Applied Cybersecurity & Internet Governance Repository
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Kurzbericht/Abschlussbericht der Hochschule Düsseldorf zum Begleitprojekt CoCre-HIT der Förderlinie HIS des BMFTR
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Potenzial von Künstlicher Intelligenz für den Einsatz im Projektrisikomanagement : Umfrage im Rahmen des Projekts »KIPRM« (Förderkennzeichen: 01IS22056D)
No full textObwohl dem Projektrisikomanagement eine hohe Relevanz zugemessen wird, sind viele Unternehmen mit ihren aktuellen Prozessen unzufrieden. Ein Hauptgrund dafür ist, dass kritische Risikoinformationen oft unstrukturiert in E-Mails, Dokumenten und Protokollen verborgen und nur mit hohem Aufwand zu analysieren sind. Künstliche Intelligenz verspricht hier, Risiken durch die automatisierte Analyse dieser Daten frühzeitiger und zuverlässiger zu erkennen. Unsere Studie zeigt, vor welchen Herausforderungen Projektmanager heute stehen und welches konkrete Potenzial sie dem Einsatz von KI beimessen
Schlussbericht zum Vorhaben
No full textHeutzutage kann Biomethan – als einer der bekanntesten sauberen gasförmigen Energieträger – einen wichtigen Beitrag zur Energiesicherheit leisten und die Dekarbonisierung industrieller Prozesse sowie des Verkehrssektors unterstützen.
In Deutschland stellen kleine Biogasanlagen (BGA) mit einer Kapazität von unter 250 Nm³/h den Großteil der aktuell betriebenen Anlagen dar. Ihr Beitrag zur Biomethanproduktion ist jedoch bisher nur gering. Nach 20 Jahren Betrieb im Rahmen des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) sind viele dieser Anlagen auf der Suche nach neuen Nutzungsperspektiven. Die Aufbereitung von Biogas zu Biomethan gilt dabei als vielversprechende Repowering-Option.
Es wird angenommen, dass kleine BGA ein bislang ungenutztes Potenzial zur Biomethanproduktion aufweisen. Zwei der größten Hindernisse sind jedoch fehlende Skaleneffekte und technologiebedingte Kosten, die kleine Anlagen bislang von der Biomethanerzeugung abhalten. Aus technologischer Sicht besteht daher ein Bedarf an gut skalierbaren Aufbereitungstechnologien mit niedrigen Kosten oder hohen Erlöspotenzialen – etwa durch den THG-Quotenmarkt.
Mit dem Triple-A-Verfahren wurde im vorliegenden Projekt eine aussichtsreiche Technologie für die Gasreinigung bei kleinen Anlagengrößen und unter annähernd ambienten Umweltbedingungen entwickelt und erprobt und auch ökonomisch und systemanalytisch untersucht. Die BGA, die im Rahmen des Triple-A-Netzeinspeisungs¬konzepts eingesetzt werden, können von fünf potenziellen Märkten profitieren. Dabei kann durch das entwickelte Substratmixoptimierungsmodell der Deckungsbeitrag der Gasproduktion unter Einhaltung der regulatorischen Anforderungen der verschiedenen Märkte maximiert werden.
Auf Basis der Experiment-Vorstudie im Labor wurde eine mobile Versuchsanlage in einem Container ausgelegt und aufgebaut. Die Anlage wurde zuerst am Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik (IFK) unter Laborbedingungen mit synthetischem Biogas in Betrieb genommen. Die Ergebnisse zeigen, dass unter den Versuchsbedingungen eine maximale CO₂-Abscheideleistung von 92,6 % erreicht werden konnte.
Um den Prozess praxisnah zu erproben und die Langzeitstabilität des Lösungsmittels zu untersuchen, wurde die aufgebaute Versuchsanlage an die Biogasanlage des Bioenergiehofs Weitenau angeschlossen und mit echtem Rohbiogas getestet.
Die Ergebnisse aus dem Praxisbetrieb haben gezeigt, dass eine zunehmende Temperaturdifferenz zwischen Absorptions- und Desorptionsprozess sowie ein höheres L/G-Verhältnis zu einer Steigerung der erreichbaren Methanqualität führen. Unter den Versuchsbedingungen konnte eine maximale CO2-Abscheideleistung von 92,3 % erreicht werden. Durch den Dauerbetrieb konnte die Stabilität der Anlage sowie der Absorptionslösung untersucht werden. Eine wesentliche Herausforderung stellte die Degradation der Absorptionslösung dar, verursacht durch die Anwesenheit von Luft und Metallionen.
Die Sensitivitätsanalyse für verschiedene Nutzungskonzepte bzw. Märkte zeigt, dass das Triple-A-Netzeinspeisungskonzept in allen BGA-Clustern bis zu einem durchschnittlichen Quotenpreis von 208 €/tCO₂-Äq einen höheren spezifischen Kapitalwert erzielt als das Triple-A-CNG-Konzept.
Der hohe Stromverbrauch des Triple-A-Verfahrens hat grundsätzlich zwei negative Kosteneffekte. Erstens führt er zu höheren THG-Emissionen, wodurch eine BGA weniger Einnahmen aus dem THG-Quotenmarkt erzielen kann. Zweitens erhöht er die Betriebskosten des Aufbereitungs-prozesses und steigert somit die LCOE. Daher sollten neue Prozessoptimierungs¬maßnahmen entwickelt werden, um den Stromverbrauch und die THG-Emissionen zu reduzieren. Zur Senkung des externen Strombedarfs aus dem Netz könnte die Installation von PV-Solaranlagen eine vielversprechende Option sein, deren Integration untersucht werden sollte. Die Integration eines Konzepts für Carbon Capture, Storage und/oder Utilization (CCS & CCU) könnte dazu beitragen, die THG-Emissionen zu senken und die Einnahmen aus dem THG-Quotenmarkt zu steigern, und auch neue Geschäftsmodelle für BGA zu eröffnen. Damit würde der Triple-A-Prozess wirtschaftlich sowie ökologisch wettbewerbsfähiger werden
Schlussbericht
No full textFIEGE Logistik war im Rahmen des RoX Projektes in einem Teilprojekt als Endanwender beteiligt. Im Kern ging es um die Bereitstellung von Logistik-Daten, Know-How und den Zugang zu operativen Logistik Standorten und Flächen mit entsprechenden Anwendungsfällen.
Im Laufe des Projektes hat sich herausgestellt, dass die angestrebten Entwicklungsvorhaben der Partner Unternehmen nicht die erforderliche technologische und wirtschaftliche Nutzbarkeit erreichen wird, die für praktikable Anwendungen in bestehenden Lagern notwendig wäre. Es wurde deshalb im Einvernehmen mit den Projekt Partnern und der Konsortial-Leitung ein Verkürzung des Förderzeitraumes für FIEGE beantragt. Dies hat sichergestellt, dass die involvierten Unternehmen/Partner weiterhin die bereitgestellten Daten und das Know-How von FIEGE nutzen können
Final Report on Heisenberg Grant by German Science Foundation (Deutsche Forschungsgemeinschaft, DFG)
No full textActive matter represents an unconventional form of soft condensed matter, which is driven out of equilibrium by matter and energy fluxes. Active matter fascinates by the spontaneous emergence of spatiotemporal patterns. A prime example are systems of molecular motors interacting with cytoskeletal filaments inside biological cells. These motor-filament systems exhibit collective dynamics and self-organized pattern formation. Their hierarchical organization prompts novel theoretical approaches as well as multi-scale simulation frameworks to ultimately understand physical mechanisms of self-organization in active matter.
An important motor-filament system are myofibrils, the almost crystalline force-generators of striated muscle. During myofibrillogenesis, myosin molecular motors and cytoskeletal filaments self-assemble into highly regular, yet dynamic structures. This self-assembly is now increasingly understood in terms of biomolecular players, but poorly understood in terms of physical mechanisms. A second important motor-filament system are motile cilia: these slender cell appendages contain stereotyped arrangements of dynein molecular motors. Collections of motile cilia can synchronize their bending waves into tissue-scale metachronal waves in cilia carpets on epithelial surfaces. These self-organized waves represent a striking example for the spontaneous emergence of temporal order that depends on broken symmetries. These prominent examples of active matter allow to tackle a general question concerning the physics of life: How do microscopic interactions at small scales give rise to self-organized dynamics and spatio-temporal patterns at large scales?
Here, we propose a general modeling framework (Lagrangian Mechanics of Active Systems) for systems of coupled active and passive matter. Using this framework, we will study specific model systems (1: myofibrillogenesis, 2: cilia synchronization, 3: stochastic dynamics of microswimmers), to understand self-organized dynamics of active matter interacting with elastic substrates, viscous fluids, and chemical fields. We aim to disclose physical mechanisms of self-organized pattern formation in these systems, and investigate the robustness of these mechanisms to non-equilibrium fluctuations and quenched disorder.
Each of the proposed biological model systems was selected to allow for quantitative comparison of theory and experiment. Access to experimental data to test our theoretical predictions is secured already within a trusted network of theory-experiment collaborations.
With our research agenda, we aim to contribute to an ongoing endeavor of extending the boundaries of physics towards the domain of living matter
gemeinsamer Sachbericht
No full textIn den letzten Jahren wurden lokale Maßnahmen wie die Reduktion von Parkraum, Verkehrsberuhigungen oder neue Regelungen für den motorisierten Individualverkehr eingesetzt, um innerstädtische Emissionen zu reduzieren und nachhaltige Mobilität zu fördern. Den Kommunen fehlen bisher die Werkzeuge, um die Wirksamkeit umgesetzter Maßnahmen zeitnah bewerten und damit zukünftige Maßnahmen zielgerichteter und evidenzbasierter ausgestalten zu können. Das Forschungsprojekt DZwEI – Digitaler Zwilling für Echtzeitanalysen von städtischen Infrastrukturmaßnahmen – adressiert diese Herausforderung durch die Entwicklung eines datengetriebenen digitalen Zwillings. Für das Modell werden Daten aus Floating Car Data, elektronischen Einparkhilfen, Verkehrskameras, Induktionsschleifen, OpenStreetMap-Daten sowie aufgezeichneten Ein- und Ausparkvorgängen mithilfe von Machine-Learning-Methoden analysiert.
Neben dem zentralen Prototyp wurden mehrere Zwischenprodukte entwickelt, die der Datenerhebung und -verarbeitung dienen. Dazu zählen eine Smartphone-App für manuelle Verkehrszählungen, eine Map-Matching-App zur präzisen Zuordnung von GPS-Daten zu Straßensegmenten sowie ein OpenStreetMap-basiertes Parkraumregister, das die digitale Abbildung der Parkinfrastruktur ermöglicht.
Die Ergebnisse werden in komplementären Dashboards veranschaulicht. Das Dashboard zur Visualisierung von Verkehrsflussdaten kombiniert Floating Car Data mit Induktionsschleifen, um Verkehrsvolumen, Geschwindigkeiten und Parkplatzsuche von KFZ darzustellen. Das Dashboard für Parkraum-Analysen ermöglicht die räumlich und zeitlich differenzierte Untersuchung von Parkplatzbelegung und Parkdauer.
Am Beispiel des Untersuchungsgebietes in der Stadt Frankfurt am Main zeigt das Projekt, wie ein digitaler Zwilling zur evidenzbasierten Verkehrsplanung beitragen kann, indem Zusammenhänge zwischen Infrastrukturmaßnahmen, Verkehrsverhalten und Emissionen transparent und datenbasiert analysiert werden
Abschlussbericht zur DFG-Sachbeihilfe (öffentlicher Teil)
No full textZiel dieses Vorhabens war die Untersuchung neuer physikalischer und technologischer Ansätze zur starken Miniaturisierung von Gasmessgeräten. Konventionelle Gassensoren sind in ihrer Selektivität begrenzt, während optische Spektrometer zwar sehr breitbandig, jedoch für mobile Anwendungen zu groß sind. Daher wurde untersucht, ob sich Gase auf Chip-Ebene mittels Mikroplasma zur Lichtemission anregen lassen und ob dieses Licht mit integrierter Optik basierend auf einem mikroelektromechanischen System (MEMS) spektral analysiert werden kann.
Das Projekt umfasste drei Kernkomponenten: eine Mikropumpe für den Gastransport, eine Mikroplasma-Lichtquelle sowie einen abstimmbaren optischen Filter, die langfristig zu einem kompakten Gasanalysegerät kombiniert werden sollen.
Die entwickelte siliziumbasierte Mikropumpe lieferte wesentliche Erkenntnisse zur Leistungsfähigkeit miniaturisierter Fördersysteme. Durch ein optimiertes Design konnte die Resonanzfrequenz des MEMS-Piston-Modes von 500 Hz auf 9760 Hz gesteigert werden. Dadurch wurden bei Atmosphärendruck Volumenströme von etwa 5 mm3/s erreicht und die ursprünglich an- gestrebten Förderleistungen deutlich übertroffen. Hochauflösend stereolithographisch gefertigte Strukturen fungieren dabei als Ventile ohne bewegliche Teile und versprechen einen robusten, langlebigen Betrieb.
Die Mikroplasmaquelle basierte auf Split-Ring-Resonatoren (SRR) mit Durchmessern unter 10 mm, die bei etwa 2,5 GHz eine starke elektrische Feldüberhöhung im Spalt erzeugen. Mit in Reinraumtechnik hergestellten Silizium-SRR konnten Plasmen mit weniger als 2,5 W gezündet und bei etwa 1 W betrieben werden. Das Plasmavolumen war jedoch größer als erwartet, trat überwiegend oberhalb des Spalts auf und ließ sich nur bei reduziertem Druck (≈ 500 Pa) 1 stabil betreiben. Thermische Effekte führten zu Resonanzverschiebungen und Instabilitäten, die in einem Folgeprojekt weiter untersucht werden sollen.
Für die spektrale Analyse wurde ein extrem kompakter In-Plane-Fabry-Pérot-Filter auf MEMS- Basis untersucht. Dabei zeigte sich eine grundlegende physikalische Grenze dieses Ansatzes im sichtbaren Spektralbereich: Die laterale Lichtführung über bewegliche optische Elemente mit sehr kleinen Abmessungen unterhalb von 2 µm führt zu hohen Verlusten und stark nichtlinearem Übertragungsverhalten. Beugung und Streuung dominieren, sodass der in-plane Ansatz gegenüber etablierten out-of-plane Konzepten nicht zielführend ist.
Insgesamt zeigt das Projekt, dass eine starke Miniaturisierung spektral arbeitender Gassensoren prinzipiell möglich ist, jedoch bei Plasmaerzeugung und Lichtfilterung an fundamentale physikalische Grenzen stößt. Die Ergebnisse liefern wichtige Leitlinien für zukünftige Entwicklungen tragbarer emissionsbasierter Gasspektrometer und für die weitere Forschung zur stabilen Regelung von Mikroplasmen.The aim of this project was to investigate new physical and technological approaches for strong miniaturization of gas measuring devices. Conventional gas sensors are limited in their selectivity, while optical spectrometers have a higher bandwidth but are too large for mobile applications. The project therefore examined whether gases can be excited to emit light at chip level using microplasma, and whether this light can be spectrally analyzed with integrated optics based on a microelectromechanical system (MEMS).
The project comprised three core components: a micropump for gas transport, a microplasma light source, and a tunable optical filter, which are ultimately to be combined into a compact gas analysis device.
The silicon-based micropump that was developed provided key insights into the performance of miniaturized delivery systems. Through an optimized design, the resonance frequency of the MEMS piston mode was increased from 500 Hz to 9,760 Hz. As a result, volumetric flow rates of about 5 mm³/s were achieved at atmospheric pressure, clearly surpassing the originally targeted delivery performance. High-resolution structures produced by stereolithography act as valves without moving parts and promise robust, long-lasting operation.
The microplasma source was based on split-ring resonators (SRR) with diameters below 10 mm, which generate a strong electric field enhancement in the gap at around 2.5 GHz. Using silicon SRRs fabricated in cleanroom technology, plasmas could be ignited with less than 2.5 W and operated at about 1 W. However, the plasma volume was larger than expected, occurred predominantly above the gap, and could only be operated stably at reduced pressure (≈ 500 Pa). Thermal effects led to resonance shifts and instabilities that are to be investigated further in a follow-up project.
For spectral analysis, an extremely compact in-plane Fabry–Pérot filter based on MEMS technology was investigated. A fundamental physical limitation of this approach in the visible spectral range became apparent: lateral light guiding via movable optical elements with very small dimensions below 2 µm leads to high losses and a strongly nonlinear transmission behavior. Diffraction and scattering dominate, meaning that the in-plane approach is not promising compared to established out-of-plane concepts