R.E.News future Technology-Transforming Hydropower with the Power of Digital Twins in Dam Operations

15/11/24-FR-English-NL-footer

Transformer l’hydroélectricité grâce à la puissance des jumeaux numériques dans l’exploitation des barrages

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À une époque où les sources d’énergie renouvelables occupent une place centrale, l’hydroélectricité reste un acteur incontournable. Pourtant, la gestion de ces systèmes complexes a toujours été un défi.

Aujourd’hui, grâce à des technologies innovantes comme les jumeaux numériques, les exploitants de barrages peuvent acquérir un contrôle sans précédent sur leurs installations, augmentant considérablement l’efficacité, la durée de vie et la résilience. Cette révolution numérique émergente ouvre la voie à un avenir où l’hydroélectricité peut s’intégrer de manière transparente à l’énergie solaire, éolienne et à d’autres sources d’énergie verte pour alimenter notre avenir durable.

Les systèmes hydroélectriques, bien que fondamentalement similaires dans l’exploitation du débit d’eau pour produire de l’électricité, sont aussi uniques que des empreintes digitales. Qu’il s’agisse de leur construction, de leur âge ou des diverses améliorations qu’ils ont subies au fil des décennies, aucun barrage n’est exactement identique. Comme le note Nathan Fletcher, ingénieur hydroélectrique senior au Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) : « Les installations hydroélectriques sont comme des flocons de neige ; même les turbines individuelles d’une centrale sont uniques en raison de leur construction individualisée et de leurs diverses améliorations au fil des ans. »

L’exploitation et la maintenance de ces systèmes ne sont pas une mince affaire. Le grand nombre de composants, dont certains datent de plusieurs décennies, signifie qu’il y a toujours un risque de dysfonctionnement. Les exploitants de barrages sont souvent confrontés à la tâche ardue de prédire les pannes avant qu’elles ne perturbent les opérations. Mais, jusqu’à présent, il s’agissait en grande partie d’un processus réactif.

Entrez dans le monde des jumeaux numériques, une révolution pour l’industrie. Développée par une équipe collaborative d’experts, la plateforme Digital Twins for Hydropower Systems a été lancée en 2023 et a connu des améliorations significatives avec ses mises à jour de 2024. Cette solution virtuelle permet aux exploitants de barrages de surveiller, de simuler et d’optimiser leurs machines, réduisant ainsi les pannes imprévues et prolongeant la durée de vie des infrastructures vieillissantes.

L’intérêt de la plateforme de jumeaux numériques réside dans son adaptabilité. En créant un modèle virtuel qui reflète les conditions réelles des turbines d’un barrage, les exploitants peuvent prévoir les problèmes potentiels avant qu’ils ne se transforment en problèmes coûteux. Comme le dit Chitra Sivaraman, chercheur principal du PNNL : « Chaque barrage nécessite une stratégie de maintenance unique pour améliorer son efficacité, et la nouvelle plateforme de jumeaux numériques peut fournir ces solutions. La plateforme est à la fois extensible et évolutive, capable de s’adapter à de nouvelles installations, données et modèles. »

À l’aide du tableau de bord, les exploitants de barrages peuvent télécharger des données historiques spécifiques à leur installation, ce qui permet à la plateforme de fournir des informations adaptées à leurs défis opérationnels uniques. Grâce à cette approche axée sur les données, le système peut prédire quand une maintenance est nécessaire, réduisant ainsi les temps d’arrêt et évitant des réparations coûteuses.
Combler le manque de connaissances grâce aux jumeaux numériques

L’un des avantages les plus convaincants des jumeaux numériques est leur capacité à préserver les connaissances institutionnelles. Étant donné que de nombreux barrages du pays ont plus de 60 ans, une grande partie de l’expertise opérationnelle risque d’être perdue à mesure que les employés chevronnés partent à la retraite. Scott Warnick, responsable technique du projet de jumeaux numériques au PNNL, souligne ce problème : « L’âge moyen des barrages du pays est d’environ 60 ans, ce qui signifie que plusieurs générations d’employés ont travaillé sur chaque turbine. Et les connaissances se perdent inévitablement lorsque les employés expérimentés partent en retraite et que de nouveaux rejoignent l’équipe. »

En utilisant des jumeaux numériques, les exploitants de barrages peuvent enregistrer, simuler et documenter chaque changement effectué au fil des ans. Cet héritage numérique garantit que les générations futures peuvent accéder à des informations vitales, les aidant à prendre des décisions éclairées sans avoir à suivre une courbe d’apprentissage abrupte.

Les jumeaux numériques aident non seulement à entretenir les équipements existants, mais permettent également aux exploitants de simuler divers scénarios, tels que des changements de débit d’eau ou des pics de demande, sans risquer les actifs réels. Cette fonctionnalité constitue une avancée significative dans la modernisation de la gestion de l’hydroélectricité. Selon Warnick : « La solution de jumeaux numériques permet aux exploitants d’hydroélectricité de simuler différents scénarios, tels qu’un faible débit d’eau ou des niveaux d’eau variables, et de prédire les besoins futurs en termes de performances ou de maintenance. »

L’équipe de développement du laboratoire national d’Oak Ridge, dirigée par Hong Wang, a joué un rôle essentiel dans le perfectionnement de la plateforme. En exploitant les données en temps réel du barrage d'Alder sur la rivière Nisqually, ils ont peaufiné le jumeau numérique pour refléter les opérations réelles. Les dernières mises à jour permettent aux opérateurs d'ajuster des paramètres tels que les débits d'eau et les vitesses des turbines en fonction de facteurs tels que les changements saisonniers, les conditions météorologiques et les fluctuations de la demande énergétique. Cette capacité à modifier les opérations de manière proactive signifie moins de surprises et une production d'énergie optimisée.

Alors que le monde s’oriente vers un avenir énergétique plus vert, le rôle de l’hydroélectricité devient plus dynamique. Le modèle de jumeaux numériques mis à jour est spécifiquement conçu pour aider les installations hydroélectriques à s’intégrer de manière transparente à d’autres sources renouvelables comme l’énergie solaire et l’énergie éolienne. Comme l’explique Sivaraman : « Cette plateforme est capable de prolonger la durée de vie des barrages du pays tout en intégrant des sources supplémentaires d’énergie renouvelable au réseau. »

En termes pratiques, cela signifie que pendant les périodes où la production d’énergie solaire et éolienne diminue, comme le soir ou les jours calmes et nuageux, l’hydroélectricité peut prendre le relais. Cependant, comme le prévient Fletcher : « une utilisation excessive peut faire vieillir plus rapidement les composants d’un barrage. L’essentiel est de produire suffisamment d’énergie lorsque cela est nécessaire sans surcharger les turbines elles-mêmes. »

En simulant les fluctuations de la demande d’énergie, le jumeau numérique aide les opérateurs à prendre des décisions éclairées sur le moment où faire fonctionner les turbines, équilibrant ainsi l’approvisionnement en énergie et prolongeant la durée de vie des équipements.

La collaboration avec les partenaires du secteur est essentielle au succès continu de l’initiative des jumeaux numériques. Tacoma Public Utilities (TPU) a été l’un des premiers à adopter cette plateforme, en travaillant en étroite collaboration avec l’équipe pour la peaufiner. Greg Kenyon, responsable de l’ingénierie d’automatisation de TPU, salue cette collaboration : « Les équipes PNNL et ORNL ont les compétences mathématiques et pratiques nécessaires pour résoudre des problèmes complexes de jumeaux numériques. »

De plus, des efforts sont en cours avec Chelan County Public Utility pour créer un jumeau numérique pour le barrage de Rocky Reach. En utilisant des données historiques, ce projet vise à affiner les capacités de maintenance prédictive, à réduire les risques opérationnels et à optimiser la production d’énergie, le tout sans aucun coût pour le service public.

Si l’accent est actuellement mis sur l’optimisation des turbines, l’avenir réserve des applications encore plus vastes. Selon Fletcher, l’équipe étudie déjà des moyens d’intégrer des fonctionnalités telles que la surveillance de l’accumulation biologique et l’amélioration de la conformité environnementale. L’objectif ultime ? Un système de maintenance prédictive basé sur les données qui élimine les pannes imprévues, améliore l’efficacité et maximise les revenus.

Kenyon envisage un avenir où l’analyse des données et les algorithmes prédictifs pilotent tous les aspects de la gestion des actifs hydroélectriques. « Il n’y a pas de pannes imprévues ni de pertes de revenus, mais plutôt des pannes déterminées par des calendriers de maintenance et des remplacements d’équipements basés sur des données », a-t-il déclaré.

Alors que le secteur hydroélectrique doit relever les défis de la modernisation, les jumeaux numériques offrent une solution prometteuse.

En numérisant les opérations, en préservant les connaissances et en s’intégrant à d’autres sources renouvelables, cette technologie innovante garantit que l’hydroélectricité reste un contributeur fiable et efficace au réseau énergétique durable.
NJC.© Info Oak Ridge National Laboratory, led by Hong Wang

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15/11/24-English

Transforming Hydropower with the Power of Digital Twins in Dam Operations

Image- XIMOH

In an era where renewable energy sources are taking centre stage, hydropower remains a steadfast player. Yet, managing these complex systems has always been a challenge.

Today, thanks to innovative technologies like digital twins, dam operators can gain unprecedented control over their facilities, significantly boosting efficiency, lifespan, and resilience. This emerging digital revolution is paving the way for a future where hydropower can seamlessly integrate with solar, wind, and other green energy sources to power our sustainable future.

Hydropower systems, while fundamentally similar in harnessing water flow to generate electricity, are as unique as fingerprints. Whether it’s their construction, age, or the various upgrades they’ve undergone over the decades, no two dams are exactly alike. As Nathan Fletcher, a senior hydropower engineer at the Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), notes: “Hydropower facilities are like snowflakes; even individual turbines within a plant are unique due to their individualized construction and varying upgrades over the years.”

Operating and maintaining these systems is no small feat. The sheer number of components—some dating back several decades—means there’s always something that could go awry. Dam operators often face the daunting task of predicting failures before they disrupt operations. But, until now, this has largely been a reactive process.

Enter the world of digital twins—a game-changer for the industry. Developed by a collaborative team of experts, the Digital Twins for Hydropower Systems platform was launched in 2023 and has seen significant enhancements with its 2024 updates. This virtual solution allows dam operators to monitor, simulate, and optimise their machinery, reducing unexpected outages and extending the lifespan of aging infrastructure.

The brilliance of the digital twins platform lies in its adaptability. By creating a virtual model that mirrors the real-life conditions of a dam’s turbines, operators can foresee potential issues before they turn into costly problems. As Chitra Sivaraman, PNNL principal investigator, puts it: “Each dam requires a unique maintenance strategy to improve efficiency, and the new digital twins platform can provide those solutions. The platform is both extensible and scalable—capable of adapting to new facilities, data, and models.”

Using the dashboard, dam operators can upload historical data specific to their facility, enabling the platform to deliver insights tailored to their unique operational challenges. With this data-driven approach, the system can predict when maintenance is needed, reducing downtime and preventing expensive repairs.
Bridging the Knowledge Gap with Digital Twins

One of the most compelling benefits of digital twins is their ability to preserve institutional knowledge. Given that many of the nation’s dams are over 60 years old, much of the operational expertise is in danger of being lost as seasoned employees retire. Scott Warnick, PNNL’s technical lead on the digital twins project, highlights this issue: “The average age of the nation’s dams is around 60 years, meaning multiple generations of employees have worked on each turbine. And knowledge is inevitably lost as seasoned employees retire and new employees join the team.”

By using digital twins, dam operators can record, simulate, and document every change made over the years. This digital legacy ensures that future generations can access vital information, helping them make informed decisions without the steep learning curve.

Digital twins not only help maintain existing equipment but also allow operators to simulate various scenarios, such as changes in water flow or demand spikes, without risking real assets. This functionality is a significant step forward in modernising hydropower management. According to Warnick: “The digital twins solution enables hydropower operators to simulate different scenarios, such as low water flow or varying water levels, and predict future performance or maintenance needs.”

The development team at Oak Ridge National Laboratory, led by Hong Wang, has been pivotal in refining the platform. By leveraging real-time data from the Alder Dam on the Nisqually River, they have fine-tuned the digital twin to mirror actual operations. The latest updates allow operators to adjust parameters like water flow rates and turbine speeds based on factors such as seasonal changes, weather patterns, and fluctuating energy demands. This ability to proactively tweak operations means fewer surprises and optimised energy production.

Enhancing Grid Resilience Through Integration

As the world races toward a greener energy future, hydropower’s role is becoming more dynamic. The updated digital twins model is specifically designed to help hydropower facilities seamlessly integrate with other renewable sources like solar and wind. As Sivaraman explains: “This platform is capable of extending the lifespan of the nation’s dams while at the same time integrating additional sources of renewable energy to the grid.”

In practical terms, this means that during periods when solar and wind power generation dips—like in the evenings or on calm, cloudy days—hydropower can pick up the slack. However, as Fletcher cautions: “too much use can age a dam’s components quicker. The key is generating enough energy when needed without overburdening the turbines themselves.”

By simulating power demand fluctuations, the digital twin helps operators make informed decisions on when to run turbines, thus balancing energy supply and extending equipment life.

Collaboration with industry partners is essential to the continued success of the digital twins initiative. Tacoma Public Utilities (TPU) has been an early adopter, working closely with the team to refine the platform. Greg Kenyon, TPU’s automation engineering manager, praises the collaboration: “The PNNL and ORNL teams have the mathematical and practical skills needed to solve complex digital twin problems.”

Additionally, efforts are underway with Chelan County Public Utility to create a digital twin for the Rocky Reach Dam. By using historical data, this project aims to refine predictive maintenance capabilities, reduce operational risks, and optimise energy production—all at zero cost to the utility.

While the current focus is on turbine optimisation, the future holds even broader applications. According to Fletcher, the team is already exploring ways to incorporate features like monitoring biological build-up and improving environmental compliance. The ultimate goal? A data-driven, predictive maintenance system that eliminates unplanned outages, enhances efficiency, and maximises revenue.

Kenyon envisions a future where data analytics and predictive algorithms drive every aspect of hydropower asset management. “It’s one where there are no unplanned outages and lost revenue but rather outages determined by data-driven maintenance schedules and equipment replacements,” he said.

As the hydropower sector navigates the challenges of modernisation, digital twins offer a promising solution.

By digitising operations, preserving knowledge, and integrating with other renewable sources, this innovative technology ensures that hydropower remains a reliable and efficient contributor to the sustainable energy grid.
NJC.© Info Oak Ridge National Laboratory, led by Hong Wang

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15/11/24-NL

Waterkracht transformeren met de kracht van digitale tweelingen in damoperaties

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In een tijdperk waarin hernieuwbare energiebronnen centraal staan, blijft waterkracht een standvastige speler. Toch is het beheren van deze complexe systemen altijd een uitdaging geweest.

Tegenwoordig kunnen dambeheerders dankzij innovatieve technologieën zoals digitale tweelingen ongekende controle krijgen over hun faciliteiten, waardoor de efficiëntie, levensduur en veerkracht aanzienlijk worden verbeterd. Deze opkomende digitale revolutie baant de weg voor een toekomst waarin waterkracht naadloos kan worden geïntegreerd met zonne-, wind- en andere groene energiebronnen om onze duurzame toekomst van stroom te voorzien.

Waterkrachtsystemen zijn fundamenteel vergelijkbaar in het benutten van waterstroom om elektriciteit op te wekken, maar zijn net zo uniek als vingerafdrukken. Of het nu gaat om hun constructie, leeftijd of de verschillende upgrades die ze in de loop der decennia hebben ondergaan, geen twee dammen zijn precies hetzelfde. Zoals Nathan Fletcher, een senior waterkrachtingenieur bij het Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), opmerkt: "Waterkrachtcentrales zijn als sneeuwvlokken; zelfs individuele turbines binnen een fabriek zijn uniek vanwege hun geïndividualiseerde constructie en verschillende upgrades door de jaren heen."

Het bedienen en onderhouden van deze systemen is geen sinecure. Het grote aantal componenten, waarvan sommige al tientallen jaren oud zijn, betekent dat er altijd wel iets mis kan gaan. Dambeheerders staan ​​vaak voor de ontmoedigende taak om storingen te voorspellen voordat ze de bedrijfsvoering verstoren. Maar tot nu toe was dit grotendeels een reactief proces.

Betreed de wereld van digitale tweelingen, een game-changer voor de industrie. Het Digital Twins for Hydropower Systems-platform, ontwikkeld door een samenwerkend team van experts, werd in 2023 gelanceerd en is aanzienlijk verbeterd met de updates van 2024. Met deze virtuele oplossing kunnen dambeheerders hun machines bewaken, simuleren en optimaliseren, waardoor onverwachte uitval wordt verminderd en de levensduur van verouderde infrastructuur wordt verlengd.

Het briljante van het Digital Twins-platform ligt in de aanpasbaarheid ervan. Door een virtueel model te maken dat de werkelijke omstandigheden van de turbines van een dam weerspiegelt, kunnen beheerders potentiële problemen voorzien voordat ze in kostbare problemen veranderen. Zoals Chitra Sivaraman, hoofdonderzoeker van PNNL, het stelt: "Elke dam vereist een unieke onderhoudsstrategie om de efficiëntie te verbeteren, en het nieuwe digitale tweelingplatform kan die oplossingen bieden. Het platform is zowel uitbreidbaar als schaalbaar, en kan zich aanpassen aan nieuwe faciliteiten, gegevens en modellen."

Met behulp van het dashboard kunnen dambeheerders historische gegevens uploaden die specifiek zijn voor hun faciliteit, waardoor het platform inzichten kan leveren die zijn afgestemd op hun unieke operationele uitdagingen. Met deze datagestuurde aanpak kan het systeem voorspellen wanneer onderhoud nodig is, waardoor downtime wordt verminderd en dure reparaties worden voorkomen.
De kenniskloof dichten met digitale tweelingen

Een van de meest overtuigende voordelen van digitale tweelingen is hun vermogen om institutionele kennis te behouden. Aangezien veel van de dammen van het land ouder zijn dan 60 jaar, dreigt een groot deel van de operationele expertise verloren te gaan als ervaren werknemers met pensioen gaan. Scott Warnick, technisch leider van PNNL voor het digitale tweelingproject, benadrukt dit probleem: "De gemiddelde leeftijd van de dammen van het land is ongeveer 60 jaar, wat betekent dat meerdere generaties werknemers aan elke turbine hebben gewerkt. En kennis gaat onvermijdelijk verloren als ervaren werknemers met pensioen gaan en nieuwe werknemers zich bij het team voegen.”

Door digitale tweelingen te gebruiken, kunnen dambeheerders elke verandering die in de loop der jaren is doorgevoerd, vastleggen, simuleren en documenteren. Deze digitale erfenis zorgt ervoor dat toekomstige generaties toegang hebben tot essentiële informatie, waardoor ze weloverwogen beslissingen kunnen nemen zonder de steile leercurve.

Digitale tweelingen helpen niet alleen bij het onderhouden van bestaande apparatuur, maar stellen beheerders ook in staat om verschillende scenario's te simuleren, zoals veranderingen in de waterstroom of pieken in de vraag, zonder echte activa in gevaar te brengen. Deze functionaliteit is een belangrijke stap voorwaarts in het moderniseren van waterkrachtbeheer. Volgens Warnick: "De digitale tweelingoplossing stelt waterkrachtbeheerders in staat om verschillende scenario's te simuleren, zoals een lage waterstroom of wisselende waterstanden, en toekomstige prestatie- of onderhoudsbehoeften te voorspellen."

Het ontwikkelingsteam van Oak Ridge National Laboratory, onder leiding van Hong Wang, heeft een cruciale rol gespeeld bij het verfijnen van het platform. Door gebruik te maken van realtimegegevens van de Alder Dam op de Nisqually River, hebben ze de digitale tweeling verfijnd om de werkelijke activiteiten te weerspiegelen. De nieuwste updates stellen operators in staat om parameters zoals waterstroomsnelheden en turbinesnelheden aan te passen op basis van factoren zoals seizoensveranderingen, weerpatronen en fluctuerende energiebehoeften. Deze mogelijkheid om proactief de operaties aan te passen, betekent minder verrassingen en geoptimaliseerde energieproductie.

Verbetering van de veerkracht van het elektriciteitsnet door integratie

Nu de wereld op weg is naar een groenere energietoekomst, wordt de rol van waterkracht dynamischer. Het bijgewerkte model van de digitale tweelingen is speciaal ontworpen om waterkrachtcentrales naadloos te laten integreren met andere hernieuwbare bronnen zoals zon en wind. Zoals Sivaraman uitlegt: "Dit platform kan de levensduur van de dammen van het land verlengen en tegelijkertijd extra bronnen van hernieuwbare energie integreren in het elektriciteitsnet."

In praktische zin betekent dit dat waterkracht de overhand kan nemen tijdens periodes waarin de opwekking van zonne- en windenergie daalt, zoals 's avonds of op rustige, bewolkte dagen. Fletcher waarschuwt echter: "te veel gebruik kan de componenten van een dam sneller laten verouderen. De sleutel is om voldoende energie te genereren wanneer dat nodig is, zonder de turbines zelf te overbelasten."

Door fluctuaties in de vraag naar stroom te simuleren, helpt de digitale tweeling exploitanten om weloverwogen beslissingen te nemen over wanneer turbines moeten worden gebruikt, waardoor de energievoorziening in evenwicht wordt gebracht en de levensduur van de apparatuur wordt verlengd.

Samenwerking met industriële partners is essentieel voor het voortdurende succes van het initiatief voor digitale tweelingen. Tacoma Public Utilities (TPU) was een early adopter en werkte nauw samen met het team om het platform te verfijnen. Greg Kenyon, manager automatiseringstechniek bij TPU, prijst de samenwerking: "De PNNL- en ORNL-teams beschikken over de wiskundige en praktische vaardigheden die nodig zijn om complexe digitale tweelingproblemen op te lossen."

Daarnaast zijn er inspanningen gaande met Chelan County Public Utility om een ​​digitale tweeling te creëren voor de Rocky Reach Dam. Door historische gegevens te gebruiken, wil dit project de mogelijkheden voor voorspellend onderhoud verfijnen, operationele risico's verminderen en de energieproductie optimaliseren, allemaal zonder kosten voor het nutsbedrijf.

Hoewel de focus nu ligt op turbine-optimalisatie, biedt de toekomst nog bredere toepassingen. Volgens Fletcher onderzoekt het team al manieren om functies op te nemen zoals het monitoren van biologische opbouw en het verbeteren van naleving van milieuvoorschriften. Het uiteindelijke doel? Een datagestuurd, voorspellend onderhoudssysteem dat ongeplande uitval elimineert, de efficiëntie verbetert en de inkomsten maximaliseert.

Kenyon voorziet een toekomst waarin data-analyse en voorspellende algoritmen elk aspect van het beheer van waterkrachtactiva aansturen. "Het is er een waarbij er geen ongeplande uitval en verloren inkomsten zijn, maar uitval die wordt bepaald door datagestuurde onderhoudsschema's en vervanging van apparatuur", zei hij.

Nu de waterkrachtsector de uitdagingen van modernisering aanpakt, bieden digitale tweelingen een veelbelovende oplossing.

Door de activiteiten te digitaliseren, kennis te behouden en te integreren met andere hernieuwbare bronnen, zorgt deze innovatieve technologie ervoor dat waterkracht een betrouwbare en efficiënte bijdrage blijft leveren aan het duurzame energienet.
NJC.© Info Oak Ridge National Laboratory, led by Hong Wang

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