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Regelbasierte Energiekostenoptimierung industrieller Kälteversorgungssysteme durch Reaktion auf volatile Strompreise am Beispiel des Brauprozesses
No full textDer steigende Anteil erneuerbarer Energien in der deutschen Stromproduktion führt zu zunehmenden Schwankungen in der Stromerzeugung und -preisbildung. Diese Entwicklung bietet Potenzial zur Energiekostenoptimierung durch Flexibilisierung der Energienachfrage. Insbesondere industrielle Kälteversorgungssysteme bieten hohe Potenziale, da sie nicht nur einen hohen Strombedarf aufweisen, sondern häufig auch über thermische Energiespeicher verfügen, die zur Lastverschiebung genutzt werden können. Dennoch erschweren die hohe Komplexität sowie der Mangel an fachlicher Expertise in den Unternehmen die Umsetzung von Energieflexibilität und den Einsatz fortgeschrittener Optimierungsansätze. Regelbasierte Ansätze bieten hier eine nachvollziehbare und praxistaugliche Alternative. Allerdings beschränken sich bisherige regelbasierte Ansätze häufig auf einfache Schwellenwerte oder zeitbasierte Tarifmodelle, die keine Energiebedarfsprognose bieten und somit keine bedarfsgerechte Optimierung industrieller Kälteversorgungssysteme ermöglichen.
Vor diesem Hintergrund wird in dieser Arbeit eine Methodik zur regelbasierten modellprädiktiven Energiekostenoptimierung industrieller Kälteversorgungssysteme (RBMPC-Methodik) entwickelt, die durch energieflexible Betriebsstrategien den Energiebedarf an volatile Strompreise anpasst. Die Methodik kombiniert einfache physikalische Modelle zur Prognose zukünftiger Systemzustände und Energiebedarfe mit einer regelbasierten Optimierungsmethode (RB) und einer rollierenden modellprädiktiven Regelung (MPC). Dabei werden täglich aktuelle Strompreise des Day-Ahead-Markts sowie anfallende Umlagen, Abgaben und Steuern einbezogen, um Verlaufsprognosen elektrischer Energiekosten zu erstellen. Diese bilden die Grundlage für die Entwicklung energieflexibler Betriebsstrategien, die neben volatilen Strompreisen auch äußere Einflüsse wie Umgebungstemperaturen und die Energieeffizienz des berücksichtigen. Die Entwicklung dieser Strategien umfasst die Identifikation kostengünstiger Zeitfenster, die Planung von Lade- und Entladevorgängen sowie die Berücksichtigung anwendungsspezifischer Anforderungen, wie Zieltemperaturen, Fristen oder Temperaturbänder.
Die Methodik wurde in einem Python-basierten Optimierungs-Framework implementiert, das eine Echtzeitoptimierung sowohl von Simulationsmodellen als auch von realen Anlagen ermöglicht. Zur Validierung werden zwei Anwendungsfälle untersucht: die Bierkühlung im Brauprozess der Brauerei Veltins und ein Demonstrator an der Technischen Universität Darmstadt. Der Brauprozess steht aufgrund der Anwendungsnähe im Fokus dieser Arbeit und wird detailliert analysiert. Simulative Analysen zeigen für die Gärtankkühlung eine Energiekosteneinsparung von 14,5 % und für die Lagertankkühlung bis zu 35,5 %. In realen Versuchen mit dem Demonstrator wurden Einsparungen von bis zu 20,7 % erzielt.
Die Ergebnisse belegen die Praxistauglichkeit und Effektivität der entwickelten RBMPC-Methodik. Damit leistet die Arbeit einen wichtigen Beitrag zur Reduzierung von Umset-zungshemmnissen und zur Steigerung der Energieflexibilität in der Produktion
Die Saanehochwasser von Freiburg i. Ü. 1387-1570. Kommunale Schadensabwehr, Wasserbau und Wasserstände anhand der Chroniken und Stadtrechnungen
No full textDie Hochwasser von 1977, 1978, 1999, 2005 und 2007 betrafen weite Teile der Schweiz sowie Mitteleuropas und schienen im Vergleich mit den vergangenen Jahrzehnten plötzlich in kürzeren Abständen und in grösserem Ausmass aufzutreten.¹ Die Ereignisse der 1990er- und 2000er-Jahre forderten insgesamt 155 Menschenleben und verursachten einen Sachschaden von 35 Mio. EUR.² Insbesondere AnrainerInnen, WasserbauingenieurInnen, Raumplanung, Versicherungswesen und Regierungen haben ein konkretes Interesse, solche Risiken besser kennenzulernen. So veranlassten die Überschwemmungen der Saane 1999, 2005 und 2007 das Tiefbauamt des Kantons Freiburg dazu, eine effizientere Hochwasserregulierung über die Stauseen durch das Labor für Wasserbau der ETH Lausanne prüfen zu lassen und in Zusammenarbeit mit Gemeinden und Ingenieurbüros Gefahrenkarten für den Hochwasserschutz anzufertigen, welche bei der Bauplanung und der Bodennutzung zu berücksichtigen sind.³ Im Rahmen der Klimaforschung, welche sich in jenen Jahren mit der Anerkennung des Klimawandels als ökopolitisches Problem zunehmend etablierte, begannen auch internationale Projekte, interdisziplinär Hochwasser von Flüssen genauer zu untersuchen.⁴ Im Fokus stehen bis heute ihr räumlich-zeitliches Auftreten, Saisonalität und Ablauf im Zusammenhang mit Gerinneund Landnutzungsveränderungen im Einzugsgebiet, mit atmosphärischer Zirkulation, Druckfeldern und Sonnenaktivität sowie Interaktionen dazwischen.⁵ Das Hauptproblem dabei ist, dass die statistischen Grundlagen, d. h. die instrumentellen Messreihen von Luftdruck, Temperatur, Niederschlag und Abfluss von Flüssen, in der Regel höchstens 100 bis 150 Jahre zurückreichen.⁶ In Freiburg i. Ü. wurden Hochwassermarken erst 1852 bis 1910 an der St. Johannbrücke angebracht und 1911 von hydrologischen Abflussmessungen bei der Bernbrücke abgelöst.⁷ Einerseits lässt sich das Ausmass von Hochwasserereignissen mit einer statistischen Wiederkehrperiode von mehr als 200 Jahren bei einer solchen Datengrundlage nicht zuverlässig bestimmen,⁸ andererseits beinhaltet diese nicht die längerfristige, v. a. klimatisch bedingte Variabilität von Abflussregimes. Extremereignisse mit einer Auftretenswahrscheinlichkeit von Hunderten bis Tausenden von Jahren könnten auch heute noch bedeutende Auswirkungen haben.
Decision-based Data Distribution (D³): Enabling Users to Minimize Data Propagation in Privacy-sensitive Scenarios
No full textIn many scenarios, users have to communicate sensitive data with third parties such as doctors, lawyers, insurance companies, social workers, or online shops. Handing over personal data is necessary to use those services, but delegating tasks to increase efficiency still poses the risk that personal data might be leaked. To minimize this risk and further enhance the privacy of users, we propose an interaction concept that uses layered encryption of messages to provide a trade-off between privacy and usability. Users can choose which data is additionally encrypted in an inner layer, e.g. only for the eyes of their doctor, and which data is available in an outer (encrypted or unencrypted) layer for all staff members. Another benefit is the hiding of sensitive data from package inspection or crawling algorithms via emails, while less critical parts can still be processed by these systems via the partial access. To investigate this concept, we derive relevant use cases for form-based communication via email from a quantitative pre-study with 1011 participants, showing that general practitioners are the most suitable use case. We developed demonstrators for this use case and evaluated them in a qualitative study with 42 participants. Our results show that the possibility of minimizing the propagation of sensitive data through additional encryption is highly appreciated and the usage of form-based communication is a promising approach for digital transformation
Numerische Untersuchungen zur akustischen Wirkung diskreter Strukturänderungen mittels der Strukturintensität
No full textDie numerische Berechnung der Strukturintensität (STI) liefert den Energiefluss des Körperschalls in festen Strukturen [1]. Ihre Analyse ermöglicht beispielsweise die Identifizierung von Orten auf einer Struktur, an denen sich für das Strukturverhalten maßgebliche Energiepfade befinden. Die Energieflussanalyse zeigt somit, auf welchem Weg Körperschall in stark schwingende Bereiche gelangt. Dieses Wissen erweitert das Verständnis über das Strukturverhalten. Darauf basierend wird am Fachgebiet SzM untersucht, wie die STI als eine Methode für ”design to acoustics“ verwendet werden kann. ”Design to acoustics“ bezeichnet Methoden zur systematischen Auslegung mechanischer oder mechatronischer Systeme auf eine akustische Zielgröße.
Impedanzsprünge, umgesetzt durch Strukturmodifikationen, führen zu einer Änderung des Strukturverhaltens und können damit in einer globalen Schwingungsminderung sowie in einer verringerten Schallabstrahlung resultieren. Erste Untersuchungen [2] haben gezeigt, dass lokale Impedanzerhöhungen durch Federn und Punktmassen auf einer gelenkig gelagerten Rechteckplatte an Orten maximaler Flussdichte (Betrag der STI) die äquivalente abgestrahlte Schallleistung (ERP) in den meisten Frequenzen, für die die Impedanzerhöhung ausgelegt wurde, senkt. Die ERP ist eine Vereinfachung der Schallleistung, da sie den Abstrahlgrad auf Eins setzt [3]. Damit ist sie eine strukturbasierte, akustische Größe. Die Strukturmodifikationen in [2] werden auf einer Fläche von 300 FE-Elementen durchgeführt, was 5,6 % der Gesamtplattenfläche entspricht. Da die ERP nicht in allen Frequenzen gesenkt wird, wird in diesem Beitrag der Frage nachgegangen, wie sich die flächenmäßige Ausdehnung der Strukturmodifi kationen auf die ERP auswirkt. Es wird untersucht, welche flächenmäßige Ausdehnung der Strukturmodifikationen die ERP global, das heißt in allen Frequenzen, maximal senkt
Efficient accumulation of new irregular monoterpene malonyl glucosides in Nicotiana benthamiana achieved by co-expression of isoprenyl diphosphate synthases and substrate-producing enzymes
No full textIrregular monoterpenes have limited natural sources but possess unique activities applicable in medicine and agriculture. To enable sustainable plant-based production of these compounds, we established a transient expression procedure to enhance the biosynthetic flux in Nicotiana benthamiana toward dimethylallyl diphosphate (DMAPP), a substrate for isopentenyl diphosphate synthases (IDSs) that generate irregular monoterpene skeletons. Considering the benefits of glycosylation for accumulating and storing monoterpenes in extractable form, we focused on developing a platform for the production of non-volatile glycosylated irregular monoterpenes using three IDS that form branched and cyclic structures. The analysis of methanolic leaf extracts from transiently transformed N. benthamiana plants revealed six major new components, 6 -O- malonyl -β- D-glucopyranoside and 6 -O- malonyl -β- D-glucopyranosyl-(1→2)- β -D-glucopyranoside derivatives of chrysanthemol, lavandulol and cyclolavandulol, five of which are novel compounds. Alleviating two bottlenecks in the DMAPP formation in plastids by co-expressing 1-deoxyxylulose 5-phosphate synthase and isopentenyl diphosphate isomerases increased the yield of chrysantemyl and lavandulyl glucosides produced by plant-derived IDS to 1.7 ± 0.4 μmol g -1 FW and 1.4 ± 0.3 μmol g -1 FW, respectively. A bacterial cyclolavandulyl diphosphate synthase operated efficiently in chloroplasts and cytoplasm. The highest irregular monoterpene concentrations were achieved in cytoplasm by co-expression of hydroxymethylglutaryl-CoA reductase, the bottleneck enzyme of the mevalonate pathway for DMAPP biosynthesis. The mean level of cyclolavandulyl glucosides reached 3.9 ± 1.5 μmol g -1 FW; the top-performing plants contained 6.6 μmol g -1 FW. This yield represents the highest amount of irregular monoterpenes produced in plant systems
Life cycle assessment of motor spindles in machine tools - comparison of SynRM and PMSM spindles and structural lightweight construction measures
No full textMotor spindles are a central component in machine tools, significantly influencing their performance. Even though performance and acquisition costs are currently the primary selection criteria for motor spindles, rising energy prices, CO2 emission costs, and challenges related to raw ma-terial extraction and availability are shifting the focus toward the environmental impact over the entire life cycle. In this study, four concepts are compared regarding their environmental impact: a conventional steel spindle with a permanent magnet synchronous motor (PMSM), replac-ing the PMSM with a synchronous reluctance motor (SynRM), a lightweight spindle made of carbon fiber reinforced polymer (CFRP), and the combination of a SynRM with lightweight construction measures. The life cycle assessment and comparison are conducted in accordance with ISO 14040/14044 including materials, manufacturing processes, usage phase, and end-of-life phase. As energy consumption during the usage phase varies with operational conditions, different usage scenarios were analyzed. The results show that the usage phase has the greatest envi-ronmental impact in the scenarios considered. While a SynRM has a lower manufacturing impact compared to a PMSM due to the absence of rare earth magnets, the slightly higher efficiency of the PMSM can offset this advantage in the usage phase. Using CFRP doubles the carbon emissions during manufacturing, also strongly depending on the impact of the electricity. During the usage phase, the lightweight measures allow for break-even with a steel motor spindle in dynamic applications
Environmental sustainability requirement specification levels for comprehensive requirements engineering
No full textThe consideration of sustainability early in product development presents significant challenges for the field of mechanical engineering. Linking broad corporate strategies to specific product attributes such as dimensions and functions requires repeated, case-by-case evaluations. This article introduces a novel approach for systematically integrating sustainability into requirements engineering by establishing specification levels for environmental sustainability requirements. These levels offer a structured method to address sustainability at different stages of product design and development, regardless of data availability. By defining aspects such as sustainability assessment methods, data quality, reference products, and verification processes, these levels extend traditional requirements engineering practices to tackle the unique challenges of sustainable design. The scientific novelty of this paper lies in its structured approach to formulating sustainability requirements. It presents a framework for classifying sustainability requirements with varying levels of data quality while simultaneously identifying potential areas for improvement. These include enhancing data quality and establishing evaluation and validation processes for sustainability metrics. By providing a systematic method for defining and refining sustainability requirements, the paper supports more precise and actionable sustainability assessments, ultimately facilitating more robust decision-making in sustainable product development and manufacturing. The specification levels enable the verification and traceability of sustainable development. The effectiveness of the specification levels is illustrated in this article by performing the requirements development in a case study, developing an iteration of a mechanical engineering product with a focus on sustainability
Thermal runaway in lithium-ion batteries: experimental insights from mechanical, thermal, and electrical stress tests
No full textLeaky Thoughts: Large Reasoning Models Are Not Private Thinkers
No full textWe study privacy leakage in the reasoning traces of large reasoning models used as personal agents. Unlike final outputs, reasoning traces are often assumed to be internal and safe. We challenge this assumption by showing that reasoning traces frequently contain sensitive user data, which can be extracted via prompt injections or accidentally leak into outputs. Through probing and agentic evaluations, we demonstrate that test-time compute approaches, particularly increased reasoning steps, amplify such leakage. While increasing the budget of those test-time compute approaches makes models more cautious in their final answers, it also leads them to reason more verbosely and leak more in their own thinking. This reveals a core tension: reasoning improves utility but enlarges the privacy attack surface. We argue that safety efforts must extend to the model's internal thinking, not just its outputs