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In Anbetracht der hohen Zahl an zu ertüchtigenden Bauwerken in Deutschland bei gleichzeitig zunehmendem Fachkräftemangel in der Baubranche ist es wichtig, effiziente Planungs- und Bauprozesse zu schaffen. Digitale und automatisierte Arbeitsmethoden auf Basis von digitalen Bauwerksmodellen beginnen sich daher zu etablieren. Für viele Bestandsbauwerke werden diese Methoden aber nur zögerlich angewendet, da das als Grundlage benötigte digitale Bauwerksmodell erst aufwendig erstellt werden müsste. Moderne Techniken der künstlichen Intelligenz (KI) wie Machine- oder Deep Learning bewegen im Moment viele Forschungs- und Wirtschaftsbereiche. Ihr Einsatz kann auch in der Bauwirtschaft Lösungen für komplexe oder repetitive Aufgaben bieten.
In dieser Arbeit wird ein Tool konzipiert und evaluiert, welches in der Lage ist, mithilfe von KI-Techniken aus Bestandsplänen dreidimensionale (3D) Bauwerksmodelle zu rekonstruieren. Bei der Konzeptionierung hat sich eine der großen Herausforderung beim Einsatz von Machine Learning herauskristallisiert. Um KI-Systeme überwacht trainieren zu können, werden sog. gelabelte Trainingsdaten benötigt. In diesem konkreten Fall Positionspläne, bei denen in einer maschinenlesbaren Form hinterlegt ist, welche Art von Bauteilen an welcher Stelle des Planes dargestellt sind. Damit kann eine KI lernen, selbstständig unbekannte Pläne zu analysieren und darin Bauteile zu klassifizieren. Diese Daten können entweder unter großem Aufwand manuell erstellt werden oder man greift auf synthetische Daten zurück. Synthetische Daten sind künstlich erschaffene Daten, die von ihrer Struktur und ihren Eigenschaften her echte Daten imitieren. Da dabei der Erzeugungsprozess gesteuert wird, lassen sich die benötigten Labels gleichzeitig miterzeugen. Auf diese Weise entsteht sog. Ground Truth Data, also Daten, bei denen man sich sicher sein kann, dass sie korrekt gelabelt sind. Für diese Arbeit wurde eine Datenpipeline umgesetzt, die in der Lage ist, synthetische Daten speziell für die Zwecke der Baubranche zu generieren. Mithilfe des Applications Programming Interface von Autodesk Revit wurde eine C#-Anwendung programmiert, die zufallsgesteuert Modelle erzeugt und anhand dieser Modelle realistische Pläne ableitet. Parallel dazu werden mithilfe der im Modell hinterlegten Bauteilinformationen die für die KI benötigten gelabelten Daten erzeugt. Erste Testläufe mit dem Objekterkennungsframework YOLOv5 waren vielversprechend. Der gewählte Ansatz hat sich somit als flexibel und skalierbar erwiesen, um damit KI-Systeme für bauspezifische Aufgaben - wie die Bauteilerkennung auf Plänen - zu trainieren.
The problem description comes to the fore when the wide-ranging subject area of electrical engineering is combined and analyzed with different types of schools. It is becoming increasingly rare for elementary school children to come to grips with technology in the sense of recognizing functional interrelationships and understanding modes of action in the context of technical-practical confrontation. The picture at secondary schools is also rather sobering. Here, a strong focus on facts and knowledge and too little emphasis on modeling, application and problem solving lead to insufficient results in the cognitive area. In addition, a massive
shortage of engineers and specialists with a technical and scientific orientation has been predicted for years and is being increasingly observed. The motivation of students in traditional lectures is decreasing and in general there is a decline of university students in technical subjects. These problems are not only known throughout Germany, but also internationally. Especially in developing countries,
additional problems make technical education more difficult, regardless of the type of school. Therefore, this master thesis is evaluated in South Africa in order to consider as many influencing factors as possible.
"Learning is experience. Everything else is simply information." - Methods and concepts developed in the thesis build upon this quote of Albert Einstein. Teaching methods are elaborated and applied for three different age groups and school types, depending on known influencing factors. The aim of this thesis is not to produce further findings in the sense of basic research, but to show ways
in which the current situation can be steered in a different direction.
It has been shown that technology lessons in elementary/secondary schools inspire interest in technical professions in the field of electrical engineering. Furthermore, the combination of frontal teaching, for a necessary theoretical background, together with student-active, action-oriented teaching shows advantages in terms of learning efficiency and an increase in performance levels for all three
age groups. However, it could also be observed that factors such as social background, family influence and gender have partial effects on the promotion and education in the field of electrical engineering.
As machine learning becomes ever more popular, the question of how to enable it on ever more platforms becomes more important. This thesis explores the extension of SQL and extension databases for machine learning.
For this purpose, a framework for extending the Exasol database for machine learning is created. This framework uses the existing support for scripting languages and the in-database file system of the Exasol database to integrate existing machine-learning libraries into SQL. Currently, only Scikit-Learn was integrated.
The focuses of our framework are simplicity, usability, smooth integration in SQL, and expressive power, while runtime efficiency and speed are only secondary focuses. Further benefits of the framework are reduction of communication overhead, increased data security, simplification of data synchronization, and the usage of core database strengths. Compared to other in-database machine learning approaches, Apache MADlib and Oracle Machine Learning, our framework most likely has inferior speed and efficiency, while having the advantage of using well-integrated and tested libraries.
This thesis also provides an overview of related work on extending SQL and databases for machine learning. Furthermore, future directions for our framework are discussed.
The created framework is freely available at https://github.com/christoph-grossmann/Exasol_DB_ML_Framework.
Im Rahmen dieser Arbeit erfolgt die Untersuchung der wirkleistungsabhängigen Spannungssensitivität an den Knoten eines Mittelspannungsnetzstranges. Hierfür wird eine Reihe von Arbeitspunkten durch die Variation der Wirkleistungsentnahmen bzw. Einspeisungen an den Netzknoten sowie des Verschiebungsfaktors und der Spannungssollwertvorgabe am Bilanzknoten erzeugt. Die Ergebnisse zeigen eine direkte Abhängigkeit von der Spannung des untersuchten Netzknotens. Hierbei steigt die Sensitivität bei fallenden Spannungswerten. Diese können sowohl durch Wirk- und Blindleistungsbelastungen als auch durch eine veränderte Referenzspannung am Umspannwerk bedingt werden. Darüber hinaus liegt eine Beeinflussung durch die Wirkleistungsbelastung und deren Verteilung über den Netzstrang hinweg vor. Je höher die Belastung der Leitung bis zum Knoten der Flexibilität ausfällt sowie je stärker sich die Last hin zu diesem Punkt verlagert, desto höher ist die Sensitivität. Dies gilt ebenfalls für Arbeitspunkte mit gleichbleibender Spannung in den betrachteten Knoten. Des Weiteren wird die Anpassung eines multiplen linearen Regressionsmodells vorgenommen. Dieses ermöglicht eine Abschätzung der Sensitivitätswerte durch die Kenntnis einiger, die Belastungssituation des Netzes bestimmender Parameter.
Mögliche digitale Ansätze zur effizienten Lebenszyklusanalyse von Bauwerken anhand eines BIM-Modells
(2019)
Ziel dieser Arbeit ist es, mögliche digitale Ansätze zur effizienten Lebenszyklusanalyse von Bauwerken anhand eines BIM-Modells zu definieren. Handlungsanlass dafür waren zum einen das in der Öffentlichkeit allgegenwertige Thema des Klimawandels, welches zumal im Jahre 2019 durch die „Fridays for Future“-Proteste immens befeuert wurde. Zum anderen spielte auch die von der Bundesregierung beschlossene CO2-Bepreisung, mit der langfristig durch Mehreinnahmen ebenso ökologischere Bauweisen gefördert werden sollen, als Anlass für diese Arbeit eine wichtige Rolle. Denn nur im Zusammenspiel mit einer transparenten sowie fortschrittlichen, aber auch digitalen Planungsmethode wie BIM kann in Zukunft eine Umsetzung nachhaltiger Gebäude in einem effizienten Rahmen mehrheitlich zur Anwendung kommen.
Zu Beginn, wurden zunächst die theoretischen Hintergründe der im Zuge dieser Arbeit verwendeten Methoden wie Prozessmanagement, BIM oder Ökobilanzierung erläutert.
Im nächsten Schritt begann die eigentliche Konzeptionierung möglicher BIM basierter LCA Vorgehensweisen. Dabei wurden Informationsynergien zwischen den beiden Methoden BIM und LCA festgestellt, denkbare Datenaustauschformate zusammengefasst, einzelne Ansätze konzeptionell entworfen sowie aktuelle Softwarelösungen im Bereich der Ökobilanzierung miteinander verglichen.
Im Anschluss der Konzeptionierung erfolgte durch die Validierung - anhand nterschiedlicher differenziert dargestellter BIM-Modelle - eine Konkretisierung der entworfenen Ansätze mit Hilfe einer zuvor auserwählten Ökobilanzierungssoftware sowie der Modellierungssoftware Allplan. Während der Validierung wurden ebenso, sofern diese erforderlich waren, Hilfsmittel für eine erfolgreiche Umsetzung der jeweiligen Ansatzes entworfen.
Nach Abschluss der praktischen Umsetzung einzelner BIM basierter LCA Ansätze wurden die daraus gewonnen Erkenntnisse offenbart, die unterschiedlichen Vorgehensweisen hinsichtlich ihrer Kosten und in Bezug auf die erwartbare Qualität der generierten ökologischen Ergebnisse gegenübergestellt sowie abschließend durch eine Bewertungsmethodik bewertet.
Das Resultat zeigte, dass bereits nach aktuellem Stand der Technik ein Mehrwert für eine Lebenszyklusanalyse ergeben kann, wenn diese zusammen mit einer standardisierten modellbasierten umgesetzt wird.
Power-to-Ammoniak
(2021)
Ammoniak ist Grundbaustein für die Herstellung von Düngemitteln und dementsprechend für die Nahrungsmittelindustrie unentbehrlich. Ca. 40-50 % der Weltbevölkerung sind von Nahrungsmitteln abhängig, die mit Hilfe von Ammoniakdüngern hergestellten wurden. Weltweit wurden alleine im Jahr 2015 181 Mt Ammoniak produziert, wodurch die Ammoniakherstellung mit 1,2 % am gesamten Energieverbrauch der Welt beteiligt ist und für 0,93 % der globalen Treibhausgasemissionen zuständig ist.
Auch in Zeiten der Energiewende ist diese Grundstoffchemikalie unentbehrlich, ist aber auf einem anderen Wege herzustellen. Ziel dieser Arbeit ist die Darstellung verschiedener Möglichkeiten zur erneuerbaren Elektrifizierung und Dekarbonisierung der Ammoniakindustrie, wodurch der Einsatz von herkömmlichen Energieträgern wie Erdgas, Kohle und Öl negiert werden kann.
Ammoniak wird aktuell über das Haber-Bosch-Verfahren aus den Rohstoffen Erdgas, Kohle und Öl gewonnen. Bei diesem Verfahren wird über einen Primär- und Sekundärreformer Wasserstoff und Stickstoff gewonnen. Andere Gasbestandteile werden gefiltert oder umgewandelt, um schädliche Katalysatorgifte (CO, H2S) zu entfernen. Im Reaktor wird an Eisenkatalysatoren aus Wasserstoff und Stickstoff letztendlich Ammoniak hergestellt. Der Energieverbrauch des Haber-Bosch Verfahrens schwankt zwischen 7,8 MWh/t NH3 für eine moderne und sehr effiziente Anlage mit Erdgas und 13,6 MWh/t NH3 für eine alte mit Kohle betriebene Anlage. An Emissionen treten pro hergestellter Tonne Ammoniak je nach Rohstoff 1,6-3,8 t CO2-eq auf.
Neben der Biomassevergasung gibt es mehrere rein elektrische Ansätze zur Ammoniakherstellung. Die unterschiedlichen elektrochemischen Ansätze zur direkten Ammoniaksynthese, wie der Einsatz von Flüssigsalzelektrolyten oder Feststoffelektrolyten, wurden in Abschnitt 3.2 vorgestellt. Einige dieser Technologien zeigen vielversprechende Ansätze, sind jedoch zum aktuellen Zeitpunkt noch zu weit von einem industriellen Einsatz entfernt.
Der Einsatz der Wasserelektrolyse in Kombination mit einer Luftzerlegungseinheit ist die derzeit vielversprechendste Methode Ammoniak auf einem strombasierten und dekarbonisierten Wege herzustellen. Bei diesem System wird Wasserstoff im Elektrolyseur und Stickstoff in der Luftzerlegungseinheit hergestellt. Die Ammoniaksynthese findet hierbei in einem Reaktor nach Vorbild des Haber-Bosch-Prozesses statt. Mit diesem System ist ein Energieverbrauch von ca. 10 MWh/t NH3 notwendig. Durch den Einsatz von rein erneuerbar hergestelltem Strom als Energieträger lässt sich mit diesem Technologiezusammenschluss die Ammoniakherstellung komplett Emissionsfrei gestalten. Dadurch können alleine in Deutschland jährlich bis zu 7,8 Mt CO2-eq eingespart werden.
Eine zukünftige Umstrukturierung der Ammoniakherstellung und der gesamten chemischen Industrie ist unabdingbar. Diese kann aber nur parallel mit einem Ausbau erneuerbarer Energien umgesetzt werden. Mit der Wasserelektrolyse und der Luftzerlegungseinheit sind die technischen Möglichkeiten für diesen Umbau bereits heute gegeben und brauchen nur noch eingesetzt werden.
Die Arbeit befasst sich mit der Ladung von Elektrofahrzeugen durch Solarenergie in einem Inselsystem. Diese Art der Ladung entlastet die Netze und hat einen sehr hohen Leistungswirkungsgrad. Es wurde ein Prototyp einer Direkt-ladestation gebaut, welche verschiedene Elektrofahrzeuge mit einem neuartigen Verfahren aufladen kann. Sie enthält einen optionalen Pufferakkumulator und einen Vollbrücken-Gegentaktwandler für die Ladung bei schlechter Solarleistung. Ein Teil der Arbeit behandelt ausführlich die Auslegung, die Komponenten und bisher undokumentiertes Verhalten von Gegentaktwandlern. Des Weiteren wird das Prinzip der Solardirekt-ladung und deren Umsetzung sowie die Umsetzung des Gesamtsystems beschrieben. Es folgt ein Kapitel zur Wirtschaftlichkeit der Solardirektladung mit Handlungsempfehlungen. Insgesamt lässt sich schließen, dass Solardirektladung bei nutzungsorientierter Auslegung der Anlage und langer Laufzeit wirtschaftlich ist.
This work addresses the charging of electric vehicles with solar power in an off-grid system. Charging this way reduces the stress on the grid and has a very high power efficiency. A prototype of a direct charging station was built which is able to charge several different electric vehicles in a novel way. It includes an optional buffer battery and a full bridge converter for being able to charge electric vehicles at times o flow solar power. One chapter explains in detail the design, the components and so far undocumented properties of full and half bridge converters. The principle and the implementation of direct solar charging and the implementation of the whole system is described. The last chapter covers the cost effectiveness of solar chargin gas well as recommendations. All in all it can be stated that solar direct charging is ecomomically advantageous if it is projected according to the user’s demand.
Durch die dezentrale Energiegewinnung, welche aus dem Fokus auf regenerative Stromerzeugung resultiert, ist ein Ausbau des Übertragungsnetzes alternativlos – auch mit Hinblick auf den steigenden Strombedarf in den kommenden Jahrzehnten. Der Ausbau ist bereits beschlossene Sache, schreitet aber schleppend voran. Die Gründe hierfür sind jedoch nicht etwa Verzögerungen in der Bauausführung, sondern vor allem die Ablehnung innerhalb der Bevölkerung gegenüber dem Neubau von Stromtrassen. Jahrelange Planungs- und Genehmigungsphasen sowie regelmäßige Änderungen der Trassenverläufe sind die Folge. Die Bürgerbewegungen gegen den Netzausbau sind meist mit auf dem Einfluss auf das Landschaftsbild, der Strahlungsbelastung oder Lärmbelästigung begründet. Eine Erdverlegung würde hinsichtlich dieser Probleme (trotz kurzfristiger Mehrbelastung während der Bauphase) eine Alternative darstellen, weist jedoch baubedingte Problematiken wie den Abtransport der Verlustwärme auf. Bei einer klassischen Sandbettung hängt die Wärmeleitfähigkeit maßgeblich vom Wassergehalt des Sandes ab, welcher je nach Witterungslage und geologischen Gegebenheiten sehr stark schwankt. Als Folge muss die Trasse für den ungünstigsten Fall und damit unwirtschaftlich bemessen werden.
Im Rahmen des Forschungsprojekts „DC-CTL DBI“ wurde eine gasisolierte HGÜ-Leitung (GIL) erdverlegt und einem Langzeitversuch unterzogen. Anstelle einer Sandbettung wurde jedoch ein zeitweise fließfähiger, selbstverdichtender Verfüllbaustoff (ZFSV) verwendet. Für den Einsatz als thermische Bettung bietet ein ZFSV mehrere Eigenschaften, welche eine klassische Sandbettung nicht bietet. So ist mit Hinblick auf die verschweißte Aluminium-Hülle der GIL kein Verdichtungsaufwand nötig, welcher bei aktueller Bauform zweifelsfrei in Schäden resultieren würde. Darüber hinaus weisen Flüssigböden durch den Bentonit-Gehalt eine höhere adsorbierende Oberfläche auf, wodurch der Anteil des Haftwassers im Boden zunimmt und die Wärmeleitfähigkeit der Bettung in ihrer Konstanz positiv beeinflusst wird.
Im Zuge dieser Arbeit wurden die thermischen und hydraulischen Transportprozesse um die GIL mittels FEM in Plaxis2D untersucht und transient über den gesamten Messzeitraum (18 Monate) berechnet. Hierfür wurden die Materialparameter durch labortechnische Versuche ermittelt und die Messergebnisse einer verbauten Wetterstation als Randbedingungen (Niederschlag, Temperatur, Evapotranspiration) aufgebracht. Die Ergebnisse aus Plaxis2D wurden abschließend mit der im Feldversuch verbauten Sensorik verglichen. Es zeigte sich, dass sowohl die Boden- als auch die Leitertemperaturen nur um wenige Grad von den Messwerten der Sensorik abweichen. Anders als bei den etablierten analytischen Bemessungsrechnungen, welche stets auf Vereinfachungen basieren, können auch Effekte wie konvektiver Wärmetransport oder Austrocknung bei gleichzeitig höherer Genauigkeit der Ergebnisse untersucht werden.
Um den Rechenaufwand gering zu halten, wurden lediglich die thermischen und hydraulischen Entwicklungen und Einflüsse des Bodens berücksichtigt. Es ist aber durchaus möglich, Verformungen und Kräfte in die Berechnung zu integrieren und so ein ganzheitliches Berechnungsmodell zu erstellen.