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Modellanalytische Untersuchungen des Einsatzes dezentraler Energiesysteme durch einen intelligenten Steuerungsansatz
(Stuttgart : Universität Stuttgart, Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung, 2025) Schulz, Maximilian; Hufendiek, Kai (Prof. Dr.-Ing.)
Die Transformation des Energiesystems unter Zielsetzung der Klimaneutralität bis zum Jahr 2045 geht mit einer Dezentralisierung und Elektrifizierung der Erzeugungs- und Verbrauchsstruktur einher. Durch den Einsatz von PV-Anlagen, Batteriespeichern, Wärmepumpen und Elektrofahrzeugen wandeln sich bisherig reine Endnutzer elektrischer Energie hin zu leistungsstärkeren dezentralen Energiesystemen (DES), deren zukünftige Anzahl und Bedeutung im ganzheitlichen Energiesystem zunehmen wird.
Durch die elektrischen Komponenten weisen DES ein hohes Flexibilitätspotenzial auf, welches im gegenwärtigen Einsatz nur unzureichend erschlossen ist. Bestehende Systeme fokussieren überwiegend die heuristische Eigenverbrauchsmaximierung von lokalem PV-Strom und vernachlässigen weitere Zielgrößen. Auch im wissenschaftlichen Kontext ist das Potenzial im Einsatz der DES noch unzureichend analysiert und nicht ausreichend hinsichtlich des realitätsnahen Einsatz der Systeme untersucht. Diese Arbeit beschäftigt sich daher mit einem intelligenten Steuerungsansatz für dezentrale Energiesysteme und untersucht resultierende Potenziale.
In dieser Arbeit wird zunächst ein intelligenter Steuerungsansatz für DES entwickelt, um deren Potenziale zu erschließen und zu analysieren. Der Steuerungsansatz, basierend auf dem Optimierungsmodell E2M2_DES, umfasst unterschiedliche Zielgrößen im DES-Betrieb unter Berücksichtigung externer Anreize. Die Arbeit fokussiert drei zentrale Zielgrößen: einen kostenoptimalen Einsatz für den Endnutzer, einen Verteilnetzdienlichen DES-Einsatz sowie minimale Treibhausgasemission im DES-Betrieb.
Die Ergebnisse zeigen, dass der Einsatz des entwickelten Steuerungsansatzes zu einer Einsparung der Energieversorgungskosten von 24 % im Vergleich zum heuristischen Ansatz führt. Unter Gültigkeit eines dynamischen Stromtarifs resultiert eine weitere Reduzierung um 18 %. Hinsichtlich des netzdienlichen DES-Betriebs empfiehlt die Arbeit den Einsatz der Maßnahme Spitzenglättung, um Netzbezugsspitzen effizient zu verhindern und kritische Verteilnetzsituationen zu vermeiden. Bezüglich der Reduktion von THG-Emissionen kommt die vorliegende Arbeit zu dem Schluss, dass THG-Reduktionen durch die Ausrichtung des Steuerungsansatzes ausgewiesen werden können, unter Gültigkeit der aktuellen Regulatorik, insbesondere des EU-ETS, real jedoch nicht erreicht werden.
Abschließend wird die Umsetzbarkeit der Fahrpläne, die durch den intelligenten Steuerungsansatz berechnet wurden, in einem realitätsnahen Umfeld untersucht. Im Fallbeispiel zeigt sich, dass der rein modellbasierte Ansatz die jährlichen Energieversorgungskosten um 11 % im Vergleich zum intelligenten Steuerungsansatz unterschätzt. In der Folge wird verdeutlicht, Steuerungsansätze in diesem praxisnahen Forschungsfeld nicht nur anhand theoretisch ausgewiesener Vorteile, sondern auch anhand ihrer tatsächlichen Ergebnisse im Betrieb zu überprüfen und zu bewerten.
Zusammenfassend weisen dezentrale Energiesysteme bereits heute eine hohe Durchdringung des ganzheitlichen Energiesystems durch die große Anzahl vorhandener Komponenten wie kleinerer PV-Anlagen, Wärmepumpensystemen sowie Elektrofahrzeuge mit jeweils über einer Million Anlagen auf. Die vorliegende Arbeit empfiehlt die Erschließung dieser dezentralen Energiesysteme durch einen intelligenten Steuerungsansatz, um das bisher ungenutzte Flexibilitätspotenzial zu heben und somit einen positiven Beitrag für den Endnutzer sowie für das ganzheitliche Energiesystem zu erzielen.
Electric field sensing with nitrogen vacancy centers in diamond
(2024) Michl, Julia; Wrachtrup, Jörg (Prof. Dr.)
On the anisotropy of trabeculae in vivo : computationally and morphometry aware
(Stuttgart : Höchstleistungsrechenzentrum, Universität Stuttgart, 2025) Gebert, Johannes; Resch, Michael (Prof. Dr.-Ing.)
Bones and their inner trabecular tissue transmit mechanical loads as part of the skeleton and continuously adapt to forces. Medically indicated implant systems significantly increase the bone’s stiffness, which induces the remodeling of the trabeculae. Aseptic loosening of the bone-implant system is a recurring and, in part, preventable outcome.
Resembling the patient’s tissue stiffness by the implant mitigates this phenomenon. Computed tomography imaging is available to capture the bone’s state a priori of the implantation. However, the spatial resolution in the regime of multiple tens of millimeters depicts the morphology only in a limited manner.
High-resolution microfocus computed tomography is radiologically prohibitive for use in vivo but enables the numerical evaluation of anisotropic stiffness tensors ex vivo. The direct discretization of voxels within cubic subvolumes into finite elements allows for direct mechanics analyses. Therefore, fully triclinic material characterizations in vivo are available as the ground truth.
This report describes a new approach to computing the tensor fields based on cubic subvolumes to quantify the patient-specific linear elasticity, e.g., for designing patient-specific implants. For the first time, anisotropic effective and their enhanced approach, effective numerical stiffnesses based on clinical computed tomography in vivo are available a priori of the implantation.
Direct mechanical evaluations require considerable computing capacities. As an exemplary engineering application, hardware characteristics and a priori available morphological parameters of trabeculae enable energy and runtime savings for simulations. A new approach to documenting the history of datasets, MeRaDat, extends the current state of the art for future, domain-specific research on high-performance computers.
Functors for ordinary and stable simplicial groups : a connection to Conduché's stable crossed modules
(2025) Truong, Monika; Künzer, Matthias (Priv.-Doz. Dr.)
I. A simplicial group models a pointed connected topological space up to homotopy.
We may truncate a simplicial group in such a way that the homotopy groups in positions n and 0 are preserved. In this way, we obtain an [n,0]-simplicial group. This process gives a truncation functor from the category of simplicial groups to the category of [n,0]-simplicial groups. We construct the right-adjoint to this truncation functor that preserves homotopy groups, using methods from Conduché.
II. A stable simplicial group, also called group spectrum or Kan spectrum, models a topological spectrum up to homotopy.
We construct adjoint functors between the category of stable simplicial groups and the category of [n,-∞]-stable simplicial groups that respect homotopy groups.
The category of [1,0]-stable simplicial groups is defined as a full subcategory of [1,-∞]-stable simplicial groups. We show that the category of [1,0]-stable simplicial groups is equivalent to the category of stable crossed modules in the sense of Conduché, using a construction of countably iterated semidirect products.
Studies on special relativity
(2025) Isele, Ricco
The transition between special and general relativity reveals a conceptual gap, particularly when dealing with inertial frames and accelerated observers. However, many of the mathematical tools of differential geometry - typically associated with general relativity - can already be applied within the framework of special relativity to provide a complete description of gravity-free physics.
The first part of this bachelor’s thesis aims to explore and clarify the transition between both theories of relativity, offering insights that may also serve didactic purposes. Central to this endeavor is the replacement of the loosely defined concept of an inertial frame of reference with a rigorous definition of pseudo-orthonormal bases. Building on this foundation, the structure of Minkowski space and passive Lorentz transformations are examined through their relationships to these bases.
The formalism is then extended within the second part of this thesis to include more general, non-inertial coordinate systems. A rigorous formulation of active Lorentz transformations is developed, grounded in the properties established for passive transformations. Since active transformations correspond to actual physical changes in a system, this approach enables the generalization and relativistic derivation of Newton’s second law. This framework allows to easily distinguish between real and fictitious forces and remains even applicable in the Newtonian limit.
Draft genome sequence of furan-degrading Rhodococcus erythropolis strain FUR100
(2024) Helbich, Steffen; Woiski, Christine; Dobslaw, Daniel; Gerl, Thomas; Vainshtein, Yevhen; Sohn, Kai; Engesser, Karl-Heinrich
Homogeneous magnetic flux in Rydberg lattices
(2025) Eix, Joseph; Bai, Rukmani; Lahaye, Thierry; Browaeys, Antoine; Büchler, Hans Peter; Weber, Sebastian
Decoupled sound and amplitude modes in trapped dipolar supersolids
(2024) Hertkorn, Jens; Stürmer, Philipp; Mukherjee, Koushik; Ng, Kevin S. H.; Uerlings, Paul; Hellstern, Fiona; Lavoine, Lucas; Reimann, Stephanie M.; Pfau, Tilman; Klemt, Ralf
Lateinische Quadrate
(2025) Dörrer, Josua
Ein lateinisches Quadrat der Ordnung 𝑛 ist eine 𝑛 × 𝑛 Matrix, in welcher 𝑛 verschiedene Symbole so angeordnet sind, sodass jedes Symbol in jeder Zeile und Spalte genau einmal vorkommt. Lateinische Quadrate lassen sich in Hauptklassen aufteilen, sodass Quadrate, die strukturell gleich sind, in derselben Hauptklasse sind. Zwei lateinische Quadrate sind orthogonal, wenn beim Übereinanderlegen der Quadrate jedes Symbolpaar einmal vorkommt. Ein eindeutig vervollständigbares partielles lateinisches Quadrat ist eine Teilmenge eines lateinischen Quadrats 𝐿, sodass 𝐿 das einzige lateinische Quadrat ist, das eine Übermenge davon ist. Eine kritische Menge eines lateinischen Quadrats ist ein eindeutig vervollständigbares partielles lateinisches Quadrat, wobei keine Teilmenge davon eindeutig vervollständigbar ist.
In dieser Arbeit reproduzieren wir Ergebnisse der folgenden Probleme mit einem Computerprogramm:
• Aufzählen der Hauptklassen von lateinischen Quadraten für Ordnungen 𝑛 ≤ 9.
• Aufzählen der Hauptklassen von paarweise orthogonalen lateinischen Quadraten der Ordnungen 𝑛 ≤ 8.
• Aufzählen der kritischen Mengen der Hauptklassen für Ordnungen 𝑛 ≤ 6.
• Bestimmen der kleinsten kritischen Menge für Ordnungen 𝑛 ≤ 7.
• Bestimmen der größten kritischen Menge für Ordnungen 𝑛 ≤ 6.
Außerdem untersuchen wir das folgende Problem:
• Aufzählen der eindeutig vervollständigbaren partiellen lateinischen Quadrate für Ordnungen 𝑛 ≤ 6.
Making und Computational Thinking in der frühkindlichen Bildung - ein Praxisbericht zum Entwicklungs- und Forschungsprojekt MakeTechEarly (MTE)
(Stuttgart : Universität Stuttgart, Institut für Erziehungswissenschaft, Abteilung Berufspädagogik mit Schwerpunkt Technikdidaktik (BPT), 2025) Bahr, Tobias; Brändle, Marcus; Zinn, Bernd; Bernd
Der Praxisbericht stellt die im Projekt MTE entwickelten 12 Lernarrangements zu den Themen Making und Computational Thinking (Schwerpunkt Problemlösen) vor. Diese wurden in enger Zusammenarbeit zwischen der Universität Stuttgart und Expert:innen der frühkindlichen Bildung entwickelt und in einem sogenannten „natürlichen Setting“ (Lye & Koh, 2014) erprobt. Die in MTE generierten (ersten) empirischen Ergebnisse belegen eine Wirksamkeit der Interventionsmaßnahme auf die CT-Fähigkeiten der beteiligten Vorschulkinder (N = 138) hinsichtlich der inhaltsbezogenen und prozessbezogenen Kompetenzen sowie die positiven technologischen Verhaltensweisen im Kontext der Lernarrangements zu Making.
Trotz der Befundlage sind methodische und strukturelle Limitationen in der Interpretation zu beachten. Die Evaluation stützt sich auf eine relativ kleine und selektive Auswahl von interessierten Erzieher:innen an zehn Kindertagesstätten. Die externe Generalisierbarkeit der Befunde bleibt daher aufgrund einer möglichen Positivauswahl begrenzt. Weitere Einschränkungen resultieren aus unvollständigen Datenerhebungen bei Kindern (bedingt z. B. durch Krankheit der Kinder). Die Befunde sind an das spezifische Setting, die gewählten Zukunftsfähigkeiten und die involvierten Partnerinstitutionen gebunden.
Dennoch lassen sich zentrale Gelingensbedingungen und Erfolgsfaktoren identifizieren, die als Referenz für vergleichbare Initiativen in der frühen Bildung dienen können. Insgesamt beeinträchtigen diese Limitationen zwar die Reichweite der Befunde, schmälern jedoch nicht die grundsätzliche Aussagekraft der Evaluation im Hinblick auf die Wirksamkeit der Interventionen an den beteiligten Kindertagesstätten. Unter Berücksichtigung der limitierenden Aspekte belegen die Studienergebnisse positive Wirkungseffekte auf das Wissen und die Fähigkeiten zu Making und Computational Thinking bei Vorschulkindern. Die quantitativen Ergebnisse zur gemessenen Wirkung werden durch die teilnehmenden Beobachtungen in den Kindertagesstätten untermauert. Die Befunde zeigen darüber hinaus auch auf, dass bereits in der frühkindlichen Bildung im Kontext der individuell realisierten Lehr und Lernarrangements Zukunftsfähigkeiten durch die Erzieher:innen kompetenzorientiert entwickelt werden können.