Los gemelos digitales representan una tecnología disruptiva para el análisis de sistemas o procesos industriales como aquellos que requieren una gestión del calor.

Se refieren a réplicas virtuales de un proceso, un componente o un objeto capaces de reproducir el comportamiento de su homólogo físico para monitorizar y analizar su reacción en determinadas situaciones para mejorar su rendimiento y eficiencia.

Como se muestra en la figura que se presenta a continuación, un gemelo digital comprende un "espacio real", un "espacio virtual" y un vínculo de "flujo de datos" entre ellos que nos permite experimentar sin correr riesgos, o realizar un análisis exhaustivo de la información.

Desde su introducción en 2002 por el Dr. Michael Grieves, esta tecnología ha estado conectada a la cuarta revolución industrial; también conocida como Industria 4.0.

De hecho, informes como "Beyond the hype of i4.0" publicado por KPMG identifica claramente esta tecnología como una herramienta clave para lograr esta Industria 4.0.

Para conseguirlo, el gemelo digital debe ir de la mano de soluciones de Big Data, el Internet de las Cosas (IoT) y la Inteligencia Artificial (AI). En este marco, se crea un entorno de objetos reales "Cosas" (equipados con sensores y software) y otras tecnologías con el objetivo de intercambiar datos a través de Internet, que luego pueden ser procesados por un Gemelo Digital.

Pero, ¿cómo puede un gemelo digital ser realmente útil para la industria?

Un Gemelo Digital es capaz de ser implementado en casi cualquier proceso industrial para varios propósitos como la optimización del rendimiento de un componente en un proceso determinado, para reducir el consumo de materias primas o para tomar decisiones operativas rápidas en función de las condiciones externas, entre otros. Los principales beneficios que se identifican cuando se aplica un Gemelo Digital en un proceso son los siguientes:

- Reducción de costes

- Reducción de riesgos y del tiempo de diseño

- Mejora del mantenimiento preventivo

- Extensión de la vida útil de los componentes

- Identificación de las ineficiencias operacionales.

- Reducción de la complejidad y del tiempo de reconfiguración

- Mejora de la gestión de la fabricación

- Aumento de la flexibilidad y la competitividad

- Fomento de la innovación

Una de las aplicaciones más evidentes de los Gemelos Digitales son aquellos procesos en los que interviene el calor. Desde el CIC energiGUNE, nos centramos principalmente en cuatro áreas: procesos industriales (acero, cemento, forja, vidrio...), energías renovables (energía solar de concentración o termosolar), el vehículo eléctrico y el calor doméstico.

Gemelos digitales para la gestión del calor en los procesos industriales

En los procesos industriales intensivos como la producción de acero, cemento, forja o el vidrio, se consume una enorme cantidad de energía en forma de calor. Diferentes estudios indican que entre el 20 y el 50% de la energía requerida en estos procesos es liberada a la atmósfera.

Históricamente, esta energía no ha sido recuperada y reutilizada, ya que las tecnologías requeridas presentaban altos períodos de retorno, no compatibles con las necesidades industriales. Una de las razones que explican esta situación es el bajo precio de los combustibles fósiles como el gas natural, utilizado para producir energía térmica, o normativas medioambientales relativamente laxas.

Sin embargo, en los últimos años, las restricciones ambientales, los bonos de carbono o el aumento del precio de los combustibles fósiles están obligando a las industrias a buscar alternativas para aprovechar el calor residual generado. Estas alternativas suelen ser la producción de electricidad, su reutilización en un proceso interno o su comercialización externa (redes urbanas de calefacción).

Una característica común del calor residual es que no siempre se produce a la mismo potencia y/o temperatura o de forma continua. Sin embargo, casi todas las posibles aplicaciones del calor requieren fuentes de calor constantes.

En este marco, el gemelo digital desempeña un papel fundamental en el fomento de la aplicación de los sistemas de recuperación de calor en el sector industrial, ya que puede permitir, por ejemplo, un aprovechamiento óptimo de componentes como el almacenamiento de energía térmica (TES), el intercambiador de calor, el bloque de potencia o la red urbana de calefacción, en función de la producción y la demanda instantánea de energía térmica.

En consecuencia, este tipo de herramientas contribuyen claramente a la reducción del tiempo de amortización necesario de los sistemas de recuperación de calor. Un ejemplo de la aplicación es el caso de la red de calefacción urbana de Rillieux-la-Pape, cerca de Lyon, donde, desde que se instaló una solución digital por parte de Engie Cofely, la tasa de energías renovables en la red ascendió al 91%. De las cuales, el 80% proviene del calor residual recuperado de una planta incineradora de residuos cercana, una planta de biomasa y una caldera de gas. 

Gemelos digitales para centrales de concentración de energía solar

En las centrales de concentración de energía solar (CSP) o termosolares, la radiación solar se convierte en energía térmica para calentar un fluido (un aceite térmico o una sal fundida). Este fluido puede utilizarse para producir electricidad a través de un ciclo Rankine (vapor u orgánico) o para suministrar energía térmica a un proceso industrial.

Una de las ventajas de las centrales CSP en comparación con otras energías renovables es su gestionabilidad debido al bajo coste de almacenar de calor. De hecho, esta propiedad ha promovido la aparición de nuevos conceptos como las plantas híbridas que combinan la CSP y la fotovoltaica (PV).

La importante reducción del coste productivo (LCOE, por sus siglas en inglés) conseguida en los últimos años en el sector fotovoltaico ha hecho que esta tecnología sea más atractiva que la CSP. Sin embargo, el coste relativamente elevado del almacenamiento de electricidad a gran escala hace que la energía fotovoltaica sea menos gestionable y costosa que la CSP.

La combinación de ambas tecnologías está llamada a ser la solución: durante el día, la electricidad se produce directamente en los paneles fotovoltaicos mientras que, el calor capturado en la CSP se almacena completamente y se utiliza para producir electricidad cuando no se dispone de radiación solar (por la tarde, por la noche o en períodos nublados).

En ambos casos, sólo en la CSP o en la CSP/PV híbrida, un Gemelo Digital adquiere una importancia primordial ya que permite establecer una estrategia de funcionamiento diario/hora en función de la previsión meteorológica o del precio de venta de la electricidad, o predecir operaciones de mantenimiento como la limpieza de espejos/paneles cuando la eficiencia óptica/eléctrica cae por debajo de un determinado valor, entre otros beneficios.

En general, la aplicación de los gemelos digitales impulsará el despliegue de las energías renovables, como lo demuestran diferentes estudios. Un ejemplo es la granja solar de 20 MW de Invenergy que afirma que, después de implementar un sistema de Gemelo Digital, se puede lograr el 99% de la disponibilidad de la planta junto con un valor adicional de 200.000 dólares anuales.

Gemelos digitales para la gestión del calor en vehículos eléctricos

La necesidad de reducir la dependencia de los combustibles fósiles y la contaminación generada por los automóviles de combustión en las ciudades, junto con los incentivos económicos de los gobiernos, han hecho que aumente el interés de la sociedad por adquirir vehículos eléctricos.

A parte de TESLA, casi todos los fabricantes de automóviles históricos como BMW, el grupo Volkswagen , Toyota o Hyundai han introducido en el mercado modelos eléctricos a precios asequibles.

Aunque el vehículo eléctrico ha demostrado ser una tecnología madura y fiable, sigue presentando un importante potencial de optimización/mejora. Entre ellas, el aumento de la capacidad y la durabilidad de la batería se han convertido en los dos objetivos principales para impulsar el vehículo eléctrico.

Desde el CIC energiGUNE nos centramos en ambos aspectos. Desde el área de Almacenamiento de Energía Electroquímica (EES), con la búsqueda de nuevas tecnologías de baterías disruptivas con mayores densidades de energía y mejor ciclabilidad, y desde el área de Almacenamiento de energía Térmica (TES) en la mejora de su durabilidad mediante la garantía de condiciones óptimas de funcionamiento.

Es en esta última, donde un gemelo digital adquiere un papel relevante. Dependiendo de la tecnología de la batería, la temperatura de operación debe mantenerse en un cierto rango. Este parámetro es crítico para evitar tanto el mal funcionamiento (descarga repentina) como la reducción de la vida útil (durabilidad).

Mientras el automóvil se está cargando o acelerando, las baterías sufren de ineficiencias que conducen a la generación de calor. Si este calor no se elimina adecuadamente, puede provocar un aumento de la temperatura por encima de los valores recomendados.

La misma situación indeseable se produce si el coche se aparca en el exterior a temperaturas muy bajas (invierno) o altas (verano). En este marco, un gemelo digital capaz de tomar decisiones instantáneas sobre el sistema de gestión del calor en función de parámetros como la temperatura ambiente, la temperatura de la batería, la tasa de aceleración, el estado de carga, etc. que son vitales para garantizar un rendimiento eficiente de la batería, así como para prolongar su vida útil.

Estudios de General Electric (GE) afirman que los conocimientos adquiridos con el "Gemelo" les han permitido reducir el tamaño de la batería en 16 celdas y reducir el coste en un 15%.

Gemelos digitales para la gestión térmica en los edificios

Otra aplicación clara de los gemelos digitales es en el área del agua caliente sanitaria (ACS) y calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC), no sólo en los edificios residenciales sino también en los públicos.

No hay una solución única para proporcionar agua caliente y HVAC a un edificio. Por ejemplo, los edificios antiguos solían incorporar calentadores diésel, mientras que los más nuevos utilizan gas natural o, en el mejor de los casos, biomasa.

Sin embargo, las recientes normativas impuestas para los edificios de nueva construcción o para rehabilitaciones, junto con los incentivos gubernamentales, están haciendo que las soluciones instaladas actualmente sean una combinación de sistemas basados en combustibles fósiles (principalmente gas natural) y energías renovables (paneles solares térmicos, bombas de calor, biomasa, etc.).

Además de la aplicación de tecnologías/equipos más eficientes y menos contaminantes, existe una clara necesidad de mejorar el funcionamiento de los sistemas de ACS y HVAC.

Muchos estudios han demostrado la viabilidad de incluir los gemelos digitales en los edificios. Por ejemplo, IES indica que, con la integración de un Gemelo Digital en el Museo Riverside de Glasgow, se logró un ahorro anual de 52,3 mil libras esterlinas, con un período de amortización inferior a 6 meses.

Para lograr este ahorro, los Gemelos Digitales juegan un papel importante ya que permiten operar el sistema, por ejemplo, en función de la previsión meteorológica, los datos históricos de demandas, etc. de tal manera que se aseguran condiciones nominales de operación más eficientes en cada escenario.

Además, el uso de este tipo de herramientas en la etapa de diseño del sistema permite un escalado optimizado de los componentes, lo que conduce a una reducción de la inversión y a una solución más compacta.

Las capacidades de CIC energiGUNE hacia la Industria 4.0

En CIC energiGUNE en general y en el área TES en particular, somos expertos en el desarrollo de este tipo de herramientas digitales como soluciones clave para impulsar no sólo a la industria vasca, sino también a la europea, hacia la cuarta revolución industrial.

El know-how adquirido por los investigadores e ingenieros en diferentes proyectos de financiación pública (Hazitek, Plan Nacional, H2020, RFCS...), así como en contratos privados con la industria en los últimos años, ha permitido la creación de iniciativas como Thermlab para ofrecer este tipo de soluciones a la industria.

Actualmente, CIC energiGUNE cuenta con potentes herramientas de modelización para llevar a cabo este tipo de retos tecnológicos como ANSYS Fluent, ANSYS Icepak, TRNSYS, o Matlab.