620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau
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Maximising Distribution Grid Utilisation by Optimising E-Car Charging Using Smart Meter Gateway Data
(2023)
The transition towards climate neutrality will result in an increase in electrical vehicles, as well as other electric loads, leading to higher loads on electrical distribution grids. This paper presents an optimisation algorithm that enables the integration of more loads into distribution grid infrastructure using information from smart meters and/or smart meter gateways. To achieve this, a mathematical programming formulation was developed and implemented. The algorithm determines the optimal charging schedule for all electric vehicles connected to the distribution grid, taking into account various criteria to avoid violating physical grid limitations and ensuring non-discriminatory charging of all electric vehicles on the grid while also optimising grid operation. Additionally, the expandability of the infrastructure and fail-safe operation are considered through the decentralisation of all components. Various scenarios are modelled and evaluated in a simulation environment. The results demonstrate that the developed optimisation algorithm allows for higher transformer loads compared to a P(U) control approach, without causing grid overload as observed in scenarios without optimisation or P(U) control.
Diese Thesis befasst sich mit der Frage, in welcher Art und Weise sich das deutsche Feuerwehrwesen verändern und anpassen muss, um den abwehrenden Brandschutz nachhaltig sicherzustellen.
Ausgangspunkt ist die Problemstellung, dass einige Freiwillige Feuerwehren besonders tagsüber und vornehmlich im ländlichen Räumen nicht mehr den gesetzlichen Schutzzielen und Anforderungen entsprechen können. Um dieser Frage nachgehen zu können, ist die Methode des Benchmarkings auf Gefahrenabwehrsysteme adaptiert worden. Da die Forschungen innerhalb des deutschen Feuerwehrwesens nicht zielführend waren, ist das Benchmarking international und organisationsvergleichend ausgerichtet worden. Die Niederlande konnte als Vergleichspartner konstatiert werden, weil diese eine große kulturelle Ähnlichkeit zum deutschen Feuerwehrwesen aufweist und regionalisiert agiert. Das Merkmal der Regionalisierung stellte sich im europäischen Raum als eine vielversprechende Variante der Organisationsgestaltung heraus.
Der Benchmarkingprozess ist morphologisch beibehalten worden. Die Analysen, Vergleiche und Bewertung erfolgten nach Vorbild der Organisationsanalyse nach den Ausführungen von Wenger, Thom und Ritz, welche in das Benchmarking implementiert wurden. Diese Vorgehensweise stellte sich als erfolgreich heraus.
Die Verbesserungs- und Handlungsoptionen für das deutsche Feuerwehrwesen aus dem Benchmarking mit den Niederlanden sind folgende:
• Bündelung und Verknüpfung von Gefahrenabwehraufgaben in
regionalen Strukturen sowie die Regionalisierung der
Feuerwehren
• Anpassung der Schutzziele und Hilfsfristen an
Effizienzkriterien und Risiko unter der Bedingung weiterer
einhergehender Maßnahmen (Wandel von einer
strukturqualitätsorientierten hinzu einer
prozessqualitätsorientierten Philosophie)
o Standardisierung der Ausbildung aller
Feuerwehrdienstleistenden (in Modulen) und I
Intensivierung der ehrenamtlichen Ausbildung
o Festlegen der Staffel als Standardeinheit
o Einführung von Zwischenebenen zwischen
freiwilliger/zufälliger und beruflicher/sicherer
Verfügbarkeit
o Vergütung von arbeitsverhältnisähnlichen Dienstzeiten
o Reduzierung der Fahrzeugvielfalt
o Risikoorientierente und regionalstrukturierte
Fahrzeugvorhaltung
o Objektbezogene Risikoanalyse
o Einführung eines Qualitätsmanagementsystems und eines
standardisierten Controllings
o Transparenz- und Einbindungsstrategie mit der
Öffentlichkeit verfolgen
Weitere Maßnahmen, die sich zwar im heutigen Feuerwehrsystem umsetzen ließen und die Effektivität und Effizienz steigern würden, aber nicht das Problem der nicht erreichbaren Schutzziele beheben könnten, sind Maßnahmen wie die Etablierung des Krisenmanagements, die wissenschaftliche Erschließung des Feuerwehrwesens, die Bündelung rückwärtiger Tätigkeiten oder die Weiterentwicklung des Führungssystems hinsichtlich mehrstufiger Skalierbarkeit sowie wirkungsvoller und interdisziplinärer Zusammenarbeit.
Die hochwertige und umfassende Ausbildung von Führungskräften in der Gefahrenabwehr gilt als ausschlaggebender Punkt für die effektive Bewältigung von Gefahrenlagen. Zur Erreichung dieser Anforderungen wurde im Pilotlehrgang der Bundesakademie für Bevölkerungsschutz und Zivile Verteidigung erstmals die Software „Feuerwehr-Einsatzsimulation“ für die Darstellung von Planübungen bei der Ausbildung von Verbandsführern und Verbandsführerinnen eingesetzt. Ziel der vorliegenden Masterarbeit ist die Evaluierung des neuen Ausbildungskonzeptes im Rahmen einer Pilotstudie, um feststellen zu können, welchen Einfluss die Nutzung einer computergestützten Simulation im Vergleich zu konventionellen Ausbildungskonzepten auf den Lernprozess der angehenden Verbandsführer beziehungsweise Verbandsführerinnen hat. Zur umfassenden Evaluation wird eine Datenerhebung nach dem Mixed-Methods Prinzip mithilfe eines quantitativen Fragebogens, einer qualitativen Gruppendiskussion mit den Teilnehmenden sowie qualitativen Leitfadeninterviews mit den Dozierenden des Pilotlehrganges durchgeführt.
Die Ergebnisse zeigen, dass sowohl die Teilnehmenden als auch die Dozierenden den Einsatz der Software positiv bewerten. Es kann festgestellt werden, dass die Nutzung der Simulation einen positiven Einfluss auf den Lernprozess der Teilnehmenden hat. Begründen lässt sich dieser durch die realistischere Darstellung der Einsatzszenarien, der Erkundung der Einsatzstelle unter realen Bedingungen und dem besseren Feedback durch die Dozierenden, da die getroffenen Maßnahmen in der Simulation umfassend dargestellt werden können. Verbesserungsbedarf besteht bei der Immersion für die Teilnehmenden und einer leichteren Bedienung der Software für die Dozierenden. Der Einsatz einer computergestützten Simulation bei der Ausbildung von Verbandsführern und Verbandführerinnen erfüllt die hohen Anforderungen an eine praxisorientierte Ausbildung. Es ist daher empfehlenswert, eine computergestützte Simulation zur Darstellung von Planübungen für die Ausbildung von Verbandsführern und Verbandsführerinnen einzusetzen.
Die Arbeit richtet sich an die mit der Ausbildung von Verbandsführern bzw. Verbandsführerinnen beauftragten Stellen und deren Dozierenden.
Vergangene Ereignisse haben gezeigt, dass es trotz gesetzlicher Vorgaben und technischer Regeln, welche die Notstromversorgung von Krankenhäusern bestimmen, zu Vorfällen mit menschlichen Verlusten als Folge von Stromausfällen kam. Deshalb befasst sich diese Masterthesis mit der Entwicklung einer Bewertungsmethode für die Notfallplanung von deutschen Krankenhäusern im Bereich der Energieversorgung unter Berücksichtigung von technischen und organisatorischen Anforderungen. Sie soll in der Krankenhausalarm- und Einsatzplanung Anwendung finden.
Das Ziel ist es, eine Methode zu entwickeln, welche von Anwender:innen mit unterschiedlicher Ausprägung der Fachexpertise in der Krankenhausalarm- und Einsatzplanung sowie Risikoanalyse genutzt werden kann. Über zwei Scoping Reviews für die Krankenhausalarm- und Einsatzplanung sowie zur Energieversorgung von Krankenhäusern werden bestehende Vorgaben und Konzepte sowie Anforderungen an die Methode ermittelt. Basierend auf diesen Informationen wird ein gestuftes Bewertungsmodell vorgeschlagen. Es setzt sich aus einer Synthese eines Verfahrens des Bundesamts für Bevölkerungsschutz und Katastrophenhilfe zur Vulnerabilitätsanalyse mit Methoden der multikriteriellen Entscheidungsunterstützung (Satisfizierungsverfahren und Analytic Network Process) zusammen. Anhand einer exemplarischen Durchführung erfolgte eine empirische Validierung. Des Weiteren wurden der Praxisbezug und die Anwendbarkeit mit Expert:innen-Gesprächen untersucht.
Als Ergebnis kann festgehalten werden, dass sich das gestufte Bewertungsmodell als Planungsmodell für die Bewertung der Energienotversorgung von Krankenhäusern eignet. Es ist in eine Einsteiger-, Fortgeschrittenen- und Expertenstufe unterteilt, um für alle Anwender:innen unabhängig von ihrer Fachexpertise nutzbar zu sein. Es sind weitere Arbeiten unter enger Einbindung von Krankenhausbetreibenden erforderlich, um anhand des Modells priorisierte Checklisten mit allgemeinen technischen und organisatorischen Anforderungen für die Fortgeschrittenenstufe zu entwickeln. Durch die exemplarische Durchführung hat sich herausgestellt, dass das gestufte Bewertungsmodell zudem zur Identifizierung von Abhängigkeiten und Kritikalität des untersuchten Systems genutzt werden kann.
Als Herausforderung stellte sich die Übertragung des Analytic Network Process zu einem Bewertungs- und Priorisierungssystem der technischen und organisatorischen Anforderungen in Verbindung mit der Vulnerabilität heraus. Die Anwendungsgrenzen werden durch die Stufung des Bewertungsmodells gering gehalten. Es sind jedoch weitere Arbeiten, wie die Erstellung eines Leitfadens, notwendig, um die praktische Umsetzung zu ermöglichen.
Metallic tubular micro-components play an important role in a broad range of products,
from industrial microsystem technology, such as medical engineering, electronics and optoelectronics, to sensor technology or microfluidics. The demand for such components is increasing, and forming processes can present a number of advantages for industrial manufacturing. These include, for example, a high productivity, enhanced shaping possibilities, applicability of a wide spectrum of materials and the possibility to produce parts with a high stiffness and strength. However, certain difficulties arise as a result of scaling down conventional tube forming processes to the microscale. These include not only the influence of the known size effects on material and friction behavior, but also constraints in the feasible miniaturization of forming tools. Extensive research work has been conducted over the past few years on micro-tube forming techniques, which deal with the development of novel and optimized processes, to counteract these restrictions. This paper reviews the relevant advances in micro-tube fabrication and shaping. A particular focus is enhancement in forming possibilities, accuracy and obtained component characteristics, presented in the reviewed research work. Furthermore, achievements in severe plastic deformation for micro-tube generation and in micro-tube testing methods are discussed.
Life cycle assessment is a crucial tool in evaluating systems performances for sustainability and decision-making. This paper provided environmental impact of integrating renewable energy systems to the utility-grid based on a baseline optimized energy production data from “HOMER” for renewable systems modelling of a site in northern Nigeria. The ultimate goal was to ascertain the best hybrid option(s) in sustaining the environment. Different assumptions and scenarios were modelled and simulated using Ganzleitlichen Bilanz (GaBi). Uncertainty analysis was ensured to the impact data based on pedigree-matrix and Excel-program, as well as overall policy relevance. The results of the impact categories revealed first scenario (i.e., conventional path-based) with the highest impacts on global warming potential (GWP), acidification potential (AP), human toxicity potential (HTP), and abiotic depletion potential (ADP fossils). The lowest impacts arise in
the renewable-based scenarios for all the considered categories except the Ozone-layer depletion potential Category where the highest contribution falls in the third scenario (i.e., photovoltaic (PV)/biomass-biogas system) although all values being infinitesimal. In quantitative terms, the reduction in the GWP from the highest being the first scenario to the lowest being the fourth scenario (i.e., wind/biomass-biogas system) was 96.5%. Hence, with the outstanding contributions of the hybrid renewable systems, adopting them especially the lowest impact scenarios with expansions is relevant for environmental sustainability.
This contribution deals with the topic of the consistent further development of a wheel hub motor for battery electric vehicles (BEV) based on the principle of an outer rotor switched reluctance machine (SRM). The research work presented in this paper was founded by the ERDF.NRW program, Investment for Growth and Employment and the European Regional Development Fund. The R&D project was named Switched - Reluctance fo(u)r wheel (SR4Wheel). Based on the experience made by first prototype Evolution 0 (EVO 0), developed in the Laboratory for Automation Engineering, Power Electronics and Electrical Drives of the Cologne University of Applied Sciences (CUAS), the test results of EVO 1, as well as the redesign, EVO 2 is presented in this paper.
The prototype EVO 0, a first proof of concept leads to several optimizations and lessons learned for the predecessor model EVO 1. The overall target of developing such a gearless outer rotor wheel hub motor is the full integration of the complete machine including its power electronics into the given space between the original friction brake and the rim. Furthermore, due to the additional integration of the power electronics, great opportunities in terms of new vehicle design as well as retrofitting capabilities of already existing vehicle platforms can be achieved. Thereby, further drive train assembly space like the engine compartment is no longer necessary. The SRM does not require magnets for torque production which leads to independence from the changeable commodity prices on the rare earth element markets. This paper presents the developing process, testing, and verification of the innovative drive train concept starting with the final CAD of EVO 1. During the testing and verification process a machine characteristic mapping is performed on a drive train test bench and subsequently the results of a finite element analysis (FEA) are plausibility checked by the test bench results. The process continues with energy conversion test scenarios of the project demonstrator vehicle on a roller test bench focused on noise vibrationharshness (NVH) behavior and efficiency. As a conclusion, the gained knowledge by evaluating two EVO 1 prototypes on the rear axle of the test vehicle, and the design for the front axle drive train EVO 2 will be presented. As a major task on the front axle, the limited space due to the large disc brake can be identified and solved.
Zivile unbemannte Luftfahrtsysteme in der Akutphase internationaler humanitärer Hilfseinsätze
(2019)
Diese Arbeit konstruiert Einsatzbereiche ziviler unbemannter Luftfahrtsysteme in humanitären Hilfseinsätzen unmittelbar nach einer Katastrophe. Die Auswertung der Schnittmenge der technischen Fähigkeitsanalyse mit der – unter Verwendung von Experteninterviews durchgeführten – operativen Bedarfsanalyse des humanitären Sektors stellt die Basis für die Konstruktion der neun Anwendungsbereiche dar. Abschließend werden diese vor einem technischen, rechtlichen sowie ethischen Hintergrund diskutiert und bewertet.
Diese Arbeit zeigt ein Verfahren zur automatisierten Auswertung von holographischen Interferogrammen für die Formvermessung auf. Es erlaubt die topographische Form eines Objektes qualitativ anhand dessen holographischen Bildes automatisiert zu erfassen. Eine automatisierte Auswertung ermöglicht den wirtschaftlichen Einsatz der holographischen Interferometrie in der Formvermessung.
Aufgrund der steigenden Komplexität der Projekte und einem hohen Wettbewerbsdruck stellt die Kostenschätzung der fixen Investition, bereits in frühen Projektphasen, einen wichtigen Teil der Vorprojektierung dar. Wachsende Kosten und enormer Zeitdruck führten zu der Überlegung, auf Grundlage von Musteranlagen, bestehende Kostenschätzmethoden zu überprüfen und weiterzuentwickeln. Ferner ist das Ziel dieser Musteranlage, eine geeignete Kostenstruktur, die typisch für ihren Anlagentyp steht hervorzubringen, um das Kostenverhältnis weiterer Anlagen miteinander vergleichen zu können. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Musteranlage eines typischen Fluid-Prozesses abgeleitet und anhand geeigneter Kostenschätzmethoden überprüft. Ferner wird die Musteranlage, aufgrund ihrer Hauptausrüstungsgegenstände und ihren prozentualen Anteilen auf die Gesamtanlagenkomponenten, auf mögliche Kostenstrukturen hin untersucht. Als Musterprozess wird die Synthese von Ethylenglykol aus Ethen und Sauerstoff, als ein typisch chemisches Massenprodukt einer durchschnittlichen Chemieanlage, vorgeschlagen. Mit Hilfe des Programms Chemcad wird dieser Prozess simuliert und die einzelnen Anlagenkomponenten werden mit Hilfe von Erfahrungsregeln und Literaturwerten dimensioniert. Für die Umsetzung dieser Vorgehensweise wurde eine intensive Literaturrecherche über die üblichen Verfahrensweisen durchgeführt. Im Anschluss ein Grundfließschema erstellt aus dem ein vereinfachtes Fließbild abgeleitet wurde. Neben der Simulation mit dem Programm Chemcad erfolgte eine Auflistung aller am Prozess beteiligten Anlagenkomponenten in Form einer Equipment-Liste, die neben den Komponentenbezeichnungen auch alle für den Prozess wichtigen technischen Daten beinhaltet. Auf Grundlage dieser Equipment-Liste wurde sodann mit Hilfe geeigneter Kostenquellen wie z.B. dem DACE price booklet eine Kostenermittlung der einzelnen Anlagenkomponenten durchgeführt. Letztlich wurden anhand dieser Werte mögliche Kostenschätzmethoden, welche für einen frühen Zeitpunkt einer Projektphase geeignet sind, überprüft und miteinander verglichen. Abschließend wurde die Kostenstruktur dieser Musteranlage auf die prozentualen Anzahl- und Kostenverhältnisse, in Bezug auf die einzelnen Komponentengruppen, entwickelt und dargestellt.
Aufgrund der hervorgebrachten Kostenstruktur konnte festgestellt werden, dass die in dieser Arbeit abgeleitete Musteranlage typische Merkmale einer Fluid-Anlage aufweist und demnach für den Zweck ihrer Entwicklung genutzt werden kann. Die wesentlichsten Merkmale sind die hohen Kosten der Kolonnen und deren relativ kleinem Anzahlverhältnis im Vergleich zur hohen Anzahl an Pumpen und ihrem sehr kleinen Kostenverhältnis. Ferner konnte festgehalten werden, dass die Kostenschätzung für die frühe Projektphase eine hohe Ungenauigkeit ergab. Des Weiteren hat der Vergleich der Schätzmethoden ergeben, dass die Methode mittels der Hand-Faktoren ein genaueres Ergebnis lieferte. Aufgrund der Feststellung, dass spezifische Einflüsse wie Material, Instrumente und Gebäudekosten einen erheblichen Einflusses auf die Kosten der einzelnen Anlagenkomponenten aufzeigten, wird vorgeschlagen weitere Korrekturfaktoren in der Kostenschätzung zu berücksichtigen. Zum Zwecke der Weiterentwicklung von Kostenschätzmethoden wird ferner vorgeschlagen weitere Musteranlagen des Typs: gemischte Feststoff-Fluid-Anlage und eine reine Feststoffanlage, abzuleiten.