Цифровые двойники в зеленой энергетике: потенциал и нерешенные проблемы

В условиях глобальной борьбы с изменением климата и необходимости сокращения выбросов углерода исследователи из Университета Шарджи обращаются к передовой технологии – цифровым двойникам на базе искусственного интеллекта. Эти виртуальные копии реальных объектов могут кардинально изменить способы генерации, управления и оптимизации энергии, ускоряя отказ от ископаемого топлива.

Цифровые двойники уже стали основой инноваций во многих отраслях промышленности, позволяя повышать эффективность, снижать затраты и разрабатывать новые решения благодаря своей способности точно моделировать и взаимодействовать со сложными системами. В сфере энергетики их потенциал огромен, однако ученые предупреждают – существующие модели пока не могут полностью раскрыть возможности возобновляемых источников, таких как ветер, солнце, геотермальная, гидро- и биомассовая энергия.

В своей работе, опубликованной в журнале Energy Nexus, исследователи отмечают: «Цифровые двойники очень эффективны для оптимизации систем возобновляемой энергии. Тем не менее каждый источник энергии представляет собой уникальные проблемы – от изменчивости данных и условий окружающей среды до сложности самой системы, – которые могут ограничивать производительность технологий цифровых двойников, несмотря на их значительные перспективы».

С помощью искусственного интеллекта и машинного обучения ученые провели масштабный анализ существующей научной литературы, чтобы выявить пробелы и определить новые направления для исследований. В результате им удалось составить подробную картину преимуществ и недостатков применения цифровых двойников для пяти основных видов возобновляемой энергии.

Технология предлагает значительные преимущества. В ветроэнергетике цифровые двойники помогают прогнозировать неизвестные параметры и исправлять неточные измерения, повышая надежность систем. Для солнечной энергетики они определяют ключевые факторы, влияющие на эффективность, что позволяет лучше проектировать и оптимизировать станции. В геотермальной энергетике моделирование процесса бурения снижает временные и финансовые затраты.

Для гидроэлектростанций цифровые модели анализируют динамику системы, а на старых ГЭС их используют для снижения влияния усталости персонала на производительность. В энергетике на биомассе двойники улучшают управление, предоставляя глубокое понимание операционных процессов и конфигураций установок.

Однако исследование акцентирует внимание на критических ограничениях. В ветроэнергетике модели с трудом справляются с симуляцией эрозии лопастей и деградации редукторов, особенно в стареющих турбинах. В солнечной энергетике цифровым двойникам не хватает точности в долгосрочном прогнозировании производительности и отслеживании износа панелей.

Ключевой проблемой для геотермальной энергетики является нехватка качественных данных, что мешает моделировать геологические неопределенности. В гидроэнергетике технология не способна точно смоделировать изменчивость водного потока и учесть экологические ограничения. Для систем на биомассе двойники пока не могут охватить всю производственную цепочку поставок и смоделировать сложные биохимические реакции.

Для преодоления этих трудностей авторы исследования предложили дорожную карту. Она включает рекомендации по улучшению методов сбора данных, совершенствованию методов моделирования и расширению вычислительных мощностей. Эти шаги призваны повысить надежность и точность цифровых двойников, чтобы они могли стать по-настоящему эффективным инструментом для принятия решений в секторе возобновляемой энергетики.