Servitization of 5D-digital twins for industrial energy storage systems

Abstract

As society's pursuit for higher energy efficiency grows, state awareness and continuous improvement of existing solutions become increasingly important. The improvement of efficiency is especially pressing in energy–extensive industries. Thermal energy storages are a key component in industrial energy systems for balancing heat supply and demand. One of the most promising technologies in monitoring the current state of an entity and enabling its improvement is the Digital Twin. A Digital Twin (DT) is often described as consisting of a physical entity, a virtual entity, and the connection of data and information that ties the two spaces together. It can use the high fidelity virtual representation to enable smart services such as predictive maintenance, operational optimization, fault detection and prevention, or reconfiguration of the physical entity. Because of its rising popularity in both academia and industry and its application in various domains, in recent years, a number of different approaches to modeling the DT have been presented. One of these is the five-dimensional Digital Twin (5D-DT). This approach is an extension to the initially described DT by adding a service model and a data model. Some problems, which can arise when integrating services and the DT are a missing standardization of services in the context of a DT into categories and their semantic description and information management. In order to solve these problems, this thesis focuses on the extensions of the initial three-dimensional Digital Twin framework, namely the service model and the data model. To fulfill its goal of service data integration, in a first step, common services within DTs were identified. A literature review was conducted, and based on the found services and service descriptions, a cluster analysis was performed, which identified 19 different service clusters. Based on the identified service clusters, an ontology-based service framework for 5D-DT was proposed. Initially, requirements to the ontology-based service framework were defined, and competency questions were formulated, as recommended by the applied method METHONTOLOGY. The designed ontology consists of a top-level ontology that describes basic components of a generic service and domain ontologies that describe explicit domain knowledge of a service. A simulation service ontology was created as a domain ontology. Additionally, the applicability of the ontology-based service framework in the use-case of a thermal energy storage was evaluated in a proof of concept, where a simulation service and various management services were implemented. It was shown that all requirements could be fulfilled and that the ontology-based service framework can provide an added value to different services.

In Zeiten wachsendem Umweltbewusstseins und Streben nach hoher Energieeffizienz ist die stetige Zustandsüberwachung und die kontinuierliche Verbesserung bestehender Lösungen nicht mehr wegzudenken. Besonders in der energieintensiven Industrie gibt es hohes Potenzial zur Effizienzsteigerung. Thermische Energiespeicher stellen Schlüsselkomponenten in industriellen Energiesystemen dar, da sie eine Balance zwischen der thermischen Energiebereitstellung und dem Energiebedarf ermöglichen.Ein vielversprechender Ansatz der umfassenden Abbildung und Verbesserung dieser physikalischen Entität bildet der digitale Zwilling. Ein digitaler Zwilling besteht aus mindestens einem physikalischen Objekt in der realen Welt, einer virtuellen Repräsentation dieses Objektes in der virtuellen Welt und einer bidirektionalen Verbindung der beiden zum Austausch von Daten und Informationen und versucht dabei sein physikalisches Gegenstück so genau wie möglich zu beschreiben. Dazu kann er verschiedenste Informationsquellen verwenden. Aufgrund rasant steigender Popularität sowohl in Forschung als auch in Industrie und Einsatz in unterschiedlichsten Gebieten sind in den letzten Jahren verschiedene Ansätze zur Modellierung und Architektur von digitalen Zwillingen entstanden. Einer dieser ist der sogenannte fünf dimensionale digitale Zwilling, welcher zu den üblichen drei Dimensionen noch ein Datenmodell und ein Servicemodell anfügt. Mögliche Probleme, welche sich durch die Integration von Services in den digitalen Zwilling ergeben, sind einerseits fehlende Beschreibungen von allgemeinen Services im Kontext eines digitalen Zwillings, aber auch deren semantische Beschreibung und Verwaltung.Um diese Probleme zu lösen, wurden in dieser Arbeit übliche Services im Kontext des digitalen Zwillings basierend auf einer Literaturrecherche identifiziert und mittels Clusteranalyse kategorisiert. Anhand der identifizierten 19 Servicekategorien wurde ein Ontologie-basiertes Serviceframework für den digitalen Zwilling erstellt. Die erstellte Ontologie setzt sich aus einer Top Level Ontologie, welche die Basis zur Beschreibung eines generischen Services bildet und Domain Ontologien, welche es ermöglichen, Domain spezifisches Wissen ontologisch zu beschreiben, zusammen. Als Beispiel wurde eine Simulation Service Domain Ontologie erstellt. Die semantische Beschreibung von Services kann beispielsweise für das automatische Finden von passenden Services verwendet werden.Schlussendlich wurde das erstellte Ontologie-basierte Serviceframework für den digitalen Zwilling in einem Proof of Concept auf Durchführbarkeit evaluiert. Ein Simulation Service und mehrere Management Services wurden implementiert und die vorgestellte Ontologie für einen industriellen Energiespeicher instanziiert.