Come i gemelli digitali guideranno il futuro delle energie rinnovabili

Da diversi secoli utilizziamo le risorse di petrolio e gas per generare elettricità, alimentare veicoli e aerei e fungere da base per una vasta gamma di prodotti, tra cui la gomma, plastica, fertilizzanti e prodotti farmaceutici.

Queste risorse naturali non rinnovabili sono prodotte dal carbonio e dall'idrogeno e forniscono fino all'84% dell'energia prodotta a livello mondiale. Tuttavia, l'uso estensivo di queste risorse convenzionali finite ha portato a inquinamento e danni ambientali. 

Rilasciando gas serra tossici e inquinanti nocivi, l'estrazione e la combustione dei combustibili fossili sono state contribuendo al cambiamento climatico e al riscaldamento globale, e incidendo sulla salute umana e sugli ecosistemi.

Una soluzione fondamentale a questo impatto notevolmente negativo sul pianeta causato dalle risorse di petrolio e gas è il passaggio dai combustibili fossili alle fonti di energia rinnovabili.

Energia rinnovabile viene estratto da fonti ambientali come il meteo e la posizione geografica. Si tratta di energia verde a zero emissioni.

L'energia solare, eolica, idroelettrica, geotermica e da biomassa sono gli esempi più importanti di fonti energetiche rinnovabili e sostenibili.

Nell'ultimo decennio, il mondo si è rivolto a queste fonti di energia rinnovabile come un modo per realizzare una transizione energetica verde, con conseguente aumento costante del loro utilizzo in vari settori applicazioni.

Secondo l’Agenzia Internazionale per l’Energia (AIE), le energie rinnovabili consumi nei settori dell'energia elettrica, del riscaldamento e dei trasporti is previsto aumentare di circa il 60% tra il 2024 e il 2030, il che aumenterà la quota di energie rinnovabili nel consumo finale di energia da Dal 13% nel 2023 a quasi il 20% entro il 2030.

Sebbene sia vantaggioso per l'ambiente, l'integrazione di queste risorse naturali nella produzione di energia, nello stoccaggio dell'energia e nel trasporto comporta i suoi proprio sfide dovute alla loro natura intermittente e alla forte dipendenza da fattori esterni come la stagione e la posizione. Questa dipendenza richiede un sistema di accumulo di energia.

Anche le fonti di energia rinnovabile comportano un elevato costo iniziale delle infrastrutture, mentre il loro tasso di la produzione di energia è lenta.

Di conseguenza, le fonti convenzionali sono ancora utilizzati per la maggior parte della produzione di energia. Questo Rende fondamentale disporre di una nuova strategia e di una nuova tecnologia per affrontare al meglio queste sfide. Ciò significa comprendere, studiare e analizzare il comportamento dei parametri di ciascun sistema durante le fasi di progettazione, produzione e manutenzione del ciclo di vita utile di ciascun sistema di energia rinnovabile. Questo Ed è qui che entra in gioco la tecnologia del gemello digitale (DT).

La tecnologia sfrutta modelli adattivi per simulare le prestazioni in tempo reale dei sistemi fisici in un ambiente digitale, aiutando a sua volta a prevedere e prevenire potenziali guasti del sistema. 

Dal fisico al digitale: l'emergere delle repliche virtuali

Un gemello digitale è semplicemente la rappresentazione virtuale o replica di un oggetto, una persona, un sistema o un processo fisico del mondo reale. Per rispecchiare la sua controparte fisica, la replica digitale utilizza dati in tempo reale acquisiti con l'ausilio di sensori, simulazioni e apprendimento automatico. 

Questo consente il monitoraggio, l'analisi e la previsione del comportamento delle risorse fisiche in vari scenari, consentendoci così di effettuaree decisioni migliori.

La capacità di questi gemelli digitali di replicare e interagire con sistemi complessi li ha resi estremamente preziosi in tutti i settori, dove stanno guidando miglioramenti nell'efficienza, riduzione dei costi e sviluppo di soluzioni innovative soluzioni.

Secondo le stime di McKinsey, il mercato globale della tecnologia dei gemelli digitali raggiungerà $ 73.5 miliardi entro 2027, con una crescita del 60% annuo nei prossimi cinque anni.

Il termine "gemello digitale" è stato adottato da John Vickers della NASA nel 2010, ma l'idea di base è nata molto prima. L'agenzia spaziale aveva infatti sviluppato la tecnologia per l'impiego nelle missioni di esplorazione spaziale già negli anni '1960.

Fu però nel 2002 che il Dr. Michael Grieves annunciò formalmente il concetto e lo applicò alla produzione. Il concetto è stato diviso in tre parti chiave: lo spazio fisico effettivo, lo spazio virtuale di quella parte fisica e il collegamento che collega i due.

Molti anni dopo, nel 2011, l'Aeronautica Militare statunitense sviluppò un gemello digitale per progettare velivoli e prevederne l'affaticamento e la manutenzione. Da lì, la tecnologia si diffuse in altri settori, tra cui l'aerospaziale, i trasporti, le spedizioni, la produzione manifatturiera, la sanità e le applicazioni petrolifere e del gas.

Nel settore delle energie rinnovabili, la funzione principale di un gemello digitale è quella di raccogliere dati dai sensori in loco per riprodurre il funzionamento del sistema fisico in un ambiente virtuale.

Per ogni oggetto è possibile creare un gemello digitale. tipo di sistema di energia rinnovabile durante le fasi del suo ciclo di vita per svolgere un compito specifico. Questo Ciò implica la necessità di grandi quantità di dati, tra cui la geometria di ciascun componente, dati meteorologici, problemi precedenti, previsioni storiche, dati sperimentali e pratici e dati in tempo reale, rendendo l'applicazione del gemello digitale nel settore complessa e impegnativa. 

Il fatto è che l'applicazione dei gemelli digitali nei sistemi di energia rinnovabile non è realmente esplorato ampiamente. 

Il nuovo studio approfondisce il concetto in questo specifico settore. I ricercatori dell'Università di Sharjah hanno condotto un'analisi approfondita dei gemelli digitali basati sull'intelligenza artificiale come strumento per accelerare la transizione verso l'energia pulita.

Nel loro articolo, i ricercatori conducono una revisione approfondita dell'architettura, delle funzioni, del ciclo di vita e delle applicazioni della tecnologia dei gemelli digitali nei sistemi di energia rinnovabile.

Per questo hanno utilizzato l'intelligenza artificiale, l'apprendimento automatico (ML) e l'elaborazione del linguaggio naturale (NLP), che hanno consentito loro di valutare grandi volumi di dati grezzi e di scoprire informazioni significative su modelli strutturati e tendenze emergenti.

Con questa ricerca, l'idea è quella di sfruttare il potenziale della tecnologia per migliorare l'efficienza e la sostenibilità, affrontando al contempo le sfide della scarsità di dati, dei processi biologici complessi, della modellazione di apparecchiature degradate e della variabilità ambientale.

Ottimizzare la transizione ecologica: promesse e sfide dei gemelli digitali basati sull'intelligenza artificiale

Mentre il mondo lotta per ridurre le emissioni di carbonio e Per contrastare il cambiamento climatico, i ricercatori si sono rivolti ai gemelli digitali basati sull'intelligenza artificiale per rimodellare il futuro dell'energia.

Secondo i ricercatori, queste rappresentazioni digitali del mondo fisico possono trasformare la generazione, la gestione e l'ottimizzazione delle fonti energetiche rinnovabili, accelerando a loro volta la transizione dai combustibili fossili. Ma per raggiungere questo obiettivo, è necessario superarne i notevoli limiti.

Come hanno osservato i ricercatori, "i gemelli digitali sono molto efficaci nell'ottimizzazione dei sistemi di energia rinnovabile", ma ogni fonte di energia rinnovabile presenta sfide uniche che possono "limitare le prestazioni delle tecnologie dei gemelli digitali, nonostante le loro notevoli promesse nel migliorare la produzione e la gestione dell'energia".

Quindi, dopo aver condotto un'ampia revisione della letteratura esistente sull'argomento, su come gemelli digitali sono in uso nel settore, hanno riconosciuto le lacune della ricerca, suggerito linee guida e affrontato le questioni che devono essere affrontate essere indirizzato per sfruttare appieno la tecnologia dei gemelli digitali nel settore delle energie rinnovabili.

Una tabella di marcia della ricerca è offerto anche per aiutare gli scienziati a migliorare l'affidabilità e la precisione della tecnologia.

Nel loro studio, l' i ricercatori hanno definito i vantaggi significativi dei gemelli digitali¹ così come i loro limiti aattraversano diversi sistemi di energia rinnovabile. L'obiettivo delle raccomandazioni formulate dai ricercatori è quello di espandere le capacità computazionali, migliorare le tecniche di modellazione e i metodi di raccolta dati per garantire che i gemelli digitali possano fornire informazioni precise e affidabili per il processo decisionale e l'ottimizzazione del sistema.

Wind Energy

L'energia eolica sfrutta la potenza del vento per generare elettricità. Nel 2024, il suo contributo alla produzione di energia globale è cresciuto al 8.1%. Ciò consente di è impostato diventare il il secondo più grande fonte di generazione di energia elettrica rinnovabile globale dietro il solare fotovoltaico entro la fine di questo decennio.

Per convertire l'energia cinetica del vento in elettricità, le turbine eoliche vengono installate sia sulla terraferma che in mare aperto, fisse o galleggianti. 

Principalmente, due tipi di turbine eoliche sono utilizzati Qui. La turbina eolica ad asse verticale (VAWT) è quella in cui la rotazione dell'asse è perpendicolare al moto del vento. L'altra è la turbina eolica ad asse orizzontale (HAWT), che ruota parallelamente al flusso del vento.

Mentre la turbina eolica ad alta tensione cattura la massima quantità di energia eolica, richiede un flusso d'aria stabile senza fluttuazioni significative. La turbina a turbina ad alta tensione, al contrario, cattura il vento da qualsiasi direzione e opera in un punto con flusso di vento turbolento, con una velocità di generazione di energia inferiore.

In questo caso, l'uso dei gemelli digitali può aiutare a prevedere parametri sconosciuti e a correggere eventuali misurazioni imprecise. 

Tuttavia, si trovano ad affrontare sfide nella modellazione e nel monitoraggio accurati di fattori e condizioni ambientali. Dati inaffidabili e lacune nei dati raccolti da aree remote o offshore creano ulteriori problemi per i gemelli digitali. Inoltre, hanno difficoltà a simulare i fattori critici nelle turbine obsolete. come degrado del cambio, erosione delle pale e prestazioni del sistema elettrico.

Clicca qui per un elenco dei principali titoli azionari del settore dell'energia eolica.

Energia solare

Il principale motore della crescita delle energie rinnovabili è l'energia solare, che da diversi anni fornisce il contributo maggiore alla generazione di energia pulita. Nel 2024, ha fornito più di 2,000 TWh di energia elettrica, aggiungendo 474 TWh per raggiungere una quota del 6.9%, che ha reso la fonte energetica in più rapida crescita per il 20° anno consecutivo. 

La fonte di nuova elettricità più grande e in più rapida crescita è l'energia solareLa luce solare viene convertita direttamente in elettricità utilizzando il fotovoltaico (FV). Un pannello FV, o pannello solare, contiene celle FV che sono realizzati di un semiconduttore che trasmette energia. Queste celle assorbono la luce solare e convertono l'energia solare in elettricità.

L'energia solare concentrata (CSP), invece, è un modo indiretto per generare elettricità, poiché vengono utilizzate lenti o specchi per concentrare la luce solare in un punto focale. 

Per quanto riguarda l'energia solare, i gemelli digitali utilizzano dati in tempo reale provenienti da sensori per individuare i fattori chiave che influenzano l'efficienza e la potenza in uscita. Nonostante il loro potenziale, in questo caso i gemelli digitali non sono in grado di prevedere con precisione le prestazioni a causa delle variazioni delle condizioni atmosferiche. Inoltre, hanno difficoltà a monitorare il degrado dei pannelli. e influenze ambientali nel tempo, che ne influenzano l'accuratezza e l'utilità.

Analogamente a quanto avviene per l'energia eolica, anche in questo caso la raccolta di dati da aree remote o offshore può essere scarsa o inaffidabile.

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Energia geotermica

Questa energia rinnovabile è estratto dal calore interno del nucleo terrestre e is utilizzato per il riscaldamento e il raffreddamento oltre alla produzione di elettricità. La sua quota di energia rinnovabile è inferiore al 3%.

I gemelli digitali possono aiutare a simulare l'intero processo operativo di utilizzo dell'energia geotermica, in particolare il processo di perforazione. Facilitando l'analisi dei costi e prevedendo la fatica, possono far risparmiare tempo e costi operativi.

La sfida più grande in questo caso è la limitata disponibilità di dati di alta qualità, che ostacola la capacità della tecnologia di simulare le incertezze geologiche e le condizioni sotto la superficie terrestre. A ciò si aggiungono i complessi comportamenti a lungo termine dell'energia geotermica. sistemi, come il trasferimento di calore e il flusso dei fluidi dinamiche difficili da modellare per i gemelli digitali.

Energia idroelettrica

L'energia idroelettrica sfrutta il flusso dell'acqua per produrre energia. Sfrutta gli effetti della gravità e dell'elevazione.

Nel 2024, l'energia idroelettrica rappresentava la maggior parte della produzione globale di elettricità da fonti rinnovabili. Tuttavia, la quota del 14% di questa singola fonte rinnovabile più grande è previsto dall'IEA di vedere un calo dell'2030% entro il XNUMX poiché il crescente utilizzo dell'energia solare fotovoltaica ed eolica rende l'energia idroelettrica meno importante. è ancora previsto per crescere man mano che nuovi progetti diventano attivi. 

L'energia idroelettrica è associata a elevati costi di costruzione, influisce negativamente sulla qualità dell'acqua e ha un impatto negativo sugli habitat degli animali.

I gemelli digitali possono essere applicati all'energia idroelettrica per simulare il sistema e identificare i fattori che lo influenzano. Negli impianti più vecchi, possono contribuire ad alleviare l'impatto dell'affaticamento dei lavoratori sulla produttività. Scansione laser 3D viene usato qui per individuare una costruzione a fatica conveniente.

La sfida, tuttavia, è rappresentata dalla scarsità di dati, dall'invecchiamento delle prestazioni delle infrastrutture e dalla modellazione accurata della complessa variabilità del flusso d'acqua, nonché dal monitoraggio dei vincoli ambientali ed ecologici.

Energia da biomassa

Questo tipo di energia è derivato da materiale organico, che coinvolge decomposto animali e piante. Può essere estratto da varie fonti solide, liquide e gassose come il metano, agricolo colture, oli vegetali, letame animale e rifiuti solidi urbani.

I modelli basati sull'intelligenza artificiale possono contribuire a migliorare la funzionalità e il funzionamento dell'energia da biomassa offrendo una comprensione più approfondita dell'intero processo e della configurazione dell'impianto, come ad esempio un bruciatore.

Tuttavia, quando applicati a questo sistema di energia rinnovabile, i gemelli digitali hanno difficoltà a modellare con precisione la conversione della biomassa e i processi biologici, biochimici e termochimici. Devono inoltre affrontare sfide nella simulazione dell'intera filiera di produzione di energia da biomassa.

Investire nella tecnologia Digital Twin

Ora, se consideriamo un'opportunità di investimento in questo spazio, PTC Inc. (PTC ) si distingue per la sua attenzione al gemello digitale e per le ottime performance di mercato. L'azienda di software globale consente la produzione e la produzione aziende per trasformare digitalmente il modo in cui progettano, producono e forniscono assistenza prodotti fisici.

PTC Inc. (PTC )

La suite di prodotti PTC include Windchill per il software di gestione del ciclo di vita dei prodotti aziendali, Creo per la creazione di prodotti con CAD/CAM/CAE, il software ALM Codebeamer per lo sviluppo moderno, ServiceMax incentrato sulle risorse per la gestione dei servizi, la piattaforma PLM cloud-native Arena, la piattaforma CAD cloud-native Onshape, Kepware per l'accesso e il controllo dei dati industriali, ThingWorx per la creazione e la distribuzione di applicazioni industriali Internet of Things (IIoT), la piattaforma AR aziendale scalabile Vuforia, Servigistics per la gestione dei componenti di servizio e Arbortext per creare, gestire e distribuire contenuti in modo efficiente.

Anche i gemelli digitali di PTC hanno stato usato nell'intero settore delle energie rinnovabili. 

Un paio di anni fa, il gruppo energetico francese ENGIE ha collaborato con EDF per sviluppare una fornace virtuale per supportare la transizione degli asset industriali. EDF, nel frattempo, ha utilizzato ThingWorx e Vuforia per monitorare le operazioni, migliorare la formazione dei lavoratori e simulare attività di manutenzione critiche per i sistemi della sua centrale nucleare. Howden ha applicato la tecnologia per migliorare i suoi compressori e ventilatori utilizzati nel settore petrolifero e del gas e nella produzione di energia.

Per quanto riguarda la performance di mercato, le azioni di PTC hanno raggiunto un massimo storico (ATH) sopra i 219 dollari, registrando un rialzo del 16.83% da inizio anno e del 57.5% da aprile. A fronte di ciò, l'azienda ha registrato un utile per azione (EPS) (TTM) di 4.24 e un rapporto prezzo/utili (P/E) (TTM) di 50.64.

Per il terzo trimestre fiscale del 2025, segnalati una crescita del 14% del flusso di cassa operativo e libero, che è arrivato a 850 milioni di dollari.

"Il terzo trimestre è stato un altro trimestre solido per PTC", ha osservato Neil Barua, Presidente e CEO di PTC, illustrando i progressi compiuti in ambito CAD, PLM, ALM, SLM e SaaS con nuove offerte di prodotti e miglioramenti.

Nel corso di questo trimestre, la società ha effettuato riacquisti di azioni per un valore di 75 milioni di dollari, nell'ambito dell'autorizzazione da 2 miliardi di dollari.

Questa settimana, PTC ha ampliato la sua collaborazione con NVIDIA annunciando l'integrazione delle tecnologie NVIDIA Omniverse in Creo e Windchill per aiutare le aziende a migliorare la qualità dei prodotti, accelerare lo sviluppo e collaborare in modo più efficace su prodotti complessi durante l'intero ciclo di vita.

"I prodotti più avanzati di oggi, dall'hardware di intelligenza artificiale ai macchinari industriali, sono più complessi, integrati e richiedono un'elevata ingegneria che mai", ha affermato Barua, sottolineando che con questa collaborazione "offriamo ai nostri clienti la possibilità di incorporare dati di progettazione e configurazione in un ambiente di simulazione immersivo e in tempo reale".

All'inizio di quest'anno, PTC ha rilasciato ServiceMax AI, che sfrutterà la cronologia completa documentata dei dati delle apparecchiature, la cronologia degli interventi di assistenza e altro ancora per aiutare le organizzazioni a modernizzare i propri flussi di lavoro e i tecnici dell'assistenza sul campo a svolgere più lavoro in meno tempo.

Ultimissime PTC Inc. (PTC) Notizie e sviluppi azionari

Considerazioni finali sui gemelli digitali e l'energia pulita

La tecnologia dei gemelli digitali è emersa come una soluzione efficace Strumento per l'ottimizzazione dei sistemi di energia rinnovabile. Sebbene il suo potenziale per massimizzare l'efficienza, le previsioni e l'integrazione dei sistemi sia indiscutibile, presenta anche degli svantaggi.

Solo superando le sfide della disponibilità dei dati, gestendo ambienti di modellazione complessi e creando soluzioni convenienti e scalabili è possibile si può raggiungere una vera adozione. 

Quindi, mentre il mondo si sposta verso fonti di energia rinnovabili In ordine per ridurre emissioni di carbonio e lotta al cambiamento climatico: i gemelli digitali definiranno la prossima era dell'energia verde.

Riferimenti:

1. Semeraro, C., Aljaghoub, H., Al-Ali, HKMH, Abdelkareem, MA e Olabi, AG “Sfruttare il futuro: esplorare le applicazioni e le implicazioni dei gemelli digitali nelle energie rinnovabili”. Nesso energetico, vol. 18, 1 giugno 2025, p. 100415. ScienceDirect. https://doi.org/10.1016/j.nexus.2025.100415