Tagungsbände des 1. und 2. Methodenworkshop der Querschnittsarbeitsgruppe 1 "Energetisch-wirtschaftliche Bilanzierung" des Spitzentechnologieclusters eniPROD / Proceedings of the 1st and the 2nd workshop of the cross-sectional group 1 'Energy-related technologic and economic evaluation' of the Cluster of Excellence eniPROD

Der Einsatz von erneuerbare Energien und die Anwendung von Energieeffizienz spielt derzeit in den GCC-Staaten noch eine untergeordnete Rolle, aber das Interesse daran ist in den letzten Jahren gewachsen. Die Arbeit wird die Chancen und Hindernisse für den Einsatz von erneuerbare Energien, Empfehlungen für eine bessere Energieeffizienz und für eine stärkere Integration der RE in den Energiemix der GCC-Staaten präsentieren. Die Arbeit beschreibt die traditionelle Energiesituation und analysiert die technischen, wirtschaftlichen und ökologischen Gesichtspunkte des Energieverbrauches in den GCC-Ländern. Der Fokus liegt auf Anwendungen der Solarenergie und Energieeffizienz, jedoch wird auch kurz auf Windenergie, Biomasse und einige Lösungen für energieeffizientes Bauen eingegangen. Außerdem werden Vergleiche mit der Situation in Europa und der Welt vorgenommen. Es soll erreicht werden, dass der Energieverbrauch reduziert sowie Energieeffizienz und die Nutzung erneuerbare Energien gefördert werden.

Hochfeste kupferhaltige Aluminiumlegierungen gelten gemeinhin als „schwer“ anodisierbar, deshalb werden in der vorliegenden Arbeit werkstoffseitige und prozessseitige Maßnahmen zur Verbesserung der Schichtqualität erforscht. Zur eindeutigen Abgrenzung des Einflusses der Cu-Verteilung vom Einfluss anderer Legierungselemente und Verunreinigungen wurde für die Anodisierexperimente zusätzlich zur kommerziellen Legierung EN AW-2024 die hochreine Modelllegierung AlCu4 als Untersuchungswerkstoff gewählt. Insbesondere für die Modelllegierung AlCu4 konnte erstmals eine systematische Veränderung des Schichtbildungsmechanismus beschrieben werden. Mit zunehmender Ausscheidungsbildung nimmt das Ausmaß der Sauerstoffentwicklung ab, woraus erhöhte Schichtdicken und -härten folgen. Die nach Anodisieren der warmausgelagerten Zustände erhaltenen Schichtmikrostrukturen wurden erstmals im Rahmen dieser Arbeit mittels Rasterelektronenmikroskopie beschrieben. Aufgrund reduzierter Schichtrücklösung sind auch auf der Legierung EN AW-2024 im warmaus-gelagerten und überalterten Zustand höhere Schichtdicken und -härten für eine Elektrolyttemperatur von 20 °C erzielbar. Bei einer Elektrolyttemperatur von 5 °C können die Schichtdicke und -härte vor allem durch Zugabe von Additiven zum schwefelsauren Grundelektrolyt gesteigert werden. Im Unterschied zu konventionellen organischen Additiven resultiert die Zugabe von Salpetersäure darüber hinaus in einer Absenkung der Anodisierspannung zu Prozessbeginn und damit in einer Reduzierung der erforderlichen elektrischen Energie. Mit steigender Additivkonzentration nimmt jedoch die Ritzbeständigkeit der Schichten infolge erhöhter Mikrorissigkeit ab. Es ist folglich ein Optimum aus Schichthärte und Mikrorissigkeit zu finden. / High-strength aluminum-copper alloys are generally recognized to be “hardly” anodizable. Hence, the influences of material and process parameters were investigated within this work in order to improve the coating properties. Apart from the commercial alloy EN AW-2024, the high purity model alloy AlCu4 was used for the anodizing experiments in order to distinguish between the influence of the copper distribution and the influence of other alloying elements and impurities. Regarding the model alloy AlCu4, a systematic change of the coating growth mechanism was described for the first time. The extent of oxygen evolution decreases with the intensification of the precipitation leading to increased coating thickness and hardness. In this work, the coating microstructures, resulting from the anodic oxidation of the artificially aged conditions, were described by scanning electron microscopy, for the first time. Due to reduced chemical dissolution of the coatings, higher coating thickness and hardness can also be achieved after room-temperature anodizing of the alloy EN AW-2024 in the artificially aged conditions. For hard-anodizing at an electrolyte temperature of 5 °C, the coating thickness and hardness can be particularly improved by using additives in combination with the sulfuric acid base electrolyte. Beyond that and in contrast to the effect of conventional organic additives, the addition of nitric acid enables the reduction of the anodizing voltage at the beginning of the process and therefore, the reduction of the required electrical energy. However, the scratch resistance of the coatings decreases with increasing additive concentration due to the occurrence of micro crack networks. Consequently, the coating hardness and the amount of microcracks have to be optimized in order to meet concrete application requirements.

Tagungsbände des 1. und 2. Methodenworkshop der Querschnittsarbeitsgruppe 1 "Energetisch-wirtschaftliche Bilanzierung" des Spitzentechnologieclusters eniPROD / Proceedings of the 1st and the 2nd workshop of the cross-sectional group 1 'Energy-related technologic and economic evaluation' of the Cluster of Excellence eniPROD

3. Methodenband der Querschnittsarbeitsgruppe "Energetisch-wirtschaftliche Bilanzierung" des Spitzentechnologieclusters eniPROD / 3rd workbook of the cross-sectional group 'Energy-related technologic and economic evaluation' of the Cluster of Excellence eniPROD

Das wissenschaftliche Rechnen mit der Computersimulation hat sich heute als dritte Säule der wissenschaftlichen Methodenlehre neben der Theorie und dem Experiment etabliert. Aufgabe der Informatik im wissenschaftlichen Rechnen ist es, sowohl effiziente Simulationsalgorithmen zu entwickeln als auch ihre effiziente Implementierung. Die vorliegende Arbeit richtet ihren Fokus auf die effiziente Implementierung zweier wichtiger Verfahren des wissenschaftlichen Rechnens: die Schnelle Multipolmethode (FMM) für Teilchensimulationen und die Methode der finiten Elemente (FEM), die z. B. zur Berechnung der Deformation von Festkörpern genutzt wird. Die Effizienz der Implementierung bezieht sich hier auf die Ausführungszeit der Simulationen und den zur Ausführung notwendigen Energieverbrauch der eingesetzten Rechnersysteme. Die Steigerung der Effizienz wurde durch modellbasiertes Autotuning erreicht. Beim modellbasierten Autotuning wird für die wesentlichen Teile des Algorithmus ein Modell aufgestellt, das dessen Ausführungszeit bzw. Energieverbrauch beschreibt. Dieses Modell ist abhängig von Eigenschaften des genutzten Rechnersystems, von Eingabedaten und von verschiedenen Parametern des Algorithmus. Die Eigenschaften des Rechnersystems werden durch Ausführung des tatsächlich genutzten Codes für verschiedene Implementierungsvarianten ermittelt. Diese umfassen eine CPU-Implementierung und eine Grafikprozessoren-Implementierung für die FEM und die Implementierung der Nahfeld- und der Fernfeldwechselwirkungsberechnung für die FMM. Anhand der aufgestellten Modelle werden die Kosten der Ausführung für jede Variante vorhergesagt. Die optimalen Algorithmenparameter können somit analytisch bestimmt werden, um die gewünschte Zielgröße, also Ausführungszeit oder Energieverbrauch, zu minimieren. Bei der Ausführung der Simulation werden die effizientesten Implementierungsvarianten entsprechend der Vorhersage genutzt. Während bei der FMM die Performance-Messungen unabhängig von der Ausführung der Simulation durchgeführt werden, wird für die FEM ein Verfahren zur dynamischen Verteilung der Rechenlast zwischen CPU und GPU vorgestellt, das auf Ausführungszeitmessungen zur Laufzeit der Simulation reagiert. Durch Messung der tatsächlichen Ausführungszeiten kann so dynamisch auf sich während der Laufzeit verändernde Verhältnisse reagiert und die Verteilung der Rechenlast entsprechend angepasst werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass modellbasiertes Autotuning es ermöglicht, die Effizienz von Anwendungen des wissenschaftlichen Rechnens in Bezug auf Ausführungszeit und Energieverbrauch zu steigern. Insbesondere die Berücksichtigung des Energieverbrauchs alternativer Ausführungspfade, also die Energieadaptivität, wird in naher Zukunft von großer Bedeutung im wissenschaftlichen Rechnen sein. / Computer simulation as a part of the scientific computing has established as third pillar in scientific methodology, besides theory and experiment. The task of computer science in the field of scientific computing is the development of efficient simulation algorithms as well as their efficient implementation. The thesis focuses on the efficient implementation of two important methods in scientific computing: the Fast Multipole Method (FMM) for particle simulations, and the Finite Element Method (FEM), which is, e.g., used for deformation problems of solids. The efficiency of the implementation considers the execution time of the simulations and the energy consumption of the computing systems needed for the execution. The method used for increasing the efficiency is model-based autotuning. For model-based autotuning, a model for the substantial parts of the algorithm is set up which estimates the execution time or energy consumption. This model depends on properties of the computer used, of the input data and of parameters of the algorithm. The properties of the computer are determined by executing the real code for different implementation variants. These implementation variantss comprise a CPU and a graphics processor implementation for the FEM, and implementations of near field and far field interaction calculations for the FMM. Using the models, the execution costs for each variant are predicted. Thus, the optimal algorithm parameters can be determined analytically for a minimisation of the desired target value, i.e. execution time or energy consumption. When the simulation is executed, the most efficient implementation variants are used depending on the prediction of the model. While for the FMM the performance measurement takes place independently from the execution of the simulation, for the FEM a method for dynamically distributing the workload to the CPU and the GPU is presented, which takes into account execution times measured at runtime. By measuring the real execution times, it is possible to response to changing conditions and to adapt the distribution of the workload accordingly. The results of the thesis show that model-based autotuning makes it possible to increase the efficiency of applications in scientific computing regarding execution time and energy consumption. Especially, the consideration of the energy consumption of alternative execution paths, i.e. the energy adaptivity, will be of great importance in scientific computing in the near future.

With respect to the continuous growth of computing systems, the energy-efficiency requirement of their processes becomes even more important. Different configurations, implying different energy-efficiency of the system, could be used to perform the process. A configuration denotes the choice among different hard- and software settings (e.g., CPU frequency, number of threads, the concrete algorithm, etc.). The identification of the most energy-efficient configuration demands to benchmark all configurations. However, this benchmarking is time- and energy-consuming, too. This thesis explores (a) the effect of dynamic voltage and frequency scaling (DVFS) in combination with dynamic concurrency throttling (DCT) on the energy consumption of (de)compression, DBMS query executions, encryption/decryption and sorting; and (b) a generic approach to reduce the benchmarking efforts to determine the optimal configuration. Our findings show that the utilization of optimal configurations can save wavg. 15.14% of energy compared to the default configuration. Moreover, we propose a generic heuristic (fractional factorial design) that utilizes data mining (adaptive instance selection) together with machine learning techniques (multiple linear regression) to decrease benchmarking effort by building a regression model based on the smallest feasible subset of the benchmarked configurations. Our approach reduces the energy consumption required for benchmarking by 63.9% whilst impairing the energy-efficiency of performing the computational process by only 1.88 pp, due to not using the optimal but a near-optimal configuration.

As the wireless communication technologies evolve and the demand of wireless services increases, spectrum scarcity becomes a bottleneck that limits the introduction of new technologies and services. Spectrum sharing between primary and secondary users has been brought up to improve spectrum efficiency. In underlay spectrum sharing, the secondary user transmits simultaneously with the primary user, under the constraint that the interference induced at the primary receiver is below a certain threshold, or a certain primary rate requirement has to be satisfied. Specifically, in this thesis, the coexistence of a multiple-input single-output (MISO) primary link and a MISO/multiple-input multiple-output (MIMO) secondary link is studied. The primary transmitter employs maximum ratio transmission (MRT), and single-user decoding is deployed at the primary receiver. Three scenarios are investigated, in terms of the interference from the primary transmitter to the secondary receiver, namely, weak interference, strong interference and very strong interference, or equivalently three ranges of primary rate requirement. Rate splitting and successive decoding are deployed at the secondary transmitter and receiver, respectively, when it is feasible, and otherwise single-user decoding is deployed at the secondary receiver. For each scenario, optimal beamforming/precoding and power allocation at the secondary transmitter is derived, to maximize the achievable secondary rate while satisfying the primary rate requirement and the secondary power constraint. Numerical results show that rate splitting at the secondary transmitter and successive decoding at the secondary receiver does significantly increase the achievable secondary rate if feasible, compared with single-user decoding at the secondary receiver. In overlay spectrum sharing, different from underlay spectrum sharing, the secondary transmitter can utilize the knowledge of the primary message, which is acquired non-causally (i.e., known in advance before transmission) or causally (i.e., acquired in the first phase of a two-phase transmission), to help transmit the primary message besides its own message. Specifically, the coexistence of a MISO primary link and a MISO/MIMO secondary link is studied. When the secondary transmitter has non-causal knowledge of the primary message, dirty-paper coding (DPC) can be deployed at the secondary transmitter to precancel the interference (when decoding the secondary message at the secondary receiver), due to the transmission of the primary message from both transmitters. Alternatively, due to the high implementation complexity of DPC, linear precoding can be deployed at the secondary transmitter. In both cases, the primary transmitter employs MRT, and single-user decoding is deployed at the primary receiver; optimal beamforming/precoding and power allocation at the secondary transmitter is obtained, to maximize the achievable secondary rate while satisfying the primary rate requirement and the secondary power constraint. Numerical results show that with non-causal knowledge of the primary message and the deployment of DPC at the secondary transmitter, overlay spectrum sharing can achieve a significantly higher secondary rate than underlay spectrum sharing, while rate loss occurs with the deployment of linear precoding instead of DPC at the secondary transmitter. When the secondary transmitter does not have non-causal knowledge of the primary message, and still wants to help with the primary transmission in return for the access to the spectrum, it can relay the primary message in an amplify-and-forward (AF) or a decode-and-forward (DF) way in a two-phase transmission, while transmitting its own message. The primary link adapts its transmission strategy and cooperates with the secondary link to fulfill its rate requirement. To maximize the achievable secondary rate while satisfying the primary rate requirement and the primary and secondary power constraints, in the case of AF cooperative spectrum sharing, optimal relaying matrix and beamforming vector at the secondary transmitter is obtained; in the case of DF cooperative spectrum sharing, a set of parameters are optimized, including time duration of the two phases, primary transmission strategies in the two phases and secondary transmission strategy in the second phase. Numerical results show that with the cooperation from the secondary link, the primary link can avoid outage effectively, especially when the number of antennas at the secondary transceiver is large, while the secondary link can achieve a significant rate. Power is another precious resource besides spectrum. Instead of spectrum efficiency, energy-efficient spectrum sharing focuses on the energy efficiency (EE) optimization of the secondary transmission. The EE of the secondary transmission is defined as the ratio of the achievable secondary rate and the secondary power consumption, which includes both the transmit power and the circuit power at the secondary transmitter. For simplicity, the circuit power is modeled as a constant. Specifically, the EE of a MIMO secondary link in underlay spectrum sharing is studied. Three transmission strategies are introduced based on the primary rate requirement and the channel conditions. Rate splitting and successive decoding are deployed at the secondary transmitter and receiver, respectively, when it is feasible, and otherwise single-user decoding is deployed at the secondary receiver. For each case, optimal transmit covariance matrices at the secondary transmitter are obtained, to maximize the EE of the secondary transmission while satisfying the primary rate requirement and the secondary power constraint. Based on this, an energy-efficient resource allocation algorithm is proposed. Numerical results show that MIMO underlay spectrum sharing with EE optimization can achieve a significantly higher EE compared with MIMO underlay spectrum sharing with rate optimization, at certain SNRs and with certain circuit power, at the cost of the achievable secondary rate, while saving the transmit power. With rate splitting at the secondary transmitter and successive decoding at the secondary receiver if feasible, a significantly higher EE can be achieved compared with the case when only single-user decoding is deployed at the secondary receiver. Moreover, the EE of a MIMO secondary link in overlay spectrum sharing is studied, where the secondary transmitter has non-causal knowledge of the primary message and employs DPC to obtain an interference-free secondary link. Energy-efficient precoding and power allocation is obtained to maximize the EE of the secondary transmission while satisfying the primary rate requirement and the secondary power constraint. Numerical results show that MIMO overlay spectrum sharing with EE optimization can achieve a significantly higher EE compared with MIMO overlay spectrum sharing with rate optimization, at certain SNRs and with certain circuit power, at the cost of the achievable secondary rate, while saving the transmit power. MIMO overlay spectrum sharing with EE optimization can achieve a higher EE compared with MIMO underlay spectrum sharing with EE optimization. / Aufgrund der rasanten Entwicklung im Bereich der drahtlosen Kommunikation und der ständig steigenden Nachfrage nach mobilen Anwendungen ist die Knappheit von Frequenzbändern ein entscheidender Engpass, der die Einführung neuer Funktechnologien behindert. Die gemeinsame Benutzung von Frequenzen (Spektrum-Sharing) durch primäre und sekundäre Nutzer ist eine Möglichkeit, die Effizienz bei der Verwendung des Spektrums zu verbessern. Bei der Methode des Underlay-Spektrum-Sharing sendet der sekundäre Nutzer zeitgleich mit dem primären Nutzer unter der Einschränkung, dass für den primären Nutzer die erzeugte Interferenz unterhalb eines Schwellwertes liegt oder gewisse Anforderungen an die Datenrate erfüllt werden. In diesem Zusammenhang wird in der Arbeit insbesondere die Koexistenz von Mehrantennensystemen untersucht. Dabei wird für die primäre Funkverbindung der Fall mit mehreren Sendeantennen und einer Empfangsantenne (MISO) angenommen. Für die sekundäre Funkverbindung werden mehrere Sendeantennen und sowohl eine als auch mehrere Empfangsantennen (MISO/MIMO) betrachtet. Der primäre Sender verwendet Maximum-Ratio-Transmission (MRT) und der primäre Empfänger Einzelnutzerdecodierung. Für den sekundären Nutzer werden außerdem am Sender eine Datenratenaufteilung (rate splitting) und am Empfänger entweder eine sukzessive Decodierung – sofern sinnvoll – oder andernfalls eine Einzelnutzerdecodierung verwendet. Im Unterschied zur Methode des Underlay-Spektrum-Sharing kann der sekundäre Nutzer beim Verfahren des Overlay-Spektrum-Sharing die Kenntnis über die Nachrichten des primären Nutzers einsetzen, um die Übertragung sowohl der eigenen als auch der primären Nachrichten zu unterstützen. Das Wissen über die Nachrichten erhält er entweder nicht-kausal, d.h. vor der Übertragung, oder kausal, d.h. während der ersten Phase einer zweistufigen Übertragung. In der Arbeit wird speziell die Koexistenz von primären MISO-Funkverbindungen und sekundären MISO/MIMO-Funkverbindungen untersucht. Bei nicht-kausaler Kenntnis über die primären Nachrichten kann der sekundäre Sender beispielsweise das Verfahren der Dirty-Paper-Codierung (DPC) verwenden, welches es ermöglicht, die Interferenz durch die primären Nachrichten bei der Decodierung der sekundären Nachrichten am sekundären Empfänger aufzuheben. Da die Implementierung der DPC mit einer hohen Komplexität verbunden ist, kommt als Alternative auch eine lineare Vorcodierung zum Einsatz. In beiden Fällen verwendet der primäre Transmitter MRT und der primäre Empfänger Einzelnutzerdecodierung. Besitzt der sekundäre Nutzer keine nicht-kausale Kenntnis über die primären Nachrichten, so kann er als Gegenleistung für die Mitbenutzung des Spektrums dennoch die Übertragung der primären Nachrichten unterstützen. Hierfür leitet er die primären Nachrichten mit Hilfe der Amplify-And-Forward-Methode oder der Decode-And-Forward-Methode in einer zweitstufigen Übertragung weiter, währenddessen er seine eigenen Nachrichten sendet. Der primäre Nutzer passt seine Sendestrategie entsprechend an und kooperiert mit dem sekundären Nutzer, um die Anforderungen an die Datenrate zu erfüllen. Nicht nur das Spektrum sondern auch die Sendeleistung ist eine wichtige Ressource. Daher wird zusätzlich zur Effizienz bei der Verwendung des Spektrums auch die Energieeffizienz (EE) einer sekundären MIMO-Funkverbindung für das Underlay-Spektrum-Sharing-Verfahren analysiert. Wie zuvor wird für den sekundären Nutzer am Sender eine Datenratenaufteilung (rate splitting) und am Empfänger entweder eine sukzessive Decodierung oder eine Einzelnutzerdecodierung betrachtet. Weiterhin wird die EE einer sekundären MIMO-Funkverbindung für das Overlay-Spektrum-Sharing-Verfahren untersucht. Dabei nutzt der sekundäre Nutzer die nicht-kausale Kenntnis über die primären Nachrichten aus, um mittels DPC eine interferenzfreie sekundäre Funkverbindung zu erhalten.

Aus der Einführung: "Werbung für elektrische Haushaltsgroßgeräte spielte für die Durchsetzung und breite Akzeptanz von Elektrizität in den Privathaushalten der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts eine wichtige Rolle. Diese ist in zahlreichen Studien zur Technisierung des Haushaltes beschrieben worden.1 Im Zeichen einerbreitenwirksamen Ökologisierung von Politik und Alltag seit den 1970er Jahren entwickelte sich in den darauf folgenden Jahrzehnten eine neue Verbindung von Energieversorgung und Hausgerätekonsum. Standen bis 1970 Argumente der Arbeitserleichterung und Zeitersparnis durch elektrische Hausgeräte im Vordergrund von Werbebemühungen, so wurde dies in einem bis zur Gegenwart andauernden Prozess durch Hinweise auf einen besonders geringen Stromverbrauch von Kühlschränken oder Waschmaschinen ergänzt. Das Fortschrittsversprechen eines vollelektrischen Haushaltes sollte unter ökologischen Vorzeichen neu verhandelt werden und im Fortschrittsversprechen eines energieeffizienten Haushaltes seinen heutigen Ausdruck finden."

Vor dem Hintergrund steigender Energie- und Rohstoffpreise stellen die Anwender elektrischer Antriebe zunehmend die Forderung nach einer wesentlichen Erhöhung des Wirkungsgrades der elektrischen Maschinen. Um einerseits Masse, Bauvolumen und Material zu sparen, andererseits aber auch die Verluste in der elektrischen Maschine zu senken, müssen moderne Magnetkreiswerkstoffe und Wicklungstechnologien angewendet werden. Im Rahmen der Diplomarbeit sind verschiedene Varianten energieeffizienter Elektromaschinen zu untersuchen. Hierbei sind insbesondere folgende Ausführungsformen detailliert zu betrachten: • Permanenterregte Synchronmaschine mit Si-legiertem Blech (Referenz) • Permanenterregte Synchronmaschine mit Co-legiertem Blech • Permanenterregte Synchronmaschine mit Ni-legiertem Blech • Einsatz von SMC (Soft Magnetic Compound, Pulververbundwerkstoff) • Permanenterregte Synchronmaschine mit Zahnspulenwicklung • Sinnvolle Kombinationen der o.g. Punkte Die Untersuchungen sollen sich dabei auf Antriebsmotoren im Leistungsbereich um 1 kW bei Drehzahlen von 1400 bis 3000 min−1 erstrecken. Für jede Variante ist mit Hilfe von FEM-Berechnungen der Magnetkreis im Sinne geringster Verluste zu optimieren und der zu erwartende Wirkungsgrad im Bemessungspunkt abzuschätzen. Darüber hinaus sind Referenzmessungen an einer konventionellen permanenterregten Synchronmaschine vorzunehmen, um die erhaltenen Ergebnisse sinnvoll einordnen zu können.