La convergencia de la inteligencia artificial y la tecnología gemela digital está surgiendo como una solución transformadora, lo que permite a los productores de energía cambiar de los sistemas de control estático a las operaciones dinámicas y autoptimizadas que pueden predecir fallas, automatizar las decisiones y aprender continuamente de los datos de rendimiento del mundo real.
El panorama energético está experimentando una transformación fundamental, impulsada por la necesidad urgente de descarbonizar, mejorar la eficiencia y garantizar la confiabilidad de la red. A medida que los productores de energía se enfrentan a la integración de los recursos renovables intermitentes, mantienen la infraestructura de envejecimiento y cumplen con las demandas regulatorias en evolución, un avance tecnológico está emergiendo como un facilitador crítico de la excelencia operativa: gemelos digitales con inteligencia artificial (AI).
Los gemelos digitales no son solo representaciones estáticas de sistemas físicos. Son ecosistemas dinámicos y en tiempo real, que funcionan como activos vivos que reflejan y modelan las respuestas a los cambios continuos del mundo real en las operaciones. Cuando se infunden con IA, estos sistemas pueden ser más que herramientas de diagnóstico, permiten ideas predictivas y apoyan las operaciones de autoptimización de autoptimización en las instalaciones de generación fósil, nuclear y renovable.
Twins digitales: sentar las bases para las operaciones autónomas
Los gemelos digitales son modelos virtuales de activos físicos, sistemas o procesos que se actualizan continuamente con datos en tiempo real (Figura 1). En el sector eléctrico, ayudan a los operadores a comprender la condición y el rendimiento de equipos como turbinas, calderas, reactores nucleares y paneles fotovoltaicos. Al integrar la IA, los operadores pueden extender sus capacidades para pronosticar fallas, optimizar el rendimiento e incluso automatizar ciertas decisiones.
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1. Los gemelos digitales ayudan a unir operaciones físicas y digitales, admitiendo equipos en el terreno con ideas predictivas, datos históricos y soporte de decisiones automatizado. Cortesía: AVEVA |
Un informe de Guidehouse Insights pronosticó el mercado global de gemelos digitales en la industria energética para alcanzar casi $ 2.5 mil millones anuales para 2031, frente a $ 331 millones en 2022. Este crecimiento proyectado refleja inversiones crecientes de gemelos digitales integradas para respaldar la optimización, el mantenimiento predictivo y la transición a las operaciones de datos más sostenibles, las operaciones de datos de datos. A medida que las inversiones continúan creciendo, se espera que la introducción de las integraciones de IA lleve la tecnología a nuevas alturas e introduzca una mayor optimización para la industria energética.
La ventaja de IA: avanzar de reactivo a predictivo a autónomo
La automatización tradicional en las centrales eléctricas se basa en gran medida en la lógica de control fijo y la intervención manual. En contraste, los gemelos digitales mejorados con AI utilizan aprendizaje automático, análisis de datos e entradas de sensores para habilitar una variedad de funciones automáticas. Pueden predecir la degradación del equipo y reducir el tiempo de inactividad no planificado al permitir a los operadores programar el mantenimiento antes de que los activos fallen. También pueden ajustar las operaciones para mejorar la eficiencia y reducir las emisiones, equilibrando las prioridades operativas conflictivas como maximizar la producción al tiempo que minimiza el desgaste en los componentes críticos. Lo más importante, aprenden continuamente de nuevos datos, mejorando el rendimiento con el tiempo.
Esta evolución de las operaciones reactivas a predictivas y, finalmente, autónomas, se está desarrollando gradualmente, ofreciendo beneficios del mundo real para el rendimiento y la confiabilidad de la planta. Según un estudio de Deloitte, el mantenimiento predictivo puede reducir los costos de mantenimiento en un 25% y las interrupciones no planificadas en hasta un 70%, mejorando el tiempo de actividad del equipo y la continuidad operativa. Este aumento en la disponibilidad puede marcar la diferencia para las centrales eléctricas durante los momentos críticos, particularmente durante los meses de verano, cuando la demanda de la red eléctrica a menudo está en su apogeo.
Generación fósil: mejorar la eficiencia y la confiabilidad
A pesar del crecimiento de las energías renovables, la generación fósil sigue siendo una parte importante de la combinación de la red, especialmente durante las sobresalientes de la demanda. En el ciclo combinado, la turbina de gas y las plantas de carbón, los gemelos digitales con IA permiten el monitoreo proactivo al detectar signos tempranos de desgaste de componentes, inestabilidad de combustión o ineficiencias del sistema. Estas herramientas también optimizan la velocidad de calor y los parámetros de combustión en diferentes condiciones de carga, lo que ayuda a mejorar la utilización general de combustible y el rendimiento de las emisiones.
Un estudio de caso de McKinsey & Company encontró que la optimización habilitada para la AI ofreció una mejora de eficiencia del 2% dentro de los tres meses en una planta de energía en Texas, lo que resultó en $ 4.5 millones en ahorros de combustible anuales y 340,000 toneladas de emisiones de carbono evitado. Cuando esta tecnología se expandió a 67 unidades en 26 plantas, las ganancias de eficiencia promedio aumentaron un 1%, los ahorros anuales superaron los $ 23 millones y aproximadamente 1,6 millones de toneladas de emisiones de carbono se evitaron anualmente. Este crecimiento tanto en la eficiencia como en el ahorro de costos muestra que las optimizaciones escalables impulsadas por la IA pueden generar beneficios sustanciales, lo que refuerza el caso comercial para una implementación más amplia de tecnologías gemelas digitales inteligentes en la generación fósil.
En Aveva, hemos visto ganancias similares de gemelos digitales con IA en la generación fósil. Por ejemplo, en colaboración con un gran operador en el sector de refinación, las soluciones gemelas digitales permitieron la optimización de procesos en tiempo real, entregando más de $ 2 millones en ahorros anuales por unidad de destilación de crudo y logrando un período de recuperación de menos de un año.
Generación nuclear: mejorar la seguridad y la toma de decisiones
Las centrales nucleares operan bajo estrictas condiciones regulatorias y de seguridad, a menudo enfrentan informes de cumplimiento que requieren información en tiempo real sobre el rendimiento de las plantas. Los gemelos digitales han apoyado durante mucho tiempo la capacitación y la simulación en este espacio, pero la integración de la IA introduce nuevas capas de información y automatización. Los beneficios adicionales de la integración de la IA incluyen el análisis predictivo de la fatiga de los componentes, la síntesis de datos de cumplimiento automatizado, el modelado mejorado de escenarios de emergencia, las métricas de sostenibilidad y la detección de anomalías más sofisticadas en los sistemas críticos.
Hace solo unos años, la Oficina de Energía Nuclear del Departamento de Energía de EE. UU. Identificó gemelos digitales como un área de innovación prioritaria, destacando su capacidad para aumentar los márgenes de seguridad, menores costos operativos y proporcionar a los operadores de plantas un apoyo de toma de decisiones más profundo. Estas inversiones federales subrayan el importante papel que pueden desempeñar los gemelos digitales habilitados para AI para avanzar tanto en la excelencia operativa como en la confianza regulatoria en la industria de la energía nuclear.
Para los operadores de plantas de energía nuclear, los gemelos digitales con IA pueden ofrecer rendimientos medibles al mejorar la seguridad y simplificar la toma de decisiones. AVEVA se asoció recientemente con un operador nuclear global líder para mostrar cómo los gemelos digitales impulsados por la IA están transformando las capacidades de ingeniería. La solución permitió a los equipos globales colaborar dentro de un entorno gemelo digital compartido, unificar disciplinas de diseño y modelos 3D para eliminar los silos, reducir las inconsistencias de datos y aumentar la eficiencia de ingeniería, lo que ayudó a conducir a operaciones más seguras y más informadas.
Generación renovable: navegación de variabilidad con inteligencia
Fuentes de energía renovables como el viento, la energía solar (Figura 2) y la energía hidroeléctrica presentan desafíos operativos únicos que requieren pronósticos y control inteligentes para maximizar la gestión de recursos, la eficiencia y la confiabilidad. Las operaciones hidroeléctricas, por ejemplo, deben equilibrar la gestión de los recursos hídricos con la demanda de electricidad fluctuante, al tiempo que se tienen en cuenta factores ambientales como las ondas de calor prolongadas y cumplir con los requisitos regulatorios. Los gemelos digitales mejorados con AI pueden respaldar estos requisitos integrando los datos del sensor en tiempo real y la información operativa histórica para optimizar el rendimiento de la turbina, predecir las necesidades de mantenimiento del equipo, simplificar los informes críticos y administrar los flujos de agua de manera más efectiva.
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2. Los gemelos digitales mejorados con inteligencia artificial brindan a los operadores solares de rendimiento en tiempo real, lo que ayuda a los equipos a predecir fallas en el equipo, optimizar la producción y optimizar los informes de cumplimiento en el cambio hacia operaciones autónomas. Cortesía: AVEVA |
Durante la pandemia de Covid-19, un importante operador de infraestructura desplegó tecnología gemela digital con IA para encargar a las instalaciones esenciales de forma remota en el Medio Oriente. Esta estrategia permitió pruebas en tiempo real, análisis de rendimiento y optimización a pesar de las restricciones de viaje. Al proporcionar a los equipos remotos acceso a indicadores clave de rendimiento, el proyecto logró una puesta en marcha más oportuna, una mejor colaboración y mejoras operativas a largo plazo, todo, al tiempo que ayuda a reducir el riesgo y acelerar los horarios de entrega en un entorno macroeconómico extremadamente complejo.
Integración de la cuadrícula: abordar los desafíos en el camino hacia la autonomía
Si bien los beneficios de los gemelos digitales mejorados con AI son significativos, la integración de estas tecnologías puede introducir desafíos. El uso exitoso de IA requiere los datos correctos. Los datos deben ser limpios, consistentes y contextualizados para generar resultados confiables. En entornos de misión crítica, los operadores de la planta deben comprender la base de las recomendaciones generadas por los sistemas de inteligencia artificial. Esta explicabilidad es fundamental para generar confianza y garantizar la seguridad, las cuales son fundamentos críticos para la adopción exitosa de IA.
La gestión del cambio también juega un papel importante, ya que la adopción de nuevas herramientas requiere capacitación y alineación entre equipos operativos. Además de garantizar que los equipos tengan una idea de por qué y cómo la IA toma decisiones, la ciberseguridad también debe ser una prioridad. Los gemelos digitales dependen de datos y conectividad en tiempo real, lo que los convierte en objetivos lucrativos para las amenazas cibernéticas. Según el informe de infraestructura global 2024 de KnowBe4, la infraestructura crítica enfrentó más de 420 millones de ataques cibernéticos desde enero de 2023 hasta enero de 2024, un aumento del 30% con respecto al año anterior. Este aumento resalta la necesidad de soluciones de seguridad cibernética sólidas y escalables que se integran perfectamente con los sistemas existentes.
Momento de la industria: demostrar progreso y resultados
Los servicios públicos y los productores de energía se están dando cuenta de los beneficios medibles de integrar gemelos digitales mejorados con AI en sus operaciones. En los EE. UU., Una planta de energía logró una reducción del 44% en los tiempos de inicio y cierre de la planta utilizando gemelos digitales, lo que resultó en ahorros de combustible notables y una mejor capacitación en operadores. Del mismo modo, una compañía eléctrica simplificó la capacitación del operador y redujo los costos de puesta en marcha para una nueva instalación, mientras que otra aceleró la startup de una planta de campo verde al incorporar la simulación al principio del proceso de desarrollo.
Reflejando esta tendencia de la industria más amplia, la encuesta de 2025 EY Future of Energy encontró que el 50% del petróleo y el gas, y las compañías de productos químicos ya están utilizando gemelos digitales para administrar activos, con un 92% de implementación, desarrollo o planificación de nuevas aplicaciones digitales basadas en gemelos en los próximos cinco años. Estos ejemplos destacan el papel en expansión de los gemelos digitales integrados en AI-AI para impulsar sistemas de energía más inteligentes, más adaptables y más resistentes en las industrias críticas.
Innovación responsable: mantener la IA basada en el valor operativo
La aplicación práctica de IA en el sector eléctrico debe basarse firmemente en confiabilidad, eficiencia y seguridad. Su verdadero valor proviene de mejorar la experiencia del operador, no reemplazar, permitir una mejor toma de decisiones con conciencia contextual y reducir los riesgos a través de ideas y análisis avanzados.
Los gemelos digitales mejorados con AI ofrecen una ruta pragmática y escalable hacia adelante, ayudando a los productores de energía a mejorar el rendimiento de los activos, optimizar el mantenimiento y administrar el aumento de la complejidad operativa. Su éxito se basa en una implementación cuidadosa, transparencia para generar confianza y una base sólida de gobernanza de datos, ciberseguridad y disciplina operativa.
A medida que la generación de energía se distribuye más, descarbonizados y digitalizados, los gemelos digitales infundidos con IA tienen el potencial de revolucionar las operaciones de la planta de energía al cambiar de métodos de control estático a sistemas dinámicos, adaptativos y autónomos. Esta transformación se está convirtiendo cada vez más en nuestra realidad actual. Al integrar gemelos digitales mejorados con AI como facilitador de operaciones digitales, la industria eléctrica puede acelerar su viaje hacia sistemas de energía más resistentes, sostenibles e inteligentes.
–Arts Garg es tecnólogo principal de Aveva.
