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The design of robust architectures for software-intensive systems in the automotive domain is a complex task and a considerable engineering challenge. Even conventional systems are usually subject to a multitude of conflicting design goals, such as unit cost and weight minimization, dependability augmentation and timing control. One feasible approach to resolve these conflicting levers on a system's architecture is to perform an optimization analysis on a concretely defined design space, which in general is vast. For the purpose of the approach presented here, this design space is represented by an automated identification of variation points relevant for design space exploration. The identified variability information is then transformed into a convenient mathematical representation for product-line-aware architecture optimization.
Highly connected with the environment via various interfaces, cars have been the focus of malicious cyber attacks for years. These attacks are becoming an increasing burden for a society with growing vehicle autonomization: they are the sword of Damocles of future mobility. Therefore, research is particularly active in the area of vehicle IT security, and in part also in the area of dependability, in order to develop effective countermeasures and to maintain a minimum of one step ahead of hackers. This paper examines the known state-of-the-art security and dependability measures based on a detailed and systematic analysis of published cyber attacks on automotive software systems. The sobering result of the analysis of the cyber attacks with the model-based technique SAM (Security Abstraction Model) and a categorization of the examined attacks in relation to the known security and dependability measures is that most countermeasures against cyber attacks are hardly effective. They either are not applicable to the underlying problem or take effect too late; the intruder has already gained access to a substantial part of the vehicle when the countermeasures apply. The paper is thus contributing to an understanding of the gaps that exist today in the area of vehicle security and dependability and concludes concrete research challenges.
The increasing use of software and connectivity in modern vehicles has made cybersecurity an important issue in the automotive industry. ISO 21434 is a standard for automotive cybersecurity engineering that provides guidelines for the development and validation of secure automotive systems. For effective implementation and practical use of ISO 21434, it must be incorporated into existing automotive industry development workflows.
In this paper, we investigate the practical applicability of ISO 21434 in the context of the Security Abstraction Model (SAM), a security modeling approach for the domain-specific modeling language EAST-ADL, and provide insights into the benefits and consequences of this approach. In doing so, we describe the methodological opportunities of integrating ISO 21434 into SAM on the one hand and present a case study illustrating the application of this integrated approach in the development of a secure automotive system on the other hand. Our results suggest that the integration of ISO 21434 into SAM better supports automotive system security in the early development phases and makes it transparent to a wide range of stakeholders. At the same time, it becomes clear that a representation of the interrelationships in the form of a metamodel, in contrast to ISO 21434 in which these are only described textually, significantly improves conceptual understanding and ultimately enables pragmatic usability in industrial development.
Die Ergebnisse zeigen, dass die verschiedenen Methoden aus dem Feld der künstlichen Intelligenz geeignet sind, textbasierte Kommunikation zu analysieren und damit Erkenntnisse für die Evaluation bereitzustellen. Angesichts der riesigen Menge an bestehenden und zukünftigen textbasierten Beratungsinhalten können so die unterschiedlichsten Fragestellungen bearbeitet werden. Da die Datenbasis jedoch immer hochsensible personenbezogene Daten enthält, müssen die entsprechenden Risiken mit einer verantwortungsvollen Umsetzung des Datenschutzes minimiert werden.
Bei dem Stülpmembranspeicher handelt es sich um einen Speicher, der Energie sowohl in Form von Wärme als auch potenzieller Energie speichert. Das Grundprinzip ist ein mit Wasser gefüllter Zylinder, in dem sich ein Bodenmasse-Kolben nach oben und unten bewegen kann.
Bei Stromüberschuss im Netz wird der Kolben mithilfe einer Pumpe vom Wasser angehoben. Besteht ein Stromdefizit im Netz, kann der Kolben abgesenkt werden, das herausströmende Wasser wird durch eine Turbine mit Generator geleitet. Mit dem vorhandenen Wasser lässt sich ebenso Wärme speichern. Dazu wird Wasser außerhalb des Speichers erwärmt und in den Speicher gespeist, gleichzeitig wird kaltes Wasser der selben Menge entnommen. Bei Wärmebedarf kann nun das warme Wasser entzogen werden. Die Erwärmung des Wassers erfolgt regenerativ über Solarkollektoren, deren Auswahl und benötigte Anzahl in dieser Arbeit erörtert wird. Zudem benötigt der Speicher eine Dämmung, um Wärmeverluste zu verringern. Dies wird ebenso in der vorliegenden Arbeit behandelt. Beide Bereiche werden hinsichtlich ihrer Kosten betrachtet.
In Zeiten der Klimakrise ist die Umstellung auf regenerative sowie erneuerbare Energieformen unausweichlich. Dabei stellen bereits jetzt Energieanlagen wie Windkrafträder oder Photovoltaikanlagen eine gute Alternative zu konventionellen Anlagen dar. So stehen der Wind und die Sonnenstrahlung kostenlos zur Verfügung und deren Gebrauch weist kaum Nachteile für die Umwelt auf. Dennoch haben beide Ressourcen ein großes Manko auf: deren Verfügbarkeit. Während Kohle und Öl zu jeder Tages- und Nachtzeit bedarfsorientiert verbrannt werden kann, besteht keinerlei Möglichkeit, die Sonne auch in der Nacht zum Strahlen „zu bewegen“. Dagegen scheint die Sonne am Tage oft so zuverlässig, dass daraus mehr Energie in elektrischen Strom umgewandelt werden kann, als eigentlich benötigt wird. Ähnliches gilt für den Wind, der zu jeder Tages- und Nachtzeit wehen kann. Doch auch der Wind richtet sich dabei nicht nach dem Energiebedarf der Bevölkerung. Um überschüssige Energien dennoch speichern und bei Bedarf schnell und unkompliziert abrufen zu können, existieren viele Arten von Energiespeichern. So gibt es neben elektrischen Speichern (z.B. Lithium-Ionen-Akkus) und chemischen Speichern (z.B. Wasserstoffspeicher) auch mechanische Speicher (z.B. Pumpspeicher). Eine Art der mechanischen Energiespeicherung stellt der Stülpmembranspeicher dar.
Als Einstieg in die Technologie der Stülpmembranspeicher soll im bayrischen Haßfurt ein Demonstrator dieses Systems errichtet werden. Es sollen Nachweise über die Funktionsfähigkeit sowie die Herstellbarkeit des Stülpmembranspeichers erbracht werden und so der Weg zu einem System in industriellem Maßstab geebnet werden. Im Rahmen des Projekts Energietechnik im sechsten Semester des Bachelor-studiengang Maschinenbau in der Vertiefungsrichtung Energietechnik an der technischen Hochschule Nürnberg galt es Umsetzungsvorschläge und Kostenabschätzungen für den konkreten Bau eines Demonstrators zu erarbeiten. Im Zuge dieser Arbeiten wurden folgende Teilbereiche des Systems getrennt betrachtet: Die Baumaßnahmen zur Errichtung der Grundstruktur behandelte Herr Anton Wolf (Wolf, 2023). Herr Julian Schmitt untersuchte eine geeignete Platzierung und den Einbau der Aggregate, Rohrleitungen und Strömungsführung des Systems (Schmitt, 2023). Möglichkeiten für Einbau und Befestigung der Membran innerhalb des Speichers untersuchte Herr Nicolai Neubauer (Neubauer, 2023). Untersuchungen zur Stromspeicherung und Wärmebewirtschaftung des Speichers tätigte Herr Rami Haider (Haider, 2023). Weiterführend erfolgte die Auslegung der Wärmedämmung des Speichers sowie einem Solarkollektorfeld durch Herrn Peter Müller-Leimbach (Müller-Leimbach, 2023). Gegenstand des folgenden Berichts wird ausschließlich die Herstellung der Stülpmembran des Speichers sein. Sie bildet das Herzstück dieser neuen Technologie und ist als kritisches Bauteil für die Funktionsfähigkeit und damit die Daseinsberechtigung eines Stülpmembranspeichers zu verstehen. Nach heutigem Stand existiert eine Membran in einem solchen Anwendungsfall nicht und wurde auch noch nie versucht herzustellen. Es sind also zunächst Möglichkeiten zur Herstellung auszuloten und ein neues Herstellungsverfahren zu entwickeln. Langzeitverhalten von Material und Verbindungen zum restlichen Speicher während des Betriebs sind nicht untersucht und für den konkreten Anwendungsfalls weitestgehend unerforscht. Für ähnliche Belastungsfälle kann Jedoch auf umfassende Forschungs- und Entwicklungsarbeit im Bereich der Textilfördergurte in Bergbau- sowie Lebensmittelindustrie zurückgegriffen werden. Als Partner steht hier der Leiter der R&D Engineered Products for Conveying Solutions der Research & Development Abteilung des Sektors ContiTech der Continental Group zur Verfügung. Es ist denkbar, auf Basis bestehender Produkte der ContiTech Conveyor Belt Group aufzubauen und so eine Membran herzustellen, die sich langfristig für das spezielle Biege- und Dehnungsverhalten eignet. Im Verlauf des Berichts wird zunächst die Funktionsweise des Stülpmembranspeichers erklärt. Daraus werden die Aufgaben abgeleitet, welche der Membran selbst zu Teil werden. Für die vorgegebenen Dimensionen und Eckdaten des Demonstrators werden Belastungsberechnungen durchgeführt und so die Belastungen im Anwendungsfall bestimmt. Ebenfalls werden sonstige Umwelteinflüsse, denen die Membran ausgesetzt ist, festgehalten. Einleitung 9 Anschließend wird der Aufbau einer geeigneten Membran erklärt und ein geeignetes Fertigungsverfahren beschrieben. Abschließend folgt eine kurze Kostenübersicht sowie Prognose, wie mit der Entwicklung der Membran weiter zu verfahren wäre. Der Demonstrator, für den in diesem Bericht die Stülpmembran konzipiert wird, besitzt folgende relevante Dimensionen und Eckdaten: Der Kolben hat eine Länge von 10 Metern und misst 10 Meter im Durchmesser. Der Ringspalt zwischen Kolben und Speicherinnenwand beträgt 0,26 Meter. Im Verlauf des Be- und Entladens soll der Kolben um 10 Meter angehoben werden können. Der Kolben wird aus Stahlbeton mit einer Dichte von 2,24 !" gefertigt. Die Stülpmembran wird aus textilverstärkten Fördergurtstücken gefertigt, die längs aneinander vulkanisiert werden. Die Skizze in Abb.1 dient zur Veranschaulichung dieses Prozesses. Aus den Anforderungen für Kolbenhub und Ringspaltbreite ergibt sich mit einer Zulängung von 0,7 Metern jeweils am Ende der Membran eine Gesamtlänge von sieben Metern. Für die Planung der Fertigung ist von zwei Meter breiten Fördergurt-elementen auszugehen. Dies ist weiteren Anforderungen an die Membran geschuldet, welche im Verlauf des Berichts ersichtlich werden.
Durch den fortschreitenden Klimawandel mit seinen verheerenden Folgen für Mensch, Natur und Umwelt ist es von Bedeutung ein Umdenken in der Energiegewinnung der Zukunft und Gegenwart anzustreben. Unsere derzeitigen Energieträger welche Anteile am Primärenergiebedarf in Deutschland haben, bestehen noch zu großen Anteilen aus fossilen
Quellen wie in Abb. 1 zu sehen ist. Dies muss umgehend durch deutlich größere Anteile an Erneuerbaren abgelöst werden [1].
Abbildung 1: Anteile verschiedener Energieträger am Primärenergie-verbrauch in Deutschland im Jahr 2020 [1] Durch die Unvorhersehbarkeit und der ungeplanten Energiegewinnung aus Erneuerbaren Energieträgern, sowie deren teilweise deutliche Überproduktion als der eigentliche Bedarf abverlangt, sind Lösungen zur Energiespeicherung notwendig. Somit ist eine der entscheidendsten Fragen der Zukunft »Wie können wir die überschüssige Energie aus Erneuerbaren Quellen sinnvoll und mit so wenig Einfluss auf Natur und Umwelt wie möglich speichern?« Die Debatte über die Energiewende ist in der Gesellschaft in aller Munde. Es wird jedoch oft nicht von der Wärmewende gesprochen, welche jedoch einen großen Teil zur notwendigen Energiewende beiträgt. Somit ist klar, ohne die Wärmewende kann auch keine Energiewende vollzogen werden! Weshalb es auch hier von großer Relevanz ist, sinnvolle Speicherkonzepte in der Zukunft entstehen zu lassen. Eines dieser Wärmespeicherkonzepte wäre Teil des Stülp-membranspeichers, bei den riesigen Wassermassen zur Stromspeicherung über Lageenergie verwendet werden, jedoch gleichzeitig mit seiner guten Speicherkapazität als thermischer Speicher dienen. Dieses ganzheitliche Konzept zur Speicherung von Energie aus Erneuerbaren Quellen soll in folgendem Projektbericht, welcher Teil eines gesamten Projektes zum Bau eines Stülpmembranspeicher Demonstrator-Systems ist, teilweise aufgearbeitet werden.
Einleitung 2 Das gesamte Projekt umfasst 6 Einzelbereiche. Beginnend mit den Tief- und Hochbauarbeiten für einen Stülpmembranspeicher-Demonstrator durch Herrn Anton Wolf [2]. Der Systemaufbau und die Aggregate zur Stromspeicherung und Wärmebewirtschaftung eines
Stülpmembranspeichers wurden von Herrn Rami Haidar behandelt [3]. Die Herstellung der Stülpmembran eines Stülpmembranspeichers durch Herrn Franz Lampe sowie der Einbau und die Befestigung der Stülpmembran eines Stülpmembranspeichers durch Herrn Nicolai Neubauer [4] [5]. Zuletzt erfolgt durch Herrn Peter Müller-Leimbach die Auslegung &
Betrachtung der Wirtschaftlichkeit eines Solarkollektorfeldes und einer Wärmedämmung für den Stülpmembranspeicher [6].
Systemaufbau und Aggregate zur Stromspeicherung und Wärmebewirtschaftung eines Stülpmembranspeichers
(2023)
Diese Arbeit untersucht den Aufbau und die Funktionsweise eines Stülpmembranspeichers, um darauf aufbauend die am besten geeigneten Pumpspeicheraggregate für den geplanten Demonstrator in Haßfurt auszuwählen. Die Analyse ergibt, dass angesichts der ständig
variierenden Leistungsanforderungen Verdrängermaschinen Strömungsmaschinen vorzuziehen sind. Insbesondere zeichnen sich Axialkolbenmaschinen durch ihre hohe Flexibilität und ihren hohen Wirkungsgrad im Vergleich zu anderen Verdrängermaschinen aus.
Bei dem Stülpmembranspeicher (Abbildung 1) handelt es sich um einen Speicher der Energie sowohl in Form von Wärme und potenzieller Energie speichert. (Vergl. Abbildung 1: Grundaufbau des Speichers)
Grundprinzip ist ein mit Wasser gefüllter Zylinder, in dem sich ein Bodenmasse-Kolben nach oben und unten bewegen kann. Der Kolben ist mit einer Stülpmembran an der Zylinderwand befestigt und diese trennt zudem den Zylinder in zwei Kammern auf. Eine oberhalb des Kolbens und eine unterhalb. Durch Pumpen von Wasser von der oberen in die untere Kammer erfolgt dort eine Druckerhöhung, die zu einem Anheben des Kolbens führt. Dies erfolgt bei Energieüberschuss im Stromnetz. Bei Stromdefizit kann der Kolben abgesenkt werden und die Energie kann mittels einer Turbine aus der Wasserströmung von der unteren in die obere Kammer entnommen werden. Die Wärmenutzung erfolgt durch Einspeisung von warmem Wasser aus einem Fernwärmenetz in die obere Kammer des Kolbens. Durch den Dichteunterschied von warmen zu kaltem
Wasser entsteht eine Schichtung des Wassers mit der wärmsten Schicht ganz oben im Zylinder. Da das Wasservolumen im Zylinder gleichbleiben soll, wird genauso viel kaltes Wasser am unteren Ende des Zylinders entnommen, wie warmes Wasser oben eingespeist wird. Um ein ungewolltes Absenken des Kolbens zu vermeiden, wird die gleiche Menge Wasser wie eingespeist wird von der oberen in die untere Kammer gepumpt. Bei Entnahme der Wärme funktioniert dieser Mechanismus in umgekehrter Reihenfolge. Das kalte Wasser wird am unteren Ende des Zylinders eingespeist, die gleiche Menge wird über eine Transferleitung von der unteren in die obere Kammer gepumpt und wieder die gleiche Menge
wird am oberen Ende des Zylinders in das Fernwärmenetz eingespeist.
Die vollständige Auslegung wurde in 6 Teilbereiche aufgeteilt.
Im Nachfolgenden Bericht wird ausschließlich auf die Baulichen Aspekte für den Zylinder, Kolben und die allgemeine Grundstruktur eingegangen.
Die Maßnahmen zum Systemaufbau und Aggregate zur Stromspeicherung sowie Wärmebewirtschaftung behandelte Herr Rami Haidar[7], die Platzierung und Einbau der Aggregate, Rohrleitungen und Strömungs-führung Herr Julian Schmitt [11] , die Herstellung der Stülpmembran Herr Franz Lampe [8], den Einbau und die Befestigung der Stülpmembran Herr Nikolai Neubauer [10] und die Wärmedämmung und die Auslegung eines Solarkollektorfeldes zur Wärmeversorgung angeschlossener Wohngebäude Herr Peter Müller-Leimbach [9].