Innovation und Kooperation auf dem Weg zur All Electric Society

Die All Electric Society ist ein unumgängliches Zukunftsszenario. Der Weg dahin ist essenziell für die Reduzierung der Klimafolgen und vergleichbar mit der Transformation, welche durch die industrielle Revolution zu Beginn des 19. Jahrhunderts in Gang gesetzt wurde. Damit diese Transformation bewältigt werden kann, benötigt es neue Innovationsprozesse, welche unter disruptiven Bedingungen technologische und gesellschaftliche Betrachtungen analysieren, abstrahieren und so ganzheitliche Lösungen emergieren. Der im Rahmen dieses Beitrags vorgestellte Boosted Innovation Loop ist ein solches Innovationsmodell. Es zeigt mit den funktionalen Entwicklungsstationen wie inter- und transdisziplinär Technologien, Methoden, Produkte oder Dienstleistungen im Einklang mit der Gesellschaft entwickelt werden können. Dabei ist die Kombination, Integration und Synthese in den Innovationsfeldern Mobilität, Elektrizität und Digitalität die Grundlage für die erforderte Sektorenkopplung.

Energiespeicher werden in unserem zukünftigen Energiesystem eine immer wichtigere Rolle spielen, wenn ein Umstieg auf 100 % Energie aus erneuerbaren Quellen gelingen soll. Daher wird es auch vermehrt zum Einsatz von Speichern auf Übertragungsnetz- und Quartiersebene kommen. Allerdings müssen diese auch dementsprechend intelligent betrieben werden. Für die benötigte Energiespeichersteuerung werden Prognoseverfahren zunehmend relevant, um den Speicher optimal nutzen zu können. Dabei ist ein entsprechendes Messwerterfassungssystem vorausgesetzt. Auf diese Weise kann gewährleitstet werden, dass Lade- und Entladevorgänge immer dann durchgeführt werden, wenn im angeschlossenen Netz entweder Leistungsbedarf durch eine hohe Verbraucherlast oder Leistungsüberschüsse durch eine entsprechend hohe Erzeugung, vorliegt. Zudem kann bei einem solchen Energiespeichermanagement darauf geachtet werden, dass es netzdienlich betrieben wird. In einer All Electric Society ist die effiziente Nutzung von elektrischer Energie von hoher Bedeutung. In diesem Beitrag wird ein neuentwickeltes Prognoseverfahren vorgestellt, mit dem die oben genannten Anforderungen einfacher realisiert werden können.

Für die Schaffung einer zukünftigen CO₂-neutralen Energieversorgung werden auch auf das elektrische Versorgungsnetz weitreichende Veränderungen zu kommen. Durch den Ausbau regenerativer Erzeugungsanlagen wird beispielsweise die bisher nahezu gleichmäßige Leistungsbereitstellung stärker von externen Faktoren wie Wind und Sonneneinstrahlung abhängig. Es müssen somit Möglichkeiten gefunden werden, einer zukünftigen, auf elektrischer Energie basierenden Gesellschaft, eine unterbrechungsfreie Stromversorgung weiterhin zu gewährleisten. Innerhalb dieses Berichtes sollen die Veränderungen, welche auf das elektrische Netz zukommen, näher beleuchtet werden und der elektrochemische Kurzzeitspeicher als Flexibilitätsoption vorgestellt werden. Hierbei sollen, unter anderem, verschiedene Einsatzbereiche näher betrachtet werden. Darauffolgend werden praxisnahe Anwendungsszenarien, in welchen Speicher betrieben werden können, und die dafür entwickelten Betriebsregime vorgestellt.

Der Praxisbeitrag „Ladeinfrastruktur im öffentlichen Raum“ zeigt die zum Teil erwarteten, aber auch unerwarteten Hürden bei der Überführung einer umsetzungsreifen Konzeption zur Errichtung von Ladeinfrastruktur im öffentlichen Raum in eine gängige Praxis auf. Im Zuge dessen werden nach einem Ansatz für eine Methodik zur Auswahl der Standorte auch Herausforderungen bei der anschließenden Errichtung, Inbetriebnahme sowie dem Betrieb selbst beleuchtet. Die ebenfalls aus der Praxis heraus entstandenen Lösungsansätze werden insoweit dargestellt, dass sie skalierbar auf weitere Projekte sowie auf dem Weg unserer Gesellschaft zur All Electric Society, entsprechende Hürden dauerhaft senken oder sogar gänzlich ausräumen können.

Die fortschreitende Vernetzung von Geräten im Internet der Dinge in Kombination mit der Digitalisierung verändert Märkte und Branchen nachhaltig. Im Rahmen des DiWo-Chain Projektes wird an der Entwicklung und lokalen Integration der Blockchain-Technologie in digitale Dienstleistungen der Wohnungswirtschaft geforscht. Durch die verwendete Blockchain-Technologie soll die Gestaltung von effizienten, betriebs-, manipulations- und datenschutzsicheren Dienstleistungen der Wohnungswirtschaft ermöglicht werden. In diesem Beitrag wird eine Lösung beschrieben, welche die Integration und Realisierung vereinfacht. Zur Umsetzung wurde eine Java OSGi-Anwendung in Kombination mit einer Angular-Anwendung für die Interaktion mit der Hyperledger Fabric Blockchain entwickelt. Diese Blockchain-basierte Lösung kann dynamisch für diverse Anwendungsfälle angepasst werden. In diesem Beitrag werden ausgewählte Szenarien der Wohnungswirtschaft beschrieben, die für den Einsatz der entwickelten Lösung geeignet sind.

Der deutsche Maschinen- und Anlagenbau ist durch kleine und mittelständische Unternehmen geprägt und charakterisiert den Industriestandort Deutschland. Die Unternehmen befinden sich im Spannungsfeld zwischen kundenindividueller Einzelfertigung in höchster Qualität auf der einen Seite und der Effizienzeinhaltung in Bezug auf nachhaltig erfolgreiches Wirtschaften und ressourcenschonende Produktionsverfahren auf der anderen Seite. Zukünftig muss die Branche mehr noch als heute steigende Anforderungen an Ressourceneffizienz und Konnektivität ihrer Produkte realisieren, um wettbewerbsfähig zu bleiben und sich auf einem globalen Markt zu behaupten. Dieser Beitrag stellt Forschungsergebnisse aus dem Bereich des Projektmanagements im Maschinen- und Anlagenbau vor und zeigt die Potentiale durch datengestützte Werkzeuge zur Entscheidungsunterstützung auf. Mit Hilfe fortschrittlicher Business-Analytics-Methoden wird ein datenbasiertes Projektmanagement konzipiert, um die unternehmerischen Wertschöpfungsprozesse zu projektieren und zu terminieren. Die Ergebnisse werden genutzt, um die Prozesse planbarer und effizienter zu machen. In einem langfristigen Sinne bietet die digitale Verfügbarkeit der Informationen die Chance, Wissen aus vergangenen Projekten zur Verbesserung der Planung sowie der Geschäftsprozesse zu verwenden.

Im Dezember 2021 wurde ein Calliope mini Mikrocontroller mit einer SpaceX Falcon 9 Rakete im Rahmen der SpaceX Cargo Resupply Mission 24 zur Internationalen Raumstation transportiert. Dort wurd er mit der Astro Pi IR-Hardware der ESA gekoppelt. Der Beitrag führt in die im September 2021 gestartete „Space Hack“-Aktion an deutschen Schulen ein, die für Schülerinnen und Schülern (SuS) im Alter von ca. zehn Jahren konzipiert wurde. Vielen SuS fehlt es nach der Schulausbildung an Programmierkenntnissen, obwohl im Zuge der Digitalisierung Kompetenzen in den Bereichen Technik und Informationstechnologie immer wichtiger werden. Der sternförmige Mikrocontroller Calliope mini ermöglicht mithilfe intuitiver Blockprogrammierung einen spielerischen Zugang zur Informatik bereits im Grundschulalter. Der finale Einsendeschluss der „Space Hack“ Code-Beiträge der SuS war der 15.1.2022. Insgesamt haben 377 SuS aus 36 Klassen und 28 Einzelbeiträgen am „Space Hack“ teilgenommen und dabei 120 Programme eingereicht. Der Mikrocontroller wurde darüber hinaus mit weiteren Sensoren bestückt und so zu einem Multimessinstrument und Erdbeobachtungsgerät umfunktioniert. Die Experimente werden in drei Kategorien eingeteilt: vorinstallierte Nicht-Fenster-Experimente, die o.g. SuS-Experimente und vorinstallierte Fenster-Experimente. Der Beitrag führt in die technischen Begebenheiten des CalliopEO-Experimentes ein und stellt didaktische Begleitmaterialien vor, mit denen Programmiertechniken bereits in der Grundschule selbstständig erlernt werden können. Auf dem Weg zur „All Electric Society“ möchte dieser Beitrag also nicht nur darlegen, wie der Transfer von Themen des Hochtechnologie-Sektors Raumfahrt in die Schulen gelingen kann, sondern wie bereits Grundschul-SuS aktiv an eigenen Experimenten im Bereich der Umweltbeobachtung mitwirken können. Der Einsatz von Mikrocontrollern, die eo ipso auf elektrische Energie angewiesen sind, vom Weltall ins Klassenzimmer verknüpft die Faszinationsfelder Umwelt und Technik und vermittelt den SuS die wichtigste Fremdsprache im 21. Jahrhundert: Die Sprache der Computer.

Der Verkehrssektor übernimmt eine wesentliche Rolle bei der Transformation zur All Electric Society. Ideen und Umsetzungsbeispiele für die Verkehrs- und Mobilitätswende sind für Großstädte und Metropolen vielfältig dokumentiert. Auf Mittelstädte sind diese Lösungen jedoch nicht immer übertragbar, besitzen sie doch ganz individuelle Rahmenbedingungen und Herausforderungen. Dieser Beitrag beschäftigt sich mit den spezifischen Problemstellungen von Mittelstädten im Spannungsfeld von Stabilisierungs- und Fortschrittsnotwendigkeiten. Am Fallbeispiel der Stadt Zwickau werden verschiedene Vorhaben vorgestellt, die auf smarte und zielgerichtete Art und Weise dieser Aufgabe begegnen. Die dargestellten Projektansätze beantworten im Besonderen folgende Fragen: Welche Rolle können Forschungsvorhaben bei der Implikation von Mobilitätsinnovationen spielen? Wie kann Bürgerbeteiligungen für Akzeptanz und Zielorientierung von Maßnahmen genutzt werden? Welche Funktionen können Kooperationen und Kollaborationen übernehmen? Der Beitrag dokumentiert eine Blaupause für das Gelingen von Transformationen abseits von Großstädten und Metropolen.

Anhand eines Forschungsprojekts zur Entwicklung eines flexiblen und datengetriebenen Mobilitätsangebotes zur Reduktion des motorisierten Freizeitverkehrs und der Lenkung von Besucherströmen in ländlichen Tourismusregionen, werden zunächst technische Herausforderungen wie Ladeinfrastruktur oder Sektorkopplung diskutiert, die bei der Transformation hin zur All Electric Society zu bewältigen sind. Sodann zeigen die Themen der Interoperationalität von Plattformen oder der Verfügbarkeit von Daten als Open Data, dass zentrale Herausforderungen nicht nur in genuin technischen Bereichen zu finden sind, sondern v. a. in der Bewältigung hoher Transaktionskosten der beteiligten Akteure liegen können. Darüber hinaus werfen die starken Beharrungstendenzen von (Mobilitäts-)Verhaltensroutinen die Frage auf, ob räumliche Unterschiede bzgl. sozio-kultureller Werthaltungen und (Technik-)Präferenzen nicht sehr viel stärker bei der Entwicklung von Mobilitätsalternativen zu berücksichtigen sind. Die weitere Forschung kann hier einen relevanten Beitrag zur Passfähigkeit dieser Werthaltungen und Routinen einerseits und korrespondierenden Technologien andererseits leisten und Perspektiven für unterschiedliche Transformationspfade hin zur All Electric Society aufzeigen.

Die zunehmende digitale Erfassung von Wohn- und Nutzgebäuden für die energetisch effiziente Regelung und Steuerung durch Kommunikation und Automation stellt in Anbetracht des Klimawandels und steigender Energiepreise einen möglichen, minimalinvasiven und geringinvestiven Lösungsansatz für die Problemlage dar und bietet zukünftig das Potential, über die entstehenden Infrastrukturen innovative digitale Services und Dienstleistungen anzubieten. Diese stellen grundsätzlich einen elementaren Baustein auf dem Weg zur All Electric Society dar. Auf der anderen Seite werden die Systeme komplexer und die Planung, Projektierung, Informationserfassung und Verwaltung von Infrastrukturen und Bestand zunehmend aufwendiger, während das fachlich qualifizierte Personal demographisch bedingt seit Jahrzehnten rückläufig zur Verfügung steht. Im Rahmen dieses Beitrags wird ein Lösungsansatz beschrieben, wie die Erzeugung der erforderlichen Infrastrukturen mittels durchgängiger Informationsmodelle und Generatorenworkflows zur automatisierten Verarbeitung gelöst wurde. Weiterhin werden Einblicke in die praktische Umsetzung und Anwendung im Realeinsatz sowie gewonnene Erfahrungswerte geboten.

Mit über 17 % trägt allein die Versorgung des Wohngebäudesektors mit Raumwärme wesentlich zum Endenergieverbrauch in Deutschland bei. Um die Ziele einer „All Electric Society“ zu erreichen und auch eine Wärmeversorgung von Wohngebäuden auf Grundlage rein regenerativer Energien sicherzustellen, rückt zunehmend auch die Steigerung der Energieeffizienz durch die Digitalisierung und Automatisierung der Wärmeversorgung in den Fokus. In Wohngebäuden ist diese Entwicklung untrennbar mit den Stichworten Gebäudeautomatisierung, Smart-Home-Technologie (SHT) und Energiemanagement verbunden. Trotz der oft vorhergesagten Potentiale fristen solche Ansätze im Wohngebäudesektor ein Nischendasein. Der Beitrag beschäftigt sich daher mit der Frage, inwieweit SHT zu mehr Energieeffizienz im Wohngebäudesektor beitragen können und welche Barrieren dabei zu überwinden sind. Dazu werden zunächst bereits vorhandene Studien und Potenzialanalysen herangezogen, um dann die Ergebnisse aus einem Jahr Reallabor in zwei Mehrfamiliengebäuden zu berichten. Hier zeigt sich die Bedeutung der Interaktion zwischen verschiedenen Nutzergruppen und der Technik in der Entwicklung, Implementierung und Nutzung von SHT. So lautet denn auch das Fazit, dass insbesondere die Vermittlung zwischen Bewohnern und Technik zentral ist, um diesen Technologien zu Erfolg in der Breite zu verhelfen.

Die Umsetzung der Zukunftsvision „All Electric Society“ stellt eine Herausforderung und Umorientierung in nahezu allen Bereichen der Energieumwandlung, des -transports, der -speicherung und des -verbrauches dar. Für das vorliegende Energieversorgungskonzept der Schule am Windberg im Zusammenhang, mit einem umliegenden Wohngebiet im Zwickauer Stadtteil Marienthal, ist die Umgestaltung eines bestehenden konventionellen Nahwärmenetzes in ein Thermisches Smart Grid unter Einsatz von Sektorenkopplung, regenerativen Energiequellen und dem bidirektionalen Versand von Energiepaketen vorgesehen. Ein wichtiges Element zur Realisierung ist das Wirkprinzip der Wärmepumpe. Der hier beschriebene Praxisfall zeigt Wege auf, um das dieser Technik innewohnende Potential weiter auszuschöpfen. Hierbei wurde die Kombination mit einer PV-Anlage samt elektrischem Speicher und die Versorgung der Schule mit Heiz- und Kühlenergie in einem mathematischen Modell simuliert. Die Ergebnisse bieten die Möglichkeit einer simulationsgestützten Planung zur Auslegung der Gebäudetechnik in einem thermisch-elektrischen Verbundsystem.

Quartiere sind nach Einzelgebäuden die kleinste systemische Energieeinheit auf lokaler Verteilnetzebene (0,4 kV bis 30 kV). Auf dieser Ebene treffen dezentrale und volatile Erzeugungsanlagen auf einen erhöhten Strombedarf durch die Elektrifizierung des Pkw-Verkehrs, die Nutzung von elektrischen Wärmepumpen und die Herstellung von Wasserstoff. Für die Abdeckung eines erhöhten Mehrbedarfs an elektrischem Strom auf Verteilnetzebene müssen eine Reihe von sozio-technologischen Komponenten sinnvoll miteinander verknüpft werden. Vor diesem Hintergrund betrachtet der vorliegende Artikel den Stand der Technik von Systemkomponenten, die für eine möglichst hohe Vollversorgung mit elektrischem Strom notwendig sind. Hierfür wurden energetische Quartierskonzepte analysiert, die in den letzten zehn Jahren deutschlandweit erarbeitet wurden. Die Konzepte geben Aufschluss über den Stand der Elektrifizierung und zukünftiger Planungen. Auf Grundlage der Auswertung werden die „Lessons learnt“-Bausteine für die Planung möglichst elektrifizierter Quartiere (All Electric Districts) zusammengefasst. Auf dem Weg zu einer All Electric Society müssen die Konzepte in Zukunft stärker die synergetischen Potenziale der Sektoren Mobilität, Strom und Wärme zusammendenken und eine ganzheitliche Betriebsstrategie auf Quartiersebene entwickeln.

Um Klimaziele zu erreichen, sind insbesondere Städte aufgefordert, Lösungen zu entwickeln. Eine Abkehr von fossiler Energie muss in allen Gesellschaftsbereichen erfolgen, doch gerade dem Strom- und Wärmesektor im Gebäudebereich wird eine große Verantwortung zugeschrieben. Der Beitrag zeigt anhand eines Fallbeispiels, wie durch das Zusammenspiel von Schlüsselakteuren aus kommunaler Verwaltung und Unternehmen der Energie- und Wohnungswirtschaft, wissenschaftlichen Partnern unterschiedlicher Disziplinen sowie Bewohnerinnen und Bewohnern für alle lokal tragbare Lösungen für die Energiewende entwickelt wurden. Das Projekt „Zwickauer Energiewende demonstrieren“ (ZED) zeigt in einem ganzheitlichen Ansatz mithilfe der Digitalisierung als Förderer technischer und sozialer Innovationen, dass die energetische Transformation auch im Bestand erfolgreich sein und als Blaupause für andere Kommunen dienen kann.

Die Arzneimitteltherapie ist die wirksamste und am häufigsten angewendete ärztliche Therapieoption. Medikationsirrtümer stellen mit einem Anteil von 35 % die größte Dimension der Fehlerursachen, die zu adversen Ereignissen in der Patientenversorgung führen, dar. Zudem sind zehn bis 15 % der Krankenhauseinweisungen von Menschen über 70 Jahren auf Medikationsfehler zurückzuführen. Diese Arbeit untersucht die Bedeutung und den Umfang, welcher der Implementierung eines Closed Loop Medication Managements aus Sicht der stationären Patientenbehandlung zukommt. Closed Loop Medication Management kann sinngemäß als der geschlossene Medikationsprozess übersetzt werden. Die Basis für den geschlossenen Medikationsprozess ist eine elektronische Medikamentenverordnung, inklusive eines Entscheidungsunterstützungssystems, sogenannte CPOE- und CDS-Systeme (Computerized Physician Order Entry und Clinical Decision Support-Systems). Folgende Fragen ergeben sich in diesem Kontext: Welche Elemente fordert ein Closed Loop Medication Management im Krankenhauskontext? Welche Voraussetzungen müssen geschaffen werden, um ein Closed Loop Medication Management umzusetzen?

In den letzten Jahren stieg die Leistungsfähigkeit künstlicher Intelligenz (KI) kontinuierlich an und damit nahmen ihre Einsatzgebiete ständig zu. Unter der Betrachtung des stetig steigenden Bedarfs von Ressourcen im Gesundheitssektor, drängt sich die Verwendung dieser Technologie in diesem Bereich auf. Eine Zusammenarbeit der Domänen Informatik und Medizin verspricht hierbei schnelle und effektive Entwicklungen. In der Zusammenarbeit konnte gezeigt werden, dass mit der Integration von Wissen aus beiden Bereichen eine Software zur automatisierten EKG-Auswertung bei Kindern in kurzer Zeit mit minimalen Ressourcen erstellt werden kann. Die Apple Watch bietet die Möglichkeit der Aufzeichnung eines 1-Kanal-EKGs für unterwegs und liefert gleichzeitig eine Software, die beim Erwachsenen automatisch bestimmte Herzrhythmusstörungen, wie Vorhofflimmern, erkennt. Ziel war es, die bestehenden Möglichkeiten zu ergänzen und die bisherige Verwendungsmöglichkeit auf den pädiatrischen Bereich auszuweiten. Die entwickelte Software übertrifft die Ergebnisse der Apple Watch und stellt den ersten bekannten Algorithmus für die KI-basierte EKG-Auswertung bei Kindern dar. Diese Forschung zeigt die Potentiale der interdisziplinären Zusammenarbeit und der künstlichen Intelligenz.