Gemelli digitali per le energie rinnovabili

Il gemello digitale acquisisce continuamente dati in tempo reale, fornendo un confronto accurato con le controparti del mondo reale.

Questa tecnologia, basata su funzionalità di intelligenza artificiale (AI) e apprendimento automatico (ML), crea una versione digitale di un sistema di potenza che gli operatori possono simulare, analizzare e ottimizzare utilizzando dati in tempo reale e insight intelligenti. Gli operatori possono riprodurre il comportamento degli asset, prevedere i problemi e ottimizzarne le prestazioni, il tutto senza intervenire sulle attrezzature fisiche.

Questa tecnologia si sta rivelando rivoluzionaria per l'efficienza operativa nel settore energetico. Un caso study sul Digital Wind Farm di GE ha rilevato che i gemelli digitali hanno consentito di prolungare la vita utile delle turbine fino a 5 anni e di ridurre i tempi di inattività fino al 25%, secondo uno studio di Energy Strategy Review sui gemelli digitali nei sistemi di energia rinnovabile.

La tecnologia dei gemelli digitali sta cambiando il modo in cui il settore energetico gestisce sistemi come la rete elettrica, che rappresenta un perno fondamentale dell'economia odierna. L'attuale landscape del settore energetico sta subendo una transizione dai tradizionali combustibili fossili verso fonti di energia rinnovabile, una maggiore sostenibilità e una migliore efficienza del sistema elettrico.

I gemelli digitali sono importanti per le fonti di energia rinnovabile perché aiutano a risolvere le sfide fondamentali dell'intermittenza e della complessità delle infrastrutture.

Le fonti di energia verde possono essere imprevedibili e gli strumenti di monitoraggio tradizionali non sono stati progettati per affrontare questa situazione. La gestione tradizionale della rete elettrica prevede un approccio statico e sistemi centralizzati, come i sistemi di controllo di supervisione e acquisizione di dati (noti anche come sistemi SCADA) e i protocolli di ispezione manuale.

Investire nelle energie rinnovabili e nella stabilità della rete elettrica è fondamentale perché soddisfare la domanda di elettricità richiede un aumento degli investimenti annuali nella rete. Secondo l'Agenzia Internazionale per l'Energia (AIE), per soddisfare la domanda di elettricità fino al 2030 sarà necessario aumentare del 50% gli investimenti annuali nella rete rispetto agli attuali 400 miliardi di dollari.

Le fonti di energia rinnovabile, come le turbine eoliche e i pannelli solari, presentano un output fluttuante che dipende dalle condizioni meteorologiche, il che rende difficile il monitoraggio dei flussi energetici. I modelli di gemello digitale consentono agli operatori di simulare diverse condizioni e flussi energetici; ciò, a sua volta, agevola le strategie di manutenzione predittiva e il monitoraggio in tempo reale.

Gli operatori delle reti elettriche utilizzano inoltre i gemelli digitali per la gestione energetica, al fine di individuare i momenti in cui le reti potrebbero andare in sovraccarico, prevedere potenziali interruzioni e ottimizzare l'efficienza operativa.

I gemelli digitali nel mercato dell'energia sono in crescita. Secondo un report di Fortune Business Insights, il mercato dovrebbe crescere da 33,97 miliardi di dollari nel 2026 a 384,79 miliardi di dollari entro il 2034, man mano che più settori adotteranno questa tecnologia.

La tecnologia dei gemelli digitali sta diventando sempre più essenziale per i sistemi di energia rinnovabile, poiché le operazioni energetiche continuano a espandersi e a concentrarsi sull'efficienza energetica, sulla riduzione delle emissioni di carbonio e sull'abbassamento della propria impronta di carbonio.

I gemelli digitali operano in una struttura a tre livelli: l'asset fisico, il modello digitale e la connessione dati che collega i due.

La tecnologia può operare su diverse scale, da un singolo asset energetico a un intero sistema energetico o alla rete nazionale.

• Asset fisico: il processo del gemello digitale inizia con un asset fisico dotato di sensori, come monitor di vibrazioni, misuratori di temperatura, sensori di velocità del vento e misuratori di potenza erogata. Alcuni componenti chiave della tecnologia dei gemelli digitali includono i sensori presenti sui dispositivi Internet of Things (IoT) e sui contatori intelligenti.
• Modello digitale:  i sensori trasmettono i dati a una piattaforma cloud o di edge computing, che alimenta un modello software progettato per replicare le caratteristiche dell'asset fisico in una replica virtuale. I gemelli digitali più avanzati utilizzano la modellazione 3D in tempo reale, il cloud computing e l'analytics dei dati in tempo reale per alimentare questo livello.
• Connessione dei dati: I nuovi dati aggiornano continuamente il modello, mantenendo il modello virtuale sincronizzato con ciò che l'asset fisico sta facendo in un determinato momento. Molte aziende automatizzano il processo di scambio dei dati per alleggerire il carico di lavoro degli operatori. La forza di questa connessione determina quanto accuratamente il modello digitale rifletta le condizioni del mondo reale.

I gemelli digitali consentono agli operatori del settore energetico di sperimentare attraverso una rappresentazione virtuale, mitigando le preoccupazioni relative alla sicurezza dei dati e alla sicurezza operativa. Attraverso analytics avanzate, le piattaforme di gemelli digitali aiutano gli operatori a esplorare scenari ipotetici che potrebbero non aver mai preso in considerazione. I motori di analisi possono supportare i team nell'ottimizzare le prestazioni e consentire analisi predittive e un'allocazione strategica delle risorse.

Data la complessità e la necessità di insight in tempo reale e analytics predittiva, un unico gemello digitale raramente è sufficiente. Le aziende del settore energetico hanno invece bisogno di più gemelli digitali, secondo Nigel Cain, Vicepresident e Senior Partner di IBM e Biren Gandhi, Executive Partner & Global Industry CoE Leader of Energy, Environment & Utility presso IBM.

"Agendo insieme, i gemelli digitali possono simulare l'impatto di fattori esterni, quali eventi meteorologici, guasti hardware e alle attrezzature, cambiamenti normativi e fluttuazioni di mercato, sulle infrastrutture energetiche", hanno affermato Cain e Gandhi. "Questa capacità consente alle aziende energetiche di sviluppare solidi piani di emergenza e ottimizzare le proprie strategie per mitigare i rischi e sfruttare le opportunità."

Tra le applicazioni più comuni dei gemelli digitali nel settore delle energie rinnovabili figurano la simulazione delle turbine eoliche, il monitoraggio degli impianti solari, l'accumulo di energia in batterie, l'energia idroelettrica e la gestione della rete elettrica.

La tecnologia dei gemelli digitali consente un'applicazione più efficace delle strategie di manutenzione predittiva, il rilevamento automatico dei guasti, l'ottimizzazione delle prestazioni e una maggiore stabilità in tutto il ciclo operativo.

Nel settore dell'energia eolica, i gemelli digitali possono simulare una singola turbina o un intero parco eolico. Gli operatori sono in grado di simulare come le pale rispondono alle condizioni del vento, prevedere l'usura meccanica di riduttori e cuscinetti e programmare la manutenzione con largo anticipo rispetto al verificarsi di un guasto.

Un approccio di manutenzione predittiva permette di individuare problemi quali il degrado dei cuscinetti o la formazione di ghiaccio sulle pale, contribuendo così a migliorare la gestione degli asset dell'impianto.

Per gli impianti solari, i gemelli digitali modellano le prestazioni dei campi di pannelli in diverse condizioni meteorologiche, in presenza di accumulo di polvere e in condizioni di ombreggiamento. La tecnologia monitora i tassi di degrado e aiuta a ottimizzare le impostazioni degli inverter o i programmi di pulizia dei pannelli.

Gli operatori su scala industriale possono inoltre utilizzare i gemelli digitali per simulare l'effetto dell'accumulo di polvere o del disallineamento dei pannelli sulla produzione.

I gemelli digitali dei sistemi di accumulo di energia a batteria (BESS) aiutano gli operatori a comprendere e analizzare i dati di produzione e consumo in tempo reale.

Determinare i momenti più efficienti per immagazzinare l'energia solare o eolica in eccesso e quando immetterla nella rete è fondamentale per i modelli predittivi. Sapere quando e come l'energia immagazzinata debba essere immessa può far risparmiare tempo e denaro.

Gli impianti idroelettrici spesso comportano l'utilizzo di più turbine contemporaneamente. Un modello di gemello digitale può simulare diverse combinazioni di funzionamento delle turbine per individuare la configurazione più efficiente per una specifica portata d'acqua e un determinato livello di domanda, riducendo lo spreco d'acqua e gli sforzi di produzione superflui.

Per le reti dotate di impianti idroelettrici di accumulo per pompaggio, i gemelli digitali permettono di simulare i cicli di pompaggio per ottimizzare i tempi di accumulo e rilascio dell'energia in base alla domanda della rete e alle tariffe elettriche.

Per le reti energetiche, i gemelli digitali modellano l'impatto della generazione da fonti rinnovabili sulle infrastrutture di stoccaggio e trasmissione, sulle sottostazioni e sui pattern di domanda attraverso sensori IoT e l'acquisizione di dati in tempo reale.

I gestori della rete possono eseguire scenari "ipotetici", come simulare la risposta della rete a un calo improvviso dell'output eolico o a un picco della domanda, senza rischiare interruzioni nella realtà. Simulando domanda e offerta, gli operatori sono in grado di bilanciare i flussi energetici e integrarli senza intoppi nella rete più ampia.

I vantaggi dei gemelli digitali nel settore delle energie rinnovabili includono una maggiore sostenibilità, una manutenzione predittiva avanzata, un processo decisionale più rapido, risparmi sui costi misurabili, un'integrazione più efficiente nella rete e una collaborazione potenziata:

• Sostenibilità più trasparente: diventa possibile redigere rapporti di sostenibilità più trasparenti quando un gemello digitale monitora continuamente i dati relativi alle prestazioni e alle emissioni. Ciò fornisce alle aziende una documentazione verificabile a supporto della conformità e della rendicontazione agli investitori, anziché affidarsi a stime elaborate a posteriori.
• Manutenzione predittiva potenziata: la manutenzione predittiva aiuta a individuare i guasti alle attrezzature prima che si verifichino. Un gemello digitale può segnalare modelli di vibrazione insoliti in una turbina o un calo dell'output dei pannelli molto prima che un tecnico se ne accorga durante una visita di routine. Questo approccio riduce i tempi di inattività ed evita costose riparazioni d'emergenza agli asset energetici.
• Processo decisionale più rapido: un processo decisionale più rapido deriva dal disporre di un modello in tempo reale che rispecchia ciò che sta accadendo sul campo. Gli operatori non devono più attendere ispezioni programmate o rapporti in ritardo. Al contrario, individuano i problemi di prestazione non appena si presentano e reagiscono immediatamente.
• Risparmi misurabili: i risparmi misurabili derivano dalla riduzione del numero di test fisici e dall'eliminazione delle interruzioni non pianificate. Le aziende utilizzano i gemelli digitali per simulare i cambiamenti prima di impegnare capitali, riducendo così i costi legati alla fase di prova ed errore in materia di manutenzione, personale e aggiornamenti delle attrezzature.
• Integrazione più fluida nella rete: un'integrazione più fluida nella rete aiuta gli operatori a gestire l'imprevedibilità tipica dell'energia solare ed eolica. I gemelli digitali mostrano agli operatori in che modo l'output variabile influenzerà la rete nel suo complesso, consentendo loro di pianificare in anticipo le fluttuazioni anziché reagire a posteriori.
• Maggiore collaborazione: si crea una maggiore collaborazione quando i team di ingegneria, operazioni e finanza lavorano sulla base dello stesso modello. Una visione condivisa e in tempo reale delle prestazioni degli asset offre a ogni reparto lo stesso punto di partenza per le decisioni, riducendo le incomprensioni e la duplicazione del lavoro.

Sebbene i gemelli digitali nel settore delle energie rinnovabili sblocchino potenti potenzialità, gli operatori devono affrontare ostacoli concreti prima di poter realizzare tali benefici. Queste sfide includono maggiori rischi di cybersecurity, scarsa qualità dei dati, costi di implementazione elevati, infrastrutture obsolete e carenza di competenze. Comprendere queste sfide aiuterà le organizzazioni a pianificare implementazioni più intelligenti ed evitare costosi passi falsi:

• Rischi di cybersecurity: la cybersecurity rappresenta una sfida poiché i gemelli digitali si basano su flussi continui di dati tra gli asset fisici e le piattaforme cloud. Ciò crea superfici di attacco che gli hacker possono sfruttare per interrompere il funzionamento della rete o rubare dati operativi. Le organizzazioni possono affrontare questo problema implementando la crittografia end-to-end, la segmentazione della rete e test di penetrazione regolari su tutti i sistemi connessi.
• Requisiti relativi alla qualità e al volume dei dati: i requisiti relativi alla qualità e al volume dei dati rappresentano una sfida poiché i gemelli digitali si basano sui dati dei sensori, e dati incompleti o di scarsa qualità producono modelli inaffidabili. I team dei sistemi energetici dovrebbero investire in infrastrutture di rilevamento ridondanti e in pipeline automatizzate di convalida dei dati che segnalino e correggano le anomalie prima che raggiungano il modello.
• Elevati costi di implementazione: la realizzazione di un gemello digitale robusto comporta costi di implementazione elevati. L'investimento iniziale in sensori, piattaforme software e integrazione è significativo, il che rende la tecnologia fuori dalla portata degli operatori più piccoli. Una soluzione per le organizzazioni che desiderano sperimentare i gemelli digitali è quella di iniziare con un caso d'uso circoscritto e ad alto valore aggiunto, per poi ampliare l'ambito d'applicazione dopo aver dimostrato il ritorno sull'investimento (ROI).
• Integrazione delle infrastrutture legacy: le infrastrutture legacy rappresentano una sfida, poiché gli asset rinnovabili più datati non sono stati progettati per condividere i dati. Inoltre, l'adeguamento di sensori o sistemi di comunicazione su turbine e inverter obsoleti crea notevoli difficoltà tecniche. Una soluzione consiste nell'implementazione, da parte degli operatori, di dispositivi di edge computing che convertano i segnali delle attrezzature legacy in formati che le moderne piattaforme di gemelli digitali possano elaborare, contribuendo a garantire una migliore interoperabilità tra i sistemi.
• Carenza di talenti e competenze: la carenza di talenti e competenze rappresenta una sfida per i gemelli digitali, poiché la tecnologia richiede una rara combinazione di competenze specifiche nei sistemi energetici, nella data science e nell'ingegneria del software, di cui il settore attualmente non dispone su larga scala. Le organizzazioni possono colmare questa lacuna scegliendo fornitori specializzati per l'implementazione iniziale, mentre avviano programmi di formazione interni per sviluppare competenze interne a lungo termine.

Il futuro dei gemelli digitali nel settore delle energie rinnovabili ruoterà attorno a sistemi più autonomi e basati sull'AI, in grado di ottimizzare in modo autonomo la produzione di energia, monitorando automaticamente le metriche di prestazione e conducendo analisi di scenario, il tutto senza intervento umano.

Man mano che i modelli vengono addestrati su set di dati più ampi relativi a parchi di asset globali, le loro previsioni diventeranno più precise e più trasferibili tra diversi ambienti operativi:

• Reti intelligenti su scala nazionale: anche le reti intelligenti su scala nazionale rappresentano una tendenza chiave, poiché gli operatori collegano i singoli gemelli digitali a livello di asset in reti unificate su scala di rete. Il modello è in grado di replicare un intero sistema energetico regionale in tempo reale. Ciò offre ai gestori di rete la possibilità di simulare guasti a cascata, testare scenari di integrazione delle energie rinnovabili e coordinare la distribuzione dell'accumulo su migliaia di asset contemporaneamente.
• Standardizzazione dei formati di dati: i leader del settore e le autorità di regolamentazione stanno cercando formati di dati comuni e application programming interface (API) aperte che consentano ai gemelli digitali di diversi fornitori di condividere dati e collaborare. Questa standardizzazione ridurrà i costi di integrazione, limiterà i blocchi dal fornitore e accelererà l'adozione da parte degli operatori più piccoli che non possono permettersi l'implementazione di modelli di gemelli digitali.
• Integrazione Vehicle-to-Grid: l'adozione dei veicoli elettrici (EV) è in crescita e i gemelli digitali svolgeranno un ruolo sempre più importante nella gestione dei sistemi Vehicle-to-Grid (V2G). I modelli di gemello digitale aiutano gli operatori a prevedere in che modo i modelli di ricarica e scarica dei veicoli elettrici influenzano la stabilità della rete, soprattutto quando l'output da fonti rinnovabili varia nel tempo.