تمثل تقنية «التوأم الرقمي – Digital twins» تطوراً جوهرياً في مجال التكنولوجيا، حيث تعتمد على إنشاء نسخة رقمية متكاملة تحاكي كائناً مادياً أو عملية معينة في بيئة رقمية موازية. تتميز هذه النسخ الرقمية بقدرتها على التحديث في الوقت الحقيقي بناءً على البيانات المستمدة من البيئة الحقيقية، مما يتيح مراقبة وتحليل الأداء واتخاذ قرارات أكثر دقة وفاعلية.
تخيل لو كان لديك نسخة رقمية من نفسك قادرة على محاكاة تصرفاتك وقراراتك دون التعرض لأي مخاطر؟
هذا هو جوهر تقنية التوأم الرقمي، التي تتكون من مجموعة من النماذج الرياضية والمحاكاة الحاسوبية التي تعتمد على بيانات حقيقية يتم جمعها عبر أجهزة الاستشعار والتقنيات الرقمية المتقدمة. يمكن لهذه التقنية متابعة التغيرات والتفاعلات في النظام المادي بمرور الوقت، مما يجعلها أداة قوية لتحليل الأداء، تحسين الكفاءة، وتقليل المخاطر.
يُظهر الاهتمام المتزايد بتقنية التوأم الرقمي، بالتوازي مع التطورات السريعة في التكنولوجيا الداعمة، بلغت تقديرات السوق للاستثمارات في التوأم الرقمي لتتجاوز 48 مليار دولار بحلول عام 2026.
يمكن لمطوري مشاريع الهيدروجين والمستثمرين استخدام التوائم الرقمية لتحسين الجدوى الاقتصادية لمشاريع الطاقة المتجددة وتلبية الطلب المتزايد، إذ يمكنهم ستخدام مخطط تقني ومالي موثوق يحدد المخاطر وقد يسرع من توسيع نطاق محطات الهيدروجين الأخضر. ويمكن أن تساعد التوائم الرقمية – التي يمكنها محاكاة محطة فعلية من مرحلة التخطيط قبل بنائها حتى نهاية عمرها الافتراضي – في تقليل مخاطر الاستثمار، توفير التكاليف، وتسريع جداول زمنية للمشاريع.
في هذا المقال، سنستعرض كيفية استخدام التوأم الرقمي في مشاريع الهيدروجين الأخضر، مع تقديم أمثلة ناجحة عن شركات اعتمدت هذه التقنية لتحسين عملياتها وتحقيق أهدافها الاستراتيجية، لكن قبل ذلك سنقدم لكم مقدمة عن أهمية هذه التقنية واستخداماتها الحالية.
أهمية التوأم الرقمي واستخداماته في المجالات المختلفة
تكمن أهمية تقنية التوأم الرقمي في قدرتها على توفير نموذج رقمي ديناميكي يحاكي الواقع، مما يسمح للشركات بمراقبة وتحليل وتحسين الأداء بطرق لم تكن ممكنة من قبل. تُستخدم التوائم الرقمية في مجموعة متنوعة من الصناعات، بما في ذلك التصنيع، والرعاية الصحية، والنقل، والطاقة، والبنية التحتية.
إليكم بعض الأمثلة البارزة لاستخدام التوائم الرقمية في مختلف الصناعات:
- التصنيع: استخدمت شركة «جنرال إلكتريك – General Electric» التوائم الرقمية لتحسين كفاءة المصانع وتقليل التكاليف التشغيلية.
- الرعاية الصحية: تُستخدم التوائم الرقمية في نمذجة الأجهزة الطبية وتوقع أداء العلاج على المرضى قبل تطبيقه فعلياً، مما يحسن من فعالية العلاجات ويساهم في تقديم رعاية صحية أفضل.
- النقل: شركة «سيمينز – Siemens» استغلت التوائم الرقمية لتطوير نظم تحكم ذكية في حركة المرور، مما ساعد في تحسين تدفق المركبات وتقليل الازدحام.
- إدارة سلسلة التوريد: شركة «أنهيزر-بوش إنبيف – Anheuser-Busch InBev» استخدمت التوأم الرقمي لتحسين سلسلة التوريد، مما ساعدها على تحسين كفاءة الإنتاج وتقليل الفاقد.
- الرياضة والتصميم: فريق «الإمارات لنيوزيلندا – Emirates Team New Zealand» استخدم التوأم الرقمي لاختبار تصميمات القوارب، مما مكنهم من تحسين الأداء وزيادة فرص الفوز في السباقات.
التحديات التي تواجه إنتاج الهيدروجين المتجدد اليوم
ما زال الهيدروجين المتجدد صناعة ناشئة تواجه عقبات قصيرة الأجل لتحقيق إمكانياتها طويلة الأجل. تضيف البنية التحتية المكلفة والتخزين الضروري للهيدروجين، بالإضافة إلى الطبيعة المتغيرة لمصادر الطاقة المتجددة، ضغوطًا على الاقتصاديات المتعلقة بالمحطات. في الآونة الأخيرة، شهدنا معاناة المطورين في تأكيد الموافقات النهائية على المنح والاستثمارات عبر العالم العربي وحتى أوروبا.
تشكل حالات عدم اليقين المحيطة بالتكنولوجيا، أسعار الفائدة، الأطر التنظيمية، سوق الاستهلاك، وتوافر أجهزة التحليل الكهربائي جميعها عقبات أمام تحقيق الإنتاج على نطاق واسع:
تعد أجهزة التحليل الكهربائي مكونًا أساسيًا لأي مشروع هيدروجين متجدد. في الآونة الأخيرة، زادت النفقات الرأسمالية المطلوبة لأجهزة التحليل الكهربائي بنسبة تقارب 70%، نتيجة لتكاليف التمويل، العمالة، والمواد. تؤدي التغيرات في التوافر، الأسعار، والأداء عبر مجموعة من الخيارات إلى زيادة تعقيد تخطيط المشاريع.
على الرغم من توفر خيارات منخفضة التكلفة لأجهزة التحليل الكهربائي، إلا أن الأرخص لا يعني دائمًا الأفضل. على سبيل المثال، تعاني بعض أولى المحطات الكبيرة في التشغيل الآن من أداء دون الحد الأدنى للأحمال. هذا يعني أنه إذا انخفض ناتج الطاقة إلى أقل من 50%، يجب على هذه المحطات إيقاف تشغيل أجهزة التحليل الكهربائي وصيانتها لحل المشكلة. في المستقبل، قد يتغير هذا، ولكن يواجه المطورين خيارات صعبة، حيث يحتاجون إلى مراعاة التوازن بين النفقات الرأسمالية والأداء، وكذلك حجم وتسلسل أجهزة التحليل الكهربائي المستخدمة في المحطة.
يتطلب المستثمرون مستوى عالٍ من الثقة للوصول إلى قرار الاستثمار النهائي (FID) بسبب المخاطر المرتبطة بالمشاريع الضخمة. يستفيد المطورون إذا تمكنوا من تأمين عقود البيع في وقت مبكر من العملية. بمجرد تأمين العقود، يصبح من الأسهل تأمين التمويل وزيادة ثقة المستثمرين. ومع ذلك، في بيئة تشهد ارتفاع أسعار الفائدة، أصبح من الصعب تأمين تكلفة دين منخفضة كافية لتمكين معدلات عائد داخلية جاذبة على الأسهم. أدى ذلك إلى سعي بعض المطورين للحصول على ديون أقل وزيادة حصة الأسهم، مما يزيد عادة من تكاليف الالتزام الرأسمالي الأولي بنسبة تتراوح بين 10% إلى 25%.
في حين أن التشريعات الأخيرة تخلق بيئة مواتية لتعزيز الطلب على الهيدروجين المتجدد، إلا أن فهم الأطر التنظيمية المتعددة يمكن أن يكون تحديًا للمطورين. تختلف التعريفات والمتطلبات للإنتاج، مثل كثافة الكربون ومكان وجود مرافق الإنتاج، وكيفية مطابقة الإنتاج مع استهلاك الكهرباء، عبر المناطق، مما يجبر منتجي الهيدروجين على النظر في مجموعة واسعة من التصاميم والخطط التشغيلية للحصول على منتج متوافق مع الأسواق المتعددة.
كيف يمكن للتوأم الرقمي أن يساعد في التغلب على هذه التحديات؟
لكي تحصل المشاريع الضخمة على الضوء الأخضر للتطوير، يجب تصميم المشاريع لضمان أقل تكلفة إنتاج ممكنة على مدار عمر المحطة، ضمن بعض القيود المذكورة أعلاه. يمكن أن تساعد تقنية التوأم الرقمي في تحقيق ذلك، حيث يمكنها تقييم مئات أو آلاف الخيارات وتركيبات المكونات لتحسين تصميم المحطة وزيادة ثقة المستثمرين. يتم تأمين غالبية تكاليف التشغيل على مدار عمر المحطة أثناء التصميم، ويدعم التوأم الرقمي اتخاذ القرارات في وقت مبكر من العملية قبل بناء المحطة.
على الرغم من التحديات، يزداد زخم مشاريع الهيدروجين الضخمة مع انتقال أوائل المتحركين إلى تصميم ما قبل FID والهندسة. يبحث المطورون العالميون الآن عن طرق لتعزيز حالات الأعمال الخاصة بهم، ويمكن أن تلعب التوائم الرقمية دورًا كبيرًا في هذا الصدد.
- تقليل تكاليف الإنتاج
باستخدام التحليلات المتقدمة الاحتمالية (AA) وتقنيات الذكاء الاصطناعي التوليدي (gen AI)، يمكن للتوائم الرقمية أن تساعد في توضيح جدوى المشروع عن طريق تقدير تأثير العوامل الخارجية على الأداء الاقتصادي لتصميم المشروع المحتمل على مدار عمره التشغيلي. من خلال تبني التوائم الرقمية بشكل كامل، يمكن تقليل تكاليف الإنتاج (LCOx) بنسبة تتراوح بين 5% إلى 15%.
- تحسين تصميم المحطة
تكمن قوة التوأم الرقمي في قدرته على تقييم تعقيدات المحطة بسرعة، تحديد التكوينات المثلى، ومقارنة البدائل ضمن مجموعة من القيود (على سبيل المثال، المتطلبات التنظيمية للهيدروجين الأخضر). يمكنه دراسة جميع استراتيجيات التصميم البديلة الممكنة، مثل أحجام التخزين المختلفة، وأجهزة التحليل الكهربائي المتعددة وإنتاجيتها، وتكوينات التوازن للنظام (BoP)، ويمكنه استكشاف مجموعة أوسع من الحلول باستخدام تحسين الذكاء الاصطناعي لنمذجة العمليات.
يمكن للتوائم الرقمية تحسين التصميم حيث غالبًا ما تقصر الأساليب التقليدية، ويمكنها المساعدة في حل التعقيدات المعقدة المتأصلة في تصميم وهندسة المحطات الإلكترونية، مثل صلابة الطاقة، عامل الحمل، أو اختيار المكونات الفرعية. تتضمن بعض الأمثلة على ذلك:
- صلابة الطاقة: يمكن للتوائم الرقمية المساعدة في حل التعقيدات المعقدة في صلابة الطاقة عن طريق مقارنة مصادر الطاقة المتقطعة الأقل تكلفة مع الحاجة إلى تخزين الطاقة أو تحسين الشبكة. يمكن أن يحقق هذا التوازن بين الناتج عالي الصلابة وتكلفة الكهرباء المكافئة (LCOE).
- عامل الحمل: يمكن للتوائم الرقمية مساعدة المطورين على فهم تأثير تدهور أكوام أجهزة التحليل الكهربائي على تكلفة الهيدروجين المكافئة (LCOH) أثناء تعريف استراتيجية التشغيل. يتضمن ذلك تحديد عامل الحمل للوحدات أو مصفوفات محطة التحليل الكهربائي. يمكن بعد ذلك تغذية ذلك مباشرة إلى مرفق التشغيل واستراتيجية الصيانة المخططة.
- تكامل تصميم العمليات: عند تشغيل عملية صناعية واسعة النطاق، يعتبر وقت التشغيل العالي والتشغيل المستمر للعملية أمرًا بالغ الأهمية لاستقرار وكفاءة المفاعل. ومع ذلك، فإن مصادر الطاقة المتجددة بطبيعتها متقطعة. يعد تصميم النظام المتكامل من الطاقة إلى الجزيئات الذي يوازن النفقات الرأسمالية على مصادر الطاقة المتجددة، التخزين المؤقت، ووقت تشغيل المفاعل هو أكبر محرك لتكلفة الإنتاج (LCOx) للمحطة. يمكن للتوائم الرقمية تقييم وتحسين الحجم المحتمل لجميع عناصر النظام بسرعة، حتى مع أخذ العناصر الاحتمالية في الاعتبار، مثل أنماط الطقس، فشل المعدات، وجداول الإخلاء.
- اختيار المكونات الفرعية: يعد اختيار مكونات التوازن بالدفعات (BoP) عاملًا رئيسيًا في النفقات الرأسمالية ونفقات التشغيل OPEX للنظام. يمكن للتوائم الرقمية مساعدة المطورين في اختيار بين خيارات المعدات والمكونات. على سبيل المثال، يمكن للنمذجة أن توضح ما إذا كان من الأفضل للاقتصاديات المتعلقة بالمحطة السعي للحصول على مكونات أكبر وأقل عددًا (مثل الضواغط أو المضخات) مع نقاط فشل مركزة، أو تركيب العديد من الوحدات من المكونات الأصغر وإضافة مزيد من التكرار في العملية.
- حجم تخزين المنتج: يعد تخزين الهيدروجين مكلفًا ويمكن استكشاف خيارات مختلفة. على سبيل المثال، يمكن للمطورين الاستثمار في سعة تخزين هيدروجين أو أمونيا أصغر مع مخاطر توقف أعلى، أو اختيار تخزين مؤقت أكبر وتحمل التكلفة المرتبطة. يمكن نمذجة ذلك للتكامل مع جداول التسويق والمفاوضات التعاقدية.
تحقيق أقصى استفادة من التوأم الرقمي
يمكن للتوائم الرقمية تقديم فوائد تتجاوز التصميم والتطوير الأولية. إذ يمكن أن تشكل التوائم الرقمية أساسًا لمجموعة متنوعة من حالات الاستخدام طوال دورة حياة المحطة عندما يتم إعدادها بشكل صحيح أثناء تصميم المحطة.
- العمليات: يتم اعتبار وتصميم العمليات التشغيلية للمحطة مع التوأم الرقمي في البداية، مما يوفر رؤية أوضح لاحتياجات التشغيل والصيانة للمحطة لتحسين التخطيط. يمكن لهذه التقنية أيضًا توفير مزيد من اليقين بشأن نفقات التشغيل للمحطة مقدمًا.
- التمويل والاستثمار: يمكن أن تجعل التوائم الرقمية الموثوقة والمثبتة قرارات التمويل والاستثمار أقل مخاطرة، مما يخلق وضعًا أفضل لتحسين معدلات التمويل والتفاوض على عقود التسويق.
- تسليم المشاريع المتسلسلة: يمكن أن يسمح وجود توأم رقمي قائم وقدرة مضمنة بتطوير جميع المشاريع المستقبلية بسرعة وبتكلفة أقل، وتمكين المطورين من اختبار ما إذا كانت مفاهيم المشروع قابلة للتطبيق بسرعة. على سبيل المثال، عند إعطاء الأولوية لمشروعين، يمكن نمذجتهما افتراضيًا وتقييمهما بسرعة. يمكن للمطورين إعادة استخدام مفاهيمهم لجميع المشاريع المستقبلية واتخاذ القرار في وقت مبكر من العملية بشأن المشاريع التي يجب المضي قدمًا فيها والتي يجب إيقافها فورًا.
- الإدارة المالية والإدارية: يمكن إنشاء لوحة تحكم مخصصة وقابلة للتعديل لتقديم رؤى سهلة الوصول لمجموعة من أصحاب المصلحة الكبار، ودعم التفاوض ومراجعات مرحلة المشروع، وكذلك التقارير الدورية بمجرد التشغيل.
- التدقيق: يمكن استخدام التوائم الرقمية كأساس للتدقيق الداخلي والخارجي، على سبيل المثال، عن طريق مقارنة الأحداث الحقيقية في المحطة بالتوقعات النموذجية. يمكنها أيضًا تقديم رؤى اقتصادية مستقبلية قوية لخيارات التشغيل المستقبلية.
الخلاصة
يمثل الهيدروجين المتجدد موردًا ضروريًا لمساعدة العالم في تحقيق أهدافه لتخفيض الكربون. مع الاتجاه نحو مشاريع الهيدروجين الضخمة، من الضروري التأكد من تصميم المحطات بأكثر الطرق الاقتصادية الممكنة لضمان الاستثمارات والوصول إلى قرارات الاستثمار النهائية. يمكن أن تساعد تقنية التوأم الرقمي في تقليل التكاليف الرأسمالية الأولية وزيادة الكفاءة على مدار عمر المحطة، مما يجعلها أداة أساسية لتحقيق نجاح مشاريع الهيدروجين المتجدد.
تابعونا على لينكيد إن Linked-in لمعرفة كل جديد عن الطاقة المتجددة …
نتمنى لكم يوماً مشمساً..
