الاستدامة
كيف ستقود التوائم الرقمية مستقبل الطاقة المتجددة
منذ عدة قرون الآن، نستخدم موارد النفط والغاز لتوليد الكهرباء وتشغيل المركبات والطائرات، كما أنها تشكل الأساس لمجموعة واسعة من المنتجات، بما في ذلك المطاط، البلاستيك والأسمدة والأدوية.
يتم إنتاج هذه الموارد الطبيعية غير المتجددة من الكربون والهيدروجين وتشكل ما يصل إلى 84% من توليد الطاقة في العالم. لكن الاستخدام المكثف لهذه الموارد المحدودة والتقليدية أدى إلى التلوث والأضرار البيئية.
عن طريق الإفراج الغازات الدفيئة السامة والملوثات الضارة، لقد تم استخراج وحرق الوقود الأحفوري المساهمة في تغير المناخ والاحتباس الحراري، والتأثير على صحة الإنسان والنظم البيئية.
إن الحل الرئيسي لهذا التأثير السلبي الكبير على الكوكب والناجم عن موارد النفط والغاز هو التحول من الوقود الأحفوري إلى مصادر الطاقة المتجددة.
طاقة متجددة يتم استخراجه من مصادر بيئية كالطقس والموقع الجغرافي. إنها طاقة خضراء خالية من الانبعاثات.
تعد الطاقة الشمسية وطاقة الرياح والطاقة الكهرومائية والطاقة الحرارية الأرضية وطاقة الكتلة الحيوية من أبرز الأمثلة على مصادر الطاقة المتجددة والمستدامة.
على مدى العقد الماضي، اتجه العالم إلى مصادر الطاقة المتجددة كوسيلة للتحول إلى الطاقة الخضراء، مما أدى إلى زيادة ثابتة في استخدامها عبر مختلف التطبيقات.
وفقًا لوكالة الطاقة الدولية (IEA)، فإن الطاقة المتجددة الاستهلاك في قطاعات الطاقة والتدفئة والنقل is التوقعات لزيادة بنحو 60% بين عامي 2024 و2030، وهو ما من شأنه أن يعزز حصة مصادر الطاقة المتجددة في الاستهلاك النهائي للطاقة من من 13% في عام 2023 إلى ما يقرب من 20% بحلول عام 2030.
في حين أن دمج هذه الموارد الطبيعية في توليد الطاقة وتخزين الطاقة والنقل مفيد للبيئة، فإنه يأتي مع الخاصة تحدياتٌ ناجمة عن طبيعتها المتقطعة واعتمادها الكبير على عوامل خارجية كالفصول والموقع. يتطلب هذا الاعتماد نظامًا لتخزين الطاقة.
هناك أيضًا تكلفة أولية عالية للبنية التحتية المرتبطة بمصادر الطاقة المتجددة، في حين أن معدل توليد الطاقة بطيء.
ونتيجة لذلك، فإن المصادر التقليدية لا تزال تستخدم لأغلب توليد الطاقة. هذه يُبرز هذا أهمية وضع استراتيجية وتكنولوجيا جديدة للتعامل بشكل أفضل مع هذه التحديات. وهذا يعني فهم ودراسة وتحليل سلوك كل نظام خلال مراحل التصميم والإنتاج والخدمات خلال دورة حياة كل نظام طاقة متجددة. هذه وهنا يأتي دور تقنية التوأم الرقمي (DT).
وتستفيد هذه التقنية من النماذج التكيفية لمحاكاة أداء الأنظمة المادية في الوقت الفعلي في بيئة رقمية، مما يساعد بدوره في التنبؤ بفشل النظام المحتمل ومنعه.
من المادي إلى الرقمي: ظهور النسخ الافتراضية
التوأم الرقمي هو ببساطة تمثيل افتراضي أو نسخة طبق الأصل لشيء أو شخص أو نظام أو عملية مادية في العالم الحقيقي. ولمحاكاة نظيره المادي، تُعدّ النسخة الرقمية يستخدم البيانات في الوقت الفعلي التي تم التقاطها بمساعدة أجهزة الاستشعار، المحاكاة والتعلم الآلي.
هذه يسمح بمراقبة وتحليل والتنبؤ بسلوك الأصول المادية في سيناريوهات مختلفة، مما يسمح لنا باتخاذ القرارات المناسبة.وقرارات أفضل.
إن قدرة هذه التوائم الرقمية على تكرار الأنظمة المعقدة والتفاعل معها جعلتها ذات قيمة عالية في مختلف الصناعات، حيث تقود تحسينات في الكفاءة وخفض التكاليف وتطوير الابتكارات حلول.
وفقًا لتقديرات ماكينزي، فإن السوق العالمية لتكنولوجيا التوأم الرقمي ستصل إلى 73.5 مليار دولار بحلول 2027، بمعدل نمو سنوي قدره 60% على مدى السنوات الخمس المقبلة.
اعتمد جون فيكرز من ناسا مصطلح "التوأم الرقمي" عام ٢٠١٠، إلا أن الفكرة الأساسية له ظهرت قبل ذلك بكثير. في الواقع، طورت وكالة الفضاء هذه التقنية لاستخدامها في مهمات استكشاف الفضاء في ستينيات القرن الماضي.
في عام ٢٠٠٢، أعلن الدكتور مايكل جريفز رسميًا عن هذا المفهوم وطبقه في مجال التصنيع. تم تقسيمه إلى ثلاثة أجزاء رئيسية: المساحة المادية الفعلية، والمساحة الافتراضية لهذا الجزء المادي، والرابط الذي يربط الاثنين.
بعد سنوات عديدة، في عام ٢٠١١، طوّرت القوات الجوية الأمريكية توأمًا رقميًا لتصميم الطائرات والتنبؤ بالتعب والصيانة. ومن هنا، انتشرت هذه التقنية في مجالات أخرى، بما في ذلك الفضاء، والنقل، والشحن، والتصنيع، والرعاية الصحية، وتطبيقات النفط والغاز.
في مجال الطاقة المتجددة، تتمثل الوظيفة الأساسية للتوأم الرقمي في جمع البيانات من أجهزة الاستشعار الموجودة في الموقع لإعادة إنتاج عمليات النظام المادي في بيئة افتراضية.
يمكن إنشاء توأم رقمي لكل نوع من أنظمة الطاقة المتجددة خلال مراحل دورة حياتها لخدمة مهمة محددة. هذه وهذا يعني الحاجة إلى كميات هائلة من البيانات، بما في ذلك هندسة كل مكون، وبيانات الطقس، والقضايا السابقة، والتنبؤات التاريخية، والبيانات التجريبية والعملية، والبيانات في الوقت الفعلي، مما يجعل تطبيق التوأم الرقمي في القطاع معقدًا وتحديًا.
الحقيقة هي أن تطبيق التوائم الرقمية في أنظمة الطاقة المتجددة لم يتم استكشاف ذلك حقًا على نطاق واسع.
لذا، تُجري الدراسة الجديدة بحثًا مُعمّقًا في هذا المفهوم في هذا القطاع تحديدًا. وقد أجرى باحثون في جامعة الشارقة دراسةً مُعمّقةً للتوائم الرقمية المُدعّمة بالذكاء الاصطناعي كأداةٍ لتسريع التحوّل إلى الطاقة النظيفة.
في ورقتهم البحثية، أجرى الباحثون مراجعة شاملة للهندسة المعمارية والوظائف ودورة الحياة والتطبيقات تكنولوجيا التوأم الرقمي في أنظمة الطاقة المتجددة.
ولتحقيق هذه الغاية، استخدموا الذكاء الاصطناعي والتعلم الآلي ومعالجة اللغة الطبيعية، مما سمح لهم بتقييم كميات كبيرة من البيانات الخام واكتشاف رؤى مفيدة حول الأنماط المنظمة والاتجاهات الناشئة.
تهدف هذه الأبحاث إلى الاستفادة من إمكانات التكنولوجيا لتحسين الكفاءة والاستدامة مع معالجة تحديات ندرة البيانات، والعمليات البيولوجية المعقدة، ونمذجة المعدات المتدهورة، والتغيرات البيئية.
تحسين التحول الأخضر: الوعد والتحديات التي توفرها التوائم الرقمية المدعومة بالذكاء الاصطناعي
بينما يكافح العالم من أجل الحد من انبعاثات الكربون في إطار مكافحة تغير المناخ، لجأ الباحثون إلى التوائم الرقمية المدعومة بالذكاء الاصطناعي لإعادة تشكيل مستقبل الطاقة.
يرى الباحثون أن هذه التمثيلات الرقمية للعالم المادي قادرة على إحداث نقلة نوعية في توليد وإدارة وتحسين مصادر الطاقة المتجددة، مما يُسرّع بدوره من عملية التحول عن الوقود الأحفوري. ولكن لتحقيق ذلك، علينا التغلب على محدوديتها الملحوظة.
وكما أشار الباحثون، فإن "التوائم الرقمية فعالة للغاية في تحسين أنظمة الطاقة المتجددة"، ولكن كل مصدر للطاقة المتجددة يطرح تحديات فريدة من نوعها يمكن أن "تحد من أداء تقنيات التوأم الرقمي، على الرغم من وعودها الكبيرة في تحسين توليد الطاقة وإدارتها".
لذا، بعد إجراء مراجعة شاملة للأدبيات الموجودة حول هذا الموضوع، أما بالنسبة لكيفية التوائم الرقمية . تم استخدامها في هذا القطاع، أدركوا وجود فجوات بحثية، واقترحوا إرشادات، وغطوا القضايا التي تحتاج إلى معالجة. سيتم معالجتها للاستفادة الكاملة من تقنية التوأم الرقمي في قطاع الطاقة المتجددة.
خريطة طريق بحثية يتم تقديمه أيضًا لمساعدة العلماء على تعزيز موثوقية ودقة التكنولوجيا.
في دراسةأطلقت حملة حدد الباحثون مزايا كبيرة للتوائم الرقمية1 وكذلك حدودهاعبر مختلف أنظمة الطاقة المتجددة. تركز توصيات الباحثين على توسيع القدرات الحسابية، وتطوير تقنيات النمذجة، وتحسين أساليب جمع البيانات لضمان قدرة التوائم الرقمية على تقديم رؤى دقيقة وموثوقة لاتخاذ القرارات وتحسين النظام.
| نوع الطاقة | فوائد التوائم الرقمية | التحديات الرئيسية |
|---|---|---|
| ريح | التنبؤ بالأعطال وتحسين الأداء | فجوات البيانات في المناطق البحرية والأنظمة القديمة |
| الطاقة الشمسية | تحسين مخرجات اللوحة ومراقبة الظروف | التقلبات الجوية وتدهور الألواح |
| الطاقة الحرارية الأرضية | نموذج الحفر، التنبؤ بالتعب | عدم اليقين الجيولوجي، وبيانات باطن الأرض المحدودة |
| الطاقة الكهرومائية | محاكاة التدفقات وتحسين الصيانة | نمذجة تقلبات المياه والبنية التحتية القديمة |
| الكتلة الحيوية | تحسين عمليات المصنع، وتحليل التحويل | النمذجة الكيميائية المعقدة، محاكاة السلسلة |
طاقة الرياح
تستغل طاقة الرياح قوة الرياح لتوليد الكهرباء. في عام 2024، مساهمتها في توليد الطاقة العالمية ارتفعت إلى 8.1%. هذا تم تعيين لتصبح ثاني أكبر مصدر عالمي لتوليد الكهرباء المتجددة من خلال الطاقة الشمسية الكهروضوئية بنهاية هذا العقد.
لتحويل الطاقة الحركية للرياح إلى كهرباء، يتم تركيب توربينات الرياح على الشاطئ وعلى اليابسة وكذلك في البحر، إما ثابتة أو عائمة.
بشكل أساسي، هناك نوعان من توربينات الرياح وتستخدم هنا. توربينات الرياح ذات المحور الرأسي (VAWT) هي توربينات يكون دوران محورها عموديًا على حركة الرياح. أما النوع الآخر فهو توربينات الرياح ذات المحور الأفقي (HAWT)، التي تدور بالتوازي مع تيار الرياح.
بينما تلتقط توربينات الرياح ذات المحور الأفقي (HAWT) أقصى قدر من طاقة الرياح، فإنها تتطلب تدفقًا هوائيًا مستقرًا دون تقلبات كبيرة. أما توربينات الرياح ذات المحور العمودي (VAWT)، فتلتقط الرياح من أي اتجاه وتعمل في مواقع تيارات الرياح المضطربة بمعدل توليد طاقة أقل.
إن استخدام التوائم الرقمية هنا يمكن أن يساعد في التنبؤ بالمعلمات غير المعروفة وتصحيح أي قياسات غير دقيقة.
ومع ذلك، يواجهون تحديات في نمذجة العوامل والظروف البيئية ورصدها بدقة. كما أن البيانات غير الموثوقة والفجوات في البيانات المجمعة من المناطق النائية أو البحرية تُشكل أيضًا مشكلات للتوائم الرقمية. علاوة على ذلك، يواجهون صعوبة في محاكاة العوامل الحرجة في توربينات الشيخوخة. مثل تدهور علبة التروس، وتآكل الشفرات، وأداء النظام الكهربائي.
انقر هنا للحصول على قائمة بأفضل أسهم طاقة الرياح.
طاقة شمسية
تُعدّ الطاقة الشمسية المحرك الرئيسي لنمو مصادر الطاقة المتجددة، حيث تُساهم بأكبر قدر في توليد الطاقة النظيفة منذ عدة سنوات. وفي عام ٢٠٢٤، وفّرت أكثر من 2,000 تيرا من الكهرباء، بإضافة 474 تيراواط ساعة لتصل إلى حصة 6.9%، مما جعلها أسرع مصدر للطاقة نموًا للعام العشرين على التوالي.
أسرع مصدر للكهرباء الجديدة نموًا وأكبرها هي الطاقة الشمسيةيتم تحويل ضوء الشمس مباشرةً إلى كهرباء باستخدام الخلايا الكهروضوئية (PV). تحتوي لوحة الطاقة الشمسية على خلايا كهروضوئية مصنوعة خلايا شبه موصلة لنقل الطاقة. تمتص هذه الخلايا ضوء الشمس وتحوله إلى كهرباء.
وفي الوقت نفسه، تعد الطاقة الشمسية المركزة (CSP) طريقة غير مباشرة لتوليد الكهرباء، حيث يتم استخدام العدسات أو المرايا لتركيز ضوء الشمس في نقطة محورية.
فيما يتعلق بالطاقة الشمسية، تستخدم التوائم الرقمية بيانات آنية من أجهزة الاستشعار لتحديد العوامل الرئيسية المؤثرة على الكفاءة وقوة الإنتاج. على الرغم من إمكاناتها، لا تستطيع التوائم الرقمية هنا التنبؤ بالأداء بدقة بسبب تغيرات الظروف الجوية. كما أنها تواجه صعوبة في مراقبة تدهور الألواح. و التأثيرات البيئية بمرور الوقت، مما يؤثر على دقتها وفائدتها.
وكما هو الحال مع طاقة الرياح، فإن جمع البيانات من المناطق النائية أو البحرية قد يكون نادرًا أو غير موثوق به هنا.
انقر هنا للحصول على قائمة بأفضل أسهم الطاقة الشمسية.
الطاقة الحرارية الأرضية
هذه الطاقة المتجددة هي يتم استخراجها من الحرارة الداخلية لنواة الأرض و is مستعمل للتدفئة والتبريد بالإضافة إلى توليد الكهرباء. وتبلغ حصتها من الطاقة المتجددة أقل من 3%.
يمكن للتوائم الرقمية أن تُساعد في محاكاة كامل عملية استخدام الطاقة الحرارية الأرضية، وخاصةً عملية الحفر. ومن خلال تسهيل تحليل التكاليف والتنبؤ بالإرهاق، يُمكنها توفير الوقت والتكلفة المرتبطة بالعملية.
التحدي الأكبر هنا هو محدودية توافر البيانات عالية الجودة، مما يعيق قدرة التكنولوجيا على محاكاة الشكوك والظروف الجيولوجية تحت سطح الأرض. ثم هناك سلوكيات معقدة طويلة المدى للطاقة الحرارية الأرضية. الأنظمة، مثل نقل الحرارة وتدفق السوائل الديناميكيات، والتي من الصعب على التوائم الرقمية نمذجتها.
الطاقة الكهرومائية
تستخدم الطاقة الكهرومائية تدفق المياه يُنتج الطاقة. فهو يستغل تأثيرات الجاذبية والارتفاع.
في عام ٢٠٢٤، ستُشكّل الطاقة الكهرومائية مُعظم توليد الكهرباء العالمي باستخدام تكنولوجيا الطاقة المُتجددة. لكن حصة هذا المصدر المُتجدد الأكبر، والبالغة ١٤٪، هي... المتوقع من قبل وكالة الطاقة الدولية من المتوقع أن نشهد انخفاضًا بنسبة واحد بالمائة بحلول عام 2030، حيث أن الاستخدام المتزايد للطاقة الشمسية الكهروضوئية وطاقة الرياح يجعل الطاقة الكهرومائية أقل أهمية. لا يزال متوقعا للنمو مع تفعيل المشاريع الجديدة.
ترتبط الطاقة الكهرومائية بتكاليف البناء المرتفعة، وتؤثر سلبًا على جودة المياه، ولها تأثير سلبي على موائل الحيوانات.
يمكن تطبيق التوائم الرقمية على الطاقة الكهرومائية لمحاكاة النظام وتحديد العوامل المؤثرة عليه. في المحطات القديمة، يمكن أن تساعد في تخفيف تأثير إرهاق العمال على الإنتاجية. المسح الضوئي ثلاثي الأبعاد بالليزر ويستخدم هنا للكشف عن بناء التعب الفعال من حيث التكلفة.
لكن التحدي يكمن في ندرة البيانات، وأداء البنية الأساسية القديمة، والنمذجة الدقيقة لتقلبات تدفق المياه المعقدة، فضلاً عن مراقبة القيود البيئية والإيكولوجية.
طاقة الكتلة الحيوية
هذا النوع من الطاقة مشتق من المواد العضوية، والتي تنطوي على متحللة الحيوانات والنباتات. يمكن استخراجه من مصادر مختلفة صلبة وسائلة وغازية مثل الميثان، زراعي المحاصيل، والزيوت النباتية، وروث الحيوانات، والنفايات الصلبة البلدية.
يمكن أن تساعد النماذج المعتمدة على الذكاء الاصطناعي في تحسين وظائف وتشغيل طاقة الكتلة الحيوية من خلال تقديم فهم أعمق للعملية بأكملها وإعداد المصنع، مثل الموقد.
ولكن عند تطبيقها على نظام الطاقة المتجددة هذا، تواجه التوائم الرقمية صعوبة في نمذجة تحويل الكتلة الحيوية والعمليات البيولوجية والكيميائية الحيوية والكيميائية الحرارية بدقة. كما تواجه تحديات في محاكاة الإمداد الكامل لسلسلة إنتاج طاقة الكتلة الحيوية.
الاستثمار في تقنية التوأم الرقمي
الآن، إذا نظرنا إلى فرصة استثمارية في هذا المجال، شركة PTC (PTC ) تتميز الشركة بتركيزها على التوأم الرقمي الأساسي والأداء القوي في السوق. تتيح شركة البرمجيات العالمية التصنيع وتطوير المنتجات الشركات لتحويل طريقة تصميمها وتصنيعها وخدمتها رقميًا المنتجات المادية.
شركة PTC (PTC )
تتضمن مجموعة منتجات PTC برنامج Windchill لإدارة دورة حياة المنتج للمؤسسات، وبرنامج Creo لبناء المنتجات باستخدام CAD/CAM/CAE، وبرنامج ALM Codebeamer للتطوير الحديث، وبرنامج ServiceMax المرتكز على الأصول لإدارة الخدمة، ومنصة Arena PLM السحابية الأصلية، ومنصة Onshape CAD السحابية الأصلية، وKepware للوصول إلى البيانات الصناعية والتحكم فيها، وThingWorx لبناء ونشر تطبيقات إنترنت الأشياء الصناعية (IIoT)، ومنصة Vuforia AR القابلة للتطوير للمؤسسات، وServigistics لإدارة أجزاء الخدمة، وArbortext لإنشاء وإدارة وتسليم المحتوى بكفاءة.
كما أن التوائم الرقمية لشركة PTC أستخدم في قطاع الطاقة المتجددة.
قبل عامين، تعاونت شركة إنجي الفرنسية للطاقة مع شركة هاودن لتطوير فرن افتراضي للمساعدة في نقل الأصول الصناعية. في الوقت نفسه، استخدمت شركة كهرباء فرنسا (EDF) منصتي ثينج ووركس وفوفوريا لمراقبة العمليات، وتحسين تدريب العاملين، ومحاكاة مهام الصيانة الحرجة لأنظمة محطات الطاقة النووية التابعة لها. أما هاودن، فقد طبقت هذه التقنية لتحسين ضواغطها ومراوحها المستخدمة في قطاع النفط والغاز وتوليد الطاقة.
فيما يتعلق بأداء السوق، سجلت أسهم PTC أعلى مستوى لها على الإطلاق (ATH) متجاوزةً 219 دولارًا أمريكيًا، مسجلةً ارتفاعًا بنسبة 16.83% منذ بداية العام وحتى تاريخه، بينما ارتفعت بنسبة 57.5% منذ أبريل. وبذلك، بلغ ربح السهم (EPS) 4.24، ونسبة السعر إلى الربحية (P/E) 50.64.
(PTC )
بالنسبة للربع المالي الثالث من عام 2025، وذكرت نمو بنسبة 14% في التشغيل والتدفق النقدي الحر، والذي بلغ 850 مليون دولار.
وأشار نيل باروا، الرئيس والمدير التنفيذي لشركة PTC، إلى أن "الربع الثالث كان ربعًا قويًا آخر من التنفيذ لشركة PTC"، حيث شارك التقدم المحرز في CAD وPLM وALM وSLM وSaaS مع عروض المنتجات الجديدة والتحسينات.
خلال هذا الربع، قامت الشركة بإعادة شراء أسهم بقيمة 75 مليون دولار كجزء من تفويضها البالغ 2 مليار دولار.
هذا الأسبوع، وسعت شركة PTC تعاونها مع NVIDIA من خلال الإعلان عن دمج تقنيات NVIDIA Omniverse في Creo وWindchill لمساعدة الشركات على تحسين جودة المنتجات وتسريع التطوير والتعاون بشكل أكثر فعالية على المنتجات المعقدة عبر دورة حياتها بالكامل.
وقال باروا: "إن المنتجات الأكثر تقدمًا اليوم - من أجهزة الذكاء الاصطناعي إلى الآلات الصناعية - أصبحت أكثر تعقيدًا وتكاملًا وكثافة هندسية من أي وقت مضى"، مشيرًا إلى أنه من خلال هذا التعاون، "نحن نمنح عملاءنا القدرة على دمج بيانات التصميم والتكوين في بيئة محاكاة غامرة في الوقت الفعلي".
في وقت سابق من هذا العام، أصدرت شركة PTC خدمة ServiceMax AI، والتي ستستفيد من التاريخ الكامل الموثق لبيانات المعدات وسجل الخدمة والمزيد لمساعدة المؤسسات على تحديث سير العمل الخاصة بها وتمكين فنيي الخدمة الميدانية من إنجاز المزيد من العمل في وقت أقل.
الأحدث شركة PTC أخبار وتطورات أسهم (PTC)
الأفكار النهائية حول التوائم الرقمية والطاقة النظيفة
لقد برزت تقنية التوأم الرقمي كتقنية فعالة أداةٌ لتحسين أنظمة الطاقة المتجددة. ورغم أن قدرتها على تعظيم الكفاءة والتنبؤ وتكامل الأنظمة لا جدال فيها، إلا أنها تعاني أيضًا من بعض العيوب.
لا يمكن تحقيق ذلك إلا من خلال التغلب على تحديات توفر البيانات، وإدارة بيئات النمذجة المعقدة، وبناء حلول فعالة من حيث التكلفة وقابلة للتطوير يمكن تحقيق التبني الحقيقي.
لذا، مع تحول العالم نحو مصادر الطاقة المتجددة كي للحد من في ظل الجهود المبذولة للحد من انبعاثات الكربون ومكافحة تغير المناخ، من المتوقع أن تحدد التوائم الرقمية العصر القادم للطاقة الخضراء.
المراجع:
1. سيميرارو، سي، الجاغوب، هـ، العلي، إتش كيه إم إتش، عبد الكريم، إم إيه، وأولابي، إيه جي "تسخير المستقبل: استكشاف تطبيقات التوأم الرقمي وتأثيراته في مجال الطاقة المتجددة". رابطة الطاقة، المجلد 18، 1 يونيو 2025، ص 100415. ساينس دايركت. https://doi.org/10.1016/j.nexus.2025.100415
