Jumeaux numériques pour les énergies renouvelables

Le jumeau numérique ingère en permanence des données en temps réel, fournissant ainsi une comparaison précise avec ses homologues physiques.

Cette technologie, alimentée par l’intelligence artificielle (IA) et le machine learning (ML), crée une version numérique d’un système électrique que les opérateurs peuvent simuler, analyser et optimiser en utilisant des données en temps réel et des analyses intelligentes. Les opérateurs peuvent imiter le comportement des actifs, prédire les problèmes et optimiser les performances des actifs, le tout sans toucher à l’équipement physique.

Cette technologie est en train de transformer l’efficacité énergétique des opérations. Une étude de cas menée sur le parc éolien numérique de GE a révélé que les jumeaux numériques permettaient de prolonger la durée de vie des turbines jusqu’à 5 ans et de réduire les temps d’arrêt jusqu’à 25 %, selon une étude d’Energy Strategy Review sur les jumeaux numériques dans les systèmes d’énergies renouvelables.

La technologie des jumeaux numériques change la manière dont le secteur de l’énergie gère des systèmes comme le réseau énergétique, qui est un pilier de l’économie actuelle. Le paysage actuel du secteur de l’énergie connaît une transition des combustibles fossiles traditionnels vers des sources d’énergies renouvelables, une plus grande durabilité et une meilleure efficacité du système électrique.

Les jumeaux numériques sont importants pour les sources d’énergies renouvelables, car ils aident à résoudre les défis fondamentaux liés à l’intermittence et aux infrastructures complexes.

Les sources d’énergie verte peuvent être imprévisibles, et les outils de surveillance traditionnels n’ont pas été conçus pour répondre au problème. La gestion traditionnelle du réseau électrique implique une approche statique et des systèmes centralisés, tels qu’un système de contrôle et d’acquisition de données (également appelé système SCADA) et des protocoles d’inspection manuels.

Investir dans les énergies renouvelables et la stabilité du réseau électrique est essentiel, car répondre à la demande en électricité nécessite une augmentation des investissements annuels dans le réseau. Selon l’Agence internationale de l’énergie (AIE), répondre à la demande d’électricité jusqu’en 2030 nécessitera une augmentation de 50 % de l’investissement annuel dans le réseau, par rapport aux 400 milliards de dollars actuels.

Les sources d’énergies renouvelables telles que les éoliennes et les panneaux solaires ont une production fluctuante qui dépend de la météo, ce qui rend difficile le suivi des flux d’énergie. Les modèles de jumeaux numériques permettent aux opérateurs de simuler différentes conditions et flux d’énergie. Cela facilite à son tour des stratégies de maintenance prédictive et une surveillance en temps réel.

Les opérateurs de réseaux électriques utilisent également des jumeaux numériques pour la gestion de l’énergie afin de détecter les risques de surcharge des réseaux, de prédire les interruptions potentielles et d’optimiser l’efficacité opérationnelle.

Les jumeaux numériques du marché de l’énergie sont en plein essor. Selon un rapport de Fortune Business Insights, le marché devrait passer de 33,97 milliards USD en 2026 à 384,79 milliards USD d’ici 2034, à mesure que davantage de secteurs adoptent la technologie.

La technologie des jumeaux numériques devient de plus en plus essentielle aux systèmes d’énergie renouvelable, à mesure que les opérations énergétiques continuent de prendre de l’ampleur et de se concentrer sur l’efficacité énergétique, la réduction des émissions de carbone et la baisse de leur empreinte carbone.

Les jumeaux numériques fonctionnent selon une structure à trois niveaux : l’actif physique, le modèle numérique et la connexion de données qui relie les deux.

La technologie peut fonctionner à différentes échelles, qu’il s’agisse d’un actif énergétique individuel, d’un système énergétique complet ou d’un réseau national.

• Actif physique : le processus de jumeau numérique commence par un actif physique équipé de capteurs, tels que des moniteurs de vibrations, des indicateurs de température, des capteurs de vitesse du vent et des compteurs de production électrique. Parmi les composants clés de la technologie des jumeaux numériques figurent les capteurs sur les appareils de l’Internet des objets (IdO) et les compteurs intelligents.
• Modèle numérique :  les capteurs transmettent les données vers une plateforme cloud ou edge computing, qui alimente un modèle logiciel conçu pour reproduire les caractéristiques de l’actif physique dans une réplique virtuelle. Les jumeaux numériques plus avancés utilisent la modélisation 3D en temps réel, le cloud computing et l’analytique en temps réel pour alimenter cette couche.
• Connexion aux données : les nouvelles données mettent à jour le modèle de façon continue, ce qui permet de synchroniser le modèle virtuel avec les activités de l’actif physique à un moment donné. De nombreuses entreprises automatisent le processus d’échange de données pour libérer les opérateurs. La force de cette connexion détermine dans quelle mesure le modèle numérique reflète les conditions réelles.

Les jumeaux numériques permettent aux opérateurs du secteur de l’énergie d’expérimenter via une représentation de jumeaux virtuels, atténuant ainsi les préoccupations liées à la sécurité des données et la sécurité globale. Grâce à l’analytique avancée, les plateformes de jumeaux numériques aident les opérateurs à découvrir des scénarios de simulation qu’ils n’auraient peut-être jamais envisagés. Les moteurs d’analyse peuvent aider les équipes à optimiser la performance et permettre des analyses prédictives ainsi qu’une allocation stratégique des ressources.

Compte tenu de la complexité et du besoin d’informations en temps réel et d’analyses prédictives, un seul jumeau numérique suffit rarement. Au lieu de cela, les entreprises énergétiques ont besoin de plusieurs jumeaux numériques, selon Nigel Cain, (VP et Senior Partner chez IBM), et Biren Gandhi (Executive Partner et Global Industry CoE Leader of Energy, Environment & Utilities chez IBM).

« En agissant ensemble, les jumeaux numériques peuvent simuler l’impact de facteurs externes, tels que les événements météorologiques, les pannes de matériel et d’équipement, les changements de réglementation et les fluctuations du marché sur l’infrastructure énergétique », ont déclaré Nigel Cain et Biren Gandhi. « Cette capacité permet aux entreprises du secteur de l’énergie d’élaborer des plans de contingence solides et d’optimiser leurs stratégies pour atténuer les risques et tirer parti des opportunités. »

Les applications courantes des jumeaux numériques dans les énergies renouvelables incluent la simulation d’éoliennes, la surveillance des centrales solaires, le stockage d’énergie sur batterie, l’hydroélectricité et la gestion du réseau électrique.

La technologie des jumeaux numériques permet une application plus forte de stratégies de maintenance prédictive, une détection automatisée des pannes, une optimisation des performances et une meilleure stabilité au sein d’une opération.

Dans le domaine de l’énergie éolienne, les jumeaux numériques peuvent simuler une turbine individuelle ou un parc éolien entier. Les opérateurs peuvent simuler la réaction des pales aux vents violents, prévoir l’usure mécanique des boîtes de vitesses et des roulements et aider les opérateurs à planifier la maintenance bien avant qu’une panne ne survienne.

Une approche de maintenance prédictive peut détecter des problèmes tels que la dégradation des roulements ou le givrage des pales, ce qui peut également contribuer à améliorer la gestion des actifs de l’opération.

Pour les installations solaires, les jumeaux numériques modélisent les performances des ensembles de panneaux sous différentes conditions météorologiques, accumulation de poussière et conditions d’ombrage. Cette technologie suit les taux de dégradation et aide à optimiser les réglages des onduleurs ou les plannings de nettoyage des panneaux.

Les opérateurs à l’échelle des services publics peuvent également utiliser les jumeaux numériques pour simuler l’accumulation de poussière ou un défaut d’alignement des panneaux sur la production.

Les jumeaux numériques des systèmes de stockage d’énergie sur batterie (BESS) aident les opérateurs à comprendre et à analyser en temps réel les données de production et de consommation.

Déterminer les moments les plus efficaces pour stocker le surplus d’énergie éolienne et solaire et pour l'injecter dans le réseau est essentiel pour les modèles prédictifs. Savoir quand et comment l’énergie stockée doit être déployée peut permettre de gagner du temps et de l’argent.

Les installations hydroélectriques font souvent fonctionner plusieurs turbines simultanément. Un modèle de jumeaux numériques peut simuler différentes combinaisons d’opérations de turbine afin de trouver la configuration la plus efficace pour un débit d’eau et un niveau de demande spécifiques, réduisant ainsi le gaspillage d’eau et les efforts de production inutiles.

Pour les réseaux utilisant de l’énergie hydroélectrique par pompage, les jumeaux numériques peuvent simuler les cycles de pompage afin d’optimiser le moment où il faut stocker l’énergie par rapport à la libération de l'énergie en fonction de la demande du réseau et de la tarification de l’électricité.

Pour les réseaux énergétiques, les jumeaux numériques modélisent l’impact de la production d’énergies renouvelables sur le stockage, les infrastructures de transmission, les sous-stations et les schémas de demande grâce à des capteurs IdO et à l’acquisition de données en temps réel.

Les opérateurs de réseau peuvent exécuter des scénarios de simulation, par exemple comment le réseau réagirait à une chute soudaine de la production éolienne ou à un pic de demande, sans risquer de perturbation réelle. En simulant l’offre et la demande, les opérateurs peuvent équilibrer les flux d’énergie et les intégrer facilement à l’ensemble du réseau.

Les avantages des jumeaux numériques dans le secteur des énergies renouvelables incluent une meilleure durabilité, une maintenance prédictive avancée, une prise de décision plus rapide, des économies de coûts mesurables, une intégration au réseau plus efficace et une collaboration renforcée :

• Durabilité plus propre : un reporting de durabilité plus net devient possible lorsqu’un jumeau numérique suit les données de performance et d’émissions en continu. Cela donne aux entreprises un dossier vérifiable pour soutenir la conformité et le reporting aux investisseurs, plutôt que de s’appuyer sur des estimations établies après coup.
• Maintenance prédictive améliorée : la maintenance prédictive permet de détecter les pannes d’équipement avant qu’elles ne surviennent. Un jumeau numérique peut signaler des modèles de vibrations inhabituels dans une turbine ou une baisse de la production du panneau bien avant qu’un technicien ne le remarque lors d’une visite de routine. Cette approche réduit les temps d’arrêt et évite des réparations d’urgence coûteuses sur les actifs énergétiques.
• Prise de décision plus rapide : une prise de décision plus rapide découle d’un modèle en temps réel qui reflète la réalité du terrain. Les opérateurs n’ont plus besoin d’attendre les inspections prévues ou les rapports différés. Au contraire, ils repèrent les problèmes de performance dès leur apparition et réagissent immédiatement.
• Économies mesurables : des économies mesurables découlent de la réduction du nombre de tests physiques effectués et de la prévention des pannes imprévues. Les entreprises utilisent ces jumeaux numériques pour simuler des changements avant de s’engager et réduire le coût lié aux essais et aux erreurs dans les domaines de la maintenance, du personnel et de la mise à niveau des équipements.
• Intégration du réseau plus fluide : une intégration plus fluide au réseau aide les opérateurs à gérer l’imprévisibilité liée au solaire et à l’éolien. Les jumeaux numériques montrent aux opérateurs comment une production variable affectera l’ensemble du réseau et leur permettent de planifier les fluctuations au lieu d’y réagir après coup.
• Collaboration renforcée : une collaboration plus forte émerge lorsque les équipes de l’ingénierie, des opérations et des finances travaillent selon le même modèle. Une vue partagée en temps réel de la performance des actifs donne à tous les services le même point de départ pour les décisions, réduisant ainsi les problèmes de communication et les doublons.

Les jumeaux numériques dans le secteur des énergies renouvelables libèrent des capacités puissantes, mais les opérateurs se heurtent à des obstacles réels avant de pouvoir en tirer pleinement profit. Ces défis incluent des risques liés à la cybersécurité, une mauvaise qualité des données, des coûts de mise en œuvre élevés, une infrastructure obsolète et des pénuries de compétences. Comprendre les défis aidera les entreprises à planifier des déploiements plus intelligents et à éviter des erreurs coûteuses :

• Risques liés à la cybersécurité : la cybersécurité constitue un défi, car les jumeaux numériques s’appuient sur des flux de données continus entre les actifs physiques et les plateformes cloud. Cela crée des surfaces d’attaque que les pirates peuvent utiliser pour perturber les opérations du réseau ou voler des données opérationnelles. Les organisations peuvent y remédier en mettant en œuvre le chiffrement de bout en bout, la segmentation du réseau et des tests d’intrusion réguliers sur tous les systèmes connectés.
• Exigences en matière de qualité et de volume des données : les exigences liées au volume et à la qualité des données constituent un défi, car les jumeaux numériques reposent sur des données de capteurs, et des données incomplètes ou de mauvaise qualité produisent des modèles peu fiables. Les équipes des systèmes énergétiques devraient investir dans une infrastructure de détection redondante et dans des pipelines automatisés de validation des données qui signalent et corrigent les anomalies avant d’atteindre le modèle.
• Coûts de mise en œuvre élevés : la construction d’un jumeau numérique robuste engendre des coûts de mise en œuvre élevés. L’investissement initial dans les capteurs, les plateformes logicielles et l’intégration est important, ce qui rend la technologie hors de portée des petits opérateurs. Une solution pour les entreprises souhaitant essayer les jumeaux numériques est de commencer par un cas d’utilisation limité et à forte valeur ajoutée, puis d’élargir la portée après avoir démontré le retour sur investissement (ROI).
• Intégration de l’infrastructure héritée : l’infrastructure héritée constitue un défi, car les anciens actifs renouvelables n’ont pas été conçus pour partager des données. En outre, l’installation de capteurs ou de systèmes de communication sur des turbines et des onduleurs vieillissants entraîne d’importantes difficultés techniques. Une solution consiste à permettre aux opérateurs de déployer des dispositifs d’edge computing qui convertissent les signaux d’équipement hérité en formats que les plateformes de jumeau numérique modernes peuvent ingérer, contribuant ainsi à assurer une meilleure interopérabilité entre les systèmes.
• Pénuries de talents et de compétences : les pénuries de talents et de compétences représentent un défi pour les jumeaux numériques, car la technologie nécessite une rare combinaison d’expertise en systèmes énergétiques, en science des données et en ingénierie logicielle, qui fait actuellement défaut à l’industrie à grande échelle. Les entreprises peuvent combler cet écart en choisissant des fournisseurs spécialisés pour le déploiement initial tout en proposant des programmes de formation internes visant à renforcer les capacités internes à long terme.

L’avenir des jumeaux numériques dans les énergies renouvelables sera centré sur des systèmes plus autonomes, pilotés par l’IA, capables d’auto-optimiser la production d’énergie, tout en suivant automatiquement les indicateurs de performance et en réalisant des analyses de scénarios, le tout sans intervention humaine.

Au fur et à mesure que les modèles s’entraînent sur de plus grands jeux de données provenant de parcs d’actifs mondiaux, leurs prévisions deviendront de plus en plus précises et transférables entre différents environnements opérationnels :

• Réseaux intelligents à l’échelle nationale : les réseaux intelligents à l’échelle nationale constituent également une tendance clé, car les opérateurs connectent des jumeaux numériques individuels au niveau des actifs à des réseaux unifiés à l’échelle du réseau. Le modèle peut reproduire en temps réel tout un système énergétique régional. Cela permet aux gestionnaires de réseau de simuler des défaillances en cascade, de tester des scénarios d’intégration des énergies renouvelables et de coordonner la répartition du stockage sur des milliers d’actifs de façon simultanée.
• Normalisation des formats de données : les leaders du secteur et les régulateurs recherchent des formats de données communs et des interfaces de programmation d’applications (API) ouvertes permettant aux jumeaux numériques de différents fournisseurs de partager des données et de collaborer. Cette normalisation réduira les coûts d’intégration, réduira l’enfermement propriétaire et accélérera l’adoption par les petits opérateurs qui n’ont pas les moyens de mettre en œuvre des modèles de jumeaux numériques.
• Intégration véhicule-réseau : l’adoption des véhicules électriques (VE) est en pleine croissance et les jumeaux numériques joueront un rôle plus important dans la gestion des systèmes véhicule-réseau (V2G). Les modèles de jumeaux numériques aident les opérateurs à prédire comment la recharge et la décharge des VE affectent la stabilité du réseau, d’autant plus que la production renouvelable fluctue au fil du temps.