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The fundamental modeling of energy systems through individual unit commitment decisions is crucial for energy system planning. However, current large-scale models are not capable of including uncertainties or even risk-averse behavior arising from forecasting errors of variable renewable energies. However, risks associated with uncertain forecasting errors have become increasingly relevant within the process of decarbonization. The intraday market serves to compensate for these forecasting errors. Thus, the uncertainty of forecasting errors results in uncertain intraday prices and quantities. Therefore, this paper proposes a two-stage risk-constrained stochastic optimization approach to fundamentally model unit commitment decisions facing an uncertain intraday market. By the nesting of Lagrangian relaxation and an extended Benders decomposition, this model can be applied to large-scale, e.g., pan-European, power systems. The approach is applied to scenarios for 2023—considering a full nuclear phase-out in Germany—and 2035—considering a full coal phase-out in Germany. First, the influence of the risk factors is evaluated. Furthermore, an evaluation of the market prices shows an increase in price levels as well as an increasing day-ahead-intraday spread in 2023 and in 2035. Finally, it is shown that intraday cross-border trading has a significant influence on trading volumes and prices and ensures a more efficient allocation of resources.
A research framework for human aspects in the internet of production: an intra-company perspective
(2020)
Digitalization in the production sector aims at transferring concepts and methods from the Internet of Things (IoT) to the industry and is, as a result, currently reshaping the production area. Besides technological progress, changes in work processes and organization are relevant for a successful implementation of the “Internet of Production” (IoP). Focusing on the labor organization and organizational procedures emphasizes to consider intra-company factors such as (user) acceptance, ethical issues, and ergonomics in the context of IoP approaches. In the scope of this paper, a research approach is presented that considers these aspects from an intra-company perspective by conducting studies on the shop floor, control level and management level of companies in the production area. Focused on four central dimensions—governance, organization, capabilities, and interfaces—this contribution presents a research framework that is focused on a systematic integration and consideration of human aspects in the realization of the IoP.
Modeling and upscaling of a pilot bayonettube reactor for indirect solar mixed methane reforming
(2020)
In many cities, diesel buses are being replaced by electric buses with the aim of reducing local emissions and thus improving air quality. The protection of the environment and the health of the population is the highest priority of our society. For the transport companies that operate these buses, not only ecological issues but also economic issues are of great importance. Due to the high purchase costs of electric buses compared to conventional buses, operators are forced to use electric vehicles in a targeted manner in order to ensure amortization over the service life of the vehicles. A compromise between ecology and economy must be found in order to both protect the environment and ensure economical operation of the buses.
In this study, we present a new methodology for optimizing the vehicles’ charging time as a function of the parameters CO₂eq emissions and electricity costs. Based on recorded driving profiles in daily bus operation, the energy demands of conventional and electric buses are calculated for the passenger transportation in the city of Aachen in 2017. Different charging scenarios are defined to analyze the influence of the temporal variability of CO₂eq intensity and electricity price on the environmental impact and economy of the bus. For every individual day of a year, charging periods with the lowest and highest costs and emissions are identified and recommendations for daily bus operation are made. To enable both the ecological and economical operation of the bus, the parameters of electricity price and CO₂ are weighted differently, and several charging periods are proposed, taking into account the priorities previously set. A sensitivity analysis is carried out to evaluate the influence of selected parameters and to derive recommendations for improving the ecological and economic balance of the battery-powered electric vehicle.
In all scenarios, the optimization of the charging period results in energy cost savings of a maximum of 13.6% compared to charging at a fixed electricity price. The savings potential of CO₂eq emissions is similar, at 14.9%. From an economic point of view, charging between 2 a.m. and 4 a.m. results in the lowest energy costs on average. The CO₂eq intensity is also low in this period, but midday charging leads to the largest savings in CO₂eq emissions. From a life cycle perspective, the electric bus is not economically competitive with the conventional bus. However, from an ecological point of view, the electric bus saves on average 37.5% CO₂eq emissions over its service life compared to the diesel bus. The reduction potential is maximized if the electric vehicle exclusively consumes electricity from solar and wind power.
Large scale central receiver systems typically deploy between thousands to more than a hundred thousand heliostats. During solar operation, each heliostat is aligned individually in such a way that the overall surface normal bisects the angle between the sun’s position and the aim point coordinate on the receiver. Due to various tracking error sources, achieving accurate alignment ≤1 mrad for all the heliostats with respect to the aim points on the receiver without a calibration system can be regarded as unrealistic. Therefore, a calibration system is necessary not only to improve the aiming accuracy for achieving desired flux distributions but also to reduce or eliminate spillage. An overview of current larger-scale central receiver systems (CRS), tracking error sources and the basic requirements of an ideal calibration system is presented. Leading up to the main topic, a description of general and specific terms on the topics heliostat calibration and tracking control clarifies the terminology used in this work. Various figures illustrate the signal flows along various typical components as well as the corresponding monitoring or measuring devices that indicate or measure along the signal (or effect) chain. The numerous calibration systems are described in detail and classified in groups. Two tables allow the juxtaposition of the calibration methods for a better comparison. In an assessment, the advantages and disadvantages of individual calibration methods are presented.
Insbesondere im wirtschaftlichen Kontext wird die Diversität von Belegschaften zunehmend als ein kritischer Erfolgsfaktor gesehen. Neben dem Potenzial, welches sich laut Studien aus einem vielfältigen Team ergibt, werden jedoch ebenfalls die aus menschlicher Diversität resultierenden Herausforderungen thematisiert und wissenschaftlich untersucht. Sowohl aus dem Potenzial als auch aus den Herausforderungen ergibt sich dabei die Notwendigkeit der Implementierung eines organisationsspezifischen Diversity Managements, welches die Gewinnung neuer Mitarbeiter*innen einerseits und das Management der vorhandenen Vielfalt andererseits gleichermaßen unterstützt. In der psychologischen, sozial- und wirtschaftswissenschaftlichen Literatur gibt es unterschiedliche Definitionen von Diversität, woraus sich verschiedene Perspektiven auf das Vorgehen bei der Gestaltung und Umsetzung eines Diversity Management Ansatzes ergeben. Insbesondere vor dem Hintergrund der Komplexität des Organisationsumfeldes und der steigenden Anforderungen an die organisationsinterne Agilität besteht die Notwendigkeit, Diversität in Organisationen stärker zu reflektieren und systemspezifische Ansätze zu entwickeln. Dies erfordert die Berücksichtigung organisationsspezifischer Strukturen und Prozesse sowie die Reflexion des Wandels der Organisationskultur durch die Umsetzung eines Diversity Management Ansatzes, der die gegebene Komplexität aufgreift und bewältigen kann. Darüber hinaus sind die psychologischen Auswirkungen solcher Veränderungen auf die Mitarbeiter*innen zu berücksichtigen, um Reaktanzen zu vermeiden und eine nachhaltige Umsetzung von Diversity Management zu ermöglichen. In Ermangelung entsprechender Ansätze im Rahmen öffentlich finanzierter, komplexer Forschungsorganisationen, ist das Ziel dieser Dissertation die Entwicklung und Erprobung eines Forschungsdesigns, welches die Ansätze des Diversity- und Change Managements mit der Organisationskultur verknüpft, indem es eine systemtheoretische Perspektive einnimmt. Dabei wird das Forschungsdesign auf eine komplexe wissenschaftliche Organisation angewendet. Als Basis dient die in Teil A durchgeführte Betrachtung des aktuellen Forschungsstandes aus einer interdisziplinären Perspektive und die damit einhergehende umfassende Einführung in das Forschungsfeld. Im Zuge dessen wird detailliert auf die begriffliche Definition von Diversität eingegangen, bevor dann die psychologischen Konzepte im Diversitätskontext den Übergang zu einer differenzierten Auseinandersetzung mit dem Konzept des Diversity Managements bilden. Auf dieser Grundlage werden das Forschungsdesign sowie die daraus resultierenden Forschungsphasen abgeleitet. Teil A stellt somit die theoretische Grundlage für die in Teil B präsentierten Fachaufsätze dar. Jeder Fachaufsatz beleuchtet dabei in chronologischer Reihenfolge die unterschiedlichen Forschungsphasen. Fachaufsatz I präsentiert den sechsstufigen Forschungsansatz und beleuchtet die besonderen Rahmenbedingungen des Forschungsobjektes aus einer theoretischen Perspektive. Im Anschluss werden die Ergebnisse der Organisationsanalyse, welche zugleich Phase I und II des Forschungskonzeptes darstellen, vorgestellt. Aufbauend auf diesen Forschungsergebnissen fokussiert Forschungsaufsatz II die Darlegung der Ergebnisse aus Forschungsphase III, der Befragung der Führungsebene. Die Befragung thematisierte dabei die Wahrnehmung von Diversity und Diversity Management auf Führungsebene, die Verknüpfung von Diversität mit Innovation sowie die Reflexion des eigenen Führungsstils. Als Ergebnis der Befragung konnten sechs Typen identifiziert werden, die das Führungsverständnis im Diversitätskontext widerspiegeln und somit den Ansatzpunkt für eine top-down gerichtete Diversity Management Strategie darstellen. Darauf aufbauend wird in Forschungsphase IV die Mitarbeiter*innenebene beforscht. Im Zentrum der quantitativen Befragung standen die vorherrschenden Einstellungen zum Themenkomplex Diversity und Diversity Management, die Wahrnehmung von Diversität sowie die Untersuchung des Einflusses der Führungsebene auf die Mitarbeiter*innenebene. Forschungsaufsatz III präsentiert erste Ergebnisse dieser Untersuchung. Die Analyse weist auf eine unterschiedliche Gewichtung der verschiedenen Diversitätskategorien hinsichtlich der Verknüpfung mit Innovationen und somit der Reflexion des Kontextes zwischen Diversität und Innovationen hin. Vergleichbar mit den identifizierten Typen auf der Führungsebene, deutet die Analyse auf die Existenz unterschiedlicher Reflexionsgrade auf Mitarbeiter*innenebene hin. Auf Basis dessen wird im Rahmen von Forschungsaufsatz IV eine nähere Untersuchung des Reflexionsgrades auf Mitarbeiter*innenebene präsentiert und der Diversity Management Ansatz mit Elementen des Change Managements kombiniert. Besondere Berücksichtigung findet als Schlussfolgerung einer theoretischen Analyse die Organisationskultur als zentrales Element bei der Entwicklung und Einführung eines Diversity Management Ansatzes in eine komplexe Forschungsorganisation in Deutschland. Die Analyse zeigt, dass die Wahrnehmung von Diversität heterogen aber zunächst losgelöst vom individuellen Hintergrund ist (im Rahmen dieser Analyse lag der Fokus auf den Diversitätskategorien Gender und Herkunft). Hinsichtlich der Wertschätzung von Diversität zeigt sich dabei ebenfalls ein heterogenes Bild. In der Gesamtbetrachtung stimmen lediglich 17% der Mitarbeiter*innen zu, dass Diversitätskategorien wie Gender, Herkunft oder auch Alter einen Mehrwert darstellen können. Zugleich bewertet diese Gruppe die dem Thema beigemessene Wichtigkeit im CoE als ausreichend. Zusammengefasst lassen sich folgende Erkenntnisse im Rahmen dieser Dissertation ableiten und dienen somit als Grundlage für die Entwicklung eines Diversity Management Ansatzes: (1) Die Entwicklung eines bedarfsorientierten Diversity Management Ansatzes erfordert einen systemtheoretischen Prozess, der sowohl organisationsinterne als auch externe Einflussfaktoren berücksichtigt. Der im Rahmen des Forschungsprojektes entwickelte sechsstufige Forschungsprozess hat sich dabei als geeignetes Instrument erwiesen. (2)Im Rahmen öffentlicher Forschungseinrichtungen lassen sich dabei drei zentrale Faktoren identifizieren: die individuelle Reflexionsebene, die Organisationskultur sowie extern beeinflusste Organisationsstrukturen, Prozesse und Systeme.(3)Vergleichbar mit privatwirtschaftlichen Unternehmen hat auch in wissenschaftlichen Organisationen die Führungsebene einen maßgeblichen Einfluss auf die Wahrnehmung von Diversität und somit einen Einfluss auf die Umsetzung einer Diversity Management Strategie. Daher ist auch im wissenschaftlichen Kontext, bedingt durch die rechtlichen Rahmenbedingungen des Hochschulsystems, ein top-down Ansatz für eine nachhaltige Implementierung erforderlich. (4) Diversity Management steht in einem engen Zusammenhang mit einem organisationalen Wandel, was die Reflexion von Veränderungsprozesse aus einer psychologischen Perspektive erfordert und eine Verknüpfung von Diversity und Change Management bedingt. Aufbauend auf den im Rahmen des entwickelten Forschungskonzeptes gewonnenen zentralen Erkenntnissen wird ein Ansatz entwickelt, der die Ableitung theoretischer Implikationen sowie Implikationen für das Management ermöglicht. Insbesondere vor dem Hintergrund der Reflexion der besonderen Rahmenbedingungen öffentlich finanzierter Forschungsorganisationen werden darüber hinaus politische Implikationen abgeleitet, die auf die Veränderung struktureller Dimensionen abzielen.