Proteção climática, eficiência de recursos, aumento dos custos de energia, novos modelos de fornecimento e rígidas regulamentações ambientais – a energia é agora um fator chave de competição. Mudar para a neutralidade de carbono em um ambiente de negócios competitivo requer um grande esforço – especialmente no setor de manufatura, que responde por 19% das emissões de carbono relacionadas à energia em todo o mundo. Não é um desafio fácil, mas também é uma grande oportunidade. Afinal, alcançar a eficiência energética na fabricação não só possibilita a redução da pegada de carbono, mas também se economiza uma quantia significativa de dinheiro.
Portanto, há motivos suficientes para tornar esta questão uma prioridade, mas que papel os dados podem desempenhar para uma empresa se tornar um líder em sustentabilidade? Existem oportunidades para as empresas modernas ajustarem as estruturas de custos e, ao mesmo tempo, melhorarem seu desempenho em sustentabilidade?
As indústrias de hoje em dia têm mais dados à disposição do que nunca. Mas quando se trata de seus ativos mais críticos, como as empresas devem aproveitar os dados para prever e prevenir problemas antes que eles aconteçam?
A partir do surgimento da inteligência artificial (AI) e da Internet das Coisas (IoT), empresas de todos os setores estão sendo reinventadas. As empresas estão aprendendo a usar seus dados não apenas para analisar o passado, mas também para prever o futuro.
Estamos em um ponto de virada significativo na história. O mundo industrial está sendo revolucionado. No epicentro dessa mudança, há quatro elementos principais: Inteligência Artificial (AI), Machine Learning (ML), Big Data (BD) e Internet das Coisas (IoT).
Hoje, bilhões de pessoas e inúmeras máquinas estão conectadas umas às outras. Por meio de tecnologia inovadora, velocidade e poder de processamento sem precedentes e computação distribuída em escala massiva onipresente, os dados podem ser coletados e aproveitados como um ativo comercial em magnitude imensa. Novas portas foram abertas pela conectividade, ciência de dados, automação e computação incorporada. Prever o futuro não é mais um conceito futurista – é a nossa realidade.
Nessa esteira de tecnologias surgem soluções de Gêmeos Digitais. O conceito de Gêmeos Digitais aparece ligado com esta nova perspectiva tecnológica, aspirando trazer para um ambiente virtual, uma cópia do mundo real, possibilitando que se analise vários aspectos de um objeto, um equipamento, um processo ou até mesmo uma planta industrial em sua totalidade, testando cenários e possibilidades antes de implementá-las em sua cópia física, tornando as tomadas de decisões mais rápidas, eficientes e baratas.
O primeiro benefício de um Gêmeo Digital é a capacidade de produzir dados simulados. Um ambiente virtual pode passar por um número infinito de repetições e cenários. Os dados simulados produzidos podem então ser usados para treinar o modelo de Inteligência Artificial (AI). Desta forma, o sistema de AI pode ser ensinado em condições potenciais do mundo real, que de outra forma poderiam ser muito difíceis.
O segundo benefício é a capacidade de planejar e testar novos recursos. O Gêmeo Digital deve representar a realidade, mas pode produzir uma visão do futuro. Sua empresa está pensando em investir em uma nova linha de produção? Sua empresa está pensando em fabricar um novo produto? Você pode criar virtualmente este mundo de amanhã e testar cenários. Os testes podem ser ajustados e realizados quantas vezes forem necessárias para encontrar a solução ideal.
Por fim, adicionar o Machine Learning a qualquer processo industrial tornará o processo mais inteligente ao obter dados e previsões mais precisas, além de compreender dados visuais e não estruturados. Ao adicionar o Machine Learning ao seu fluxo de trabalho, você não só abre possibilidades para descobrir padrões nunca antes vistos em seus dados, mas também cria um único sistema de aprendizado que pode gerenciar dados complexos.
A maior parte do Machine Learning atualmente é baseado em aprendizado supervisionado, em que o modelo aprende a partir de exemplos rotulados. Existem também outras formas de aprendizagem que podem permitir encontrar padrões imprevistos nos dados. Uma delas é chamada de aprendizagem por reforço, em que o modelo aprende de forma não supervisionada a partir da obtenção de recompensas ao realizar ações em um determinado ambiente (simulado).
No entanto, na maioria dos casos amplamente conhecidos de aprendizagem por reforço, as condições não seriam possíveis no mundo real. Mesmo modelos de aprendizagem por reforço de última geração requerem muita experiência para serem bons. Para dar um exemplo, a rede neural OpenAI Five levou 180 anos de tempo de jogo efetivo para treinar e ainda assim perdeu para jogadores profissionais.
Até agora, muito do aprendizado por reforço tem funcionado apenas em jogos, já que a quantidade de repetições não seria possível no mundo real. No ambiente de Gêmeo Digital, você pode repetir um cenário ou fazer um teste quantas vezes quiser, até que os agentes de aprendizagem por reforço possam encontrar novas maneiras de obter a recompensa. Na prática, isso pode significar, por exemplo, descobrir novas maneiras de otimizar uma rede móvel.
Um fator essencial quando se trata de administrar um negócio de forma sustentável e otimizar o planejamento financeiro é a capacidade de prever gastos de energia e – na medida do possível – automatizar o gerenciamento de energia. Para isso, é necessária uma base sólida, uma representação digital, que represente o ambiente físico real de forma digital; mostrando o consumo de energia de ativos – de linhas de produção, de sistemas de aquecimento, de sistemas de ventilação e ar-condicionado (HVAC) ou de estações de carregamento de veículos elétricos – e a produção de energia – unidades combinadas de calor e energia (CHP), painéis solares ou parques eólicos.
Uma vez que este Gêmeo Digital holístico do ambiente de produção esteja instalado, a inteligência artificial pode ser usada para executar simulações “virtuais” usando várias fontes de dados, incluindo dados históricos, previsões de demanda futura e dados meteorológicos, permitindo vários cenários de otimização. Por exemplo, para maximizar o uso de energia verde (renovável) ou reduzir picos de carga. Isso pode ajudar a reduzir os custos de distribuição e garantir altos padrões ambientais, monitorando sistematicamente a energia e o uso de recursos, resíduos e emissões em todas as fases da cadeia de valor. Uma vez estabelecida a simulação digital e a previsão do comportamento do sistema, pode-se até automatizar todo o processo e configurar um sistema totalmente autônomo. Tal Gêmeo Digital é capaz de se otimizar constantemente tanto para critérios de custo quanto de sustentabilidade, fornecendo um sistema completamente transparente, certificável e altamente eficaz.
Um aspecto muito tangível de tal modelo de energia e um bom exemplo dos benefícios do controle automatizado é o gerenciamento de pico de carga de energia. Os picos de carga podem ser extremamente caros; mesmo excedendo, as cargas acordadas contratualmente com os fornecedores de energia, apenas uma vez em um megawatt pode elevar fortemente os custos de eletricidade de uma empresa. Isso ocorre porque cada pico de carga representa uma carga pesada para a rede elétrica e, portanto, se reflete nos modelos de preços, que podem desencadear altos preços de energia. Para economizar custos gerais, os perfis de carga de energia devem ser regulados e suavizados ou idealmente reduzidos.
Não há dúvida de que os Gêmeos Digitais levam as empresas a serem melhores em inovação e desempenho. Na verdade, centenas de publicações técnicas e não técnicas ilustram como a tecnologia de Gêmeos Digitais pode ser útil para projetar, visualizar, monitorar, gerenciar e manter ativos corporativos de forma mais eficaz. Além disso, a tecnologia de Gêmeos Digitais possibilita que várias empresas redirecionassem, direta ou indiretamente, seus valores de sustentabilidade. A ideia é que os Gêmeos Digitais podem virtualmente ajudar a olhar além do modelo industrial atual de extrair, produzir, consumir e descartar. Assim, as empresas e até mesmo cidades inteiras têm opções para mudar para um sistema de “economia circular” que considera a produção quase zero de resíduos e poluição, mantém produtos e materiais por mais tempo no ciclo de reciclagem e ajuda a regenerar os sistemas naturais.
De maneira geral, é estimado que a implantação de Gêmeos Digitais pode contribuir para uma redução em torno de 20% nas emissões globais de dióxido de carbono até 2030. A eficiência nas operações também permite que as empresas reajustem a forma como os produtos e serviços são feitos e oferecidos, com o uso ou reaproveitamento de materiais mais duráveis que se traduzem em economia de energia.
Os casos a seguir exemplificam como a tecnologia de Gêmeos Digitais pode trazer mudanças que ajudam a criar um mundo mais sustentável e tornar os negócios mais bem-sucedidos.
Reciclagem de plásticos
Os plásticos são essenciais para as indústrias que vão de embalagens a construção, transporte, saúde, eletrônicos e muitos outros. Nos últimos 50 anos, a produção global de plásticos aumentou 20 vezes, de 15 milhões de toneladas para 311 milhões de toneladas, com apenas 9% de todo o plástico produzido sendo reciclado. Um número impressionante de 91% acaba causando perdas de US$ 80 a US$ 120 bilhões por ano para a economia global, enquanto produz grandes danos ambientais.
Em resposta, a BASF está desenvolvendo sua plataforma habilitada para blockchain para melhorar a rastreabilidade de plásticos reciclados e está operando grandes centros de teste piloto nas Américas do Sul e do Norte. O projeto envolve o uso de Gêmeos Digitais para possibilitar o rastreamento físico e digital do material reciclado. A BASF fez parceria com a Optel e Security Matters. Ambas as empresas desenvolveram sistemas de código de barras exclusivos que podem resistir aos processos de fabricação e reciclagem sem qualquer alteração dos materiais reciclados. Usando rastreadores digitais, esses códigos de barras visam capturar todas as informações para autenticar as declarações de sustentabilidade e tornar o processo de classificação mais preciso. Com essa tecnologia em vigor, a BASF espera alavancar sistematicamente o valor da reciclagem de materiais que muitas vezes acabam em aterros sanitários.
Construção e Cidades
A indústria da construção é estimada em US$ 8 trilhões em todo o mundo, ou 10% do PIB global, e é, globalmente, um dos maiores setores. Além disso, é uma fonte importante de demanda por materiais e recursos, o que cria uma significativa pressão e dependência ambiental. Do ponto de vista da sustentabilidade, os edifícios comerciais e residenciais atualmente usam cerca de 40% da demanda global de energia (60% da eletricidade mundial), respondem por 25% do uso global de água e são responsáveis por aproximadamente um terço das emissões globais de GHG. E essas demandas só devem aumentar. As estimativas atuais sugerem que até 2030, haverá 706 cidades com pelo menos 1 milhão de habitantes – quase 30% a mais que 2018. Apesar desses desafios, a concentração espacial de pessoas e atividades econômicas tem vantagens potenciais, pois facilita a implementação em escala de soluções. Por exemplo, os edifícios urbanos oferecem um potencial significativo para alcançar reduções substanciais de emissões de GHG em todo o mundo. O consumo de energia em edifícios pode ser reduzido em 30-80% usando tecnologias de Gêmeos Digitais comprovadas e disponíveis comercialmente, muitas vezes dentro da estrutura mais ampla de cidades inteligentes.
Nesse contexto, um Gêmeo Digital de um edifício físico se comporta como seu irmão gêmeo do mundo real, conectando edifícios com sistemas de energia e transporte. O software de simulação e modelagem 3D, dados em tempo real e análises permitem a otimização do desempenho operacional e da sustentabilidade de um edifício em todo o seu ciclo de vida. Os Gêmeos Digitais também são um recurso de dados que pode melhorar o design de novos ativos, especificar a condição do ativo e executar cenários hipotéticos. Os gêmeos avançados usam interações físico-digitais bidirecionais, permitindo controle remoto e até autônomo de ativos. Embora gêmeos possam ser criados para edifícios existentes e futuros, este caso de uso modela o potencial de implementação de Gêmeos Digitais em novas construções globalmente entre 2020-2030. Para este caso de uso, identifica-se dois impulsionadores de valor onde o impacto é mais evidente:
- Reduções de custos operacionais de edifícios
- Melhor gestão de energia
Potencial de economia
- US $ 288 BN de redução nos custos operacionais de construção através da redução no consumo de energia, manutenção, planejamento e custos de comissionamento
- 6,9 Gt CO2e de redução nas emissões de operações de construção como resultado da melhoria da gestão de energia (12.032 TWh de economia)
Bens de consumo embalados
A indústria de bens de consumo embalados atualmente é responsável por dois terços dos volumes do comércio internacional e representa 10% do PIB nacional nos Estados Unidos e está intimamente ligada a muitos outros, como agricultura, produtos químicos, petróleo e gás e mineração e recursos naturais. Devido ao seu tamanho, a indústria também enfrenta desafios de sustentabilidade significativos. A agricultura (incluindo a produção agrícola e pecuária), a silvicultura e o uso da terra respondem por quase um quarto das emissões globais de GHG, e um terço da produção global de alimentos é desperdiçado em toda a cadeia de valor. As tecnologias de Gêmeos Digitais oferecem o potencial de limitar o uso de recursos e permitir a colaboração multifuncional do P&D ao Marketing e vice-versa, ajudando a estabelecer a base para uma nova maneira de abordar a sustentabilidade desde o design, o que é crítico, pois as decisões de design podem ser vinculadas a 80% de um impacto ambiental do produto. As tecnologias de modelagem e simulação 3D também podem ajudar a possibilitar o design sustentável e a fabricação de produtos, incorporando dados do ciclo de vida e de visibilidade.
Vamos focar aqui apenas no desenvolvimento de produtos e na integração de dados de avaliação do ciclo de vida (LCA) com as ferramentas de modelagem e simulação 3D. Este caso de uso enfoca o valor analítico dos Gêmeos Digitais e como a tecnologia permite a integração dos objetivos de sustentabilidade no início do ciclo de vida do produto. Uma parte significativa dos impactos ambientais de um produto é determinada pelas decisões tomadas nos estágios iniciais de design; é também onde 60 – 85% do custo do produto é determinado. Existem diferentes ferramentas de design ecológico que usam o princípio de LCA para apoiar as decisões de produtos e serviços; no entanto, essas ferramentas são geralmente muito complexas e demoradas. Mais importante ainda, as ferramentas existentes só podem ser usadas após o desenvolvimento do conceito e o design já terem avançado significativamente, limitando, portanto, o “menu de opções” disponível para os tomadores de decisão. A prototipagem virtual também permite iterações de projeto mais rápidas e reduz a necessidade de testes físicos, gerando benefícios significativos de CO2. Para este caso de uso, priorizamos três impulsionadores de valor onde o impacto é mais evidente:
- Redução do custo da matéria-prima
- Redução do custo de desenvolvimento do produto
- Redução da pegada de carbono incorporado
Potencial de economia
- US $ 131 bilhões de redução nos custos de uso de matéria-prima
- US $ 6 bilhões de redução nos custos de desenvolvimento de produtos
- 281 Gt CO2e de redução na pegada de produto embutido como resultado de melhor visibilidade de saída de LCA e melhor tomada de decisão como resultado
