چگونه صنعت ۴.۰ در حال دگرگون کردن انرژی‌های تجدیدپذیر و توسعه مواد است

این مقاله برگرفته از پژوهش منشترشده در مجله‌ی Heliyon با عنوان «The Potential of Industry 4.0 for Renewable Energy and M aterials» (Van der Merwe & Matoane, 2023) است و محتوای آن را در قالبی خلاصه‌سازی‌شده و تحلیلی بازتاب می‌دهد.

با شتاب گرفتن روند جهانی کربن‌زدایی، یک انقلاب فناورانه‌ی تازه در سکوت در حال بازآفرینی شیوه‌ی تولید و مدیریت انرژی است. مفهوم صنعت ۴.۰ (Industry 4.0) – یعنی ادغام فناوری‌های دیجیتال در سیستم‌های صنعتی – دیگر تنها یک واژه‌ی مد روز نیست. بنا بر پژوهشی که در سال ۲۰۲۳ در مجله‌ی Heliyon  توسط پژوهشگران دانشگاه ژوهانسبورگ منتشر شده، صنعت ۴.۰ می‌تواند پلی میان تحول دیجیتال و اقتصاد کم‌کربن باشد.

این مقاله بررسی می‌کند که چگونه فناوری‌هایی مانند اینترنت اشیاء  (IoT)، هوش مصنوعی (AI)، کلان‌داده  (Big Data)، بلاک‌چین (Blockchain)، چاپ سه‌بعدی (3D Printing) و دوقلوی دیجیتال (Digital Twin) با یکدیگر تلفیق می‌شوند تا تولید انرژی‌های تجدیدپذیر را بهبود دهند، توسعه‌ی مواد را بهینه سازند و پایداری کلی را ارتقا دهند.

از شبکه‌های هوشمند تا تصمیم‌های هوشمندانه

یکی از محورهای اصلی پژوهش، رشد شبکه‌های هوشمند (Smart Grids) است – شبکه‌هایی که با بهره‌گیری از حسگرهای اینترنت اشیاء، سیستم‌های کنترلی و تحلیل داده‌ها، جریان برق را به صورت لحظه‌ای پایش و متعادل می‌کنند. این شبکه‌ها امکان ادغام منابع متغیری چون انرژی خورشیدی و بادی را با شبکه‌های ملی فراهم می‌سازند و در عین حال، پایداری و بازده را حفظ می‌کنند.
به کمک تحلیل‌های پیش‌بینی‌کننده (Predictive Analytics) و یادگیری ماشین (Machine Learning)، بهره‌برداران قادرند الگوهای تقاضا را پیش‌بینی کنند، ناهنجاری‌ها را شناسایی کرده و پیش از وقوع، از بروز خطا جلوگیری کنند – حرکتی از نگهداری واکنشی به نگهداری پیش‌بینانه (Predictive Maintenance).

از سوی دیگر، ذخیره‌سازی انرژی – که همواره پاشنه آشیل انرژی‌های تجدیدپذیر بوده – از پیشرفت‌های ساخت پیشرفته و علم مواد سود می‌برد. فناوری‌هایی چون چاپ سه‌بعدی و دوقلوی دیجیتال به پژوهشگران امکان می‌دهد تا اجزای باتری را پیش از تولید واقعی، در محیط مجازی طراحی و آزمایش کنند و در نتیجه، هزینه و ضایعات مواد را کاهش دهند. همچنین تولید افزایشی (Additive Manufacturing) از ساخت قطعات سفارشی و با کارایی بالا برای توربین‌های بادی، پیل‌های سوختی هیدروژنی و باتری‌های نسل جدید پشتیبانی می‌کند.

موادی برای آینده‌ای پایدار

این پژوهش به نقش صنعت ۴.۰ در توسعه‌ی مواد پایدار – شالوده‌ی زیرساخت‌های انرژی تجدیدپذیر – می‌پردازد. امروزه الگوریتم‌های هوش مصنوعی و آزمایش‌های با توان بالا (High-throughput experimentation) برای شناسایی و سنتز مواد جدید با دوام، قابلیت بازیافت و رسانایی بیشتر به کار می‌روند. در جدول شماره ۱ مقاله، موادی چون گالیم، ایندیوم، تلوریوم، لیتیوم و عناصر خاکی کمیاب فهرست شده‌اند که برای ساخت پنل‌های خورشیدی، باتری‌ها و توربین‌های بادی حیاتی‌اند. پژوهش نشان می‌دهد که ابزارهای دیجیتال می‌توانند فرآیند استخراج، پالایش و بازیافت این مواد را بهینه کنند.

در راستای کاهش ضایعات، صنعت ۴.۰ از مدل اقتصاد چرخشی (Circular Economy) پشتیبانی می‌کند: حسگرها جریان مواد را در زمان واقعی پایش می‌کنند، در حالی که فناوری بلاک‌چین اصالت و پایداری زنجیره‌ی تأمین جهانی را تضمین و رهگیری‌پذیر می‌سازد.
به عنوان نمونه، در تولید سلول‌های فتوولتائیک (PV Cells)، یادگیری ماشین می‌تواند افت عملکرد را پیش‌بینی و فرآیند بازیافت پنل‌های کادمیم تلورید یا سیلیکونی را بهینه کند. پژوهشگران در حوزه‌ی توربین‌های بادی نیز در حال توسعه‌ی رزین‌های گرمانرم قابل‌بازیافت(Recyclable Thermoplastic Resins)  هستند که ۳۰ درصد انرژی کمتر مصرف کرده و تا ۶۰ درصد گاز گلخانه‌ای کمتری در فرآیند تولید آزاد می‌کنند.

دیجیتالی شدن سیستم‌های انرژی

این مطالعه، ده حوزه‌ی کلیدی صنعت ۴.۰ را که باعث ارتقای مدیریت پایدار انرژی می‌شوند شناسایی می‌کند: از تحول دیجیتال در بخش انرژی و تصمیم‌گیری هوشمند بر پایه‌ی کلان‌داده‌ها گرفته تا سیستم‌های هوشمند مدیریت انرژی که با استفاده از حسگرها و هوش مصنوعی، تولید انرژی را بهینه‌سازی می‌کنند.
شبیه‌سازی‌های مجازی و دوقلوهای دیجیتال به مهندسان اجازه می‌دهند تا کل خطوط تولید را پیش از پیاده‌سازی واقعی آزمایش کنند، و از این طریق اتلاف انرژی و مواد را کاهش دهند.

یکی دیگر از ارکان اصلی، تولید افزایشی است که پیش‌بینی می‌شود تا سال ۲۰۵۰ مصرف انرژی صنعتی را تا ۲۰ درصد کاهش دهد. این فناوری با تولید محصولات سبک‌تر، با ضایعات کمتر و طراحی‌های انعطاف‌پذیرتر، در حال بازتعریف مفهوم تولید انرژی‌کارا است.

بُعد انسانی و راهبردی

فراتر از فناوری، پژوهش به چالش‌های اجتماعی و ساختاری این گذار نیز اشاره دارد. از خلال مصاحبه با کارشناسان اروپایی و آفریقایی، پژوهشگران هفت مانع اصلی را شناسایی کردند: هزینه‌های اولیه‌ی بالا، کمبود مواد، نبود استانداردهای یکپارچه، خطرات امنیت سایبری، محدودیت‌های مقرراتی، مقاومت در برابر تغییر، و کمبود نیروی انسانی ماهر.
به باور نویسندگان، غلبه بر این موانع مستلزم مشوق‌های اقتصادی، تدوین استانداردهای فنی هماهنگ، و برنامه‌های آموزشی برای ارتقای مهارت‌های دیجیتال و پایداری است.

در مقاله مثال‌هایی از کاربرد واقعی نیز ذکر شده است: مزارع بادی فراساحلی آلمان که از دوقلوهای دیجیتال برای بهینه‌سازی توربین‌ها بهره می‌برند؛ کارخانه‌های شیمیایی آفریقای جنوبی که با استفاده از شیرهای چاپ سه‌بعدی تا ۲۰ درصد بازده خود را افزایش داده‌اند؛ و تولیدکنندگان بادی دانمارک که با استفاده از پره‌های گرافنی چاپ‌شده‌ی سه‌بعدی، دوام و سبکی بیشتری به دست آورده‌اند.

به سوی آینده‌ای دیجیتال و کم‌کربن

نتیجه‌گیری مقاله نگاهی امیدوارانه و در عین حال واقع‌گرایانه دارد: دیجیتالی‌سازی برای کربن‌زدایی اجتناب‌ناپذیر است، اما باید با سیاست‌گذاری هوشمند، همکاری بین‌بخشی و نوآوری اخلاق‌مدار هدایت شود.
صنعت ۴.۰، در صورت اجرای درست، می‌تواند سامانه‌های انرژی‌ای بسازد که نه تنها هوشمند، بلکه پایدار، چرخشی و مقاوم هستند.

به بیان دیگر، انقلاب صنعتی آینده نه با زغال‌سنگ و نفت، بلکه با داده‌ها، الگوریتم‌ها و نبوغ انسانی نیرو خواهد گرفت.

مطالعه‌ی بیشتر: 
مشاهده مقاله کامل در سایت Heliyon