Як цифрові двійники рухатимуть майбутнє відновлюваної енергетики

Вже кілька століть ми використовуємо нафтогазові ресурси для виробництва електроенергії, живлення транспортних засобів та літаків, а також служимо основою... для широкого спектру виробів, включаючи гуму, пластмаси, добрива та фармацевтичні препарати.

Ці невідновлювані природні ресурси виробляються з вуглецю та водню та забезпечують до 84% світового виробництва електроенергії. Однак широке використання цих обмежених, традиційних ресурсів призвело до забруднення та шкоди навколишньому середовищу. 

Звільнивши токсичні парникові гази та шкідливих забруднювачів, видобуток та спалювання викопного палива були сприяючи зміні клімату та глобальному потеплінню, а також впливаючи на здоров'я людини та екосистеми.

Ключовим рішенням цього значно негативного впливу на планету, спричиненого ресурсами нафти та газу, є перехід від викопного палива до відновлюваних джерел енергії.

Відновлювальна енергія витягується від екологічних джерел, таких як погода та географічне розташування. Це зелена енергія з нульовими викидами.

Сонячна, вітрова, гідроелектрична, геотермальна та біомаса енергія є найяскравішими прикладами відновлюваних джерел енергії, які є сталими.

Протягом останнього десятиліття світ звертається до цих відновлюваних джерел енергії як способу переходу на зелену енергетику, що призводить до постійного збільшення їх використання в різних сферах. додатків.

За даними Міжнародного енергетичного агентства (МЕА), відновлювана енергетика споживання в енергетичному, теплоенергетичному та транспортному секторах is Прогнозується збільшити приблизно на 60% між 2024 і 2030 роками, що призведе до зростання частка відновлюваних джерел енергії в кінцевому споживанні енергії з з 13% у 2023 році до майже 20% до 2030 року.

Хоча і корисна для навколишнього середовища, інтеграція цих природних ресурсів у виробництво енергії, зберігання енергії та транспортування має свої особливості... власний проблеми через їх періодичний характер та значну залежність від зовнішніх факторів, таких як сезон і місцезнаходження. Ця залежність вимагає системи накопичення енергії.

Також існують високі початкові витрати на інфраструктуру, пов'язані з відновлюваними джерелами енергії, хоча їх ставка виробництво електроенергії відбувається повільно.

В результаті, традиційні джерела досі використовуються для більшої частини виробництва електроенергії. Цей робить критично важливим наявність нової стратегії та технології для кращого вирішення цих проблем. Це означає розуміння, вивчення та аналіз поведінки параметрів кожної системи протягом етапів проектування, виробництва та обслуговування життєвого циклу кожної системи відновлюваної енергетики. Цей саме тут на допомогу приходить технологія цифрових двійників (ЦД).

Технологія використовує адаптивні моделі для моделювання роботи фізичних систем у реальному часі в цифровому середовищі, що, у свою чергу, допомагає прогнозувати та запобігати потенційним збоям системи. 

Від фізичного до цифрового: поява віртуальних реплік

Цифровий двійник — це просто віртуальне представлення або репліка фізичного об'єкта, особи, системи чи процесу реального світу. Щоб відобразити його фізичний аналог, цифрова репліка використовує дані в режимі реального часу, зібрані за допомогою датчиків, симуляції та машинне навчання. 

Цей дозволяє моніторити, аналізувати та прогнозувати поведінку фізичного активу в різних сценаріях, що дозволяє нам робитикращі рішення.

Здатність цих цифрових двійників відтворюватися та взаємодіяти зі складними системами зробила їх дуже цінними в різних галузях, де вони ведуть підвищення ефективності, зниження витрат та розвиток інноваційних рішень.

За оцінками McKinsey, світовий ринок технології цифрових двійників досягне $ 73.5 мільярда за 2027, зростаючи на 60% щорічно протягом наступних п'яти років.

Термін «цифровий двійник» був прийнятий Джоном Вікерсом з NASA у 2010 році, але основна ідея виникла набагато раніше. Космічне агентство фактично розробило цю технологію для використання в космічних місіях у 1960-х роках.

Однак саме у 2002 році доктор Майкл Грівз офіційно оголосив про цю концепцію та застосував її у виробництві. був розділений на три ключові частини: фактичний фізичний простір, віртуальний простір цієї фізичної частини та зв'язок, що з'єднує їх.

Багато років потому, у 2011 році, ВПС США розробили цифрового двійника для проектування літаків, прогнозування втоми та технічного обслуговування. Звідти технологія поширилася на інші галузі, включаючи аерокосмічну галузь, транспорт, судноплавство, виробництво, охорону здоров'я та нафтогазову промисловість.

У відновлюваній енергетиці основною функцією цифрового двійника є збір даних з датчиків на місці для відтворення роботи фізичної системи у віртуальному середовищі.

Для кожного можна створити цифрового двійника тип системи відновлюваної енергії протягом фаз її життєвого циклу для виконання конкретного завдання. Цей означає потребу у величезних обсягах даних, включаючи геометрію кожного компонента, дані про погоду, попередні проблеми, історичне прогнозування, експериментальні та практичні дані, а також дані в режимі реального часу, що робить застосування цифрового двійника в цьому секторі складним та проблематичним. 

Річ у тім, що застосування цифрових двійників у системах відновлюваної енергетики насправді не досліджено, що широко. 

Отже, нове дослідження глибоко занурюється в концепцію саме в цьому секторі. Дослідники з Університету Шарджі провели глибоке дослідження цифрових двійників на базі штучного інтелекту як інструменту для прискорення переходу на чисту енергію.

У своїй статті дослідники проводять ретельний огляд архітектури, функцій, життєвого циклу та застосувань. технології цифрових двійників у системах відновлюваної енергетики.

Для цього вони використовували штучний інтелект, машинне навчання (ML) та обробку природної мови (NLP), що дозволило їм оцінити великі обсяги необроблених даних та виявити змістовні висновки про структуровані закономірності та нові тенденції.

Ідея цього дослідження полягає в тому, щоб використати потенціал технології для підвищення ефективності та сталого розвитку, одночасно вирішуючи проблеми дефіциту даних, складних біологічних процесів, моделювання деградованого обладнання та мінливості навколишнього середовища.

Оптимізація зеленого зсуву: перспективи та виклики цифрових двійників на основі штучного інтелекту

Оскільки світ намагається скоротити викиди вуглецю та У боротьбі зі зміною клімату дослідники звернулися до цифрових двійників на базі штучного інтелекту, щоб змінити майбутнє енергетики.

Ці цифрові представлення фізичного світу, на думку дослідників, можуть трансформувати виробництво, управління та оптимізацію відновлюваних джерел енергії, що, своєю чергою, прискорить перехід від викопного палива. Але для цього нам потрібно подолати їхні помітні обмеження.

Як зазначили дослідники, «цифрові двійники дуже ефективні в оптимізації систем відновлюваної енергії», але кожне джерело відновлюваної енергії створює унікальні проблеми, які можуть «обмежити продуктивність технологій цифрових двійників, незважаючи на їхній значний потенціал у покращенні виробництва та управління енергією».

Отже, після проведення ретельного огляду існуючої літератури з цієї теми, щодо того, як цифрові близнюки він має використовується у цьому секторі вони визнали прогалини в дослідженнях, запропонували рекомендації та охопили питання, які потребують вирішення бути вирішеним повною мірою скористатися перевагами технології цифрових двійників у секторі відновлюваної енергетики.

Дорожня карта досліджень також пропонується щоб допомогти вченим підвищити надійність і точність технології.

У їх вчитися, Дослідники визначили значні переваги цифрових двійників¹ а також їхні обмеженняперетинають різні системи відновлюваної енергетики. Рекомендації дослідників зосереджені на розширенні обчислювальних можливостей, удосконаленні методів моделювання та вдосконаленні методів збору даних, щоб забезпечити, щоб цифрові двійники могли надавати точну та надійну інформацію для прийняття рішень та оптимізації системи.

Енергія вітру

Вітрова енергія використовує силу вітру для вироблення електроенергії. У 2024 році його внесок у світове виробництво електроенергії зріс до 8.1%. Це встановлений стати другий за величиною джерело глобального виробництва відновлюваної електроенергії за сонячними фотоелектричними системами до кінця цього десятиліття.

Для перетворення кінетичної енергії вітру в електрику вітрові турбіни встановлюються на березі, а також у відкритому морі, стаціонарно або плавуче. 

В основному, два типи вітрових турбін використовуються тут. Вертикальна вітротурбіна (VAWT) — це така, у якої обертання осі перпендикулярне до руху вітру. Інша — це горизонтально-осьові вітротурбіни (HAWT), які обертаються паралельно потоку вітру.

Хоча HAWT захоплює максимальну кількість енергії вітру, вона вимагає стабільного потоку повітря без значних коливань. VAWT, навпаки, захоплює вітер з будь-якого напрямку та працює в місці турбулентного вітрового потоку з нижчою швидкістю вироблення енергії.

Використання цифрових двійників тут може допомогти передбачити невідомі параметри та виправити будь-які неточні вимірювання. 

Однак вони стикаються з труднощами в точному моделюванні та моніторингу факторів і умов навколишнього середовища. Ненадійні дані та прогалини в даних, зібраних з віддалених або морських районів, також створюють проблеми для цифрових двійників. Крім того, їм важко моделювати критичні фактори старіння турбін. такий як деградація коробки передач, ерозія лопатей та робота електричної системи.

Натисніть тут, щоб переглянути список найкращих акцій вітроенергетики.

Сонячна енергія

Основним двигуном зростання відновлюваних джерел енергії є сонячна енергія, яка вже кілька років робить найбільший внесок у виробництво чистої енергії. У 2024 році вона забезпечила понад 2,000 TWh електроенергії, додавши 474 ТВт·год, досягнувши частки 6.9%, що зробило її найшвидше зростаюче джерело енергії вже 20-й рік поспіль. 

Найшвидше зростаюче та найбільше джерело нової електроенергії сонячна енергіяСонячне світло перетворюється безпосередньо на електрику за допомогою фотоелектричних елементів (ФЕ). Фотоелектрична панель, або сонячна панель, містить фотоелектричні елементи, які зроблені напівпровідника, що передає енергію. Ці елементи поглинають сонячне світло та перетворюють сонячну енергію на електрику.

Тим часом, концентрована сонячна енергія (КСЕ) є непрямим способом виробництва електроенергії, оскільки лінзи або дзеркала використовуються для концентрації сонячного світла у фокусній точці. 

Що стосується сонячної енергії, цифрові двійники використовують дані датчиків у режимі реального часу, щоб знайти ключові фактори, що впливають на ефективність та вихідну потужність. Незважаючи на свій потенціал, цифрові двійники тут не можуть точно передбачити продуктивність через зміни атмосферних умов. Крім того, у них виникають проблеми з моніторингом деградації панелей. та вплив навколишнього середовища з часом, що впливає на їхню точність та корисність.

Як і у випадку з вітровою енергетикою, збір даних з віддалених або морських районів тут може бути недостатнім або ненадійним.

Натисніть тут, щоб переглянути список найкращих акцій сонячної енергетики.

Геотермальна енергія

Ця відновлювана енергія є витягнуте з внутрішнього тепла ядра Землі та is використовуваний для опалення та охолодження, окрім виробництва електроенергії. Його частка відновлюваної енергії становить менше 3%.

Цифрові двійники можуть допомогти змоделювати весь операційний процес використання геотермальної енергії, особливо процес буріння. Сприяючи аналізу витрат та прогнозуванню втоми, вони можуть заощадити як час, так і кошти, пов'язані з операцією.

Найбільшою проблемою тут є обмежена доступність високоякісних даних, що перешкоджає здатності технології моделювати геологічні невизначеності та умови під поверхнею Землі. Крім того, існують складні довгострокові особливості геотермальної енергії. системи, такі як теплопередача та потік рідини динаміку, яку важко змоделювати цифровим двійникам.

Гідроелектроенергетика

Гідроелектрична енергія використовує потік води для виробляти енергію. Він використовує вплив сили тяжіння та висоти.

У 2024 році гідроенергетика становила більшу частину світового виробництва електроенергії за допомогою технологій відновлюваної енергетики. Але 14% частки цього найбільшого відновлюваного джерела... очікується МЕА спостерігається зниження на один відсоток до 2030 року, оскільки зростання використання сонячної фотоелектричної та вітрової енергії робить гідроенергетику менш помітною. все ще очікується зростати, оскільки нові проекти стають активними. 

Гідроенергетика пов'язана з високими витратами на будівництво, негативно впливає на якість води та має негативний вплив на середовище існування тварин.

Цифрові двійники можна застосовувати до гідроенергетики для моделювання системи з метою виявлення факторів, що впливають на неї. На старих електростанціях вони можуть допомогти зменшити вплив втоми працівників на продуктивність. 3D-лазерне сканування використовується тут, щоб виявити економічно ефективне будівництво з урахуванням втоми.

Однак проблемою є дефіцит даних, старіння інфраструктури та точне моделювання складної мінливості водного потоку, а також моніторинг екологічних обмежень.

Енергія біомаси

Цей вид енергії є похідним з органічного матеріалу, що включає розкладається тварини та рослини. Його можна витягти з різних твердих, рідких та газоподібних джерел, таких як метан, сільськогосподарський сільськогосподарські культури, рослинні олії, гній тварин та тверді побутові відходи.

Моделі на основі штучного інтелекту можуть допомогти покращити функціональність та роботу біоенергетичних установок, пропонуючи глибше розуміння всього процесу та налаштування установки, наприклад, пальника.

Але при застосуванні до цієї системи відновлюваної енергії цифрові двійники мають труднощі з точним моделюванням перетворення біомаси та біологічних, біохімічних і термохімічних процесів. Вони також стикаються з труднощами моделювання повного постачання ланцюга виробництва енергії з біомаси.

Інвестування в технологію цифрового двійника

Тепер, якщо ми розглянемо інвестиційну можливість у цій сфері, PTC Inc. (PTC ) вирізняється своєю основною зосередженістю на цифрових двійниках та сильними ринковими показниками. Глобальна компанія-розробник програмного забезпечення забезпечує виробництво та продукцію компаніям цифровим чином трансформувати те, як вони проектують, виробляють та обслуговують фізичні продукти.

PTC Inc. (PTC )

Пакет продуктів PTC включає Windchill для програмного забезпечення для управління життєвим циклом продуктів підприємства, Creo для створення продуктів за допомогою CAD/CAM/CAE, програмне забезпечення ALM Codebeamer для сучасної розробки, ServiceMax, орієнтований на активи, для управління послугами, хмарну PLM-платформу Arena, хмарну CAD-платформу Onshape, Kepware для доступу та контролю промислових даних, ThingWorx для створення та розгортання промислових додатків Інтернету речей (IIoT), масштабовану корпоративну AR-платформу Vuforia, Servigistics для управління запасними частинами та Arbortext для ефективного створення, управління та доставки контенту.

Цифрові двійники PTC також були використані у всьому секторі відновлюваної енергетики. 

Кілька років тому французька енергетична група ENGIE об'єднала зусилля з нею для розробки віртуальної печі, яка сприятиме переходу промислових активів. Тим часом EDF використовувала ThingWorx та Vuforia для моніторингу операцій, покращення навчання працівників та моделювання критично важливих завдань з технічного обслуговування систем своїх атомних електростанцій. Howden застосувала цю технологію для вдосконалення своїх компресорів та вентиляторів, що використовуються в нафтогазовій промисловості та виробництві електроенергії.

Що стосується ринкових показників, акції PTC досягли історичного максимуму (ATH) понад 219 доларів, зафіксувавши зростання на 16.83% з початку року, тоді як з квітня вони зросли на 57.5%. Таким чином, прибуток на акцію (TTM) становить 4.24, а коефіцієнт P/E (TTM) – 50.64.

За третій фінансовий квартал 2025 року, повідомляє 14% зростання операційного та вільного грошового потоку, який склав 850 мільйонів доларів.

«Третій квартал став ще одним успішним кварталом для PTC», – зазначив Ніл Баруа, президент і генеральний директор PTC, розповідаючи про прогрес у CAD, PLM, ALM, SLM та SaaS завдяки новим продуктам та вдосконаленням.

Протягом цього кварталу компанія здійснила викуп акцій на суму 75 мільйонів доларів у рамках своєї авторизації на 2 мільярди доларів.

Цього тижня PTC розширила свою співпрацю з NVIDIA, оголосивши про інтеграцію технологій NVIDIA Omniverse в Creo та Windchill, щоб допомогти компаніям покращити якість продукції, пришвидшити розробку та ефективніше співпрацювати над складними продуктами протягом усього їхнього життєвого циклу.

«Найсучасніші продукти сьогодні — від апаратного забезпечення штучного інтелекту до промислового обладнання — є більш складними, інтегрованими та інженерно-місткими, ніж будь-коли раніше», — сказав Баруа, зазначивши, що завдяки цій співпраці «ми надаємо нашим клієнтам можливість інтегрувати дані проектування та конфігурації в середовище імерсивного моделювання в режимі реального часу».

Раніше цього року PTC випустила ServiceMax на базі штучного інтелекту, який використовуватиме повну задокументовану історію даних про обладнання, історію обслуговування тощо, щоб допомогти організаціям модернізувати свої робочі процеси, а польовим технікам виконувати більше роботи за менший час.

Останні PTC Inc. (PTC) Новини та події акцій

Заключні думки про цифрових двійників та чисту енергетику

Технологія цифрових двійників стала ефективною інструмент для оптимізації систем відновлюваної енергетики. Хоча його потенціал для максимізації ефективності, прогнозування та системної інтеграції є незаперечним, він також має недоліки.

Тільки долаючи проблеми з доступністю даних, керуючи складними середовищами моделювання та створюючи економічно ефективні, масштабовані рішення, справжнього усиновлення можна досягти. 

Отже, оскільки світ переходить на відновлювані джерела енергії в порядку для зменшення викиди вуглецю та боротьба зі зміною клімату, цифрові двійники мають на меті визначити наступну еру зеленої енергетики.

Список використаної літератури:

1. Семераро, К., Альджагуб, Х., Аль-Алі, ХКМХ, Абделькарім, М.А. та Олабі, А.Г. «Використання майбутнього: дослідження застосувань цифрових двійників та їх наслідків у відновлюваній енергетиці». Energy Nexus, т. 18, 1 червня 2025 р., с. 100415. ScienceDirect. https://doi.org/10.1016/j.nexus.2025.100415