קיימות
כיצד תאומים דיגיטליים יניעו את עתיד האנרגיה המתחדשת
במשך כמה מאות שנים, אנו משתמשים במשאבי נפט וגז לייצור חשמל, להנעת כלי רכב ומטוסים, ומשמשים כבסיס עבור מגוון רחב של מוצרים, כולל גומי, פלסטיק, דשנים ותרופות.
משאבים טבעיים בלתי מתחדשים אלה מופקים מפחמן ומימן ומספקים עד 84% מייצור החשמל העולמי. עם זאת, השימוש הנרחב במשאבים סופיים וקונבנציונליים אלה הוביל לזיהום ולנזק סביבתי.
על ידי שחרור גזי חממה רעילים ומזהמים מזיקים, הפקת ושריפת דלקים מאובנים היו תורם לשינויי האקלים ולהתחממות כדור הארץ, ומשפיע על בריאות האדם והמערכות האקולוגיות.
פתרון מרכזי להשפעה השלילית משמעותית זו על כדור הארץ הנגרמת על ידי משאבי נפט וגז הוא מעבר מדלקים מאובנים למקורות אנרגיה מתחדשים.
אנרגיה מתחדשת מופק ממקורות סביבתיים כגון מזג אוויר ומיקום גיאוגרפי. זוהי אנרגיה ירוקה ללא פליטות.
אנרגיה סולארית, רוח, הידרואלקטרית, גיאותרמית וביומסה הן הדוגמאות הבולטות ביותר למקורות אנרגיה מתחדשים, שהם בני קיימא.
במהלך העשור האחרון, העולם פנה למקורות אנרגיה מתחדשים אלה כדרך לבצע מעבר לאנרגיה ירוקה, וכתוצאה מכך גדל השימוש בהם באופן עקבי במגוון תחומים. יישומים.
על פי הסוכנות הבינלאומית לאנרגיה (IEA), אנרגיה מתחדשת צריכה במגזרי החשמל, החימום והתחבורה is תחזית להגדיל בכ-60% בין 2024 ל-2030, מה שיגביר חלקן של אנרגיות מתחדשות בצריכת האנרגיה הסופית מ מ-13% בשנת 2023 לכמעט 20% עד 2030.
למרות היותו מועיל לסביבה, שילוב משאבים טבעיים אלה בייצור חשמל, אחסון אנרגיה ותחבורה מגיע עם השלכותיו. שֶׁלוֹ אתגרים עקב אופיים הסתעפות והסתמכותם הרבה על גורמים חיצוניים כמו עונה ומיקום. תלות זו דורשת מערכת אחסון אנרגיה.
ישנה גם עלות תשתית ראשונית גבוהה הכרוכה במקורות אנרגיה מתחדשים, בעוד שהן דירוג של ייצור החשמל איטי.
כתוצאה מכך, מקורות קונבנציונליים עדיין בשימוש עבור רוב ייצור החשמל. זֶה מקשה על גיבוש אסטרטגיה וטכנולוגיה חדשות כדי להתמודד טוב יותר עם אתגרים אלה. משמעות הדבר היא הבנה, לימוד וניתוח של התנהגות הפרמטרים של כל מערכת במהלך שלבי התכנון, הייצור והשירות של מחזור החיים השימושי של כל מערכת אנרגיה מתחדשת. זֶה זה המקום שבו נכנסת לתמונה טכנולוגיית התאומים הדיגיטליים (DT).
הטכנולוגיה עושה שימוש במודלים אדפטיביים כדי לדמות את הביצועים בזמן אמת של מערכות פיזיות בסביבה דיגיטלית, ובכך מסייעת לחזות ולמנוע כשלים פוטנציאליים במערכת.
מפיזי לדיגיטלי: הופעתן של רפליקות וירטואליות
תאום דיגיטלי הוא פשוט ייצוג או העתק וירטואלי של אובייקט, אדם, מערכת או תהליך פיזיים מהעולם האמיתי. כדי לשקף את מקבילו הפיזי, העתק דיגיטלי משתמש בנתונים בזמן אמת הנאספים בעזרת חיישנים, סימולציות ולמידת מכונה.
זֶה מאפשר ניטור, ניתוח וחיזוי של התנהגות הנכס הפיזי בתרחישים שונים, ובכך מאפשר לנו לבצעהחלטות טובות יותר.
היכולת של תאומים דיגיטליים אלה לשכפל ולקיים אינטראקציה עם מערכות מורכבות הפכה אותם בעלי ערך רב בתעשיות השונות, בהן הם מובילים... שיפורים ביעילות, הפחתת עלויות ופיתוח טכנולוגיה חדשנית פתרונות.
על פי הערכות מקינזי, השוק העולמי לטכנולוגיית התאומים הדיגיטליים יגיע ל... 73.5 מליארד דולרים על ידי 2027, שצומחת ב-60% מדי שנה בחמש השנים הבאות.
המונח "תאום דיגיטלי" אומץ על ידי ג'ון ויקרס מנאס"א בשנת 2010, אך הרעיון המרכזי לו הגיע הרבה קודם לכן. סוכנות החלל פיתחה למעשה את הטכנולוגיה לשימוש במשימות חקר חלל בשנות ה-1960.
אולם, בשנת 2002 הכריז ד"ר מייקל גריבס רשמית על הקונספט ויישם אותו בייצור. חולק לשלושה חלקים עיקריים: המרחב הפיזי בפועל, המרחב הווירטואלי של אותו חלק פיזי, והקשר המחבר בין השניים.
שנים רבות לאחר מכן, בשנת 2011, פותח תאום דיגיטלי על ידי חיל האוויר האמריקאי לתכנון מטוסים ולניבוי עייפות ותחזוקה. משם, הטכנולוגיה התפשטה לתחומים אחרים, כולל תעופה וחלל, תחבורה, ספנות, ייצור, שירותי בריאות ויישומי נפט וגז.
באנרגיה מתחדשת, התפקיד העיקרי של תאום דיגיטלי הוא איסוף נתונים מחיישנים באתר כדי לשחזר את פעולות המערכת הפיזית בסביבה וירטואלית.
ניתן ליצור תאום דיגיטלי עבור כל אחד מהם סוג של מערכת אנרגיה מתחדשת במהלך שלבי מחזור החיים שלה כדי לשרת משימה ספציפית. זֶה פירושו צורך בכמויות עצומות של נתונים, כולל הגיאומטריה של כל רכיב, נתוני מזג אוויר, בעיות קודמות, תחזיות היסטוריות, נתונים ניסיוניים ומעשיים ונתונים בזמן אמת, מה שהופך את יישום התאום הדיגיטלי במגזר למורכב ומאתגר.
העניין הוא, יישום של תאומים דיגיטליים במערכות אנרגיה מתחדשת זה לא באמת נחקר בהרחבה.
לכן, המחקר החדש צולל לעומק את הקונספט במגזר הספציפי הזה. חוקרים מאוניברסיטת שארג'ה ערכו חקירה מעמיקה של תאומים דיגיטליים המונעים על ידי בינה מלאכותית ככלי להאצת המעבר לאנרגיה נקייה.
במאמרם, החוקרים עורכים סקירה יסודית של הארכיטקטורה, הפונקציות, מחזור החיים והיישומים של טכנולוגיית תאומים דיגיטליים במערכות אנרגיה מתחדשת.
לשם כך, הם השתמשו בבינה מלאכותית, למידת מכונה (ML) ועיבוד שפה טבעית (NLP) שאפשרו להם להעריך כמויות גדולות של נתונים גולמיים ולחשוף תובנות משמעותיות לגבי דפוסים מובנים ומגמות מתפתחות.
הרעיון של מחקר זה הוא למנף את הפוטנציאל של הטכנולוגיה לשיפור היעילות והקיימות, תוך התמודדות עם אתגרי מחסור בנתונים, תהליכים ביולוגיים מורכבים, מידול ציוד פגום ושונות סביבתית.
אופטימיזציה של המעבר הירוק: ההבטחה והאתגרים של תאומים דיגיטליים מונעי בינה מלאכותית
בעוד העולם נאבק להפחית את פליטות הפחמן ו במאבק בשינויי האקלים, חוקרים פנו לתאומים דיגיטליים המונעים על ידי בינה מלאכותית כדי לעצב מחדש את עתיד האנרגיה.
ייצוגים דיגיטליים אלה של העולם הפיזי, לדברי החוקרים, יכולים לשנות את הייצור, הניהול והאופטימיזציה של מקורות אנרגיה מתחדשים, ובכך להאיץ את המעבר מדלקים מאובנים. אך לשם כך, עלינו להתגבר על המגבלות הבולטות שלהם.
כפי שציינו החוקרים, "תאומים דיגיטליים יעילים ביותר באופטימיזציה של מערכות אנרגיה מתחדשת", אך כל מקור אנרגיה מתחדשת מציב אתגרים ייחודיים שיכולים "להגביל את ביצועי טכנולוגיות התאומים הדיגיטליים, למרות ההבטחה הניכרת שלהן בשיפור ייצור וניהול אנרגיה".
אז, לאחר ביצוע סקירה מקיפה של הספרות הקיימת בנושא, לגבי איך תאומים דיגיטליים יש לו משומש במגזר, הם זיהו פערים במחקר, הציעו הנחיות וכיסו את הסוגיות שיש לטפל בהן להתייחס לנצל באופן מלא את טכנולוגיית התאומים הדיגיטליים בתחום האנרגיה המתחדשת.
מפת דרכים למחקר מוצע גם כדי לעזור למדענים לשפר את האמינות והדיוק של הטכנולוגיה.
שלהם ללמוד, ה חוקרים הגדירו יתרונות משמעותיים של תאומים דיגיטליים1 כמו גם המגבלות שלהםחוצות מערכות אנרגיה מתחדשות שונות. ההמלצות שהציגו החוקרים מתמקדות בהרחבת יכולות חישוביות, קידום טכניקות מידול ושיפור שיטות איסוף נתונים על מנת להבטיח שתאומים דיגיטליים יוכלו לספק תובנות מדויקות ואמינות לקבלת החלטות ואופטימיזציה של מערכות.
| סוג אנרגיה | היתרונות של תאומים דיגיטליים | אתגרי מפתח |
|---|---|---|
| רוח | חיזוי כשלים, אופטימיזציה של ביצועים | פערים בנתונים באזורים ימיים, מערכות מזדקנות |
| סולרי | שפר את פלט הפאנל, ניטור תנאי | שונות אטמוספרית, פגיעה בפאנל |
| גיאותרמית | מודל קידוח, ניבוי עייפות | אי ודאות גיאולוגית, נתונים תת-קרקעיים מוגבלים |
| הידרואלקטרית | סימולציה של זרימות, אופטימיזציה של תחזוקה | מידול שונות מים, תשתיות מזדקנות |
| ביומסה | שיפור פעילות המפעל, ניתוח המרה | מידול כימי מורכב, סימולציית שרשרת |
אנרגית רוח
אנרגיית רוח מנצלת את כוחה של הרוח לייצור חשמל. בשנת 2024, תרומתה לייצור חשמל עולמי גדל ל-8.1%. זה מוגדר להפוך ל השני בגודלו מקור לייצור חשמל מתחדש עולמי מאחורי PV סולארי בסוף העשור הזה.
כדי להמיר את אנרגיית הקינטית של הרוח לחשמל, טורבינות רוח מותקנות ביבשה וכן בים, קבועות או צפות.
בעיקר שני סוגים של טורבינות רוח משמשים כאן. טורבינת רוח אנכית (VAWT) היא טורבינת רוח שבה סיבוב הציר ניצב לתנועת הרוח. השנייה היא טורבינות רוח אופקיות (HAWT), אשר מסתובבות במקביל לזרם הרוח.
בעוד ש-HAWT לוכד את כמות אנרגיית הרוח המרבית, הוא דורש זרימת אוויר יציבה ללא תנודות משמעותיות. לעומת זאת, VAWT לוכד רוח מכל כיוון ופועל במיקום של זרם רוח סוער עם קצב ייצור חשמל נמוך יותר.
השימוש בתאומים דיגיטליים כאן יכול לסייע בחיזוי פרמטרים לא ידועים ולתקן מדידות לא מדויקות.
עם זאת, הם מתמודדים עם אתגרים במידול מדויק ובמעקב אחר גורמים ותנאים סביבתיים. נתונים לא אמינים ופערים בנתונים שנאספו מאזורים מרוחקים או ימיים יוצרים גם הם בעיות עבור תאומים דיגיטליים. יתר על כן, הם מתקשים לדמות גורמים קריטיים בטורבינות מזדקנות. כמו השחתת תיבת ההילוכים, שחיקת הלהבים וביצועי המערכת החשמלית.
לחצו כאן לרשימת מניות אנרגיית הרוח המובילות.
אנרגיה סולארית
המנוע העיקרי לצמיחת האנרגיה המתחדשת הוא אנרגיה סולארית, אשר תורמת את התרומות הגדולות ביותר לייצור אנרגיה נקייה מזה מספר שנים. בשנת 2024, היא סיפקה יותר מ 2,000 TWh של חשמל, והוסיפה 474 TWh כדי להגיע לנתח של 6.9%, מה שהפך אותו מקור האנרגיה הצומח ביותר זו השנה ה-20 ברציפות.
מקור החשמל החדש הצומח והגדול ביותר האם אנרגיה סולאריתאור השמש מומר ישירות לחשמל באמצעות אנרגיה פוטו-וולטאית (PV). פאנל PV, או פאנל סולארי, מכיל תאי PV אשר נעשים של מוליך למחצה המעביר אנרגיה. תאים אלה סופגים את אור השמש וממירים אנרגיה סולארית לחשמל.
בינתיים, אנרגיה סולארית מרוכזת (CSP) היא דרך עקיפה לייצור חשמל, שכן עדשות או מראות משמשות לריכוז אור השמש לנקודת מוקד.
בכל הנוגע לאנרגיה סולארית, תאומים דיגיטליים משתמשים בנתונים בזמן אמת מחיישנים כדי למצוא את הגורמים המרכזיים המשפיעים על יעילות ועוצמת המוצא. למרות הפוטנציאל שלהם, תאומים דיגיטליים אינם יכולים לחזות במדויק את הביצועים עקב שינויים בתנאים האטמוספריים. כמו כן, הם מתקשים לנטר את פגיעה באיכות הפאנלים. ו השפעות סביבתיות לאורך זמן, המשפיעות על דיוקן ותועלתן.
בדומה לאנרגיית רוח, איסוף נתונים מאזורים מרוחקים או ימיים יכול להיות דליל או לא אמין כאן.
לחצו כאן לרשימת מניות אנרגיה סולארית מובילות.
אנרגיה גיאותרמית
אנרגיה מתחדשת זו היא המופק מהחום הפנימי של ליבת כדור הארץ ו is מְשׁוּמָשׁ לחימום וקירור בנוסף לייצור חשמל. חלקה באנרגיה מתחדשת הוא פחות מ-3%.
תאומים דיגיטליים יכולים לסייע בסימולציה של כל תהליך התפעול של ניצול אנרגיה גיאותרמית, ובמיוחד תהליך הקידוח. על ידי הקלת ניתוח עלויות וחיזוי עייפות, הם יכולים לחסוך גם זמן וגם עלויות הקשורות לתפעול.
האתגר הגדול ביותר כאן הוא הזמינות המוגבלת של נתונים באיכות גבוהה, אשר פוגעת ביכולתה של הטכנולוגיה לדמות אי-ודאויות גיאולוגיות ותנאים מתחת לפני כדור הארץ. בנוסף, ישנן התנהגויות מורכבות וארוכות טווח של אנרגיה גיאותרמית. מערכות, כגון העברת חום וזרימת נוזלים דינמיקה, שקשה לתאומים דיגיטליים לדמות.
אנרגיה הידרואלקטרית
אנרגיה הידרואלקטרית מנצלת את זרימת המים כדי לייצר חשמל. הוא מנצל את השפעות כוח הכבידה והגובה.
בשנת 2024, אנרגיה הידרואלקטרית היוותה את רוב ייצור החשמל העולמי באמצעות טכנולוגיית אנרגיה מתחדשת. אך נתח ה-14% של מקור מתחדש זה הוא צפוי על ידי ה-IEA לראות ירידה של אחוז אחד עד 2030, ככל שהשימוש הגובר באנרגיית סולארית פוטו-וולטאית ואנרגיית רוח הופך את אנרגיה הידרואלקטרית לפחות בולטת. עדיין צפוי לגדול ככל שפרויקטים חדשים ייצאו לפעילות.
אנרגיה הידרואלקטרית קשורה לעלויות בנייה גבוהות, משפיעה לרעה על איכות המים, ובעלת השפעה שלילית על בתי הגידול של בעלי חיים.
ניתן ליישם תאומים דיגיטליים על אנרגיה הידרואלקטרית כדי לדמות את המערכת על מנת לזהות גורמים המשפיעים עליה. במפעלים ישנים יותר, הם יכולים לסייע בהקלה על השפעת עייפות העובדים על הפרודוקטיביות. סריקת לייזר תלת-ממדית משמש כאן כדי לזהות בנייה עייפה חסכונית.
האתגר, עם זאת, הוא מחסור בנתונים, ביצועי תשתיות מזדקנות, ומידול מדויק של השונות המורכבת של זרימת המים, כמו גם ניטור אילוצים סביבתיים ואקולוגיים.
אנרגיה מביומסה
סוג אנרגיה זה נגזר מ מחומר אורגני, הכולל מפורק בעלי חיים וצמחים. ניתן לחלץ אותו ממקורות מוצקים, נוזליים וגזיים שונים כמו מתאן, חקלאי גידולים, שמנים צמחיים, זבל של בעלי חיים ופסולת עירונית מוצקה.
המודלים המונעים על ידי בינה מלאכותית יכולים לסייע בשיפור הפונקציונליות והתפעול של אנרגיית ביומסה על ידי מתן הבנה מעמיקה יותר של התהליך כולו והקמת המפעל, כגון מבער.
אבל כאשר הם מיושמים על מערכת אנרגיה מתחדשת זו, תאומים דיגיטליים מתקשים לדמות במדויק את המרת הביומסה ואת התהליכים הביולוגיים, הביוכימיים והתרמוכימיים. הם גם מתמודדים עם אתגרים בסימולציה של אספקת האנרגיה המלאה של שרשרת ייצור האנרגיה של הביומסה.
השקעה בטכנולוגיית התאומים הדיגיטליים
עכשיו, אם נבחן הזדמנות השקעה בתחום הזה, PTC בע"מ (PTC ) בולט בזכות המיקוד העיקרי שלה בתאומים דיגיטליים ובביצועי שוק חזקים. חברת התוכנה הגלובלית מאפשרת ייצור ומוצרים חברות לחולל טרנספורמציה דיגיטלית באופן שבו הן מתכננות, מייצרות ומתנות מוצרים פיזיים.
PTC בע"מ (PTC )
חבילת המוצרים של PTC כוללת את Windchill לתוכנת ניהול מחזור חיי מוצר ארגוני, Creo לבניית מוצרים עם CAD/CAM/CAE, תוכנת ALM Codebeamer לפיתוח מודרני, ServiceMax ממוקד נכסים לניהול שירותים, פלטפורמת PLM מותאמת לענן Arena, פלטפורמת CAD מותאמת לענן Onshape, Kepware לגישה ובקרה על נתונים תעשייתיים, ThingWorx לבנייה ופריסה של יישומי אינטרנט של הדברים (IIoT) תעשייתיים, פלטפורמת מציאות רבודה ארגונית ניתנת להרחבה Vuforia, Servigistics לניהול חלקי שירות ו-Arbortext ליצירה, ניהול ואספקת תוכן ביעילות.
התאומים הדיגיטליים של PTC גם כן נעשה שימוש ברחבי תחום האנרגיה המתחדשת.
לפני מספר שנים, קבוצת האנרגיה ENGIE שבסיסה בצרפת חברה לחברה כדי לפתח תנור וירטואלי שיסייע במעבר של נכסים תעשייתיים. בינתיים, EDF השתמשה ב-ThingWorx וב-Vuforia כדי לנטר את הפעילות, לשפר את הכשרת העובדים ולדמות משימות תחזוקה קריטיות עבור מערכות תחנת הכוח הגרעינית שלה. Howden יישמה את הטכנולוגיה כדי לשפר את המדחסים והמאווררים שלה המשמשים בנפט וגז וייצור חשמל.
בכל הנוגע לביצועי השוק, מניית PTC הגיעה לשיא של כל הזמנים (ATH) מעל 219 דולר, עם עלייה של 16.83% מתחילת השנה, בעוד שעלתה ב-57.5% מאז אפריל. עם זאת, מניית PPS (TTM) עומדת על 4.24 ומכפיל הרווח (TTM) עומד על 50.64.
(PTC )
עבור הרבעון השלישי של שנת הכספים 2025, דיווח צמיחה של 14% בתזרים המזומנים התפעולי והחופשי, שהסתכם ב-850 מיליון דולר.
"הרבעון השלישי היה עוד רבעון מוצק של ביצועים עבור PTC", ציין ניל בארואה, נשיא ומנכ"ל PTC, כששיתף את ההתקדמות בתחומי CAD, PLM, ALM, SLM ו-SaaS עם היצע מוצרים חדשים ושיפורים.
במהלך רבעון זה, החברה ביצעה רכישות חוזרות של מניות בשווי 75 מיליון דולר כחלק מהרשאה שלה בסך 2 מיליארד דולר.
השבוע, PTC הרחיבה את שיתוף הפעולה שלה עם NVIDIA על ידי הכרזה על שילוב טכנולוגיות NVIDIA Omniverse ב-Creo ו-Windchill כדי לסייע לחברות לשפר את איכות המוצר, להאיץ את הפיתוח ולשתף פעולה בצורה יעילה יותר במוצרים מורכבים לאורך כל מחזור החיים שלהם.
"המוצרים המתקדמים ביותר של היום - מחומרת בינה מלאכותית ועד מכונות תעשייתיות - מורכבים, משולבים ועתירי הנדסה מאי פעם", אמר בארואה, וציין כי עם שיתוף פעולה זה, "אנו נותנים ללקוחותינו את היכולת לשלב נתוני עיצוב ותצורה בסביבת סימולציה סוחפת בזמן אמת".
מוקדם יותר השנה, PTC הוציאה בינה מלאכותית של ServiceMax, שתמנף את ההיסטוריה המתועדת המלאה של נתוני ציוד, היסטוריית שירות ועוד כדי לסייע לארגונים למודרן את זרימות העבודה שלהם ולטכנאי שירות שטח לבצע יותר עבודה בפחות זמן.
הכי מאוחר PTC בע"מ חדשות והתפתחויות במניות (PTC)
מחשבות אחרונות על תאומים דיגיטליים ואנרגיה נקייה
טכנולוגיית התאומים הדיגיטליים התגלתה כטכנולוגיה יעילה כלי לאופטימיזציה של מערכות אנרגיה מתחדשת. בעוד שהפוטנציאל שלו למקסם יעילות, חיזוי ושילוב מערכות הוא בלתי מעורער, הוא סובל גם מחסרונות.
רק על ידי התגברות על אתגרי זמינות נתונים, ניהול סביבות מידול מורכבות ובניית פתרונות חסכוניים וניתנים להרחבה, ניתן להשיג אימוץ אמיתי.
אז, ככל שהעולם עובר למקורות אנרגיה מתחדשים בסדר כדי להפחית את פליטות פחמן ומאבק בשינויי האקלים, תאומים דיגיטליים עומדים להגדיר את העידן הבא של אנרגיה ירוקה.
הפניות:
1. Semeraro, C., Aljaghoub, H., Al-Ali, HKMH, Abdelkareem, MA, & Olabi, AG "רתימת העתיד: בחינת יישומי תאומים דיגיטליים והשלכותיהם באנרגיה מתחדשת." נקסוס אנרגיה, כרך 18, 1 ביוני 2025, עמ' 100415. ScienceDirect. https://doi.org/10.1016/j.nexus.2025.100415
