Grüne Werbebotschaften gibt es bereits zu Hauf – auch in der Beleuchtungsbranche. Nach aktiver Beteiligung an Forschungsprojekten zur Nachhaltigkeit von LED-Beleuchtung ist uns eines klargeworden: Wir brauchen immer noch mehr Leute, die die richtigen Fragen stellen, und weniger solche, die ihre Meinungen als die ultimativen Lösungen verkaufen.

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.

Zur Reduzierung von Treibhausgasemissionen und Energiekosten in der Industrie kann die Steigerung der Energieeffizienz durch Nutzung der verfügbaren Abwärme einen wichtigen Beitrag leisten. Mit den Methoden der Wärmeintegration kann das Abwärmepotenzial quantifiziert und systematisch Maßnahmen zur Nutzung von Abwärme identifiziert werden. Durch die mathematische Optimierung des Wärmetransports von Wärmequellen hin zu Wärmesenken kann ein Wärmeübertrager Netzwerk gebildet werden. Hierbei können je nach Formulierung der Zielfunktion des Optimierungsproblems der benötigte Energiebedarf, die Kosten oder Treibhausgasemissionen minimiert werden. In dieser Arbeit wird ein Ansatz für mehrperiodische Optimierungsprobleme weiterentwickelt und um die Einbindung von sensiblen und latenten thermischen Energiespeichern erweitert. Die Berücksichtigung des Phasenwechsels erfolgt mit Hilfe einer intervallweise linearen Funktion der Speichertemperatur. Durch Einführen von Binärvariablen erfolgt eine Berücksichtigung des jeweils relevanten Intervalls. Darüber hinaus wird eine Methode zur Berücksichtigung von Wärmeverlusten der Rohrleitungen vorgestellt. Die entwickelten Methoden werden in einem Fallbeispiel aus der Textilindustrie angewendet und im Rahmen von Sensitivitätsanalysen ausgewählte Einflussfaktoren untersucht. / Increasing the energy efficiency by using available waste heat can make an important contribution to reducing greenhouse gas emissions and energy costs in the industry. Heat integration methods can be used to quantify the waste heat potential and systematically identify measures for waste heat utilization. By mathematically optimizing the heat transport from heat sources to heat sinks, a heat exchanger network can be designed. Depending on the formulation of the objective function of the optimization problem, the required energy demand, costs or greenhouse gas emissions can be minimized. In this work, an approach for multiperiod optimization problems is further developed and extended to include sensible and latent thermal energy storage. The phase change is considered by an interval linear function of the storage temperature. By introducing binary variables, the relevant interval is taken into account. Furthermore, a method for including heat losses of pipelines is presented. The developed methods are applied in a case study from the textile industry and selected influencing factors are investigated within the scope of sensitivity analyses.

With the explosion of the number of compute nodes, the bottleneck of future computing systems lies in the network architecture connecting the nodes. Addressing the bottleneck requires replacing current backplane-based network topologies. We propose to revolutionize computing electronics by realizing embedded optical waveguides for onboard networking and wireless chip-to-chip links at 200-GHz carrier frequency connecting neighboring boards in a rack. The control of novel rate-adaptive optical and mm-wave transceivers needs tight interlinking with the system software for runtime resource management.

The properties of ferroelectric materials, which were discovered almost a century ago¹ , have led to a huge range of applications, such as digital information storage² , pyroelectric energy conversion³ and neuromorphic computing⁴⁻⁵ . Recently, it was shown that ferroelectrics can have negative capacitance⁶⁻¹¹, which could improve the energy efficiency of conventional electronics beyond fundamental limits¹²⁻¹⁴. In Landau–Ginzburg–Devonshire theory¹⁵⁻¹⁷, this negative capacitance is directly related to the doublewell shape of the ferroelectric polarization–energy landscape, which was thought for more than 70 years to be inaccessible to experiments¹⁸. Here we report electrical measurements of the intrinsic double-well energy landscape in a thin layer of ferroelectric Hf₀.₅Zr₀.₅O₂. To achieve this, we integrated the ferroelectric into a heterostructure capacitor with a second dielectric layer to prevent immediate screening of polarization charges during switching. These results show that negative capacitance has its origin in the energy barrier in a double-well landscape. Furthermore, we demonstrate that ferroelectric negative capacitance can be fast and hysteresis-free, which is important for prospective applications¹⁹. In addition, the Hf₀.₅Zr₀.₅O₂ used in this work is currently the most industry-relevant ferroelectric material, because both HfO₂ and ZrO₂ thin films are already used in everyday electronics²⁰. This could lead to fast adoption of negative capacitance effects in future products with markedly improved energy efficiency.

Bei der Herstellung von direkt reduziertem Eisen im Midrex-Direktreduktionsprozess fallen zahlreiche eisenhaltige, feinkörnige Hüttenreststoffe an. Um eine Deponierung der Reststoffe zu vermeiden wurden zwei verschiedene Varianten zur Aufbereitung dieser Reststoffe durch Brikettierung anhand von Laborversuchen erprobt und hinsichtlich ihrer resultierenden Eigenschaften bewertet. Variante I umfasst die Brikettierung der Reststoffe zum erneuten Einsatz als Ausgangsmaterial im Midrex-Direktreduktionsprozess. Variante II untersucht die Einbindung der Reststoffe bei der ohnehin stattfindenen Heißbrikettierung der reduzierten Pellets zu heiß brikettiertem Eisen (HBI). Die vorliegende Arbeit zeigt für beide Varianten, dass mit geeigneten Mischungszusammensetzungen und Brikettierbedingungen Briketts mit ausreichenden mechanischen, thermischen und metallurgischen Eigenschaften hergestellt werden können. Die zugrunde liegenden Bindemechanismen werden anhand von optischer Mikroskopie, Vickershärtebestimmungen und REM/EDX-Untersuchungen qualitativ beurteilt.:1 Einleitung 2 Stand der Technik 2.1 Direktreduktion, Midrex-Prozess und Reststoffproblematik 2.2 Agglomeration von eisenhaltigen Reststoffen und Feinerzen 2.2.1 Brikettierung von Hüttenreststoffen aus dem Midrex-Prozess 2.2.2 Brikettierung von Reststoffen aus dem Hochofen 2.2.3 Aufbauagglomeration von Feinerzen 2.2.4 Sintern von Feinerzen 2.2.5 Auswahl einer geeigneten Agglomerationsmethode 2.2.6 Anforderungen an die Briketts für den Einsatz im Midrex-Prozess 2.2.7 Anforderungen an HBI-Briketts 2.3 Zielstellung 3 Anwendungsbezogene Grundlagen 3.1 Bindemechanismen 3.2 Pressverdichtung 3.3 Bindemittel 3.3.1 Vorbemerkungen 3.3.2 Bentonit 3.3.3 Stärke und Cellulose 3.3.4 Sulfitablaugen 3.3.5 Zement 3.3.6 Löschkalk 4 Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung 4.1 Charakterisierung des Einsatzmaterials und der Bindemittel 4.1.1 Hüttenreststoffe 4.1.2 Eisenerzpellets 4.1.3 DRI-Pellets 4.1.4 Bindemittel 4.2 Brikettierung mit Bindemittel 4.2.1 Statistische Versuchsplanung 4.2.2 Mischen 4.2.3 Vorwärmen 4.2.4 Brikettieren 4.2.5 Aushärten und Lagerung 4.2.6 Mechanische und metallurgische Beurteilung der Briketts 4.3 Heißbrikettierung 4.3.1 Mischen 4.3.2 Aufheizen 4.3.3 Brikettieren 4.3.4 Beurteilung der Briketteigenschaften 4.4 Betrachtung der Bindemechanismen 5 Ergebnisse und Diskussion 5.1 Brikettierung der Reststoffmischung mit Bindemitteln (Variante I a) 5.1.1 Mechanische Eigenschaften der Briketts 5.1.2 Metallurgische Eigenschaften der Briketts 5.1.3 Chemische Eigenschaften der Reststoffbriketts mit Bindemittel 5.1.4 Zusammenfassung Brikettierung mit Bindemitteln 5.2 Heißbrikettierung der Reststoffmischung (Variante I b) 5.2.1 Einfluss der Mischungszusammensetzung 5.2.2 Einfluss der Pressbedingungen 5.2.3 Mikroskopische Betrachtung 5.2.4 Zusammenfassung Heißbrikettierung der Reststoffmischung 5.3 Gemeinsame Brikettierung der Reststoffmischung mit DRI-Pellets (Variante II) 5.3.1 Einfluss der Reststoffmischung auf die HBI Qualität 5.3.2 Einfluss der Pressbedingungen (Vorwärmtemperatur, Pressdruck) 5.3.3 Mikroskopische Betrachtung 5.3.4 Zusammenfassung Brikettierung Reststoffmischung mit DRI-Pellets 5.4 Beurteilung der Methoden zur Klärung der Bindemechanismen 5.5 Vergleichende Beurteilung der verschiedenen Verwertungsvarianten 6 Zusammenfassung und Ausblick 7 Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungs- und Symbolverzeichnis Anhang

Network softwarization plays a significantly important role in the development and deployment of the latest communication system for 5G and beyond. A more flexible and intelligent network architecture can be enabled to provide support for agile network management, rapid launch of innovative network services with much reduction in Capital Expense (CAPEX) and Operating Expense (OPEX). Despite these benefits, 5G system also raises unprecedented challenges as emerging machine-to-machine and human-to-machine communication use cases require Ultra-Reliable Low Latency Communication (URLLC). According to empirical measurements performed by the author of this dissertation on a practical testbed, State of the Art (STOA) technologies and systems are not able to achieve the one millisecond end-to-end latency requirement of the 5G standard on Commercial Off-The-Shelf (COTS) servers. This dissertation performs a comprehensive introduction to three innovative approaches that can be used to improve different aspects of the current software-driven network data plane. All three approaches are carefully designed, professionally implemented and rigorously evaluated. According to the measurement results, these novel approaches put forward the research in the design and implementation of ultra-reliable low-latency, energy-efficient and computing-first software data plane for 5G communication system and beyond.

In der Projektierungsphase eines Elektrofahrzeugs entstehen optimale Antriebskonfigurationen erst durch die gezielte Kombination der einzelnen Antriebskomponenten. Um technisch vorteilhafte Auslegungszusammenhänge zu erkennen, ist eine systematische Untersuchung der Auslegungsfreiheitsgrade erforderlich. Diese Freiheitsgrade ergeben sich v. a. aus der Wahl der Auslegungsparameter, der Komponententypen und der Antriebstopologien. In diesem Artikel wird gezeigt, wie bereits in einer frühen Entwicklungsphase energieeffiziente Antriebskonfigurationen für Elektrofahrzeuge durch analytische Methoden identifiziert werden. Diese Methoden basieren grundsätzlich auf physikalischen Modellen und frei zugänglichen Datenblattangaben der Komponenten, die v. a. Energiespeicher, Wechselrichter, Elektromotor und Getriebe umfassen. Mithilfe dieser Methoden lässt sich der energetische Vergleich der zahlreichen Antriebskonfigurationen ohne großen Zeitaufwand durchführen. Die Ergebnisse führen schließlich zu einem informativen Auswahldiagramm, mit welchem aussagekräftige Prognosen zu den energieeffizienten Konfigurationen für beliebige Fahrprofile getroffen werden. / Optimal powertrain configurations develop only through the specific combination of individual powertrain components during the project planning phase of an electric vehicle. In order to identify the technically beneficial design correlations, a systematic investigation of the degrees of freedom in the powertrain design is necessary. The degrees of freedom arise primarily from the selection of design parameters, component types, and drive topologies. This article shows how energy-efficient powertrain configurations of electric vehicles can be identified at an early stage of development using analytical methods. These methods are based on physical models and freely available component data sheets. The components include a battery, inverter, electric motor, and gearbox. With these methods, the energy efficiency of various powertrain configurations can be evaluated quickly. The evaluation leads to an informative selection diagram, which allows forecasting energy-efficient configurations for different driving profiles.

Ausgangspunkt der Untersuchung ist die Frage, ob Hybridkonzepte auf hydrostatischer Grundlage eine realistische Alternative zu elektrohybriden Antriebskonfigurationen für Dieseltriebwagen sein können. Die Untersuchung dieser Fragestellung erfolgt mit Hilfe von Simulationsmodellen, die auf der 1-d-Simulationsumgebung Imagine.Lab AMESim beruhen. Zunächst wird die fahrdynamische und antriebstechnische Modellierung eines dieselhydraulischen Regionaltriebwagens unter Berücksichtigung einer energiesparenden Fahrweise dargestellt. Ausgehend von Massenbilanzen werden untereinander vergleichbare Hybridkonfigurationen auf hydrostatischer (Gasdruckspeicher), elektrostatischer (Doppelschichtkondensatoren) und elektrochemischer (Li-Ionen-Speicher) Basis entwickelt. Die Modellierung der hydraulischen und elektrischen Antriebsstränge wird eingehend diskutiert. Die abgeleiteten Hybridkonfigurationen werden anschließend bezüglich spezieller Fahrspiele und Betriebskonzepte detailliert untersucht, um auf dieser Grundlage günstige Parametrierungen der Systeme ableiten und die günstigste Betriebsstrategie identifizieren zu können. Anschließend wird eine umfangreiche Analyse des Verhaltens der verschiedenen Hybridkonfigurationen auf ausgewählten realen Nahverkehrsstrecken vorgenommen. Im Rahmen der durchgeführten Simulationen wird schließlich das Kraftstoffeinsparpotential in Abhängigkeit von Streckenprofil, Hybridkonfiguration und Zugart ermittelt und verglichen.

Energy conservation is a major concern in todays data centers, which are the 21st century data processing factories, and where large and complex software systems such as distributed data management stores run and serve billions of users. The two main drivers of this major concern are the pollution impact data centers have on the environment due to their waste heat, and the expensive cost data centers incur due to their enormous energy demand. Among the many subsystems of data centers, the storage system is one of the main sources of energy consumption. Among the many types of storage systems, key/value stores happen to be the widely used in the data centers. In this work, I investigate energy saving techniques that enable a consistent hash based key/value store save energy during low activity times, and whenever there is an opportunity to reuse the waste heat of data centers.