التوائم الرقمية للطاقة المتجددة

يستوعب التوأم الرقمي البيانات الآنية بصورة مستمرة مما يتيح مقارنة دقيقة مع نظيراتها في العالم الحقيقي.

وتُنشئ هذه التقنية، المدعومة بقدرات الذكاء الاصطناعي والتعلم الآلي، نسخة رقمية من نظام الطاقة يمكن للمشغلين محاكاتها وتحليلها وتحسينها بالاستفادة من البيانات الآنية والرؤى الذكية. وبإمكان المشغلين محاكاة سلوك الأصل، والتنبؤ بالمشكلات، وتحسين أداء الأصل وكل ذلك دون المساس بالمعدات المادية.

وتُثبت هذه التقنية قدرتها على إحداث تحول جذري في كفاءة عمليات الطاقة. وأظهرت دراسة حالة حول مزرعة الرياح الرقمية التابعة لشركة جنرال إلكتريك أن التوائم الرقمية أسهمت في إطالة العمر التشغيلي للتوربينات بما يصل إلى خمس سنوات، وخفضت فترات التوقف عن العمل بما يصل إلى 25%، بناءً على دراسة نشرتها Energy Strategy Review حول التوائم الرقمية في أنظمة الطاقة المتجددة.

وتُغيّر تقنية التوأمة الرقمية الطريقة التي يدير بها قطاع الطاقة أنظمة مثل شبكة الطاقة، التي تمثل ركيزة أساسية لاقتصاد اليوم. ويشهد المشهد الحالي لقطاع الطاقة تحولًا بعيدًا عن الوقود الأحفوري التقليدي نحو مصادر الطاقة المتجددة، وتعزيز الاستدامة، وتحسين كفاءة أنظمة الطاقة.

وتكتسب التوائم الرقمية أهمية خاصة لمصادر الطاقة المتجددة لأنها تساعد على معالجة التحديات الأساسية المرتبطة بتقطّع الإمدادات وتعقيد البنية التحتية.

وقد تتسم مصادر الطاقة الخضراء بعدم القدرة على التنبؤ، بينما لم تُصمم أدوات المراقبة التقليدية للتعامل مع هذه المتطلبات. وتعتمد الإدارة التقليدية لشبكات الطاقة على نهج ثابت وأنظمة مركزية، مثل أحد أنظمة التحكم الإشرافي والحصول على البيانات (المعروف أيضاً بنظام سكادا SCADA)، وبروتوكولات الفحص اليدوي.

ويكتسب الاستثمار في الطاقة المتجددة واستقرار شبكات الطاقة أهمية بالغة لأن تلبية الطلب على الكهرباء تتطلب زيادة الاستثمارات السنوية في الشبكات. ووفقًا للوكالة الدولية للطاقة، فإن تلبية الطلب على الكهرباء حتى عام 2030 ستتطلب زيادة الاستثمارات السنوية في الشبكات بنسبة 50% مقارنة بالمستوى الحالي البالغ 400 مليار دولار أمريكي.

وتتميز مصادر الطاقة المتجددة، مثل توربينات الرياح والألواح الشمسية، بتقلب مستويات إنتاجها تبعًا للظروف الجوية، مما يصعّب تتبع تدفقات الطاقة. وتتيح نماذج التوأم الرقمي للمشغلين محاكاة ظروف وتدفقات طاقة مختلفة. ويساهم ذلك بدوره في دعم استراتيجيات الصيانة التنبؤية والمراقبة الفورية.

كما يستخدم مشغلو شبكات الطاقة التوائم الرقمية من أجل إدارة الطاقة لاكتشاف احتمالات زيادة الأحمال على الشبكات، والتنبؤ بالانقطاعات المحتملة، وتحسين الكفاءة التشغيلية.

يشهد سوق التوائم الرقمية في قطاع الطاقة نموًا متسارعًا. وفقا لتقرير صادر عن Fortune Business Insights يُتوقع أن ينمو السوق من 33.97 مليار دولار أمريكي في عام 2026 إلى 384.79 مليار دولار أمريكي بحلول عام 2034، مع تزايد اعتماد مختلف القطاعات على هذه التقنية.

وتزداد أهمية تقنية التوائم الرقمية لأنظمة الطاقة المتجددة مع استمرار توسع عمليات الطاقة وتركيزها على كفاءة الطاقة وخفض انبعاثات الكربون وتقليل البصمة الكربونية.

وتعمل التوائم الرقمية وفق هيكل مكوّن من ثلاث طبقات: الأصل المادي، والنموذج الرقمي، واتصال البيانات الذي يربط بينهما.

ويمكن لهذه التقنية أن تعمل على مستويات مختلفة، بدءًا من أصل طاقة منفرد وصولًا إلى نظام طاقة متكامل أو شبكة كهربائية وطنية.

• الأصل المادي:تبدأ عملية التوأم الرقمي بأصل مادي مُجهّز بمستشعرات، مثل أجهزة مراقبة الاهتزاز، ومقاييس الحرارة، ومستشعرات سرعة الرياح، وأجهزة قياس القدرة الكهربائية المنتجة. وتشمل بعض المكونات الرئيسية لتقنية التوائم الرقمية المستشعرات الموجودة في أجهزة إنترنت الأشياء (IoT) والعدادات الذكية.
• النموذج الرقمي: تبث المستشعرات البيانات إلى منصة حوسبة سحابية أو حوسبة طرفية، والتي تغذي نموذجًا برمجيًا صُمم لمحاكاة خصائص الأصل المادي داخل نسخة افتراضية. وتستخدم التوائم الرقمية الأكثر تطورًا النمذجة ثلاثية الأبعاد الآنية، والحوسبة السحابية، وتحليلات البيانات الآنية لتشغيل هذه الطبقة.
• اتصال البيانات: تُحدِّث البيانات الجديدة النموذج باستمرار، مما يُبقي النموذج الافتراضي متزامنًا مع حالة الأصل المادي في كل لحظة. وتعمد العديد من المؤسسات إلى أتمتة عملية تبادل البيانات لتخفيف العبء عن المشغلين. وتحدد قوة هذا الاتصال مدى دقة تمثيل النموذج الرقمي للظروف الفعلية.

وتتيح التوائم الرقمية لمشغلي الطاقة إجراء التجارب عبر تمثيل افتراضي للتوأم الرقمي، مما يحد من المخاوف المرتبطة بأمن البيانات والسلامة. ومن خلال التحليلات، المتقدمة، تساعد منصات التوأم الرقمي المشغلين على استكشاف سيناريوهات "ماذا لو" التي ربما لم تخطر لهم من قبل. كما تساعد محركات التحليلات الفرق على تحسين الأداء وتمكين التحليلات التنبؤية وتخصيص الموارد على نحو استراتيجي.

ونظرًا لتعقيد عمليات الطاقة والحاجة إلى الرؤى الآنية والتحليلات التنبؤية، فإن التوأم الرقمي الواحد نادرًا ما يكون كافيًا. وبدلًا من ذلك، تحتاج شركات الطاقة إلى عدة توائم رقمية، وفقا لما ذكره Nigel Cain، نائب الرئيس والشريك الأول في IBM، وBiren Gandhi، الشريك التنفيذي والقائد العالمي لمركز التميز لقطاع الطاقة والبيئة والمرافق في IBM.

وأضاف Cain وGandhi: "عند عمل التوائم الرقمية معًا، يمكنها محاكاة تأثير العوامل الخارجية، مثل الأحوال الجوية، وأعطال الأجهزة والمعدات، والتغيرات التنظيمية، وتقلبات السوق، على البنية التحتية للطاقة". "وتتيح هذه القدرة لشركات الطاقة وضع خطط طوارئ قوية وتحسين استراتيجياتها للحد من المخاطر والاستفادة من الفرص"

وتشمل الاستخدامات الشائعة للتوائم الرقمية في مجال الطاقة المتجددة محاكاة توربينات الرياح، ومراقبة محطات، ومراقبة محطات الطاقة الشمسية ، وتخزين الطاقة البطاريات، والطاقة الكهرومائية، وإدارة شبكات الطاقة.

وتسهم تقنية التوأم الرقمي في تعزيز تطبيق استراتيجيات الصيانة التنبؤية، والكشف الآلي عن الأعطال، وتحسين الأداء، وزيادة الاستقرار عبر مختلف العمليات التشغيلية.

وفي قطاع طاقة الرياح، يمكن للتوائم الرقمية محاكاة توربين منفرد أو مزرعة رياح كاملة. ويستطيع المشغلون محاكاة استجابة الشفرات لظروف الرياح المتغيرة، والتنبؤ بالتآكل الميكانيكي في علب التروس والمحامل، وجدولة أعمال الصيانة قبل وقوع الأعطال بوقت كافٍ.

ويساعد نهج الصيانة التنبؤية على اكتشاف مشكلات مثل تدهور المحامل أو تراكم الجليد على الشفرات، مما يدعم أيضًا تحسين إدارة الأصول التشغيلية.

وبالنسبة إلى منشآت الطاقة الشمسية، تُحاكي التوائم الرقمية أداء مصفوفات الألواح في ظل ظروف الطقس المختلفة، وتراكم الغبار، وحالات التظليل. وتتابع هذه التقنية معدلات التدهور وتساعد على تحسين إعدادات العاكسات الكهربائية أو جداول تنظيف الألواح.

كما يستطيع مشغلو المرافق واسعة النطاق استخدام التوائم الرقمية لمحاكاة تأثير تراكم الغبار أو اختلال محاذاة الألواح على الإنتاج.

وتساعد التوائم الرقمية لأنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS) المشغلين على فهم بيانات الإنتاج والاستهلاك الآنية وتحليلها.

ويُعد تحديد الأوقات الأكثر كفاءة لتخزين فائض الطاقة الشمسية أو طاقة الرياح وتحديد توقيت ضخها إلى الشبكة، عنصرًا أساسيًا في النماذج التنبؤية. كما أن معرفة توقيت استخدام الطاقة المخزنة وآلية استخدامها تسهم في توفير الوقت وخفض التكاليف.

غالبا ما تشغل منشآت الطاقة الكهرومائية عدة توربينات في نفس الوقت. ويمكن لنموذج التوائم الرقمية محاكاة توليفات مختلفة من تشغيل التوربينات لتحديد التكوين الأكثر كفاءة لمعدل تدفق مياه ومستوى طلب محددين، مما يقلل هدر المياه ويحد من جهود التشغيل غير الضرورية.

وبالنسبة إلى الشبكات التي تعتمد على الطاقة الكهرومائية بالتخزين بالضخ، تستطيع التوائم الرقمية محاكاة دورات الضخ لتحسين توقيت تخزين الطاقة أو إطلاقها استنادًا إلى الطلب على الشبكة وأسعار الكهرباء.

أما في شبكات الطاقة، فتُحاكي التوائم الرقمية تأثير توليد الطاقة المتجددة على البنية التحتية لنقل الطاقة وتخزينها، والمحطات الفرعية، وأنماط الطلب، بالاستفادة من مستشعرات إنترنت الأشياء (IoT) وتجميع البيانات الآنية.

وبإمكان مشغلي الشبكات تنفيذ سيناريوهات "ماذا لو"، مثل محاكاة استجابة الشبكة لانخفاض مفاجئ في إنتاج طاقة الرياح أو ارتفاع حاد في الطلب، دون التعرض لمخاطر تعطل العمليات الفعلية. ومن خلال محاكاة العرض والطلب، يمكن للمشغلين موازنة تدفقات الطاقة ودمجها بسلاسة في الشبكة الأوسع.

وتشمل فوائد التوائم الرقمية في مجال الطاقة المتجددة تعزيز الاستدامة، وتطوير الصيانة التنبؤية، وتسريع اتخاذ القرار، وتحقيق وفورات ملموسة في التكاليف، ورفع كفاءة التكامل مع الشبكة، وتعزيز التعاون:

• استدامة أكثر فاعلية يُصبح إعداد تقارير الاستدامة أكثر دقة وموثوقية عندما يتابع التوأم الرقمي بيانات الأداء والانبعاثات بصورة مستمرة. ويوفر ذلك للشركات سجلًا موثقًا يمكن التحقق منه لدعم الامتثال وإعداد التقارير للمستثمرين، بدلًا من الاعتماد على تقديرات تُجمع بعد وقوع الأحداث.
• تعزيز الصيانة التنبؤية: تساعد الصيانة التنبؤية على اكتشاف أعطال المعدات قبل حدوثها. يمكن للتوأم الرقمي رصد أنماط الاهتزاز غير المعتادة في التوربين أو الانخفاض في إنتاجية الألواح قبل وقت طويل من ملاحظتها خلال الزيارات الدورية للفنيين. ويحد هذا النهج من فترات التوقف عن العمل ويجنب الأصول الطاقية تكاليف الإصلاحات الطارئة المرتفعة.
• اتخاذ قرارات أسرع: يتيح النموذج الآني الذي يعكس ما يحدث على أرض الواقع اتخاذ القرارات بوتيرة أسرع. ولم يعد المشغلون بحاجة إلى انتظار عمليات الفحص المجدولة أو التقارير المتأخرة. وبدلًا من ذلك، يمكنهم رصد مشكلات الأداء فور ظهورها والاستجابة لها مباشرة.
• وفورات قابلة للقياس: تتحقق وفورات ملموسة من خلال تقليل الاختبارات الميدانية وتجنب الانقطاعات غير المخطط لها. وتستخدم الشركات التوائم الرقمية لمحاكاة التغييرات قبل تخصيص الاستثمارات الرأسمالية، مما يخفض تكاليف التجربة والخطأ في أعمال الصيانة والتوظيف وتحديث المعدات.
• تكامل أكثر سلاسة مع الشبكة: يساعد التكامل الأكثر سلاسة مع الشبكة المشغلين على إدارة التقلبات الملازمة للطاقة الشمسية وطاقة الرياح. وتوضح التوائم الرقمية للمشغلين تأثير الإنتاج المتغير على الشبكة الأوسع، مما يتيح التخطيط للتقلبات مسبقًا بدلًا من التعامل معها بعد وقوعها.
• تعاون أقوى: ينشأ تعاون أكثر فاعلية عندما تعمل فرق الهندسة والعمليات والشؤون المالية استنادًا إلى النموذج نفسه. ويمنح العرض المشترك والآني لأداء الأصول جميع الإدارات نقطة انطلاق موحدة لاتخاذ القرارات، مما يقلل سوء التواصل والازدواجية في العمل.

وتوفر التوائم الرقمية في قطاع الطاقة المتجددة إمكانات كبيرة، إلا أن المشغلين يواجهون تحديات حقيقية قبل الاستفادة الكاملة من هذه المزايا. وتشمل هذه التحديات ارتفاع مخاطر الأمن السيبراني، وضعف جودة البيانات، وارتفاع تكاليف التنفيذ، وتقادم البنية التحتية، ونقص المهارات. ويساعد فهم هذه التحديات المؤسسات على التخطيط بصورة أكثر فاعلية لعمليات النشر وتجنب الأخطاء المكلفة:

• مخاطر الأمن السيبراني: يمثلالأمن السيبراني تحديًا لأن التوائم الرقمية تعتمد على تدفقات بيانات مستمرة بين الأصول المادية والمنصات السحابية. ويؤدي ذلك إلى إنشاء أسطح هجوم يمكن للمهاجمين استغلالها لتعطيل عمليات الشبكة أو سرقة البيانات التشغيلية. ويمكن للمؤسسات معالجة هذه المخاطر من خلال تطبيق التشفير الشامل بين الطرفين، وتقسيم الشبكات، اختبار الاختراق دورية على جميع الأنظمة المتصلة.
• متطلبات جودة البيانات وحجمها: تمثل جودة البيانات وحجمها تحديًا لأن التوائم الرقمية تعتمد على بيانات المستشعرات، بينما تؤدي البيانات غير المكتملة أو منخفضة الجودة إلى نماذج غير موثوقة. وينبغي لفرق أنظمة الطاقة الاستثمار في بنية تحتية متكررة للاستشعار، وإنشاء مسارات آلية للتحقق من صحة البيانات ترصد الحالات الشاذة وتصححها قبل وصولها إلى النموذج.
• ارتفاع تكاليف التنفيذ: يرتبط إنشاء توأم رقمي متكامل بتكاليف تنفيذ مرتفعة. ويتطلب الاستثمار الأولي في المستشعرات والمنصات البرمجية وعمليات التكامل ميزانيات كبيرة، مما يجعل التقنية بعيدة المنال بالنسبة إلى المشغلين الأصغر حجمًا. ويمكن للمؤسسات الراغبة في تجربة التوائم الرقمية البدء بحالة استخدام محددة وعالية القيمة، ثم توسيع نطاق التطبيق بعد إثبات العائد على الاستثمار (ROI).
• تكامل البنية التحتية القديمة: تمثل البنية التحتية القديمة تحديًا لأن أصول الطاقة المتجددة الأقدم لم تُصمم لتبادل البيانات. إضافةً إلى ذلك، يفرض تركيب المستشعرات أو أنظمة الاتصالات على التوربينات والعاكسات الكهربائية المتقادمة تحديات تقنية كبيرة. ويمكن للمشغلين معالجة ذلك من خلال نشر أجهزة الحوسبة الطرفية التي تحوّل إشارات المعدات القديمة إلى صيغ تستطيع منصات التوائم الرقمية الحديثة استيعابها، مما يدعم قابلية التشغيل البيني بين الأنظمة.
• نقص الكفاءات والمهارات: يمثل نقص الكفاءات والمهارات أحد تحديات التوائم الرقمية لأن هذه التقنية تتطلب مزيجًا نادرًا من الخبرات في أنظمة الطاقة وعلوم البياناتوهندسة البرمجيات، وهو ما يفتقر إليه القطاع على نطاق واسع حاليًا. ويمكن للمؤسسات سد هذه الفجوة عبر الاستعانة بمورّدين متخصصين خلال مراحل النشر الأولى، بالتوازي مع تنفيذ برامج تدريب داخلية لبناء قدرات مستدامة داخل المؤسسة.

وسيتركز مستقبل التوائم الرقمية في قطاع الطاقة المتجددة على أنظمة أكثر استقلالية مدعومة بالذكاء الاصطناعي، قادرة على تحسين إنتاج الطاقة ذاتيًا، مع تتبع مؤشرات الأداء وإجراء تحليلات السيناريوهات تلقائيًادون تدخل بشري.

ومع تدريب النماذج على مجموعات بيانات أكبر عبر أساطيل الأصول العالمية، ستزداد دقة التنبؤات وقابليتها للتطبيق في بيئات تشغيلية مختلفة:

• الشبكات الذكية على المستوى الوطني: تمثل الشبكات الذكية على المستوى الوطني توجهًا رئيسيًا آخر، إذ يربط المشغلون التوائم الرقمية الخاصة بالأصول الفردية ضمن شبكات موحدة على مستوى الشبكة الكهربائية. ويمكن للنموذج محاكاة نظام طاقة إقليمي كامل بصورة آنية. ويمنح ذلك مديري الشبكات القدرة على محاكاة الأعطال المتسلسلة، واختبار سيناريوهات دمج الطاقة المتجددة، وتنسيق توزيع الطاقة المخزنة عبر آلاف الأصول في الوقت نفسه.
• توحيد معايير صيغ البيانات: يسعى قادة القطاع والجهات التنظيمية إلى اعتماد صيغ بيانات موحدة وواجهات برمجة تطبيقات مفتوحة تتيح للتوائم الرقمية من مورّدين مختلفين تبادل البيانات والعمل معًا. وسيؤدي هذا التوحيد إلى خفض تكاليف التكامل، وتقليل الارتباط بمورّد واحد، وتسريع الاعتماد لدى المشغلين الأصغر الذين لا يستطيعون تحمل تكاليف تنفيذ نماذج التوائم الرقمية.
• التكامل بين المركبات والشبكة: يشهد اعتماد المركبات الكهربائية (EV) نموًا متزايدًا، وستؤدي التوائم الرقمية دورًا أكبر في إدارة أنظمة التكامل بين المركبات والشبكة (V2G). وتساعد نماذج التوائم الرقمية المشغلين على التنبؤ بتأثير أنماط شحن المركبات الكهربائية وتفريغها على استقرار الشبكة، لاسيما مع تقلب إنتاج الطاقة المتجددة بمرور الوقت.