Digital Twins and Their Applications in the Energy Sector – A Literature Review

No Thumbnail Available

Files

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Insinööritieteiden korkeakoulu | Bachelor's thesis
Electronic archive copy is available locally at the Harald Herlin Learning Centre. The staff of Aalto University has access to the electronic bachelor's theses by logging into Aaltodoc with their personal Aalto user ID. Read more about the availability of the bachelor's theses.
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2024-09-20

Department

Major/Subject

Energia- ja ympäristötekniikka

Mcode

ENG3042

Degree programme

Insinööritieteiden kandidaattiohjelma

Language

en

Pages

37

Series

Abstract

The current energy system transformation is shifting energy industry and infrastructure towards decarbonisation, decentralisation and digitalisation. Detachment from fossil fuels and the integration of renewable energy sources is crucial for decreasing the carbon emissions of the sector. The adaptation of renewable energy sources decentralises the energy system which has previously relied heavily on centralised power plants. Digitalisation and the rapid improvement of related technologies offer new methods to manage these profound changes. Digital Twins are one of these key technologies and implementing them can provide numerous advantages to the energy industry. The objective of this thesis is to survey the current state of research and applications in the energy sector. In addition, the work addresses the achieved benefits and their effect on the global trends of energy transformation. This thesis focuses on energy production and the integration of renewable energy sources. Other sections of the energy sector, such as energy storage, power grid management and the energy efficiency of built environments, are delimited outside of this research. The thesis is conducted as a literature review. The research concludes that the definition of a Digital Twin is majorly dependent on the context of the specific use case. The general definition of the concept states that Digital Twins are virtual replicas of a physical component or a system. In addition, there is a synchronised data connection between the two components. As of now, there are no precise technical requirements and different solutions are developed based on the requirements of the particular application. The potential ad-vantages of the technology include, for example, process optimisation, fault detection, enhancement of energy efficiency, simulation and real-time monitoring. In addition to the countless advantages, the exploitation of the full potential of Digital Twin technology faces several challenges as well. Lack of standardisation complicates the implementation of the technology as everything must be built from scratch. Digital Twins also often require real-time data transfer and processing, which is a challenge when the amount of data increases significantly. Additionally, validation methods for the reliability of Digital Twin designs over time are still lacking in research. The energy sector has an increasing interest in Digital Twin technology and several applications have been implemented in the industry. Digital Twin applications in energy production include optimisation, integration of renewable energy sources, preventive maintenance and anomaly detection. However, scientific research is behind compared to other industries that adopted the technology first. Further research is needed to unlock the full potential that Digital Twins can provide to the energy sector.

Energiasektori käy parhaillaan läpi yhtä historiansa suurimmista muutoksista. Fossiilisista poltto-aineista pyritään eroon hiilidioksidipäästöjen hillitsemiseksi ja uusiutuvia energiantuotantolähteitä rakennetaan ja integroidaan systeemiin ennätysvauhtia. Uusiutuvat energiantuotantomuodot hajauttavat aiemmin hyvin voimalaitoskeskeistä ja keskitettyä energiasektoria. Digitalisaatio ja siihen liittyvien teknologioiden voimakas kehittyminen tarjoavat uusia keinoja hallita tätä nopeaa muutosta. Digitaaliset kaksoset (digital twins) ovat yksi tällaisista teknologioista, ja niiden avulla voidaan saavuttaa monenlaisia hyötyjä. Tämä työn tavoitteena on kartoittaa digitaalisen kaksosen käsitettä, tieteellisen tutkimuksen edistymisen energiasektorilla ja tämänhetkiset käyttökohteet teollisuudessa. Lisäksi työssä tarkastellaan myös digitaalisilla kaksosilla saatavia hyötyjä, ja niiden vaikutuksia energiamurroksen globaaleihin trendeihin. Tässä työssä käsitellään energiasektoria energiantuotannon ja uusiutuvien energialähteiden integraation näkökulmasta. Sektoriin liittyvät osa-alueet kuten energian varastointi, sähköverkon hallinta ja rakennusten energiatehokkuus jäävät työn ulkopuolelle. Työ suoritetaan kirjallisuuskatsauksena. Työssä selviää, että digitaalisten kaksosten tekninen määritelmä on hyvin riippuvainen sen kontekstista ja käyttökohteesta. Yhteinen määritelmä löytyy konseptin tasolla: digitaalinen kaksonen on virtuaalinen kopio fyysisestä osasta tai systeemistä. Lisäksi näiden kahden osan välillä on synkronoitu datayhteys. Tarkempia teknisiä vaatimuksia ei kuitenkaan vielä ole, vaan erilaiset ratkaisut määrittyvät tarkoituksen ja halutun lopputuloksen perusteella. Saavutettavia hyötyjä ovat muun muassa prosessien optimointi, vikojen havainnointi, energiatehokkuuden parantaminen ja reaaliaikainen monitorointi. Teknologian käyttöön ja sen kokonaisvaltaiseen hyödyntämiseen liittyy kuitenkin myös paljon haasteita. Teknologian standardisoinnin puute hankaloittaa käyttöönottoa, sillä kaikki ratkaisut täytyy rakentaa alusta asti itse. Digitaalisten kaksosten sovellukset myös vaativat usein lähes reaaliaikaista datan siirtoa ja käsittelyä, mikä ei ole yksinkertaista toteuttaa datan määrän ollessa suuri. Digitaalisten kaksosten oikeellisuuden ja todellisuutta vastaavuuden validointimenetelmien puute tuo haasteetta teknologian luotettavuuteen erityisesti pitkällä aikavälillä. Energia-alalla on kasvava kiinnostus digitaalisia kaksosia kohtaan ja teollisuudessa on jo käytössä monenlaisia ratkaisuja. Energiateollisuudessa digitaalisia kaksososia käytetään muun muassa optimointiin, uusiutuvien energialähteiden integrointiin, kunnossapidon ennustamiseen ja poikkeuksien tunnistamiseen. Tieteellinen tutkimus on kuitenkin vielä jäljessä verrattuna aloihin, joissa teknologia otettiin käyttöön ensimmäisen. Lisää tutkimusta tarvitaan, jotta päästään käsiksi siihen potentiaaliin, mitä digitaaliset kaksoset energiasektorille tarjoavat.

Description

Supervisor

Alanne, Kari

Thesis advisor

Karimkashi, Shervin

Keywords

digital twin, digitalisation, energy production, energy

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202410156733

Collections

[kand] Insinööritieteiden korkeakoulu / ENG