Nos últimos três anos as eólicas offshore ampliaram a sua capacidade instalada em 7%, alcançando o marco de 75 GW de capacidade instalada, segundo dados do Global Wind Energy Council (GWEC). De acordo com o relatório “Renewable Power Costs in 2023” da Agência Internacional de Energia Renovável (IRENA), as eólicas offshore tiveram uma redução de custo de ordem de 63% nos últimos 13 anos, saindo de 0,203 USD/KWh (2010) para 0,075 USD/KWh (Figura 1).

Figura 1: Custo Nivelado de Energia das Eólicas Offshore | 2010 – 2023

Fonte: IRENA – International Renewable Energy Agency (2023)

Esse rápido crescimento tem direcionado as inovações dentro do mercado global eólico offshore a partir de quatro dimensões: redução de custos, avanços tecnológicos, criação de novos mercados e aumento de eficiência da cadeia de suprimentos. Essas dimensões têm sido fatores chave para viabilização no aumento da capacidade instalada de parques eólicos offshore, e dentre as tecnologias que viabilizam a escala dessa tecnologia está a implementação e aplicação dos Digital Twins.

Os Digital Twins tiveram seu conceito introduzido pelo Dr. Michael Grieves, no ano de 2003, e foram definidos como modelos digitais representativos do equipamento ou sistema físico, ao qual são espelhados. Os Digital Twins, também denominados gêmeos digitais, podem ser definidos como modelos virtuais que permitem a combinação entre ativos físicos. Esses modelos virtuais contam com indicadores e sensores que auxiliam em simulações matemáticas para viabilizar projetos de forma mais eficiente.

A tecnologia tem como base o intercâmbio de informações entre o meio físico e o ambiente digital, essa troca ocorre por meio de dados (informações) que são captadas por meio de sistemas de aquisição de dados (sistema de sensores), tendo grande impacto no ciclo de vida dos produtos e serviços. Na Figura 2, podemos observar a aplicação durante esse ciclo.

Figura 2: Aplicação do Digital Twin no Ciclo de vida do produto.

Fonte: Adaptado de Liu et al. (2024)

Os dados captados são direcionados para o meio digital onde terá informações sobre o funcionamento do equipamento, essas informações podem chegar em níveis detalhados como por exemplo: informações sobre parâmetros de componentes, como também apresentar dados mais macros como a geração de energia, posicionamento, velocidade de rotação, temperatura do ambiente e outros parâmetros que são encontrados em turbinas eólicas. A Figura 3 exemplifica como os Digital Twins unem o ambiente físico/virtual e demonstra como essa integração é praticada para a geração eólica.

Figura 3: Serviços que podem ser utilizados com a tecnologia do Digital Twin.

Fonte: Adaptado de Mahmoud et al. (2024)

A implementação desta tecnologia apresenta grande participação da internet das coisas (IoT, sigla em inglês) e interfaces de comunicação entre sistemas junto a equipamentos. A utilização de IoT tem fundamental importância devido aos equipamentos de captação de dados, imagens, sons e outros tipos de dados que podem ser necessários, junto a isso tem-se as interfaces de comunicação, que está intimamente ligado a tecnologias de comunicações, podendo ser realizado a conexão entre parte física e digital por meio do Wi-fi, 5G, cabos, inteligência artificial, nuvem, entre outros. Abaixo algumas tecnologias que podem ser integradas com os Digital Twins para otimização de modelo virtuais, de acordo com informações da fonte Soften Gi:

• Internet das Coisas: Tecnologia utilizada em todas as aplicações do Digital Twin. A IoT é baseada na coleta de dados adquiridos de objetos do mundo real com a ajuda de sensores. Esses dados são utilizados ​​para criar uma duplicata digital do objeto físico que pode ser analisada, manipulada e otimizada. O valor criado pela IoT é regido pelo fluxo de informações através de um sistema. A IoT ajuda uma aplicação Digital Twin a conectar uma representação virtual com um objeto físico em tempo real, mantendo-o constantemente atualizado.

• Inteligência Artificial: A Inteligência Artificial permite analisar os dados obtidos e fornecer insights valiosos automaticamente. Permite a realização de previsões sobre possíveis resultados e dar sugestões sobre como evitar possíveis problemas.

• Nuvem (Icloud): Tecnologia utilizada para armazenamento e acesso eficiente de dados pela Internet. Como as aplicações de Digital Twins operam com grandes volumes de dados, a computação em nuvem permite armazenar todos os dados na nuvem virtual e acessar facilmente as informações necessárias de qualquer local.

• Realidade Aumentada: Realidade Aumentada (R.A) permite uma visualização que cria representações digitais de objetos. Os recursos de R.A permitem que os Digital Twins modelem digitalmente objetos físicos, permitindo que os usuários interajam com o conteúdo digital.

Aplicações de Digital Twins para as eólicas offshore

Os Digital Twins apresentam características que permitem acompanhar, avaliar e prever comportamentos futuros dos ativos físicos. Assim, é uma tecnologia que pode assumir três funcionalidades: monitoramento, previsão e diagnóstico, estando diretamente ligada a otimização operacional e manutenção dos ativos, acarretando na diminuição dos custos, aumento de competitividade, eficiência operacional. No contexto das eólicas offshore, em que as atividades de operação e manutenção são realizadas em condições extremas, essa tecnologia apresenta grande relevância. Além disso, também pode ser utilizada para as fases de projeto de um do parque eólico offshore (OWF) e na otimização de processos, logística e produção.

A aplicação desta tecnologia depende de fatores como objetivo da aplicação, tipos de ativos físicos e dados analisados, ferramentas e tecnologias a serem utilizadas, as quais são adaptáveis para cada situação. Nesse contexto, considerando os principais componentes de um parque eólico offshore, conforme mostrado na Figura 4, o Digital Twin pode ser desenvolvido e aplicado para cada um deles. Nos últimos anos o foco do desenvolvimento do setor tem sido as turbinas eólicas offshore, componente primordial na geração de energia.

Figura 4: Principais componentes de um OWT

Fonte: Rodrigues et. al, (2016).

Simulação de Turbinas, Integração do Sistema, Infraestrutura Portuária e Otimização de Layouts para as eólicas offshore

Devido a sua importância no processo de geração limpa e renovável, as turbinas requerem uma análise crítica e sensível quanto ao seu funcionamento. Para isso, são utilizadas ferramentas e tecnologias que permitem desenvolver a simulação dos ativos e seus componentes. Uma dessas ferramentas é denominada Unity, uma plataforma de desenvolvimento 3D em tempo real, que pode auxiliar na criação de simulações dinâmicas, com a inserção de dados de várias fontes (Figura 5). No entanto, as simulações são complexas, uma vez que requerem o desenvolvimento de modelos de programação personalizados, dados de várias fontes – externos, sensores, históricos, os quais necessitam de tratamento e gerenciamento, sendo esses, grandes desafios para a simulação e integração de todos os sistemas utilizados, aumentando o nível de complexidade na implantação de tecnologias como o Digital Twins (Figura 5).

Figura 5: Simulação de uma atividade portuária desenvolvida no Unity

Fonte: Unity (2024)

Um exemplo bem-sucedido de desenvolvimento e implantação dos Digital Twins é no Porto Esbjerg. Localizado na Dinamarca, é o maior porto base do mundo para atividades eólicas offshore e principal porto da Europa no que concerne movimentação e transporte da energia eólica. Os dados de previsão obtidos por meio da tecnologia apontam a necessidade da expansão das instalações em cinco vezes, onde, em 2025, serão adicionados 750.000 m², tornando ainda mais complexas as operações portuárias. Com a expansão inteligente do porto, por meio da inserção de tecnologia para otimização da capacidade portuária, foi criada a simulação para acomodar o crescimento da infraestrutura portuária.

 O Digital Twin simula uma representação virtual dinâmica do porto, capacidades e processos em andamento no manuseio de commodities (Figura 6). O seu funcionamento ocorre por meio dos dados coletados em tempo real e da simulação de aprendizado e raciocínio para dar suporte a tomada de decisão. Além disso, existe a possibilidade de simular diferentes situações de planejamento, o que permite a otimização do uso das áreas do porto e, consequentemente, o aumento da carga anual de energia eólica. As perspectivas de desenvolvimento para a utilização do Digital Twin estão relacionadas a cadeia de fornecimento da energia eólica offshore, e a integração de Digital Twins de mais de um porto.

Figura 6: Simulações criadas por Digital Tiwns para ampliação da infraestrutura portuária

Fonte: Port Esbjerg (2023)

Além disso, a utilização da tecnologia dos Digital Twins pode ser aliada na simulação para auxílio e projeção de um parque eólico offshore, otimizando a disposição das torres eólicas e evitando os impactos do efeito esteira para maximizar a geração de energia. Para isso são utilizados modelos matemáticos para analisar o efeito esteira gerado pela turbina ao longo da distância, esses modelos têm como objetivo determinar os efeitos negativos. Essas informações são analisadas pela plataforma de denominada Unity 3D (Figura 7). Nessa plataforma é possível vislumbrar os resultados do algoritmo de reposicionamento dinâmico das turbinas com o objetivo de evitar que o efeito esteira, gerado por cada turbina, interfira de maneira negativa nas outras fazendo com que o parque eólico apresente perda de geração. Com a utilização desta ferramenta, é possível otimizar o layout do parque fazendo com que as perdas causadas pelo efeito esteira sejam os menores possíveis em diferentes regiões do mar.

Figura 7: Digital Twin de um parque eólico no Unity 3D.

Fonte: Kandemir at al. (2023)