Como os gêmeos digitais impulsionarão o futuro da energia renovável

Já há vários séculos que utilizamos recursos de petróleo e gás para gerar eletricidade, alimentar veículos e aeronaves e servir de base para uma ampla gama de produtos, incluindo borracha, plásticos, fertilizantes e produtos farmacêuticos.

Esses recursos naturais não renováveis ​​são produzidos a partir de carbono e hidrogênio e fornecem até 84% da geração de energia mundial. No entanto, o uso extensivo desses recursos finitos e convencionais levou à poluição e danos ambientais. 

Ao liberar gases tóxicos com efeito de estufa e poluentes nocivos, a extração e a combustão de combustíveis fósseis foram contribuindo para as mudanças climáticas e o aquecimento global, e afetando a saúde humana e os ecossistemas.

Uma solução fundamental para esse impacto significativamente negativo no planeta causado pelos recursos de petróleo e gás é mudar os combustíveis fósseis para fontes de energia renováveis.

Energia renovável é extraído de fontes ambientais, como o clima e a localização geográfica. É energia verde com emissão zero.

Energia solar, eólica, hidrelétrica, geotérmica e de biomassa são os exemplos mais proeminentes de fontes de energia renováveis, que são sustentáveis.

Na última década, o mundo tem recorrido a estas fontes de energia renováveis como forma de fazer uma transição para a energia verde, resultando num aumento consistente da sua utilização em vários setores. aplicações.

Segundo a Agência Internacional de Energia (AIE), as energias renováveis consumo nos setores de energia, aquecimento e transporte is previsão Aumentar em cerca de 60% entre 2024 e 2030, o que impulsionará a participação das energias renováveis no consumo final de energia 13% em 2023 para quase 20% até 2030.

Embora benéfica para o meio ambiente, a integração desses recursos naturais na geração de energia, armazenamento de energia e transporte tem suas próprio desafios devido à sua natureza intermitente e forte dependência de fatores externos, como estação do ano e localização. Essa dependência requer um sistema de armazenamento de energia.

As fontes de energia renováveis também envolvem um elevado custo inicial de infra-estrutura, enquanto as suas taxa de a geração de energia é lenta.

Como resultado, as fontes convencionais ainda são usados para a maior parte da geração de energia. Esta torna crucial a implementação de uma nova estratégia e tecnologia para lidar melhor com esses desafios. Isso significa compreender, estudar e analisar o comportamento dos parâmetros de cada sistema durante as fases de projeto, produção e serviços do ciclo de vida útil de cada sistema de energia renovável. Esta é onde a tecnologia de gêmeo digital (DT) entra em cena.

A tecnologia utiliza modelos adaptativos para simular o desempenho em tempo real de sistemas físicos em um ambiente digital, ajudando a prever e prevenir potenciais falhas do sistema. 

Do físico ao digital: o surgimento das réplicas virtuais

Um gêmeo digital é simplesmente a representação virtual ou réplica de um objeto, pessoa, sistema ou processo físico do mundo real. Para espelhar sua contraparte física, a réplica digital usa dados em tempo real capturados com a ajuda de sensores, simulações e aprendizado de máquina. 

Esta permite o monitoramento, a análise e a previsão do comportamento do ativo físico em vários cenários, permitindo-nos assim fazere melhores decisões.

A capacidade desses gêmeos digitais de se replicarem e interagirem com sistemas complexos os tornou altamente valiosos em todos os setores, onde estão impulsionando melhorias na eficiência, redução de custos e desenvolvimento de tecnologias inovadoras soluções.

De acordo com estimativas da McKinsey, o mercado global de tecnologia de gêmeos digitais atingirá $ 73.5 bilhões até 2027, crescendo 60% ao ano nos próximos cinco anos.

O termo "gêmeo digital" foi adotado por John Vickers, da NASA, em 2010, mas a ideia central surgiu muito antes. A agência espacial desenvolveu a tecnologia para uso em missões de exploração espacial na década de 1960.

Foi em 2002, porém, que o Dr. Michael Grieves anunciou formalmente o conceito e o aplicou à indústria. O conceito foi dividido em três partes principais: o espaço físico real, o espaço virtual dessa parte física e o link que conecta os dois.

Muitos anos depois, em 2011, a Força Aérea dos EUA desenvolveu um gêmeo digital para projetar aeronaves e prever fadiga e manutenção. A partir daí, a tecnologia se expandiu para outras áreas, incluindo aeroespacial, transporte, navegação, manufatura, saúde e aplicações de petróleo e gás.

Em energia renovável, a função principal de um gêmeo digital é coletar dados de sensores locais para reproduzir as operações do sistema físico em um ambiente virtual.

Um gêmeo digital pode ser criado para cada tipo de sistema de energia renovável durante suas fases de ciclo de vida para atender a uma tarefa específica. Esta significa a necessidade de grandes quantidades de dados, incluindo a geometria de cada componente, dados meteorológicos, edições anteriores, previsões históricas, dados experimentais e práticos e dados em tempo real, tornando a aplicação do gêmeo digital no setor complexa e desafiadora. 

A questão é que a aplicação de gêmeos digitais em sistemas de energia renovável não é realmente explorado extensivamente. 

Portanto, o novo estudo analisa profundamente o conceito neste setor específico. Pesquisadores da Universidade de Sharjah realizaram uma exploração aprofundada de gêmeos digitais com tecnologia de IA como uma ferramenta para acelerar a transição para energia limpa.

Em seu artigo, os pesquisadores realizam uma revisão completa da arquitetura, funções, ciclo de vida e aplicações da tecnologia de gêmeos digitais em sistemas de energia renovável.

Para isso, eles usaram IA, aprendizado de máquina (ML) e processamento de linguagem natural (PLN), que lhes permitiram avaliar grandes volumes de dados brutos e descobrir insights significativos sobre padrões estruturados e tendências emergentes.

Com esta pesquisa, a ideia é aproveitar o potencial da tecnologia para melhorar a eficiência e a sustentabilidade, ao mesmo tempo em que aborda os desafios da escassez de dados, processos biológicos complexos, modelagem de equipamentos degradados e variabilidade ambiental.

Otimizando a transição verde: a promessa e os desafios dos gêmeos digitais baseados em IA

À medida que o mundo luta para reduzir as emissões de carbono e Para combater as mudanças climáticas, pesquisadores recorreram a gêmeos digitais com tecnologia de IA para remodelar o futuro da energia.

Essas representações digitais do mundo físico, segundo os pesquisadores, podem transformar a geração, a gestão e a otimização de fontes de energia renováveis, acelerando, por sua vez, a transição para o abandono dos combustíveis fósseis. Mas, para isso, precisamos superar suas limitações notáveis.

Como observaram os pesquisadores, “os gêmeos digitais são altamente eficazes na otimização de sistemas de energia renovável”, mas cada fonte de energia renovável apresenta desafios únicos que podem “limitar o desempenho das tecnologias de gêmeos digitais, apesar de sua promessa considerável na melhoria da geração e gestão de energia”.

Assim, após realizar uma extensa revisão da literatura existente sobre o tema, quanto a como gêmeos digitais estão localizadas sendo usado no setor, reconheceram lacunas de pesquisa, sugeriram diretrizes e abordaram as questões que precisam ser ser endereçado para aproveitar ao máximo a tecnologia de gêmeos digitais no setor de energia renovável.

Um roteiro de pesquisa também é oferecido para ajudar os cientistas a melhorar a confiabilidade e a precisão da tecnologia.

Na sua estudo, pesquisadores definiram vantagens significativas dos gêmeos digitais¹ bem como suas limitaçõesatravessam diversos sistemas de energia renovável. O foco das recomendações feitas pelos pesquisadores está na expansão das capacidades computacionais, no avanço das técnicas de modelagem e no aprimoramento dos métodos de coleta de dados para garantir que os gêmeos digitais possam fornecer insights precisos e confiáveis para a tomada de decisões e a otimização do sistema.

Energia Eólica

A energia eólica aproveita a força do vento para gerar eletricidade. Em 2024, sua contribuição para a geração global de energia cresceu para 8.1%. Ele é definida para se tornar o segundo maior fonte de geração global de eletricidade renovável por trás da energia solar fotovoltaica até o final desta década.

Para converter a energia cinética do vento em eletricidade, turbinas eólicas são instaladas em terra firme e também no mar, fixas ou flutuantes. 

Principalmente, dois tipos de turbinas eólicas são usados aqui. A turbina eólica de eixo vertical (VAWT) é aquela em que a rotação do eixo é perpendicular ao movimento do vento. A outra são as turbinas eólicas de eixo horizontal (HAWT), que giram paralelamente ao fluxo de vento.

Enquanto a HAWT captura a quantidade máxima de energia eólica, ela requer um fluxo de ar estável, sem flutuações consideráveis. Já a VAWT captura o vento de qualquer direção e opera em um local com corrente de vento turbulenta, com menor taxa de geração de energia.

O uso de gêmeos digitais aqui pode ajudar a prever parâmetros desconhecidos e corrigir quaisquer medições imprecisas. 

No entanto, eles enfrentam desafios para modelar e monitorar com precisão fatores e condições ambientais. Dados não confiáveis e lacunas nos dados coletados em áreas remotas ou offshore também criam problemas para gêmeos digitais. Além disso, eles têm dificuldade para simular fatores críticos em turbinas antigas. como degradação da caixa de engrenagens, erosão da lâmina e desempenho do sistema elétrico.

Clique aqui para ver uma lista das principais ações de energia eólica.

Energia solar

O principal impulsionador do crescimento das energias renováveis é a energia solar, que tem contribuído significativamente para a geração de energia limpa há vários anos. Em 2024, ela forneceu mais de 2,000 TWh de energia elétrica, adicionando 474 TWh para atingir uma participação de 6.9%, o que a tornou a fonte de energia de crescimento mais rápido pelo 20º ano consecutivo. 

A maior e mais rápida fonte de nova eletricidade é energia solar. A luz solar é convertida diretamente em eletricidade usando energia fotovoltaica (FV). Um painel fotovoltaico, ou painel solar, contém células fotovoltaicas que são feitos de um semicondutor transmissor de energia. Essas células absorvem a luz solar e convertem energia solar em eletricidade.

Enquanto isso, a energia solar concentrada (ESC) é uma forma indireta de gerar eletricidade, pois lentes ou espelhos são usados para concentrar a luz solar em um ponto focal. 

Em relação à energia solar, os gêmeos digitais utilizam dados em tempo real de sensores para encontrar os principais fatores que influenciam a eficiência e a potência de saída. Apesar do seu potencial, os gêmeos digitais não conseguem prever o desempenho com precisão devido às variações nas condições atmosféricas. Além disso, eles têm dificuldade em monitorar a degradação do painel. e influências ambientais ao longo do tempo, afetando sua precisão e utilidade.

Assim como acontece com a energia eólica, a coleta de dados em áreas remotas ou offshore pode ser escassa ou não confiável aqui.

Clique aqui para ver uma lista das principais ações de energia solar.

Energia Geotérmica

Esta energia renovável é extraído do calor interno do núcleo da Terra e is usava para aquecimento e resfriamento, além de geração de eletricidade. Sua participação de energia renovável é inferior a 3%.

Gêmeos digitais podem ajudar a simular todo o processo operacional de utilização de energia geotérmica, especialmente o processo de perfuração. Ao facilitar a análise de custos e prever a fadiga, eles podem economizar tempo e custos associados à operação.

O maior desafio aqui é a disponibilidade limitada de dados de alta qualidade, o que prejudica a capacidade da tecnologia de simular incertezas e condições geológicas abaixo da superfície da Terra. Além disso, existem comportamentos complexos de longo prazo da energia geotérmica. sistemas, como transferência de calor e fluxo de fluidos dinâmicas, que são difíceis de serem modeladas por gêmeos digitais.

Energia Hidrelétrica

A energia hidrelétrica utiliza o fluxo de água para produzir energia. Aproveita os efeitos da gravidade e da altitude.

Em 2024, a energia hidrelétrica representava a maior parte da geração global de eletricidade por meio de tecnologias de energia renovável. Mas a participação de 14% dessa maior fonte renovável é esperado pela AIE ver um declínio de um por cento até 2030, já que o uso crescente de energia solar fotovoltaica e eólica torna a energia hidrelétrica menos proeminente. ainda é esperado para crescer à medida que novos projetos se tornam ativos. 

A energia hidrelétrica está associada a altos custos de construção, afeta negativamente a qualidade da água e tem uma influência adversa nos habitats dos animais.

Gêmeos digitais podem ser aplicados à energia hidrelétrica para simular o sistema e identificar fatores que o impactam. Em usinas mais antigas, eles podem ajudar a aliviar o impacto da fadiga dos trabalhadores na produtividade. Escaneamento a laser 3D é usado aqui para detectar construção de fadiga com boa relação custo-benefício.

O desafio, no entanto, é a escassez de dados, o desempenho antigo da infraestrutura e a modelagem precisa da complexa variabilidade do fluxo de água, bem como o monitoramento de restrições ambientais e ecológicas.

Energia de biomassa

Este tipo de energia é derivado a partir de material orgânico, que envolve decomposto Animais e plantas. Pode ser extraído de várias fontes sólidas, líquidas e gasosas, como metano, agrícola culturas, óleos vegetais, esterco animal e resíduos sólidos urbanos.

Os modelos baseados em IA podem ajudar a melhorar a funcionalidade e a operação da energia de biomassa, oferecendo uma compreensão mais profunda de todo o processo e da configuração da planta, como um queimador.

Mas, quando aplicados a este sistema de energia renovável, os gêmeos digitais têm dificuldade em modelar com precisão a conversão de biomassa e os processos biológicos, bioquímicos e termoquímicos. Eles também enfrentam desafios na simulação do fornecimento completo da cadeia de produção de energia de biomassa.

Investindo na tecnologia do gêmeo digital

Agora, se olharmos para uma oportunidade de investimento neste espaço, PTC Inc. (PTC ) se destaca por seu foco principal em gêmeos digitais e forte desempenho de mercado. A empresa global de software permite a fabricação e o desenvolvimento de produtos empresas para transformar digitalmente a forma como projetam, fabricam e prestam serviços produtos físicos.

PTC Inc. (PTC )

O conjunto de produtos da PTC inclui o Windchill para software de gerenciamento de ciclo de vida de produtos empresariais, o Creo para criar produtos com CAD/CAM/CAE, o software ALM Codebeamer para desenvolvimento moderno, o ServiceMax centrado em ativos para gerenciamento de serviços, a plataforma PLM nativa da nuvem Arena, a plataforma CAD nativa da nuvem Onshape, o Kepware para acessar e controlar dados industriais, o ThingWorx para criar e implementar aplicativos industriais de Internet das Coisas (IIoT), a plataforma de RA empresarial escalável Vuforia, o Servigistics para gerenciamento de peças de serviço e o Arbortext para criar, gerenciar e entregar conteúdo de forma eficiente.

Os gêmeos digitais da PTC também têm sido usado em todo o setor de energia renovável. 

Há alguns anos, o grupo francês de energia ENGIE uniu-se à empresa para desenvolver um forno virtual para auxiliar na transição de ativos industriais. A EDF, por sua vez, utilizou o ThingWorx e o Vuforia para monitorar operações, aprimorar o treinamento de trabalhadores e simular tarefas críticas de manutenção em seus sistemas de usinas nucleares. A Howden aplicou a tecnologia para aprimorar seus compressores e ventiladores utilizados em petróleo e gás e geração de energia.

Em termos de desempenho de mercado, as ações da PTC atingiram uma máxima histórica (ATH) acima de US$ 219, registrando uma valorização de 16.83% no acumulado do ano, com alta de 57.5% desde abril. Com isso, a empresa tem um lucro por ação (LPA) de 4.24 e um P/L de 50.64.

Para o terceiro trimestre fiscal de 2025, relatado um crescimento de 14% no fluxo de caixa operacional e livre, que chegou a US$ 850 milhões.

“O terceiro trimestre foi outro trimestre sólido de execução para a PTC”, observou Neil Barua, presidente e CEO da PTC, ao compartilhar o progresso em CAD, PLM, ALM, SLM e SaaS com novas ofertas de produtos e melhorias.

Durante este trimestre, a empresa fez US$ 75 milhões em recompras de ações como parte de sua autorização de US$ 2 bilhões.

Esta semana, a PTC expandiu sua colaboração com a NVIDIA ao anunciar a integração das tecnologias NVIDIA Omniverse no Creo e no Windchill para ajudar as empresas a melhorar a qualidade dos produtos, acelerar o desenvolvimento e colaborar de forma mais eficaz em produtos complexos em todo o seu ciclo de vida.

“Os produtos mais avançados de hoje — de hardware de IA a máquinas industriais — são mais complexos, integrados e exigem mais engenharia do que nunca”, disse Barua, observando que, com essa colaboração, “estamos dando aos nossos clientes a capacidade de incorporar dados de design e configuração em um ambiente de simulação imersivo em tempo real”.

No início deste ano, a PTC lançou o ServiceMax AI, que aproveitará o histórico completo documentado de dados de equipamentos, histórico de serviços e muito mais para ajudar as organizações a modernizar seus fluxos de trabalho e os técnicos de serviço de campo a realizar mais trabalho em menos tempo.

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Considerações finais sobre gêmeos digitais e energia limpa

A tecnologia dos gêmeos digitais surgiu como uma solução eficaz Instrumento para otimizar sistemas de energia renovável. Embora seu potencial para maximizar a eficiência, a previsão e a integração de sistemas seja indiscutível, ele também apresenta desvantagens.

É somente superando os desafios de disponibilidade de dados, gerenciando ambientes de modelagem complexos e construindo soluções escaláveis e econômicas que a verdadeira adoção pode ser alcançada. 

Então, à medida que o mundo faz uma transição para fontes de energia renováveis em ordem para reduzir emissões de carbono e combate às mudanças climáticas, os gêmeos digitais podem definir a próxima era da energia verde.

Referências:

1. Semeraro, C., Aljaghoub, H., Al-Ali, HKMH, Abdelkareem, MA, & Olabi, AG “Aproveitando o futuro: explorando aplicações e implicações de gêmeos digitais em energia renovável”. Nexo Energético, vol. 18, 1 de junho de 2025, p. 100415. ScienceDirect. https://doi.org/10.1016/j.nexus.2025.100415