croissance des renouvelables est l’énergie solaire, qui contribue le plus à la production d’énergie propre depuis plusieurs années. En 2024, elle a fourni plus de 2 000 TWh d’électricité, ajoutant 474 TWh pour atteindre une part de 6,9 %, ce qui en a fait la source d’énergie la plus rapide en croissance pour la 20ᵉ année consécutive. 

La source d’électricité nouvelle la plus rapide et la plus importante est l’énergie solaire. La lumière du soleil est convertie directement en électricité grâce aux photovoltaïques (PV). Un panneau PV, ou panneau solaire, contient des cellules PV qui sont fabriquées à partir d’un semi-conducteur transmetteur d’énergie. Ces cellules absorbent la lumière du soleil et convertissent l’énergie solaire en électricité.

Parallèlement, le solaire à concentration (CSP) est une méthode indirecte de production d’électricité, où des lentilles ou des miroirs sont utilisés pour concentrer la lumière du soleil en un point focal. 

En ce qui concerne l’énergie solaire, les jumeaux numériques utilisent des données en temps réel provenant de capteurs pour identifier les facteurs clés influençant l’efficacité et la puissance de sortie. Malgré leur potentiel, les jumeaux numériques ici ne peuvent pas prédire avec précision les performances en raison des variations des conditions atmosphériques. De plus, ils ont du mal à surveiller la dégradation des panneaux et les influences environnementales au fil du temps, affectant leur précision et leur utilité.

Tout comme pour l’énergie éolienne, la collecte de données depuis des zones éloignées ou offshore peut être rare ou peu fiable ici.

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Énergie géothermique

Cette énergie renouvelable est extrait de la chaleur interne du noyau terrestre et est utilisée pour le chauffage et le refroidissement en plus de la production d’électricité. Sa part dans les énergies renouvelables est inférieure à 3 %.

Les jumeaux numériques peuvent aider à simuler l’ensemble du processus opérationnel d’utilisation de l’énergie géothermique, notamment le processus de forage. En facilitant l’analyse des coûts et la prédiction de la fatigue, ils peuvent économiser à la fois du temps et des coûts associés à l’opération.

Le principal défi ici est la disponibilité limitée de données de haute qualité, ce qui entrave la capacité de la technologie à simuler les incertitudes géologiques et les conditions sous la surface de la Terre. Il existe également des comportements complexes à long terme des systèmes géothermiques tels que le transfert de chaleur et l’écoulement des fluides dynamiques, qui sont difficiles à modéliser pour les jumeaux numériques.

Énergie hydroélectrique

L’énergie hydroélectrique utilise le flux d’eau pour produire de l’énergie. Elle exploite les effets de la gravité et de l’élévation.

En 2024, l’hydroélectricité représentait la majeure partie de la production mondiale d’électricité grâce aux technologies d’énergie renouvelable. Mais la part de cette source renouvelable unique, qui était de 14 %, est prévue par l’AIE de connaître une baisse d’un pour cent d’ici 2030, alors que l’utilisation croissante du solaire photovoltaïque et de l’énergie éolienne rend l’hydroélectricité moins dominante. Elle est toujours prévue de croître à mesure que de nouveaux projets sont activés. 

L’énergie hydroélectrique est associée à des coûts de construction élevés, affecte négativement la qualité de l’eau et a une influence défavorable sur les habitats animaux.

Les jumeaux numériques peuvent être appliqués à l’énergie hydroélectrique pour simuler le système afin d’identifier les facteurs qui l’influencent. Dans les anciennes installations, ils peuvent aider à atténuer l’impact de la fatigue des travailleurs sur la productivité. Le balayage laser 3D est utilisé ici pour détecter une construction de fatigue rentable.

Le défi, cependant, réside dans la rareté des données, la performance des infrastructures vieillissantes, la modélisation précise de la variabilité complexe des flux d’eau, ainsi que la surveillance des contraintes environnementales et écologiques.

Énergie de biomasse

Ce type d’énergie est dérivée à partir de matière organique, qui implique décomposés animaux et plantes. Elle peut être extraite de diverses sources solides, liquides et gazeuses telles que le méthane, agricoles cultures, huiles végétales, fumier animal et déchets solides municipaux.

Les modèles pilotés par l’IA peuvent aider à améliorer la fonctionnalité et le fonctionnement de l’énergie de biomasse en offrant une compréhension plus approfondie de l’ensemble du processus et de l’installation de l’usine, comme un brûleur.

Cependant, lorsqu’ils sont appliqués à ce système d’énergie renouvelable, les jumeaux numériques peinent à modéliser précisément la conversion de la biomasse ainsi que les processus biologiques, biochimiques et thermochimiques. Ils rencontrent également des difficultés à simuler l’ensemble de la chaîne d’approvisionnement de la production d’énergie biomasse.

Investir dans la technologie des jumeaux numériques

Maintenant, si nous examinons une opportunité d’investissement dans ce domaine, PTC Inc. (PTC ) se distingue par son focus central sur les jumeaux numériques et sa solide performance sur le marché. L’entreprise mondiale de logiciels permet aux entreprises de fabrication et de produits de transformer numériquement la façon dont elles conçoivent, fabriquent et entretiennent les produits physiques.

PTC Inc. (PTC )

La suite de produits de PTC comprend Windchill pour le logiciel de gestion du cycle de vie des produits d’entreprise, Creo pour la conception de produits avec CAD/CAM/CAE, le logiciel ALM Codebeamer pour le développement moderne, ServiceMax centré sur les actifs pour la gestion des services, la plateforme PLM native cloud Arena, la plateforme CAD native cloud Onshape, Kepware pour accéder et contrôler les données industrielles, ThingWorx pour créer et déployer des applications Internet des objets industriels (IIoT), la plateforme AR d’entreprise évolutive Vuforia, Servigistics pour la gestion des pièces de service, et Arbortext pour créer, gérer et diffuser du contenu efficacement.

Les jumeaux numériques de PTC ont également été utilisés dans le secteur des énergies renouvelables. 

Il y a quelques années, le groupe énergétique français ENGIE s’est associé à elle pour développer un four virtuel afin d’aider à la transition des actifs industriels. EDF, quant à elle, a utilisé ThingWorx et Vuforia pour surveiller les opérations, améliorer la formation des travailleurs et simuler les tâches de maintenance critiques pour ses systèmes de centrales nucléaires. Howden a appliqué la technologie pour améliorer ses compresseurs et ventilateurs utilisés dans le pétrole & gaz et la production d’énergie.

En ce qui concerne sa performance sur le marché, les actions de PTC ont atteint un record historique (ATH) au-dessus de 219 $, enregistrant une hausse de 16,83 % depuis le début de l’année et étant en hausse de 57,5 % depuis avril. Avec cela, elle affiche un BPA (TTM) de 4,24 et un PER (TTM) de 50,64.

Pour le troisième trimestre fiscal de 2025, elle a déclaré une croissance de 14 % du flux de trésorerie opérationnel et libre, atteignant 850 millions de dollars.

« Le troisième trimestre a été un autre trimestre solide d’exécution pour PTC », a noté Neil Barua, président et PDG de PTC, en partageant les progrès réalisés dans le CAD, le PLM, l’ALM, le SLM et le SaaS avec de nouvelles offres de produits et améliorations.

Au cours de ce trimestre, l’entreprise a racheté pour 75 millions de dollars d’actions dans le cadre de son autorisation de 2 milliards de dollars.

Cette semaine, PTC a élargi sa collaboration avec NVIDIA (NVDA ) en annonçant l’intégration des technologies NVIDIA Omniverse dans Creo et Windchill afin d’aider les entreprises à améliorer la qualité des produits, accélérer le développement et collaborer plus efficacement sur des produits complexes tout au long de leur cycle de vie.

« Les produits les plus avancés d’aujourd’hui — du matériel IA aux machines industrielles — sont plus complexes, intégrés et intensifs en ingénierie que jamais », a déclaré Barua, soulignant qu’avec cette collaboration, « nous offrons à nos clients la capacité d’incorporer les données de conception et de configuration dans un environnement de simulation immersif en temps réel ».

Plus tôt cette année, PTC a lancé ServiceMax AI, qui exploitera l’historique complet documenté des données d’équipement, l’historique de service, et plus encore pour aider les organisations à moderniser leurs flux de travail et permettre aux techniciens de service sur le terrain d’accomplir davantage en moins de temps.

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Réflexions finales sur les jumeaux numériques & l’énergie propre

La technologie des jumeaux numériques est apparue comme un instrument efficace pour optimiser les systèmes d’énergie renouvelable. Bien que son potentiel à maximiser l’efficacité, les prévisions et l’intégration des systèmes soit indiscutable, elle présente également des inconvénients.

Ce n’est qu’en surmontant les défis liés à la disponibilité des données, en gérant des environnements de modélisation complexes et en construisant des solutions rentables et évolutives que une adoption réelle pourra être réalisée. 

Ainsi, alors que le monde effectue une transition vers les sources d’énergie renouvelable dans le but de réduire les émissions de carbone et de lutter contre le changement climatique, les jumeaux numériques sont prêts à définir la prochaine ère de l’énergie verte.

Références :

1. Semeraro, C., Aljaghoub, H., Al‑Ali, H.K.M.H., Abdelkareem, M.A., & Olabi, A.G. “Exploiter le futur : explorer les applications et les implications des jumeaux numériques dans les énergies renouvelables.” Energy Nexus, vol. 18, 1 juin 2025, p. 100415. ScienceDirect. https://doi.org/10.1016/j.nexus.2025.100415