Czym są cyfrowe bliźniaki i jak pomagają w energetyce?

Żyjemy w czasach globalnych wyzwań związanych z szybko rozwijającym się przemysłem oraz transformacją energetyczną. Prowadzi to do wzrostu zapotrzebowania na energię elektryczną. Coraz to mocniej kluczowe staje się poszukiwanie innowacyjnych rozwiązań w celu optymalizacji wydajności istniejących systemów gospodarczych, produkcyjnych oraz energetycznych. Cyfrowe rozwiązania coraz bardziej zaczynają przodować wśród nowych technologii. Mogą one w dużo krótszym czasie znaleźć rozwiązanie na interesujący nas problem. Jednym z takich rozwiązań może być koncepcja cyfrowego bliźniaka (ang. digital twins). 

Czym właściwie jest idea cyfrowych bliźniaków?

Cyfrowe bliźniaki są wirtualnymi modelami rzeczywistych obiektów, systemów lub procesów, które są zasilane danymi w czasie rzeczywistym. Przy pomocy tej technologii możemy symulować różne scenariusze działania, przewidywać ewentualne problemy oraz optymalizować procesy produkcyjne bez ryzyka wprowadzenia zmian w rzeczywistym świecie. Dzięki temu firmy mogą znacząco ograniczyć swoje wydatki oraz czas na testy danych rozwiązań.

Geneza cyfrowych bliźniaków

Początków tej idei można szukać w latach 80’ minionego wieku. Wtedy to NASA zaczęła tworzyć wirtualne symulacje dla lotów swoich statków kosmicznych. Testy były odpowiedzią na incydent z misji Apollo 13 z 1970 r., gdzie to doszło eksplozji pojemnika z ciekłym tlenem, co prowadziło do zwiększania się poziomu dwutlenku węgla w module. W czasie tego wypadku na Ziemi opracowano system oczyszczania tlenu, a instrukcje jak go wykonać przekazano astronautom. To był początek myślenia o idei wizualizowania oraz odwzorowywania rzeczywistych obiektów w wirtualnych modelach. 

Jednak formalne ujęcie tej idei pojawiło się dopiero w 2003 roku, kiedy to Michael Grieves na konferencji na Uniwersytecie Michigan przedstawił model cyfrowego bliźniaka w kontekście zarządzania cyklem życia produktu. Model ten składał się z trzech elementów: fizycznego produktu, jego cyfrowej wersji oraz danych łączących oba światy. W kolejnych latach pojawiały się publikacje i artykuły rozwijające ten koncept.

Zastosowanie w energetyce odnawialnej

Wykorzystanie energy digital twin może znacząco wpłynąć na rewolucję w podejściu do sposobów zarządzania systemami energetycznymi. Jego zastosowanie bardzo szybko rośnie. Widać to w licznych badaniach oraz projektach realizowanych w energetyce odnawialnej, magazynowaniu oraz dystrybucji energii.

Jednym z miejsc, gdzie używa się idei digital twin, jest sektor energetyki odnawialnej. Umożliwiają one operatorom farm fotowoltaicznych, czy wiatrowych, tworzyć odpowiedniki ich systemów w wirtualnych programach. Dzięki temu prognozują oni, jak rozkłada się produkcja energii na podstawie warunków atmosferycznych, planują konserwacje sprzętu i identyfikują błędy w nich występujące. Firma GE Renewable Energy, która posiada ponad 15 000 turbin wiatrowych, używa symulacji do sprawdzenia, na ile efektywna jest ich instalacja, badając działanie pod kątem ustawienia łopatek, zwiększenia efektywności oraz produkcji energii. 

Kolejno, w elektrowniach wodnych ta technologia może integrować dane z czujników (np. ciśnienie, temperatura, przepływ wody), pomaga wykryć usterki i zużycie sprzętu, przewiduje czas konserwacji, minimalizuje koszty oraz wpływa na lepsze gospodarowanie wodą. Przykładem może być firma Voith Hydro wykorzystująca digital twins w turbinach wodnych, umożliwiając modelowanie pracy maszyn w czasie rzeczywistym i prognozowanie ich żywotności.

Energetyka konwencjonalna i inne zastosowania

W przypadku elektrowni cieplnych cyfrowe bliźniaki pozwalają monitorować zużycie paliwa i sprawność turbin oraz umożliwiają automatyczne dostosowywanie mocy do aktualnego zapotrzebowania. Badanie przeprowadzone przez China Energy’s National Institute of Clean-and-Low-Carbon Energy umożliwiło analizę efektywności energetycznej i ekonomicznej 320 MW elektrociepłowni węglowej. Doprowadziło do redukcji zużycia węgla o 3,5 g/kWh i znaczącej oszczędności finansowej, rzędu 4 milionów juanów rocznie. Kolejnym przykładem może być firma Veolia, wykorzystująca cyfrowe bliźniaki do zarządzania miejskimi systemami ciepłowniczymi w Europie, w tym w Polsce (np. Łódź, Poznań).

Co więcej, cyfrowe bliźniaki stosuje się także w sieciach elektroenergetycznych do monitorowania, analizy oraz optymalizacji ich działania. Dzięki nim możliwe jest lepsze zarządzania sieciami, integracja odnawialnych źródeł energii, a także poprawa niezawodności systemów energetycznych. Jednak implementacja tej technologii wiąże się z koniecznością zbierania i analizy dużych ilości danych. Firma GE Vernova specjalizuje się w takich rozwiązaniach, integrując dane z modelami 3D sieci przesyłowych i dystrybucyjnych. Dzięki monitorowaniu obciążeń sieci mogą oni optymalizować przepływ energii, szczególnie w miejsca dużej niestabilności sieci, jak i udziału OZE. Swoje rozwiązania wdrożyli z powodzeniem w sieciach energetycznych w Stanach Zjednoczonych.

• Zapraszamy na konferencję o modelowaniu w energetyce – szczegóły znajdziesz w materiale: VII Dzień Novej Energii – Zamodelujmy Energetyczną Przyszłość!

Podsumowanie

Cyfrowe bliźniaki mogą w przyszłości być jednymi z kluczowych rozwiązań stosowanych na szeroką skalę w energetyce. Poprzez swoje podstawowe funkcje, wpływają na bardziej efektywne użytkowanie działania systemów. Jednak ich wprowadzenie wiąże się z wyzwaniami, takimi jak potrzeba zaawansowanej analizy danych, wysokie koszty początkowe oraz kwestie związane z bezpieczeństwem. Mimo to, ich potencjał w kontekście zwiększania efektywności i niezawodności systemów energetycznych sprawia, że są one kluczowe w procesie transformacji energetycznej.

Źródło: polskiprzemysl.com, mdpi.com, foundtech.me, epjournal.csee.org.cn, veolia.pl, gevernova.com

Materiał został przygotowany przez Koło Naukowe Nova Energia, AGH.
Maciej Kulawik