التوائم الرقمية تمنح الهيدروجين مسارًا أكثر خضرة للنمو

هذه المقالة جزء من سلسلة IEEE Journal Watch الحصرية بالشراكة مع IEEE Xplore.

الهيدروجين واعد كمصدر وقود منخفض الانبعاثات. إنه يحترق بشكل نظيف ، ويولد الماء فقط كمنتج ثانوي ، وعندما يتم إنتاجه من خلال التحليل الكهربائي عن طريق تقسيم الماء إلى هيدروجين وأكسجين ، يمكن أن تكون دورة الحياة بأكملها صديقة للبيئة للغاية.

لكن استخدام الهيدروجين لم يصل أبدًا إلى إمكاناته كوقود متجدد ، ويرجع ذلك في الغالب إلى أن العملية التي يتطلبها إنتاجه ترفع التكلفة. لا يزال الهيدروجين ينتج في الغالب كمنتج ثانوي لتنقية الوقود الأحفوري – باستخدام الميثان مع أول أكسيد الكربون كمنتج ثانوي. وفي الوقت نفسه ، يمثل الهيدروجين الناتج عن التحليل الكهربائي أقل من 1 في المائة من إجمالي إنتاج الهيدروجين في العالم. لكي يكون الهيدروجين مصدرًا حيويًا للطاقة النظيفة ، يجب أن تكون تكلفة التحليل الكهربائي أقل بكثير.

يعتقد شرف الشريف ، الباحث في معهد Oldenburger OFFIS لتكنولوجيا المعلومات في أولدنبورغ بألمانيا ، أن التوائم الرقمية يمكن أن تساعد في خفض تكلفة إنتاج الهيدروجين النظيف. التوائم الرقمية هي برامج محاكاة حاسوبية يمكنها تتبع وتعديل عمليات جهاز مادي بتفصيل كبير. يمكن أن تساعد المراقبة الدقيقة للمحلل الكهربائي للهيدروجين الذي توفره التوائم الرقمية في تبسيط تشغيل الأجهزة وتقليل تكلفة التحليل الكهربائي نتيجة لذلك.

في الوقت الحالي ، لا يمكننا التفكير في جميع حالات الاستخدام التي تجعل المحلل الكهربي فعالاً. ولكن هذه هي النقطة – أنه يمكنك … جعله ممكنًا مع هذا التوأم الرقمي. “
– شرف الشريف ، أولدنبورجر ، معهد أوفيس لتكنولوجيا المعلومات ، أولدنبورغ ، ألمانيا

إحدى الطرق التي يمكن أن تقلل بها التوائم الرقمية من تكلفة التحليل الكهربائي هي مراقبة الحالة الصحية للمحلل الكهربائي. يمكن للتوائم الرقمية تتبع عمليات مكونات المحلل الكهربائي مثل الأقطاب الكهربائية أو الأغشية أو المضخات لمعرفة الأجزاء التي من المحتمل أن تفشل وتقديم توصيات استباقية لجدولة الصيانة. يقول الشريف إن قدرات صيانة التنبؤ هذه يمكن أن توفر على المشغلين ساعات طويلة من وقت الإنتاج عندما يتم فصل أجهزة التحليل الكهربائي في وضع عدم الاتصال لتمكين استكشاف الأخطاء وإصلاحها بشكل غير مجدول.

لتشجيع تبني التوائم الرقمية للتحليل الكهربائي ، قدم الشريف وزملاؤه في OFFIS بنية برمجية – نوع من مخطط معماري لبناء أنظمة برمجية – لتطوير التوائم الرقمية لمراقبة التحليل الكهربائي للهيدروجين في مؤتمر ETG Congress 2023 في ألمانيا.

تصور الباحثون مستقبلاً حيث سيكون لدى مشغلي التحليل الكهربائي للهيدروجين لوحات تحكم تراقب أداء المحلل الكهربائي الذي يعمل في هذا المجال. ستوفر التوائم الرقمية بيانات لوحة القيادة عن طريق مراقبة المحلل الكهربائي عن بُعد وإصدار تنبيهات عند اكتشاف سلوك غير طبيعي. يقول الشريف إن امتلاك بنية برمجية محددة جيدًا يمكن أن يساعد المشغلين في بناء توائم رقمية بسهولة أكبر لأنظمة التحليل الكهربائي للهيدروجين الخاصة بهم.

يقول الشريف إن التوائم الرقمية يمكن أن تساعد المشغلين أيضًا من خلال التحكم المباشر في المحلل الكهربائي. أحد التطبيقات المفيدة للتحكم المباشر هو ضبط استهلاك طاقة المحلل الكهربائي بناءً على مزيج الطاقة الحالي لشبكة الطاقة. عندما تكون المزيد من مصادر الطاقة المتجددة جزءًا من هذا المزيج ، يمكن للتوائم الرقمية توجيه المحلل الكهربائي لزيادة الإنتاج ، مما يجعل إنتاج الهيدروجين أكثر خضرة بشكل عام. يمكن أيضًا تقليل الإنتاج خلال فترات ذروة الاستخدام عندما يرتفع سعر الطاقة من الشبكة ، مما يقلل من تكلفة إنتاج التحليل الكهربائي للهيدروجين بشكل عام.

يقول الشريف إن الباحثين وضعوا حالات الاستخدام هذه في الاعتبار أثناء قيامهم بإنشاء بنية برمجية رقمية مزدوجة مناسبة لأي نوع من المحلل الكهربائي للهيدروجين. كان على البنية أن تتعامل مع متطلبات مثل اتصالات البيانات ثنائية الاتجاه مع المحلل الكهربائي ، والتحديثات الحية حول صحة مكونات المحلل الكهربائي ، وتوصيات جدول الصيانة.

استقروا على بنية موجهة نحو الخدمة لبناء توائم رقمية للتحليل الكهربائي للهيدروجين. تتكون البنية الموجهة للخدمة من برنامج برمجي مركزي يقبل الطلبات من البرامج الأصغر الأخرى و “ينسق” الطلبات بين جميع المكونات. فاز التصميم على الأساليب المعمارية الأخرى بسبب مرونته. يمكن إضافة إمكانات جديدة إلى التوأم الرقمي بسهولة في شكل خدمات جديدة يتم توصيلها ببساطة بالبرنامج المركزي.

يقول الشريف: “في الوقت الحالي ، لا يمكننا التفكير في جميع حالات الاستخدام التي تجعل المحلل الكهربي فعالاً”. “ولكن هذه هي النقطة – أنه يمكنك في الواقع تطبيق أي خدمة وجعلها ممكنة مع هذا التوأم الرقمي.”

تتميز البنى الموجهة للخدمة بالسرعة الكافية لدعم اتصال البيانات ثنائي الاتجاه المباشر الذي تحتاجه أجهزة التحليل الكهربائي. هذا على عكس بنية الخدمات المصغرة ، على سبيل المثال ، التي تسبب تأخيرات بسبب زيادة حجم الطلبات المرسلة بين الخدمات ، كما يقول الشريف. يمكن للمشغلين الذين يرغبون في استخدام التوائم الرقمية لمراقبة المحلل الكهربائي اتباع هذا المخطط المعماري عند إنشاء البرنامج لتوائمهم الرقمية.

يقول إن الأبحاث المستقبلية قد تشمل استخدام التوائم الرقمية للمساعدة في عملية تصنيع المحلل الكهربائي. يقول الشريف إنه من أجل زيادة إنتاج الهيدروجين النظيف حقًا ، فإن تصنيع المحلل الكهربائي الكبير ، والذي يعد حاليًا عملية شبه يدوية ، يحتاج إلى التوسع أيضًا.

“هذا هو المكان الذي تلعب فيه تقنية التوائم الرقمية – من خلال دعم هذه العملية برمتها ، ليس فقط تشغيل وصيانة المحلل الكهربائي ، ولكن أيضًا من بداية الإنتاج أو عملية التصنيع” ، كما يقول.