Jak cyfrowe bliźniaki będą napędzać przyszłość energii odnawialnej

Od kilku stuleci wykorzystujemy zasoby ropy naftowej i gazu do wytwarzania energii elektrycznej, zasilania pojazdów i samolotów oraz jako podstawę dla szerokiej gamy produktów, w tym gumy, tworzywa sztuczne, nawozy i produkty farmaceutyczne.

Te nieodnawialne, naturalne zasoby pozyskiwane są z węgla i wodoru i zaspokajają aż 84% światowej produkcji energii. Jednakże nadmierne użytkowanie tych ograniczonych, konwencjonalnych zasobów doprowadziło do zanieczyszczenia i szkód w środowisku. 

Wypuszczając toksyczne gazy cieplarniane i szkodliwych zanieczyszczeń, wydobycie i spalanie paliw kopalnych przyczyniając się do zmiany klimatu i globalnego ocieplenia oraz oddziałując negatywnie na zdrowie ludzi i ekosystemy.

Kluczowym rozwiązaniem tego znacząco negatywnego wpływu zasobów ropy naftowej i gazu na planetę jest przejście ze źródeł paliw kopalnych na odnawialne źródła energii.

Energia odnawialna jest ekstrahowany ze źródeł środowiskowych, takich jak pogoda i położenie geograficzne. Jest to zielona energia o zerowej emisji.

Energia słoneczna, wiatrowa, wodna, geotermalna i biomasa to najbardziej znane przykłady odnawialnych źródeł energii, które są zrównoważone.

W ciągu ostatniej dekady świat zaczął zwracać się w stronę tych odnawialnych źródeł energii, aby dokonać przejścia na zieloną energię, co zaowocowało stałym wzrostem ich wykorzystania w różnych sektorach. aplikacji.

Według Międzynarodowej Agencji Energetycznej (IEA) energia odnawialna zużycie w sektorach energetycznym, cieplnym i transportowym is Prognozuje zwiększyć o około 60% między 2024 a 2030 rokiem, co zwiększy udział odnawialnych źródeł energii w końcowym zużyciu energii 13% w 2023 r. do prawie 20% w 2030 r.

Choć korzystne dla środowiska, integrowanie tych zasobów naturalnych w wytwarzaniu energii, magazynowaniu energii i transporcie wiąże się z pewnymi własny Wyzwania wynikają z ich nieregularnego charakteru i silnego uzależnienia od czynników zewnętrznych, takich jak pora roku i lokalizacja. Ta zależność wymaga systemu magazynowania energii.

Z odnawialnymi źródłami energii wiążą się również wysokie początkowe koszty infrastruktury, podczas gdy ich Stawka wytwarzanie energii jest powolne.

W rezultacie konwencjonalne źródła są nadal używane dla większości wytwarzania energii. Ten Sprawia, że ​​kluczowe staje się wdrożenie nowej strategii i technologii, które pozwolą lepiej sprostać tym wyzwaniom. Oznacza to zrozumienie, badanie i analizę zachowania parametrów każdego systemu na etapach projektowania, produkcji i serwisowania w ramach cyklu życia każdego systemu energii odnawialnej. Ten To właśnie tutaj pojawia się technologia cyfrowego bliźniaka (DT).

Technologia ta wykorzystuje modele adaptacyjne do symulacji działania systemów fizycznych w czasie rzeczywistym w środowisku cyfrowym, co z kolei pomaga przewidywać i zapobiegać potencjalnym awariom systemów. 

Od fizycznego do cyfrowego: pojawienie się wirtualnych replik

Cyfrowy bliźniak to po prostu wirtualna reprezentacja lub replika fizycznego, rzeczywistego obiektu, osoby, systemu lub procesu. Aby odzwierciedlić jego fizyczny odpowiednik, cyfrowa replika wykorzystuje dane w czasie rzeczywistym zbierane za pomocą czujników, symulacje i uczenie maszynowe. 

Ten umożliwia monitorowanie, analizę i przewidywanie zachowania aktywów fizycznych w różnych scenariuszach, co pozwala nam podejmowaćlepsze decyzje.

Możliwość replikacji i interakcji ze złożonymi systemami tych cyfrowych bliźniaków sprawiła, że stały się one niezwykle cenne w różnych branżach, w których odgrywają ważną rolę poprawa efektywności, redukcja kosztów i rozwój innowacji rozwiązania.

Według szacunków McKinsey'a globalny rynek technologii cyfrowych bliźniaków osiągnie $ 73.5 mld 2027, rosnąc o 60% rocznie przez następne pięć lat.

Termin „cyfrowy bliźniak” został przyjęty przez Johna Vickersa z NASA w 2010 roku, ale główna idea tego pojęcia narodziła się znacznie wcześniej. Agencja kosmiczna opracowała tę technologię do wykorzystania w misjach eksploracji kosmosu w latach 1960. XX wieku.

Jednak dopiero w 2002 roku dr Michael Grieves oficjalnie ogłosił tę koncepcję i zastosował ją w produkcji. został podzielony na trzy kluczowe części: rzeczywistą przestrzeń fizyczną, wirtualną przestrzeń tej części fizycznej oraz ogniwo łączące te dwie części.

Wiele lat później, w 2011 roku, Siły Powietrzne Stanów Zjednoczonych opracowały cyfrowego bliźniaka, który miał służyć do projektowania samolotów oraz przewidywania zużycia i konserwacji. Technologia ta rozprzestrzeniła się następnie na inne dziedziny, w tym lotnictwo, transport, żeglugę, produkcję, opiekę zdrowotną oraz zastosowania w przemyśle naftowym i gazowym.

W energetyce odnawialnej podstawową funkcją cyfrowego bliźniaka jest zbieranie danych z czujników lokalnych w celu odtworzenia działania systemu fizycznego w środowisku wirtualnym.

Dla każdego można stworzyć cyfrowego bliźniaka rodzaj systemu energii odnawialnej w fazach jego cyklu życia, służący realizacji określonego zadania. Ten oznacza potrzebę ogromnych ilości danych, w tym geometrii każdego komponentu, danych pogodowych, poprzednich problemów, prognoz historycznych, danych eksperymentalnych i praktycznych oraz danych w czasie rzeczywistym, co sprawia, że ​​zastosowanie cyfrowego bliźniaka w tym sektorze jest skomplikowane i trudne. 

Chodzi o zastosowanie cyfrowych bliźniaków w systemach energii odnawialnej nie jest to naprawdę zbadane obszernie. 

Nowe badanie dogłębnie analizuje tę koncepcję w tym konkretnym sektorze. Naukowcy z Uniwersytetu w Szardży dogłębnie przeanalizowali cyfrowe bliźniaki oparte na sztucznej inteligencji jako narzędzie przyspieszające transformację energetyczną na rzecz czystej energii.

W swoim artykule badacze przeprowadzają szczegółowy przegląd architektury, funkcji, cyklu życia i aplikacji technologii cyfrowego bliźniaka w systemach energii odnawialnej.

W tym celu wykorzystali sztuczną inteligencję, uczenie maszynowe (ML) i przetwarzanie języka naturalnego (NLP), co pozwoliło im ocenić duże ilości surowych danych i odkryć wartościowe spostrzeżenia na temat ustrukturyzowanych wzorców i pojawiających się trendów.

Ideą tych badań jest wykorzystanie potencjału technologii w celu zwiększenia efektywności i zrównoważonego rozwoju, a jednocześnie sprostanie wyzwaniom związanym z niedoborem danych, złożonością procesów biologicznych, modelowaniem zdegradowanego sprzętu i zmiennością środowiska.

Optymalizacja zielonej zmiany: obietnice i wyzwania cyfrowych bliźniaków opartych na sztucznej inteligencji

W obliczu zmagań świata z redukcją emisji dwutlenku węgla i Aby walczyć ze zmianami klimatycznymi, naukowcy zwrócili się ku cyfrowym bliźniakom obsługiwanym przez sztuczną inteligencję, aby zmienić przyszłość energetyki.

Zdaniem naukowców, te cyfrowe reprezentacje świata fizycznego mogą zrewolucjonizować wytwarzanie, zarządzanie i optymalizację odnawialnych źródeł energii, przyspieszając tym samym odchodzenie od paliw kopalnych. Aby to jednak osiągnąć, musimy pokonać ich istotne ograniczenia.

Jak zauważyli badacze, „cyfrowe bliźniaki są niezwykle skuteczne w optymalizacji systemów energii odnawialnej”, ale każde odnawialne źródło energii wiąże się z wyjątkowymi wyzwaniami, które mogą „ograniczyć wydajność technologii cyfrowych bliźniaków, pomimo ich znacznego potencjału w zakresie poprawy wytwarzania energii i zarządzania nią”.

W związku z tym, po przeprowadzeniu obszernego przeglądu istniejącej literatury na ten temat, co do tego jak bliźniaki cyfrowe jest używane w tym sektorze rozpoznali luki w badaniach, zasugerowali wytyczne i omówili kwestie, które należy rozwiązać być skierowana aby w pełni wykorzystać potencjał technologii cyfrowego bliźniaka w sektorze energii odnawialnej.

Plan badań jest również oferowany aby pomóc naukowcom zwiększyć niezawodność i precyzję technologii.

W ich „The Puzzle of Monogamous Marriage” The badacze zdefiniowali znaczące zalety cyfrowych bliźniaków¹ jak również ich ograniczeniaw różnych systemach energii odnawialnej. Rekomendacje naukowców koncentrują się na rozszerzeniu możliwości obliczeniowych, udoskonaleniu technik modelowania i udoskonaleniu metod gromadzenia danych, aby zapewnić, że cyfrowe bliźniaki będą mogły dostarczać precyzyjnych i wiarygodnych informacji na potrzeby podejmowania decyzji i optymalizacji systemów.

Energia wiatru

Energetyka wiatrowa wykorzystuje siłę wiatru do wytwarzania energii elektrycznej. W 2024 r. jego wkład w globalną produkcję energii wzrósł do 8.1%. To ustawiono zostać drugi największy źródło globalnej produkcji energii odnawialnej za pośrednictwem fotowoltaiki słonecznej do końca tej dekady.

Aby przekształcić energię kinetyczną wiatru w energię elektryczną, turbiny wiatrowe instaluje się na lądzie i na morzu; mogą być one stałe lub pływające. 

Istnieją głównie dwa rodzaje turbin wiatrowych są używane Tutaj. Turbina wiatrowa o pionowej osi obrotu (VAWT) to taka, w której oś obrotu jest prostopadła do kierunku wiatru. Drugim typem turbiny są turbiny wiatrowe o poziomej osi obrotu (HAWT), które obracają się równolegle do kierunku wiatru.

Chociaż HAWT przechwytuje maksymalną ilość energii wiatru, wymaga stabilnego przepływu powietrza bez znacznych wahań. Natomiast VAWT przechwytuje wiatr z dowolnego kierunku i działa w miejscu o turbulentnym strumieniu wiatru, generując niższą moc.

Zastosowanie cyfrowych bliźniaków może pomóc w przewidywaniu nieznanych parametrów i korygowaniu wszelkich niedokładnych pomiarów. 

Jednak napotykają one na trudności w precyzyjnym modelowaniu i monitorowaniu czynników i warunków środowiskowych. Nierzetelne dane i luki w danych zebranych z odległych lub oddalonych obszarów również stwarzają problemy dla cyfrowych bliźniaków. Co więcej, mają trudności z symulacją krytycznych czynników w starzejących się turbinach. jak na przykład degradacja skrzyni biegów, erozja łopatek i wydajność układu elektrycznego.

Kliknij tutaj, aby zobaczyć listę najlepszych akcji spółek z branży energetyki wiatrowej.

Energia słoneczna

Głównym motorem wzrostu odnawialnych źródeł energii jest energia słoneczna, która od kilku lat wnosi największy wkład w produkcję czystej energii. W 2024 roku dostarczyła ponad 2,000 TWh energii elektrycznej, dodając 474 TWh i osiągając udział na poziomie 6.9%, co oznacza, że najszybciej rozwijające się źródło energii po raz 20. z rzędu. 

Najszybciej rozwijające się i największe źródło nowej energii elektrycznej to energia słonecznaŚwiatło słoneczne jest bezpośrednio przetwarzane na energię elektryczną za pomocą ogniw fotowoltaicznych (PV). Panel PV, czyli panel słoneczny, zawiera ogniwa PV, które są półprzewodnika przenoszącego energię. Ogniwa te pochłaniają światło słoneczne i przetwarzają energię słoneczną na energię elektryczną.

Tymczasem skoncentrowana energia słoneczna (CSP) stanowi pośredni sposób wytwarzania energii elektrycznej, w którym soczewki lub lustra służą do skupiania światła słonecznego w jednym punkcie. 

W odniesieniu do energii słonecznej, cyfrowe bliźniaki wykorzystują dane z czujników w czasie rzeczywistym, aby określić kluczowe czynniki wpływające na wydajność i moc wyjściową. Pomimo swojego potencjału, cyfrowe bliźniaki nie są w stanie precyzyjnie przewidzieć wydajności ze względu na zmienne warunki atmosferyczne. Mają również problemy z monitorowaniem degradacji paneli. oraz wpływy środowiska na przestrzeni czasu, mające wpływ na ich dokładność i użyteczność.

Podobnie jak w przypadku energii wiatrowej, zbieranie danych z odległych lub oddalonych od brzegu obszarów może być tutaj ograniczone lub mało wiarygodne.

Kliknij tutaj, aby zobaczyć listę najlepszych akcji spółek z branży energii słonecznej.

Energia geotermalna

Ta odnawialna energia jest wydobywane z wewnętrznego ciepła jądra Ziemi oraz is używany do ogrzewania i chłodzenia, a także wytwarzania energii elektrycznej. Udział energii odnawialnej wynosi mniej niż 3%.

Cyfrowe bliźniaki mogą pomóc w symulacji całego procesu operacyjnego wykorzystania energii geotermalnej, zwłaszcza procesu wiercenia. Ułatwiając analizę kosztów i prognozowanie zużycia, mogą zaoszczędzić czas i obniżyć koszty związane z eksploatacją.

Największym wyzwaniem jest ograniczona dostępność wysokiej jakości danych, co utrudnia technologii symulowanie niepewności geologicznych i warunków pod powierzchnią Ziemi. Do tego dochodzą złożone, długoterminowe zachowania geotermii. systemy, takie jak wymiana ciepła i przepływ płynów dynamiki, której modelowanie przez cyfrowe bliźniaki jest trudne.

Energia wodna

Energia hydroelektryczna wykorzystuje przepływ wody do wytwarza energię. Wykorzystuje wpływ grawitacji i wysokości.

W 2024 roku energia wodna stanowiła większość globalnej produkcji energii elektrycznej w oparciu o technologie energii odnawialnej. Jednak 14% udziału tego największego pojedynczego źródła energii odnawialnej oczekiwane przez IEA do 2030 r. spodziewany jest spadek o jeden procent, ponieważ rosnące wykorzystanie fotowoltaiki i energii wiatrowej sprawia, że energia wodna traci na znaczeniu. nadal jest oczekiwane rosnąć w miarę uruchamiania nowych projektów. 

Energia wodna wiąże się z wysokimi kosztami budowy, negatywnie wpływa na jakość wody i oddziałuje niekorzystnie na siedliska zwierząt.

Cyfrowe bliźniaki można zastosować w energetyce wodnej do symulacji systemu i identyfikacji czynników wpływających na niego. W starszych elektrowniach mogą one pomóc złagodzić wpływ zmęczenia pracowników na produktywność. Skanowanie laserowe 3D służy tutaj, aby wykryć opłacalną konstrukcję zmęczeniową.

Wyzwaniem jest jednak niedobór danych, starzejąca się infrastruktura, a także konieczność dokładnego modelowania złożonej zmienności przepływu wody oraz monitorowania ograniczeń środowiskowych i ekologicznych.

Energia z biomasy

Ten rodzaj energii pochodzi z materiału organicznego, który obejmuje rozłożony zwierzęta i rośliny. Można go wyodrębnić z różnych źródeł stałych, ciekłych i gazowych, takich jak metan, rolny uprawy, oleje roślinne, obornik i stałe odpady komunalne.

Modele oparte na sztucznej inteligencji mogą pomóc w udoskonaleniu funkcjonalności i działania systemów wykorzystujących biomasę, oferując głębsze zrozumienie całego procesu i konfiguracji instalacji, na przykład palnika.

Jednak w przypadku tego systemu energii odnawialnej, cyfrowe bliźniaki mają trudności z precyzyjnym modelowaniem konwersji biomasy oraz procesów biologicznych, biochemicznych i termochemicznych. Stają również przed wyzwaniami symulowania całego łańcucha dostaw energii z biomasy.

Inwestowanie w technologię cyfrowego bliźniaka

Jeśli przyjrzymy się możliwościom inwestycyjnym w tej dziedzinie, Spółka PTC Inc. (PTC -4.44%) wyróżnia się skupieniem na cyfrowym bliźniaku i silną pozycją rynkową. Globalna firma zajmująca się oprogramowaniem umożliwia produkcję i produkcję firmom cyfrową transformację sposobu projektowania, produkcji i obsługi produkty fizyczne.

Spółka PTC Inc. (PTC -4.44%)

Pakiet produktów PTC obejmuje Windchill — oprogramowanie do zarządzania cyklem życia produktu w przedsiębiorstwie, Creo do tworzenia produktów z wykorzystaniem technologii CAD/CAM/CAE, oprogramowanie ALM Codebeamer do nowoczesnego rozwoju, skoncentrowany na zasobach ServiceMax do zarządzania usługami, natywną platformę PLM w chmurze Arena, natywną platformę CAD Onshape, Kepware do uzyskiwania dostępu do danych przemysłowych i kontrolowania ich, ThingWorx do tworzenia i wdrażania przemysłowych aplikacji Internetu rzeczy (IIoT), skalowalną platformę rozszerzonej rzeczywistości (AR) dla przedsiębiorstw Vuforia, Servigistics do zarządzania częściami serwisowymi oraz Arbortext do wydajnego tworzenia, zarządzania i dostarczania treści.

Cyfrowe bliźniaki PTC również wykorzystano w całym sektorze energii odnawialnej. 

Kilka lat temu francuska grupa energetyczna ENGIE nawiązała z nią współpracę, aby opracować wirtualny piec wspomagający transformację aktywów przemysłowych. Tymczasem EDF wykorzystał ThingWorx i Vuforia do monitorowania operacji, doskonalenia szkoleń pracowników i symulacji krytycznych zadań konserwacyjnych w systemach elektrowni jądrowej. Howden zastosował tę technologię do udoskonalenia swoich sprężarek i wentylatorów wykorzystywanych w przemyśle naftowo-gazowym oraz w energetyce.

Jeśli chodzi o wyniki rynkowe, akcje PTC osiągnęły rekordowy poziom (ATH) powyżej 219 dolarów, notując wzrost o 16.83% od początku roku, przy wzroście o 57.5% od kwietnia. Dzięki temu zysk na akcję (TTM) wynosi 4.24, a wskaźnik P/E (TTM) 50.64.

W trzecim kwartale roku fiskalnego 2025 zgłaszane wzrost o 14% w przepływach pieniężnych z działalności operacyjnej i wolnych przepływach pieniężnych, które wyniosły 850 milionów dolarów.

„Trzeci kwartał był kolejnym solidnym kwartałem dla PTC” – zauważył Neil Barua, prezes i dyrektor generalny PTC, informując o postępach w zakresie CAD, PLM, ALM, SLM i SaaS dzięki nowym ofertom produktów i udoskonaleniom.

W tym kwartale spółka dokonała odkupu akcji o wartości 75 milionów dolarów w ramach autoryzacji na kwotę 2 miliardów dolarów.

W tym tygodniu firma PTC rozszerzyła współpracę z firmą NVIDIA, ogłaszając integrację technologii NVIDIA Omniverse z systemami Creo i Windchill. Ma to pomóc firmom w podniesieniu jakości produktów, przyspieszeniu rozwoju i efektywniejszej współpracy nad złożonymi produktami w całym cyklu ich życia.

„Najbardziej zaawansowane współczesne produkty — od sprzętu AI po maszyny przemysłowe — są bardziej złożone, zintegrowane i wymagają większych nakładów inżynieryjnych niż kiedykolwiek wcześniej” — powiedział Barua, zaznaczając, że dzięki tej współpracy „dajemy naszym klientom możliwość włączania danych projektowych i konfiguracyjnych do środowiska symulacji immersyjnej w czasie rzeczywistym”.

Na początku tego roku firma PTC wprowadziła na rynek rozwiązanie ServiceMax AI, które wykorzysta pełną udokumentowaną historię danych dotyczących sprzętu, historię serwisowania i inne informacje, aby pomóc organizacjom unowocześnić ich przepływy pracy, a technikom serwisowym w terenie wykonać więcej pracy w krótszym czasie.

Najświeższe Spółka PTC Inc. (PTC) Wiadomości i wydarzenia giełdowe

Ostatnie przemyślenia na temat cyfrowych bliźniaków i czystej energii

Technologia cyfrowego bliźniaka stała się skutecznym rozwiązaniem Narzędzie do optymalizacji systemów energii odnawialnej. Choć jego potencjał w zakresie maksymalizacji efektywności, prognozowania i integracji systemów jest niezaprzeczalny, ma on również wady.

Tylko poprzez pokonywanie wyzwań związanych z dostępnością danych, zarządzanie złożonymi środowiskami modelowania i tworzenie opłacalnych, skalowalnych rozwiązań można można osiągnąć prawdziwą adopcję. 

W miarę jak świat przechodzi na odnawialne źródła energii w celu zmniejszenie emisji dwutlenku węgla i walce ze zmianami klimatycznymi, cyfrowe bliźniaki mogą zdefiniować kolejną erę zielonej energii.

Referencje:

1. Semeraro, C., Aljaghoub, H., Al-Ali, HKMH, Abdelkareem, MA i Olabi, AG „Wykorzystanie przyszłości: badanie zastosowań i implikacji cyfrowego bliźniaka w energetyce odnawialnej”. Nexus energetyczny, tom 18, 1 czerwca 2025, s. 100415. ScienceDirect. https://doi.org/10.1016/j.nexus.2025.100415