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High Performance and Privacy for Distributed Energy Management: Introducing PrivADE+ and PPPM
(2018)
Distributed Energy Management (DEM) will play a vital role in future smart grids. An important and often
overlooked factor in this concept is privacy. This paper presents two privacy-preserving DEM algorithms
called PrivADE+ and PPPM. PrivADE+ uses a round-based energy management procedure for switchable and
dynamically adaptable loads. PPPM utilises on the market-based PowerMatcher approach. Both algorithms
apply homomorphic encryption to privately gather aggregated data and exchange commands. Simulations
show that PrivADE+ and PPPM achieve good energy management quality with low communication requirements
and without negative influences on robustness.
Der Einsatz des ISOBUS zeigt, dass Bedarf an Datenkommunikation auch auf landtechnischen Gespannen besteht. Jedoch wird auch deutlich, dass der ISOBUS mit seiner relativ geringen Datenrate keine Ressourcenreserven für neue Anwendungen aufweist. Aus diesem Grund ist der Wechsel der Übertragungstechnologie für die Weiterentwicklung des ISOBUS zu einem High-Speed ISOBUS notwendig. Eine geeignete und im weiteren Verlauf näher betrachtete Technologie für den Wechsel ist Ethernet. Es wird gezeigt welche Potenziale für den ISOBUS durch Ethernet entstehen und welche Herausforderungen dabei bewältigt werden müssen.
The expiry of national subsidies for biogas in Germany means that new business models are needed. Furthermore, hydrogen is expected to make a significant contribution to the energy transition in the future. Therefore, potentials for the production of hydrogen from biogas are identified in this study. A joint upgrading infrastructure is developed that models the collaborative upgrading of biogas to hydrogen for existing biogas plants with subsequent gas grid injection. Furthermore, regions are identified that are particularly suitable as pioneer regions in Germany due to a high potential for green hydrogen production and comparatively low costs for hydrogen production. The modeling shows that collaborative upgrading achieves significant cost savings compared to single-farm upgrading. Furthermore, the potential for hydrogen production from biogas and the costs of upgrading differ significantly within the administrative districts in Germany.
While developing traffic-based cognitive enhancement technology (CET), such as bike accident prevention systems, it can be challenging to test and evaluate them properly. After all, the real-world scenario could endanger the subjects’ health and safety. Therefore, a simulator is needed, preferably one that is realistic yet low cost. This paper introduces a way to use the video game Grand Theft Auto V (GTA V) and its sophisticated traffic system as a base to create such a simulator, allowing for the safe and realistic testing of dangerous traffic situations involving cyclists, cars, and trucks. The open world of GTA V, which can be explored on foot and via various vehicles, serves as an immersive stand-in for the real world. Custom modification scripts of the game give the researchers control over the experiment scenario and the output data to be evaluated. An off-the-shelf bicycle equipped with three sensors serves as a realistic input device for the subject’s movement direction and speed. The simulator was used to test two early-stage CET concepts enabling cyclists to sense dangerous traffic situations, such as trucks approaching from behind the cyclist. Thus, this paper also presents the user evaluation of the cycling simulator and the CET used by the subjects to sense dangerous traffic situations. With the knowledge of the first iteration of the user-centered design (UCD) process, this paper concludes by naming improvements for the cycling simulator and discussing further research directions for CET that enable users to sense dangerous situations better.
With the increasing size and complexity of embedded systems, the impact of software on energy consumption is becoming more important. Previous research focused mainly on energy optimization at the hardware level. However, little research has been carried out regarding energy optimization at the software design level. This paper focuses on the software design level and addresses the gap between software and hardware design for embedded systems. This is achieved by proposing a framework for software design patterns, which takes aspects of power consumption and time behavior of the hardware level into account. We evaluate the expressiveness of the framework by applying it to well-known and novel design patterns. Furthermore, we introduce a dimensionless numerical efficiency factor to make possible energy savings quantifiable.
The simulation of the residual stress field achieved by shot peening cannot be carried out on component-large models. Hence, an efficient unit cell model for the simulation of the shot peening process is developed. The model allows both, the simple inclusion of a pre-stress and the evaluation of the up-arching of the Almen strip. For this purpose, generalized coupling constraints for the periodic boundaries of the unit cell are developed. These allow for displacement and rotation of the coupled boundaries relative to each other. In the coupling constraints, this is accomplished by respective variables, which can either be prescribed to the analysis or read out as a result from the analysis. Hence, the unit cell can expand, shear, bend and twist under driving forces like, e. g., residual stresses or thermal effects. At the same time, deformations of the cell’s periodic boundary pairs are kept congruent by the generalized coupling. The ability to cover expansion is novel regarding known periodic boundary conditions. Also, the application of a generalized unit cell to shot peening is new.
Results obtained with the generalized unit cell are displayed, demonstrating its capabilities: A fundamental analysis of the residual stress field from shot peening shows inhomogeneities at a fatigue relevant level to be inevitable. A validation of the model was done by comparison with experimental Almen strip shot peening tests reported in literature. Shot peening under pre-stress is demonstrated and its results in terms of residual stress are evaluated. The application of the generalized unit cell is not limited to shot peening.
A recently published study of high temperature nitridation of iron chromium aluminum alloys (FeCrAl) at 900°C in N2–H2 has redundantly shown the formation of locally confined corrosion pockets reaching several microns into the alloy. These nitrided pockets form underneath chromia islands laterally surrounded by the otherwise protective alumina scale. Chromia renders a nitrogen‐permeable defect under the given conditions and the presence of aluminum in the alloy. In light of these findings on FeCrAl, a focused ion beam–scanning electron microscope tomography study has been undertaken on an equally nitrided FeNiCrAl sample to characterize its nitridation corrosion features chemically and morphologically. The alloy is strengthened by a high number of chromium carbide precipitates, which are also preferential chromia formation sites. Besides the confirmation of the complete encapsulation of the corrosion pocket from the alloy by a closed and dense aluminum nitride rim, very large voids have been found in the said pockets. Furthermore, metallic particles comprising nickel and iron are deposited on top of the outer oxide scale above such void regions.
Reibermüdung ist ein Phänomen, welches an den Kontakträndern von in Berührung ste-henden, kraftübertragenden Bauteilen beobachtet werden kann. Typische Maschinenele-mente, die in diesem Mode versagen können, sind z. B. die Schwalbenschwanzverbindung sowie ihre Ableger, die mehrzahnigen Tannenbaumfixierungen. In der Literatur beschrie-bene Untersuchungen weisen für Flachproben mit Reibbrücken ein Lebensdauerverhalten mit einem lokalen Minimum über der Anpresskraft der Reibbrücken aus. Die vorliegende Arbeit untersucht mithilfe des Sines-Ermüdungskriteriums, kombiniert mit Grenzwerten gemäß FKM-Richtlinie, ob ein solches Verhalten auch für die Schwalbenschwanzverbin-dung zutrifft. Im Gegensatz zur Reibbrückenanordnung mit separater Einleitung von kon-stanter Pressung und Längslastamplitude fluktuieren bei der Schwalbenschwanzverbin-dung die Anpresskraft und Zugkraft mit der einzigen am Hals eingeleiteten Last.
Die Maschine ist in der Lage faserverstärkte thermoplastische Kunststoffrohre herzustellen. Entwickelt und konstruiert wurde die Maschine als Open Source Hardware Projekt. Das bedeutet die Baupläne und Zeichnungen werden frei zur Verfügung gestellt. Heimwerker und andere Interessierte sollen dadurch die Möglichkeit bekommen faserverstärkte Rohre eigenständig und günstig herzustellen. Die Entwicklung und Konstruktion der Wickelmaschine ist das Ergebnis einer Masterarbeit an der Hochschule Osnabrück.
Today's development of client-side web applications is based on one of the JavaScript-frameworks, such as Angular or React. The excessive dependencies that arise in the ecosystem from the Node-Package-Manager increase the security risk and the dependency of your own web application on third-party packages. Moreover, the frameworkless approach proposes a renaissance of classic web development, because it strives to avoid external dependencies as far as possible and to fall back on the standards. Whether the implementation achieves maintainability and security of frameworks is questionable. Therefore, it makes sense to research which core concepts of the frameworks meet the requirements for maintainability and security and how these are implemented. The novelty is that the concepts to be explored are moved to a standard in order to ensure the developer efficiency, security, performance and maintainability in the long term. This allows existing approaches to focus on other essential features.
Aufgrund der zunehmenden Überdüngung landwirtschaftlicher Flächen durch Wirtschaftsdünger und Gärreste aus Biogasanlagen wird eine ökonomische und ökologische Vollaufbereitungstechnik zur Separation der Nährstoffe und zur Gewinnung von Prozesswasser aus Gärresten und Güllen benötigt. Das Vollaufbereitungsverfahren zur Düngemittelrückgewinnung durch mehrstufige Fest-/ Flüssigtrennung und Membrantechnik könnte diese Anforderungen durch eine intensive Optimierung der Ultrafiltrationsstufe erfüllen. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Reduktion des Energiebedarfes der Ultrafiltrationsstufe um 50 %, da diese Prozessstufe ca. 50 – 70 % des Gesamtenergiebedarfes ausmacht. Damit wäre ein wirtschaftliches Vollaufbereitungsverfahren flächendeckend einsetzbar.
Für die Optimierung der Ultrafiltrationsstufe wurden Gärreste aus 19 Biogasanlagen in einem Stichprobenumfang von 42 Proben auf ihre physikalisch/chemischen Parameter und insbesondere das separierte Zentrat auf dessen Filtrierbarkeit in einer UF-Rührzelle untersucht. Im Allgemeinen zeigte sich eine hohe Schwankungsbreite der erzielbaren Permeatflüsse. Funktionelle Zusammenhänge wurden zwischen den organischen Inhaltsstoffen, der scheinbaren Viskosität der Zentrate und dem Ultrafiltrationsfluss gefunden. Gärrestzentrate weisen ein Nicht-Newtonsches rheologisches Fließverhalten auf. Hauptsächlich Biopolymere, darunter Polysaccharide und Proteine, sind sowohl für die erzielbare Flussleistung, als auch für das rheologische Verhalten relevant. Modifikation und Verringerung dieser kritischen Biopolymerfraktion bieten damit einen möglichen Optimierungsansatz, der in der Arbeit durch Ozonierung und Komplexbildung durch pH-Wert-Verschiebung realisiert wurde. Die Optimierung der Ultrafiltration wurde in drei verschiedenen Maßstäben untersucht: Labor-, Technikums- und Pilotmaßstab. Die Ozonierung zeigte dabei positive Eigenschaften in Bezug auf Flussverbesserungen und Abbau der Strukturviskosität. Durch die Modifikation und Verkleinerung der Biopolymere wurde in allen drei Maßstäben eine Flussverbesserung um den Faktor 1,4 – 2,3 erzielt.
Durch die Ansäuerung der Zentrate zu pH-Werten unterhalb der isoelektrischen Punkte der Proteine wurde eine Komplexbildung der Biopolymere erreicht, die bisher nur für Modellsysteme in der Literatur dargestellt wurde. Durch die Vergrößerung der Partikel um den Faktor 7 – 17 bei der Komplexierung wurde in allen drei Versuchsmaßstäben eine Verbesserung der Flussleistung um ca. Faktor 2 erzielt.
Die Temperaturerhöhung wurde in Rohrmodulen im Technikums- und Pilotmaßstab untersucht. Dabei zeigte sich bei einer Temperaturerhöhung von 40 – 45 °C auf 60 – 75 °C eine Verbesserung der Flussleistung um den Faktor 1,4, die auf die sinkende Permeatviskosität und eine verbesserte Deckschichtkontrolle zurückgeführt wurde. Die Kombination aus Ozonierung und hoher Prozesstemperatur zeigte synergetische Ergebnisse, da sowohl durch die hohe Prozesstemperatur, als auch durch die Ozonierung die Zentratviskosität herabgesetzt wurde. Dadurch wurde die Reynoldszahl im Rohrmodul erhöht, was einen positiven Einfluss auf die Filtrierbarkeit zeigte. Durch die erhöhte Reynoldszahl bestand die Möglichkeit, die Strömungsgeschwindigkeit im Ultrafiltrationsloop zu verringern, was einen wesentlichen Einfluss auf den Energiebedarf der Ultrafiltrationsstufe hat. Im Rahmen der Untersuchungen wurde eine sehr gute Übertragbarkeit zwischen den Ergebnissen der verschiedenen Maßstäbe festgestellt. Die Ergebnisse des Labormaßstabes erlauben eine Vorhersage der Membranflüsse auf großtechnische Ultrafiltrationsanlagen. Trotz der hohen Diversität der beprobten Anlagen ermöglichten die Ergebnisse aufgrund des hohen Stichprobenumfanges mathematische Zusammenhänge zwischen den Biopolymeren und der temperaturabhängigen scheinbaren und temperaturabhängigen Viskosität von Gärrestzentraten.
Bei der energetischen Bilanzierung der Ultrafiltrationsanlage wurden an beiden Standorten in Summe sechs Verfahrensmodifikationen gefunden, die eine Reduktion des Energiebedarfes um ≥ 50 % ermöglichen. Diese Projektzielstellung wurde durch eine hohe Prozesstemperatur bei gleichzeitig reduzierter Überströmungsgeschwindigkeit, Ozonierung bei gleichzeitig hoher Prozesstemperatur und durch die Ansäuerung erreicht. Der niedrigste Energiebedarf wurde durch die Ozonierung bei gleichzeitig hoher Prozesstemperatur und reduzierter Überströmungsgeschwindigkeit erreicht. Der Energiebedarf wurde bei dieser Verfahrensmodifikation um 54 – 59 % reduziert.
In einer abschließenden Wirtschaftlichkeitsbetrachtung einer 50000 t∙a-1 Anlage an einem deutschen Standort wurde durch die KWK geförderte Wärmenutzung der wirtschaftlichste Fall für eine hohe Prozesstemperatur bei gleichzeitig reduzierter Überströmungsgeschwindigkeit festgestellt. Die spezifischen Gesamtkosten des volltechnischen Verfahrens wurden von 8 – 8,50 € pro Kubikmeter aufbereitetem Gärrest auf 5 – 5,50 € um 33,5 – 37,8 % reduziert. Nach Angaben der kooperierenden Firma ist damit ein wirtschaftlicher Anlagenbetrieb möglich.
Ein modulares Framework zur Modellierung, Konfiguration und Regelung von kooperativen Agrarprozessen
(2016)
Die Komplexität vieler Agrarprozesse nimmt aufgrund von technischem Fortschritt, steigenden rechtlichen Anforderungen und Nachweispflichten beständig zu. Prozessketten werden in Kooperation verschiedener Akteure (Landwirt, Lohnunternehmer, Dienstleister, digitaler Vermittler, Behörde) gemeinsam bearbeitet, dokumentiert und geprüft. Ein ökonomisch und ökologisch ressourceneffizientes Management der Prozessausführung stellt eine Herausforderung für alle Akteure dar. Dynamische Prozessveränderungen führen vielfach zu manuellen Eingriffen in die Prozessregelung, die kostenintensive Verzögerungen verursachen. Das Forschungsvorhaben OPeRAte entwirft und evaluiert neu gestaltete Konzepte und Mechanismen zur durchgehenden Organisation und Regelung kooperativer Agrarprozesse. Es werden konfigurierbare und wiederverwendbare Module identifiziert, die sich an Prozessparameter anpassen und in artverwandten Prozessen erneut verwenden lassen. Das OPeRAte-Framework ermöglicht die Zusammenführung aller beteiligten Akteure und Ressourcen (Maschinen, Sensoren, Aktoren, Endgeräte, Server, Daten, etc.) über offene Schnittstellen. Prozessinhaber sollen durch autonome Prozesskonfigurationen und -adaptionen entlastet und durch Visualisierungen zu effizienten Entscheidungen befähigt werden. Die Konzepte dieses Beitrags dienen als Diskussionsgrundlage zur Formulierung von flexiblen und erweiterbaren Lösungsstrategien für die Landtechnik.
The energy transition involves various challenges. One key aspect is the decentralization of power generation, which requires new actors. In order to integrate these into the system in the best possible way, there are various approaches e.g. in cooperation in citizens' initiatives or cooperatives (Dorniok, 2016).
Cooperation in general can enable the implementation of certain business models or can increase profitability by the exploitation of economies of scale (Skovsgaard & Jacobsen, 2017; Theurl, 2010). Synergy effects result from the utilization of know-how, different technologies or resources of the partners involved to complement the own competencies and services (Eggers & Engelbrecht, 2005; Sander, 2009). Cooperation exists in various industries and enable the participating companies to compensate their size-related resource deficits (Glaister & Buckley, 1996; Todeva & Knoke, 2005). This creates the opportunity to develop innovations, open up new markets, exploit newly created economies of scale and share costs and risks (Franco & Haase, 2015). In agriculture, cooperation in the form of cooperatives have been of essential importance for a long time, especially with the aim of exploiting synergy effects (Bareille et al., 2017). In the field of renewable energy development, cooperation in form of citizen cooperatives make a significant contribution to the participation of citizens in political, social and financial aspects of the energy transition (Huybrechts & Mertens, 2014). Energy cooperatives are frequently discussed as a potential actor in the energy transition and are increasingly being established to advance the common interests of stakeholders. For example, the joint operation of decentralized power generation plants can involve new actors in the energy transition through regional cooperation (Walk, 2014).
Existing biogas plants in Germany need new business models after the 20-year Renewable Energy Sources Act feed-in tariff expires. For continued operation, a business model innovation is needed, which can be realized based on the different technical utilization pathways. Cooperation can have a significant impact on the profitability of the different business models, especially by exploiting synergy effects (Karlsson et al., 2019). In addition, cooperation can help to ensure that existing plants continue to operate at all.
Currently, the most widespread use of biogas in Germany is in the coupled generation of electricity and heat. Additionally, there is the possibility of upgrading biogas to biomethane or biogenic hydrogen path (Mertins & Wawer, 2022).
Different options for cooperative business models that exist in the biogas utilization pathways are presented. The focus is on explaining the advantages of a joint approach compared to single-farm business models and identifying the relevant actors. Subsequently, drivers and barriers for the different cooperative business models are identified and classified based on 20 semi-structured interviews with plant operators in the administrative district of Osnabrück. The aim is to identify drivers and barriers for cooperative post-EEG operation. As a result, political instruments are to be found that make it possible to involve relevant actors and thus stimulate the best possible continued operation from the point of view of the energy system. The results are structured according to the PESTEL analysis. This assigns drivers and barriers to the categories political, economic, sociocultural, technological, ecological and legal (Kaufmann, 2021). The analysis of the interviews is supplemented and validated by a literature review.
Drivers and barriers for cooperative business models are manifold and can vary mainly depending on the plant and the operator.
Drivers
• Political
o Promotion of renewable energies: reduce dependence on fossil (Russian) fuels
• Economic
o Expectation of synergies (information sharing, shared risk, economies of scale)
o Planning security (fixed supply or purchase contracts)
o Access to new markets (not accessible by single-farm business models)
o Cost savings by sharing infrastructure, technology
o Positive return expectation
• Sociocultural
o Motivating, innovative environment
o Lowers barriers to participation in new markets
o Target-oriented partnerships
o Better use of capacities and strengths
o Strengthening regional value creation
• Technological
o Economies of scale (efficiency)
o Available, mature technology
o Storable, transportable gas
o Well-developed infrastructure
• Ecological
o Increase in plant efficiency
o Reduction of greenhouse gas emissions
o Promotion of the circular economy by utilization of organic waste and agricultural residues
o Improving soil quality (fermentation residues as fertilizer)
Barriers
• Political
o Competition to other renewable energies
• Economic
o Uncertainty about future development of energy markets
o Disagreements between the cooperation partners
o Lack of flexibility due to longer-term contractual obligations
o Allocation of profits
• Sociocultural
o Cooperation with current competitor
o Cultural differences and lack of trust
o Acceptance by the general public (e.g. overproduction of maize)
• Technological
o Different technology that is difficult to combine
o Data protection
• Ecological
o Competition for agricultural land
o Use of monocultures
o Emissions from plant
o Pollution from transport
• Legal
o Legal requirements and regulations
o Unfavorable regulatory environment, e.g. long permitting process
One finding is that uncertainty is a major barrier for plant operators. This includes uncertainty about regulatory frameworks and political requirements, as well as about the general development of the energy markets. In addition, social factors such as lack of reliability and disagreement about revenue sharing are a potential barrier. A key driver for the implementation of cooperative business models is the expectation of synergy effects. In addition, operators are driven by a positive expectation of returns and the responsibility for securing the energy supply in times of crisis.
The drivers identified can now be used to develop strategies to advance cooperative business models. In particular, synergy effects should be exploited so that operators can benefit from cooperation. The advantages can also be highlighted and communicated to increase acceptance among the general public. Another important step is to reduce the barriers discussed above. In order to reduce social barriers in particular, it may be advisable to include an external partner in the cooperation, such as a municipal utility that operates an upgrading plant and concludes purchase agreements with the individual partners. In addition, it would be politically expedient to provide the operators with a clear framework for the future in order to reduce uncertainties. As a further aspect, knowledge transfer on new technologies and markets should take place.
Oleamide is used as a lubricant in the manufacturing and application of polypropylene (PP) medical devices. Samples of PP were prepared with 0, 1500, and 15 000 ppm oleamide content as lubricant. The samples were either left non-sterile, sterilized with ethylene oxide (ETO), γ-radiation (γ) or autoclaved (A) and stored for up to 4 weeks. To determine the oleamide bulk-to-surface distribution depending on sterilization method and storage time an extraction method and a washing technique were applied. The oleamide content was determined by gas chromatography (GC-FID) and compared with the coefficient of friction (COF). The COF dependent on the measured lubricant content at the surface. The content of lubricant on the surface depends on the type of sterilization: ETO increased the lubricant content to some extent, γ-sterilization and autoclaving reduced it. After storage, no migration of the lubricant to the surface could be detected.
Der wirtschaftliche Druck in der Landwirtschaft mit weniger Ressourcen höhere Erträge zu erwirtschaften hat zu einer zunehmenden Automatisierung und Industrialisierung agrartechnischer Prozesse geführt. Die Vernetzung von kooperativen Agrarprozessen verfügt über außerordentliches wirtschaftliches Potenzial, birgt aber auch große Gefahren für die Datensicherheit. Daten werden vielfach nicht durch den Dateneigentümer erfasst, sondern von beauftragten Dienstleistern (z.B. von Lohnunternehmen). Bei einer Datenerfassung durch Dienstleister sind Datenzugriffe nicht kontrollierbar und nachträgliche Datenmanipulationen nicht auszuschließen. Datensicherheitslösungen aus anderen Wirtschaftsbereiche lassen sich nur unzureichend auf die Landtechnik übertragen. Dieser Beitrag stellt ein Basiskonzept zur bereichsübergreifenden Datensicherheit in der Landtechnik vor. Das Ziel des Konzeptes ist, die Datenhoheit durch den Eigentümer zu jeder Zeit zu gewährleisten und ausgewählte Prozessdaten manipulationssicher zu dokumentieren.