From Digital Model to Digital Predictive Twin: Development of a digital framework for the creation of virtual representations in the process development of energy technologies

Abstract

Die Klimakrise und der damit verbundene Bedarf an der Entwicklung und Optimierung klimafreundlicher und effizienter Energietechnologien erfordert die Digitalisierung des Energiesektors. Die Digitalisierung kann dazu beitragen, die Energiewende zu beschleunigen, indem sie ein intelligent vernetztes Energiesystem zwischen Energiebereitsteller, -verteiler und -verbraucher bildet. Um eine nachhaltige Digitalisierung im Energiesektor zu gewährleisten, ist es notwendig, bereits bei der Prozessentwicklung anzusetzen. Folglich muss neben der physischen Anlage auch ein digitales Abbild der physischen Anlage, die so genannte virtuelle Repräsentation, mitentwickelt werden. Für die Entwicklung von virtuellen Repräsentationen wird ein standardisiertes Framework benötigt, welche die Anforderungen an virtuelle Repräsentationen entlang der Prozessentwicklung von Energietechnologien definiert. In der Literatur sind verschiedene Frameworks mit unterschiedlichen Branchenschwerpunkten verfügbar. Es existiert jedoch kein Framework mit Fokus auf die Entwicklung von Energietechnologien. Folglich wurde in dieser Dissertation ein Framework für die Entwicklung virtueller Repräsentationen mit dem Fokus auf die Entwicklung von Energietechnologien erarbeitet. Das neuartige Framework ermöglicht neben der kontinuierlichen Entwicklung der physischen Anlage auch die Mitentwicklung der virtuellen Repräsentation. Zudem werden in jeder Dimension der virtuellen Repräsentation austauschbare Modellierungsblöcke und Eigenschaften definiert, die entlang des Lebenszyklus der Prozessentwicklung entwickelt werden sollten, um eine möglichst breite Anwendung zu ermöglichen. Demzufolge werden die Prozessentwicklungsphasen von der Konzept- bis zur kommerziellen Phase von den virtuellen Repräsentationstypen „Digital Model“ bis „Digital Predictive Twin“ begleitet. Um die Anwendbarkeit des neuartigen Frameworks zu testen, wurden vier Anwendungen von „Digital Model“ bis „Digital Predictive Twin“ in unterschiedlichen Prozessentwicklungsphasen erarbeitet. Erstens wurde ein „Digital Model“ einer Power-to-Liquid-Anlage für die Erzeugung von synthetischem Treibstoff erarbeitet. Kernstück ist ein stationäres Simulationsmodell mit Offline-Datenkommunikation für die Findung eines geeigneten Anlagenkonzeptes für eine zu errichtende Pilotanlage mit einer Nennleistung von 1 MWel. Zweitens wurde ein „Digital Shadow“ einer OxySER-Anlage zur Reduktionsgaserzeugung für die Stahlindustrie entwickelt. Kernstück ist ein quasistatisches Simulationsmodell im Ad-hoc Modus mit unidirektionaler Datenkommunikation für die Überwachung der 100 kWth Pilotanlage an der TU Wien. Drittens wurde ein „Digital Twin“ eines Biomass-to-Gas-Prozesses für die Erzeugung von synthetischem Erdgas erarbeitet. Kernstück ist neben dem quasistatischen Simulationsmodell ein modellprädiktiver Regler mit bidirektionaler Echtzeit-Datenkommunikation zur Realisierung der Automatisierung der 100 kWth Pilotanlage an der TU Wien. Zuletzt wurde ein „Digital Predictive Twin“ Konzept einer großtechnischen Sondermüllverbrennungsanlage entwickelt. Kernstück ist ein prädiktives Simulationsmodell mit bidirektionaler Echtzeit-Datenkommunikation zur Bestimmung von nicht analysierten Abfallströmen durch die Analyse historischer Daten, um in weiterer Folge eine umfassende Prozessoptimierung zu ermöglichen. Darüber hinaus können die entwickelten virtuellen Repräsentationen während der Prozessentwicklung genutzt werden, um Szenarien der Energiesystemintegration entweder aus der Perspektive der entwickelten Energietechnologie oder aus der Perspektive eines Sektors oder einer Region zu untersuchen. Aus diesem Grund wurden die virtuellen Repräsentationen eines Biomass-to-Liquid und Biomass-to-Gas Prozesses verwendet, um geeignete Szenarien für die Integration in das österreichische Energiesystem zu finden. Darüber hinaus wurde das neuartige Tool ENECO2Calc entwickelt, um mögliche Defossilisierungsszenarien für beliebige Gemeinden in Österreich zu untersuchen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das neuartige Framework erfolgreich in verschiedenen Phasen der Prozessentwicklung eingesetzt wurde und die entstehenden virtuellen Repräsentationen zu einem intelligenten, vernetzten Energiesystem beitragen können.

The climate crisis and the associated need for the development and optimization of climate-friendly and efficient energy technologies requires the digitization of the energy sector. Furthermore, digitization can help to speed up the energy transition process by forming a smart interconnected energy system linkage energy provider, distributor and consumer. In order to ensure sustainable digitization in the energy sector, it is necessary to start already at the process development stage. Consequently, a digital reflection of the physical facility, called virtual representation shall be developed along the process development life-cycle besides the physical facility itself. For the development of virtual representations, a standardized framework is needed to define the requirements for virtual representations along the process development of energy technologies. Different frameworks exemplary with the focus on manufacturing, pharmaceutical industry, product life-cycle management and robotics are available in the literature. However, no framework with focus on the development of energy technologies exists. For this reason, in this doctoral thesis, a framework for the development of virtual representations with a focus on the process development environment of energy technologies was developed. In addition to the continuous development of the physical plant, the novel framework also enables the virtual representation to be co-developed. Furthermore, exchangeable modelling blocks are defined in each virtual representation dimension, which should be addressed and developed along the process development life-cycle. Moreover, required property levels for virtual representations in each process development phase have been defined to enable the widest possible application. Consequently, the process development stages from concept to commercial-scale phase are accompanied by the virtual representation types „Digital Model” to „Digital Predictive Twin”. To test the applicability of the novel framework, four applications have been elaborated at different process development stages. First, a Digital Model of a Power-to-Liquid plant for the production of synthetic fuel is developed. Core is a steady-state simulation model with offline data communication to find a suitable conceptual plant design for a to be constructed pilot plant with a nominal power of 1 MWel. Second, a Digital Shadow of an OxySER plant for the production of reducing gas for the steel industry is created. Core is a quasistatic simulation model in ad-hoc mode with uni-directional data communication to enable real-time monitoring of the 100 kWth pilot plant at TU Wien. Third, a Digital Twin of a Biomass-to-Gas process for the production of synthetic natural gas is developed. Core is beside the quasistatic simulation model, a model predictive controller with bi-directional real-time data communication to enable a fully automated operation of the 100 kWth pilot plant at TU Wien. Finally, a Digital Predictive Twin concept of a commercial-scale hazardous waste incineration plant is generated. Core is a predictive simulation model with bi-directional real-time data communication to determine not entirely analysed waste streams by analysing historical data and finally to optimize the plant operation, maintenance and waste management. Furthermore, the developed virtual representations can be used during process development to explore energy system integration scenarios either from the perspective of the developed energy technology or from the perspective of a sector or region. For that reason, the virtual representations of a Biomass-to-Liquid and Biomass-to-Gas process were used to find suitable scenarios for the integration in the Austrian energy system. Moreover, the novel tool ENECO2Calc was developed to investigate possible energy transition scenarios for any municipality in Austria. Concluding, the novel virtual representation framework has been successfully applied in different process development stages and the arising virtual representations can contribute to a smart interconnected energy system.