Jahresbericht 2022/2023 Forschung voller Energie

Jahresbericht 2022/2023 Forschung voller Energie 1

Forschungswelt ist spannend Aber natürlich haben wir auch über die Energie hinaus wieder für unterschiedliche Branchen ge- forscht und innovative Ergebnisse geliefert. Was uns in den vergangenen Monaten besonders am Herzen lag: Junge Menschen für die Mathematik und das Arbeiten in der Forschung zu be- geistern. Wir haben unsere Türen geöffnet und viele Schülerinnen und Schüler sowie Studierende eingeladen, unsere Arbeitswelt kennenzulernen. Auf diese Weise wollen wir sie für die Forschung und das Arbeiten bei Fraunhofer, insbesondere in der angewandten Mathematik, begeistern. Die Konkurrenz um die besten Nachwuchskräfte ist groß – unser Institut wächst und braucht kluge Köpfe! Ich wünsche Ihnen eine angenehme Lektüre. Lesen Sie, wie Mathematik von Gesundheit über Mobilität bis hin zur Verfahrenstechnik und dem Maschinenbau in viele Branchen und Lebens- bereiche hineinwirkt; wie wir das Zukunftsthema Quantencomputing erforschen und die Digita- lisierung voranbringen – kurzum: was die Mathematik alles bewegt! Herzliche Grüße, Prof. Dr. Anita Schöbel Institutsleiterin des Fraunhofer ITWM 3

Maschinenbau und Produktion 52 Optimierung holzbasierter Dämmstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 KI in der Qualitäts sicherung schont Ressourcen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 Schnellere Schichtdickenkontrolle dank Terahertz-Wellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 Edge-Computing: Die Zukunft der industriellen Prozessüberwachung . . . . . . . . . . . . . . 56 Neue Sensoren für den Blick in Batterieelektroden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 Nichts leichter als waschen? Leichtbau und lange Fasern sparen Energie . . . . . . . . . . . . . 60 Technische Textilien realitätsnah optimieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 Schäume simulieren, um optimale Schaumstoff-Bauteile zu entwickeln . . . . . . . . . . . . . 63 Voller Energie – Wir sind das Fraunhofer ITWM 64 Bildverarbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 Finanzmathematik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 High Performance Computing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 Materialcharakterisierung und -prüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 Mathematik für die Fahrzeugentwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 Optimierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 Strömungs- und Materialsimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 Systemanalyse, Prognose und Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 Transportvorgänge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 Impressum 84 5

Branchen – für wen arbeiten wir? Die Kompetenzen unserer Abteilungen und das breite Spektrum ihrer Anwendungsfelder finden Einsatz in zahlreichen Branchen. Medizin und Medizintechnik Energie- und Rohstoffwirtschaft Technische Textilien Informationstechnologie Finanzwirtschaft Mit unseren Kernkompetenzen in den Bereichen Modellierung und Simulation, Optimierung und Entscheidungsunter stützung, Datenanalyse und Visualisierung adressieren wir Firmen und Organisationen in den Branchen: Durch die langjährige Zusammenarbeit mit unserer Stammkundschaft haben wir eine starke Domänenkompetenz in Teilbereichen einzelner Branchen herausgebildet. Verfahrenstechnik , Maschinen-/Anlagenbau Fahrzeugindustrie und Zulieferer Für alle Branchen gilt: Die Modellierungs- und Simulationskompetenz des Fraunhofer ITWM generiert echte Wettbewerbsvorteile am Markt. Kuratorium Prof Dr Nicole Bäuerle Karlsruher Institut für Technologie KIT, Karlsruhe Prof Dr Peter Benner Max-Planck-Institut für Dynamik komplexer technischer Systeme, Magdeburg Dr Andreas Gerhardt Ministerium für Wissenschaft und Gesundheit Rheinland-Pfalz, Mainz Dr Christoph Großmann BASF SE, Ludwigshafen Dr Christoph March Bundesministerium für Bildung und Forschung, Berlin Stefanie Nauel Ministerium für Wirtschaft, Verkehr, Landwirtschaft und Weinbau Rheinland-Pfalz, Mainz Barbara Ofstad Siemens AG, Frankfurt am Main Prof Dr Iris Pigeot Leibniz-Institut für Präventionsfor- schung und Epidemiologie, Bremen Prof Dr Arnd Poetzsch-Heffter RPTU Kaiserslautern-Landau (Vorsitzender) Dr Udo Scheff John Deere GmbH & Co. KG, Mannheim Dr Christof Weber Daimler AG, Wörth (Stand 2023) 7

Unser Netzwerk © istockphoto 9

Spin-Offs und weitere Kooperationen Spin-Offs des Fraunhofer ITWM fleXstructures – spezifische Engineering- Projekte und Dienstleistungen für die Simulation flexibler Bauteile Math2Market – umfangreicher Software- service, wie zum Beispiel GeoDict®, eine in- novative Simulationssoftware für digitale Materialforschung und -entwicklung. Produktinformationsstelle Altersvorsorge PIA – neutrale Stelle für die Chancen-Risiko- Klassifizierung geförderter Altersvorsorge- produkte Sharp Reflections – Big-Data-Rechentech- nologien für die Zukunft der Seismik ThinkParQ – schnelle und skalierbare Lö- sungen für alle leistungsorientierten Umge- bungen wie HPC, KI und Deep Learning Wendeware AG – Software-Ökosystem für die Energiewende Nachwuchsförderung Das Felix-Klein-Zentrum für Mathematik (FKZM) ist eine institutionelle Verbindung zwischen dem Fachbereich Mathematik der RPTU Kaiserslautern-Landau und dem Fraun- hofer ITWM. Schwerpunkt ist die Nachwuchs- förderung, zum Beispiel mit Modellierungswo- chen für Schulen, Stipendien und einem Men- toren-Programm für Mathematik-Studierende. Stipendiat:innen werden nicht nur finanziell gefördert, sie können auch Praxis und Theorie verbinden. Für Studierende höherer Semester und Promovierende gibt es Fort- und Weiterbil- dungen, zudem können sie Vorträge hochka- rätiger Forschender hören. Der monatliche »Blick über den Tellerrand« des Felix-Klein- Zen- trums bietet interessante Einblicke in unter- schiedliche Themen aus Wissenschaft und Kultur. Das Kompetenzzentrum für mathemati- sche Modellierung in MINT-Projekten in der Schule (KOMMS) richtet sich vor allem an Lehrende. Angesiedelt ist es an der RPTU Kaiserslautern-Landau und verbindet die Be- reiche Schulprojekte, Aus- und Fortbildung sowie Forschung. Das nationale Excellence-Schulnetzwerk MINT-EC will Schülerinnen und Schüler für MINT-Fächer begeistern. Im Zuge der Zusam- menarbeit werden regelmäßig Veranstaltungen wie die Math-Talent-School angeboten. 42 Recruiting- Aktivitäten für Studierende so- wie Schüler:in- nen in andert- halb Jahren Eingebettet am Standort Die Science and Innovation Alliance Kaiserslautern (SIAK) bildet ein Netzwerk für digitale Transformation, Innovation und interdisziplinäre Forschung. Über ihre Mitglie- der aus Wissenschaft und Wirtschaft, insbe- sondere aus dem Mittelstand, ist sie regional verankert. Vernetzung in Europa Im European Consortium for Mathematics in Industry (ECMI) haben sich wissenschaft- liche Institutionen und Industrieunternehmen in Europa zusammengeschlossen, mit dem Ziel, mathematische Modellierung, Simulation und Optimierung noch stärker in die wirtschaftliche Anwendung zu bringen. Eine wichtige Rolle spielt die Ausbildung von Industriemathemati- kerinnen und -mathematikern, denn insbeson- dere ihre Expertise wird gebraucht. wwwitwmfraunhoferde/netzwerke 11

Wissenschaftliche Fellows am Institut Um den Austausch mit internationalen For- schen den zu fördern, wurde 2022 ein Fellow- Programm am Fraunhofer ITWM ins Leben ge- rufen: Prominente Gastwissenschaftler:innen arbeiten in diesem Rahmen für maximal sechs Monate an unserem Institut und bringen ihre Expertise in unsere Forschungsarbeit mit ein. Den Anfang machte Narayan Rangaraj, Professor für Wirtschaftsingenieurwesen und Operations Research am Indian Institute of Technology in Mumbai. Er beschäftigt sich mit den Bereichen Verkehrsplanung (insbesondere Eisenbahnbe- trieb), Logistik und Lieferkettenmanagement, Produktionsplanung und mit Anwendungen im Gesundheitswesen. Im Juni und Juli 2022 arbeitete er zusammen mit unseren Kolleg:in- nen aus dem Bereich »Optimierung« im Feld der integrierten Verkehrsplanung. wwwitwmfraunhoferde/interview_rangaraj Minister Clemens Hoch übergibt Förderbescheid für »MultiskalenBEV« Die E-Mobilität als Forschungsfeld verspricht sowohl beim Klimaschutz als auch im Hinblick auf die Effizienzsteigerung innerhalb unserer Verkehrssysteme aussichtsreiche Perspektiven. Im ITWM-Projekt »MultiskalenBEV« (Multi- skalen-Batteriemodellierung zur regionen- und nutzungsabhängigen Fahrzeugsimulation) konzentrieren sich unsere Expert:innen auf maßgeschneiderte Lösungen in der virtuellen Entwicklung von E-Fahrzeugen. Im Fokus stehen dabei optimierte Batteriemodelle: Sie sollen eine hohe rechnerische Effizienz vorweisen, zuverlässig sein und im Entwicklungsprozess eingesetzt werden, um beispielsweise Zustands- verläufe von relevanten Batteriegrößen vorher- zusagen. Der rheinland-pfälzische Wissen- schaftsminister Clemens Hoch besuchte im Juli 2022 das Institut und übergab unserer Insti- tutsleiterin Prof. Dr. Anita Schöbel einen För- derbescheid über rund 424 000 Euro, mit denen das Land die Forschungsarbeiten von »MultiskalenBEV« bis Ende 2023 unterstützt. wwwitwmfraunhoferde/bescheiduebergabe-multiskalen 13

Auszeichnung für Dissertation Unsere Kollegin Dr. Petra Gospodnetić aus der Abteilung »Bildverarbeitung« wurde mit dem Preis des Freundeskreises der Rheinland-Pfälzi- schen Technischen Universität Kaiserslautern- Landau für ihre herausragende Dissertation ausgezeichnet. Sie hat im Rahmen ihrer For- schung eine Software entwickelt, die eine automatische Inspektion ermöglicht und so die Qualitätssicherung in der industriellen Produktion verbessert. Dieser Fortschritt ist ein bedeutender Beitrag auf dem Weg zu einer Industrie-4.0-Produktion, beispielsweise in der Fahrzeugherstellung oder der Luft- und Raumfahrt. https://sfhgde/auszeichnung-gospodnetic Die Vielfalt von KI – eine interaktive Veranschaulichung Die Wanderausstellung »I AM AI – Ich bin Künstliche Intelligenz« der Organisation IMAGINARY wurde im September 2022 an unserem Institut installiert. Die interaktiven Ex- ponate zeigten den Besucher:innen verschie- dene Funktionsweisen und Handlungsmöglich- keiten Künstlicher Intelligenzen auf, darunter beispielsweise die Erkennung von Sprache und das Lernvermögen neuronaler Netzwerke. Unter anderem besuchten auch Teilnehmerin- nen der MINT-EC-Math-Talent-School 2022 die Ausstellung, welche eine ganze Woche lang bei uns am Institut an Workshops teilnahmen. wwwitwmfraunhoferde/iam-ai 15

Der Herr der Rechner: IT-Leiter Christian Peter vor einem der drei Compute-Cluster des Instituts Eine weitere, noch aktuelle Herausforderung ist der Bereich der Cyber Security bzw. Informations- sicherheit. Wachsenden Bedrohungen begegnet man durch steigende regulatorische Anforde- rungen im Bereich der Informationssicherheit. Ein Beispiel dafür ist die TISAX-Prüfung des Instituts als Grundlage für die Kooperation mit der Fahrzeugindustrie. Die Umsetzung entsprechender Maßnahmen ist dann eine zusätzliche, ständig wachsende Aufgabe für die IT – aber auch für andere Bereiche des Instituts. Das energieintensive Hochleistungsrechnen ist eine der Kernkompetenzen des Instituts; wie sieht die Energiebilanz unserer Hardware insgesamt aus? Von Anfang an war das Thema Energieeffizienz ein wichtiges Entscheidungskriterium – von der Konzeption des Gebäudes bis hin zur Auswahl und dem Betrieb der IT-Komponenten. Unsere Rechenzentren werden die meiste Zeit des Jahres mit Außenluft gekühlt statt auf klassi- sche Klimaanlagen zu setzen. Die Abwärme unserer Rechenzentren kann zum Heizen der Büro- etagen und Atrien genutzt werden, das reduziert den Bedarf an klassischer Heizenergie bzw. Fernwärme enorm. Innerhalb der Serverräume achten wir nicht nur auf die Auswahl leistungsfä- higer und stabiler Hardware-Komponenten, sondern wir behalten immer die Energieeffizienz im Blick. Dazu gehört eine dynamische Lastregelung bei unseren Hochleistungsrechnern genau wie der Einsatz modernster Virtualisierungstechnologie. Durch sie verringern wir die Anzahl nötiger Systeme und erschließen neue Einsatzfelder im wissenschaftlichen Bereich, wo früher noch energieverschwenderische Workstations notwendig waren. 17

Unser Auftrag: Energie berechenbar machen Wie Energie erzeugt, verteilt und genutzt wird, ist täglich Thema im öffentlichen Diskurs. Denn Energie ist eines der dominierenden politischen und gesellschaftlichen Themen unserer Zeit – und aus diesem Grund erklärter Leitmarkt der Fraunhofer- Gesellschaft. Seit Jahren befassen sich daher viele Forschende am Fraunhofer ITWM mit unterschiedlichen Aspekten rund um das Thema Energie. Sie leisten einen Bei- trag für die Energieversorgung der Zukunft. In vielen Projekten und Bereichen suchen wir nach Lösungen, um unser Leben nachhaltiger zu gestalten: Wir entwickeln innovative Batte- rietechniken, forschen an einer verbesserten Ladeinfrastruktur für die Elektromobilität, op- timieren bestehende Technologien zum Erzeu- gen erneuerbarer Energie oder managen de- ren Nutzung und Verbrauch. Wir arbeiten an neuen klimafreundlichen Technologien und suchen gemeinsam mit Unternehmen nach Lö- sungen, deren Energieverbrauch zu reduzieren, um nur einige Beispiele zu nennen. Hinzu kommen zahlreiche Projekte, die sich mit dem Energie- und Flexibilitätsmarkt beschäftigen. Mit Mathematik Energie sparen Mathematik kommt also bei uns in unter- schied lichen Bereichen rund um das Thema Energie zum Einsatz. Dieses vielfältige Wissen unserer Forschenden gilt es für unsere Vision zusammenzuführen: die Entwicklung eines Di- gitalen Zwillings, der verfügbare Energie, den benötigten Verbrauch sowie Einsparpotenziale abbildet und so zu mehr Resilienz und Preis- stabilität am Strommarkt beiträgt. Das ist ein Ziel, an dem viele von uns auf ganz unter- schiedliche Weise mitarbeiten. Denn am Fraunhofer ITWM modellieren, simulieren und optimieren wir Energie und machen sie bere- chenbar. Vielfalt schafft Veränderung Die Vielfalt der Themen, mit denen wir uns befassen, zeigt, dass die Energiewende eine Gemeinschaftsaufgabe ist. Viele Zahnräder müssen ineinandergreifen, um das große Ganze zu bewegen. Am Fraunhofer ITWM haben wir bereits einiges in Gang gesetzt. Eine Auswahl unserer Projekte stellen wir auf den nächsten Seiten vor. Unsere Projekte decken viele Bereiche rund um das Thema Energie ab. Das über- geordnete Ziel und unsere Vision: Ein Digitaler Zwilling, der die unterschiedlichs- ten Ebenen abbildet. wwwitwmfraunhoferde/erneuerbare_energien 19

© istockphoto/Grigorev_Vladimir © freepik Seismisches Erkunden des Erduntergrundes In einem unserer ältesten Energieprojekte entwickelte das Team um Dr. Norman Ettrich aus dem Bereich »High Performance Computing« auf dem Gebiet der seismischen Datenverarbeitung ur- sprünglich Algorithmen und produktionsfertige Softwarelösungen für Unternehmen aus dem Öl- und Gasbereich. Diese wurden so bei der Suche nach Erdöl und Erdgas unterstützt. Inzwi- schen gibt es neue Aufgaben: der Untergrund kann als Speicher für Treibhausgase künftig eine Rolle spielen. Mit verbesserten Algorithmen für Maschinelles Lernen (ML) und neuen Konzepten im High Performance Computing werten unsere Forschenden die Seismik-Daten inzwischen noch detailgenauer aus. Diese Technik hilft auch bei der Planung von Windkraftwerken im Meer und von Wärmekraftwerken im städtischen Raum. wwwitwmfraunhoferde/PM_seismischesimaging Planung von Photovoltaik-Kraftwerken Die Kraft der Sonne spielt eine wichtige Rolle mit immer größer werdenden Anteilen am Energie- mix. Die Planung von Photovoltaikkraftwerken ist allerdings sehr komplex. Die große Zahl an Freiheitsgraden bei der Auswahl und Platzierung der verschiedenen Komponenten macht es na- hezu unmöglich, die bestmögliche Anlage manuell zu bestimmen. Unser Bereich »Optimierung« entwickelt eine Softwarelösung für automatisierte Prozesse, die den Planungsaufwand drastisch reduzieren und dabei helfen, den vorhandenen Optimierungsspielraum gewinnbringend zu nutzen. wwwitwmfraunhoferde/pv-kraftwerke © freepik Unsere Software erleichtert die Planung großer Photovol- taikkraftwerke. 21

Betankungsmodul auf Basis innovativer Kataly- satortechnologie und mikrostrukturierter Re- aktortechnik zu entwickeln, das aus Ammoniak Wasserstoff für Tankstellen erzeugt. An diesen sollen dann Brennstoffzellenfahrzeuge mit Was- serstoff betankt werden. Es soll eine Demons- trationseinheit – bestehend aus der Wasser- stofferzeugung, der Gasaufbereitung und der Verstromung in einer Brennstoffzelle – entstehen. Fraunhofer-Institute forschen gemeinsam Forschende des Fraunhofer IMM entwickeln auf Ammoniak basierte Systeme zur mobilen und dezentralen Energieversorgung. »Wir an unserem Institut erarbeiten einen Vorschlag für einen optimalen Reaktor, der das Herstel- len von Wasserstoff aus Ammoniak effizient gestaltet«, so Damay. An diesem Digitalen Zwilling wirken drei Abteilungen mit: Abteilung »Strömungs- und Materialsimula- tion« führt Detailsimulationen der Reaktion unter Berücksichtigung der Katalysatorschicht und -verteilung in einzelnen Kanälen durch. Abteilung »Transportvorgänge« simuliert ein Effektivmodell des gesamten Reaktors. Bereich »Optimierung«: Leitet das Projekt und plant die chemische Anlage. Innovatives Reaktorkonzept Die Virtualisierung von Reaktordesign und Be- triebsführung ist das Ziel der Forschungsarbei- ten am Fraunhofer ITWM. Zunächst erarbeiten wir eine methodische Herangehensweise zur Gesamtprozessmodellierung und beziehen unterschiedliche Modellierungsskalen mit ein: Die Vorgänge im Reaktor werden durch eine Simulation der reaktiven Strömung abgebildet; die Ergebnisse werden in einem nächsten Schritt mit Messdaten kalibriert. Anschließend steht ein verlässliches Modell zur Verfügung, das eine Formoptimierung des Reaktors sowie eine Optimierung der Betriebsführung ermög- licht. Die Betriebsweise des Reaktors soll dann auf jeweilige Gegebenheiten bestmöglich an- gepasst werden können. Energiewende weiter antreiben Die Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer IMM kombiniert dessen Expertise mit unseren de- taillierten Simulationsrechnungen. »Noch be- steht erheblicher Forschungsbedarf, um die in- dustrielle Anwendung von Wasserstoff als Energieträger zu realisieren. Gelingt das Vor- haben, leisten wir einen weiteren Beitrag zur Beschleunigung der Energiewende«, unter- streicht Bortz. AMMONPAKTOR wird von der Europäischen Union aus dem Europäischen Fonds für die regio- nale Entwicklung (EFRE) gefördert. wwwitwmfraunhoferde/ammonpaktor © freepik Kontakt Prof. Dr. Michael Bortz Abteilungsleiter »Optimierung – Technische Prozesse« Telefon +49 631 31600-4532 michael.bortz@itwm.fraunhofer.de 23

© istockphoto/Grigorev_Vladimir © freepik Amperix in schwimmendem Wohnquartier Schoonschip ist ein schwimmendes, energieautarkes Wohnquartier in Amsterdam und ein ganz besonderer Einsatzort von Amperix. 30 Häuser mit 47 Wohneinheiten teilen sich einen sehr klein dimensionierten Netzanschluss mit rund 150 kW Gesamtleistung und heizen mittels Wärmepum- pen. Das von unserem Team »Green by IT« im Bereich »High Performance Computing« entwickelte Energiemanagementsystem steuert die dortigen Stromspeicher und implementiert eine Sekto- renkopplung: Ein Wärmespeicher mit Wärmepumpen ist mit Ladestationen für Elektroautos kombiniert. Verbrauchsspitzen werden kontrolliert und dadurch die Lastverschiebung optimiert. Ganzheitliches Energiema- nagement ist unser Ziel wwwitwmfraunhoferde/amperix Ganzheitliches Energiemanagement mit ENERDIG ENERDIG steht für »Energiemanagement 2.0, Digitalisierung, KI, Optimierte Prozesse« und zielt auf ein ganzheitliches Energiemanagement ab. Angesiedelt ist das Projekt im Leistungszentrum »Simulations- und Software-basierte Innovation«, welches die Forschung von vier beteiligten ITWM-Abteilungen bündelt. Forschende aus den Bereichen »Optimierung« und »High Perfor- mance Computing« sowie den Abteilungen »Transportvorgänge« und »Systemanalyse, Prog- nose und Regelung« bringen ihre Expertise ein. Digitalisierung und Künstliche Intelligenz sollen den Energieverbrauch in Produktion und Gebäuden reduzieren, ihn an die fluktuierende Erzeu- gung anpassen und Energieumwandlungsprozesse effizienter steuern. wwwitwmfraunhoferde/enerdig-pm Risikocontrolling für Energieunternehmen Energieunternehmen sind einer Vielzahl von Risiken ausgesetzt, deren Kontrolle und Steuerung elementare Bestandteile der Unternehmensführung sind. Unsere Abteilung »Finanzmathematik« bietet eine Risiko-Controlling Software, die über Standards hinausgeht und alle relevanten Risi- ken bewertet. Auch das Erweitern um individuelle Risiken (zum Beispiel Niederschlag bei Was- serkraft) sind möglich. Ein breites Methodenportfolio steht dabei zur Verfügung. wwwitwmfraunhoferde/Risikocontrolling-Energie 25

Zur Person Dr. Franz-Josef Pfreundt ist Mitbegründer des Fraunhofer ITWM in Kaiserslautern und hat unseren Bereich High Performance Computing aufgebaut. Er wurde gemeinsam mit seinem Forschungsteam mit dem Fraunhofer Forschungspreis für die Entwicklung der Mikrostruktur- simulation ausgezeichnet und hat den IBM Faculty Award für die Entwicklung von Anwen- dungen auf der innovativen IBM Cell BroadBand Engine erhalten. Seine Forschungsschwerpunkte sind die Programmierung verteilter Rechnersysteme, das Ent- wickeln von Big Data Anwendungen sowie von Software-Werkzeugen im Bereich HPC und KI. Die Entwicklung von IT-Lösungen, die den Anteil an erneuerbaren Energien für die Ener- gieversorgung steigern, bilden einen weiteren Schwerpunkt seiner Forschungsaktivi täten. In unserem Bereich geht es um verteiltes Rech- nen, um die Frage, wie ich Software, die auf vielen Rechnersystemem läuft, koordiniere und dazu bringe gemeinsam eine Aufgabe zu lösen. Damit verwandt ist die Aufgabe, unser stark dezentrales Energiesystem zu managen. Beides zusammen hat dazu geführt, dass wir in der HPC 2011 die Gruppe »Green by IT« gegründet haben. Aus diesem Team ist schließlich das Spin-Off »Wendeware AG« entstanden, die mit ihrem Energiemanagementsystem erfolgreich kom- plexe Energiesysteme managed. Sie gehören zu den Urgesteinen des Instituts, waren stark in die Planung des Gebäudes involviert Wie kommt es, dass Sie sich als Mathematiker so stark auch auf dieses Gebiet speziali- siert haben? Ich habe in den Jahren der Ölkrise Mathematik und Physik studiert und habe von Anfang an versucht mein Know-how als mathematischer Physiker in den Dienst der Umwelt – hier des effizienten Einsatzes von Energie – zu stellen. So habe ich während meiner Promotionszeit als Nebenjob verschiedene Energiesysteme simuliert. Das Thema hat mich seither nicht mehr losgelassen – privat wie auch beruflich. Heute unterstützen Sie das Fraunhofer ITWM als Projektleiter der Arbeitsge- meinschaft »Klimaneutralität«. Welche Ziele verfolgen Sie? Unser Ziel ist es unser Institut im Rahmen der Fraunhofer-Strategie zur Klimaneutralität so schnell wie möglich CO2 neutral zu machen. Da wir viel Energie verbrauchen, ist das nicht ganz einfach und auch nicht preiswert. Wie schon beim Bau des Fraunhofer ITWM im Jahr 2004 setzen wir dabei auf Maßnahmen in der Architektur – das ist immer die günstigste Va- riante – sowie auf die Nutzung von Umwelt- energie; in Zukunft hier eher auf Geothermie und die Eigenerzeugung von elektrischer Energie. Jetzt wird’s persönlich: Wie wichtig ist Ihnen das Thema Klimaschutz und was liegt Ihnen besonders am Herzen? Kontakt Dr. Franz-Josef Pfreundt Chief Strategy Officer »High Performance Computing« Telefon +49 631 31600-4459 franz-josef.pfreundt@itwm.fraunhofer.de Meine Antwort auf die zweite Frage hat es schon angedeutet: Ich bin seit 1981 politisch für das Thema einer lebenswerten Umwelt ak- tiv. Das Problem der Klimaerwärmung durch menschliche Aktivitäten ist mir seit 40 Jahren bewusst und treibt mich immer wieder an, mich für den Klimaschutz zu engagieren. Besonders am Herzen liegt mir, dass wir es endlich ange- hen, den Autoverkehr in unseren Städten dras- tisch zu reduzieren und den Menschen in den Mittelpunkt der Stadtplanung stellen. In Kaisers- lautern ist da bisher wenig passiert – es gab ja auch keine langfristige Stadtplanung – aber es gibt Hoffnung. 27

DingFESt: Digitaler Zwilling überwacht und steuert Fernwärmenetze Das Potenzial von Fernwärmenetzen als regionale Energiespeicher für den Stromsektor wird bisher kaum ausgeschöpft. Die Fernwärme der Zukunft als zentraler Baustein eines nachhaltigen Energie- systems erfordert innovative Regelungskonzepte sowie neue kommunikative Ansätze. Im vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz geförderten Projekt »EnEff:Wärme – Ding- FESt« entwickelt ein Team unserer Abteilung »Transportvorgänge« gemeinsam mit der GEF In- genieur AG und den Technischen Werken Ludwigshafen AG einen »Digitalen Zwilling zur flexi- bilisierten und effizienzoptimierten Steuerung dezentralisierter Fernwärmenetze«. wwwitwmfraunhoferde/dingfest MathEnergy: Energienetze der Zukunft gestalten Das Projekt MathEnergy steht für die Berechenbarkeit der Energiewende und richtet den Blick auf den kompletten Energiekreislauf: Die Forschenden unserer Abteilungen »Systemanalyse, Prognose und Regelung« und »Transportvorgänge« berücksichtigen in ihren Modellierungen und Simulationen das Erzeugen und Umwandeln, den Transport, die Speicherung und den Ver- brauch von Energie in Strom-, Gas- und Wärmenetzen. Dabei werden insbesondere netzüber- greifende, modellbasierte Monitoring- und Regelungskonzepte für Planung und Betrieb des elektrischen Transport- und Verteilnetzes erarbeitet. wwwitwmfraunhoferde/mathenergy © freepik Anregende Diskussion: Jan Mohring und Andreas Wirsen gehören zum Team von MathEnergy. 29

Kaiserslautern als exzellenter Standort für Quantencomputing (QC) Seit 2020 steht das Kompetenzzentrum Quantencomputing am Fraunhofer ITWM für Forschung der Zukunftstechnologie. Es bündelt aktuell rund 15 Projekte mit verschiedensten Ausrichtungen und legt seinen Fokus auf Quanten High Perfor- mance Computing. Von Quantenchemie über Finanzmathematik, Projekten mit Energieschwerpunkt über Materialsimulation bis hin zur Bildverarbeitung – alle Projekte gehen der Frage nach, wie und wo quantenbasierte Rechenstrategien zum Einsatz kommen und welche komplexen Fragestellungen damit (besser) gelöst werden können. Das Zentrum ist eines von inzwischen acht, die zusammen das deutschlandweite Fraunhofer- Kompetenznetzwerk Quantencomputing bilden. Sie tragen dazu bei, die internationale Wettbe- werbsfähigkeit von Unternehmen in Deutsch- land zu stärken. Auch Grundlagenschulungen oder Workshops für Quanten Maschinelles Lernen (QML) gehören inzwischen zum Reper- toire des Kompetenzzentrums, darunter auch zwei zertifizierte Schulungsreihen im internen Fraunhofer-Projekt »Quantum Technology Pro- fessional«. Unsere Abteilung »Finanzmathema- tik« gibt darüber hinaus spezifische Schulun- gen für die Finanzwelt. Quantencomputing als Investition in die Zukunft Dr. Valeria Bartsch leitet die abteilungsüber- greifende QC-Gruppe von Beginn an. Das Kern- projekt nennt sich AnQuC – kurz für Anwen- dungsorientiertes Quantencomputing. Es ist bereits Phase drei von AnQuC. »Sie haben die Anschubfinanzierung gut genutzt«, betonte der Rheinland-Pfälzische Wissenschaftsminis- ter Clemens Hoch bei der Bescheidübergabe. In der nächsten Förderphase vertiefen die For- schenden die Arbeitspakete. Dazu gehört auch, weitere Anwendungen zu identifizieren – eine Strategie, die auch der Industrielle Beirat be- stärkt. Er besteht aus Vertretenden von BASF, Debeka, der Deutschen Bahn und Schaeffler. »Die Technologie galt vor Jahren noch als großes Versprechen weit in der Zukunft. Auch jetzt ist noch vieles offen, deshalb braucht es unsere Forschung«, so Bartsch. »Aber bereits in naher Zukunft werden wir in der Lage sein, abzu- schätzen wie ein Weg zur Quantenüberlegen- heit in der Industriepraxis aussehen kann. Wir sind bereits in Verhandlungen mit Unternehmen zu weiteren Projekten.« Bartsch wurde zudem 2022 in den Vorstand des Arbeitskreises »High Performance und Quantum Computing« der Bitkom gewählt. »Das Ziel der Gruppe ist es vor allem auch klei- ne Firmen über die Bedeutung von Höchstleis- tungsrechnen und Quantencomputing zu in- formieren und den Zugang zu erleichtern«, so die Expertin. Knapp drei Mio. Euro für das Angewandte Quantencompu- ting am Fraunhofer ITWM: Wissenschaftsminister Clemens Hoch übergibt den Förderbescheid an Institutslei- terin Prof. Dr. Anita Schöbel. Kontakt Dr. Valeria Bartsch Teamleiterin Next Generation Computing – Quanten Computing Telefon +49 631 31600-4741 valeria.bartsch@itwm.fraunhofer.de wwwitwmfraunhoferde/quantencomputing 31

der Anwendungspartner. Die Hamburger Ha- fen und Logistik AG sowie die OTTO Gruppe steuern die Praxiserfahrung bei. Quantencomputer haben das Potenzial, be- stimmte mathematische Probleme besser und schneller zu lösen als klassische, digitale Com- puter – eine große Herausforderung, dafür aber auch eine riesige Chance für uns als Institut für Angewandte Mathematik. Unsere Aufgabe im Projekt »Rymax« ist es, die praktischen Anwendungsfälle der assoziierten Industriepartner geeignet zu modellieren so- wie passende Algorithmen und Software be- reitzustellen, um dieses Potenzial möglichst gut auszuschöpfen. Seitens des Fraunhofer ITWM bringen Wissenschaftlerinnen und Wis- senschaftler aus den Bereichen »High Perfor- mance Computing« (HPC) und »Optimierung« (OPT) ihre Expertise mit ein. wwwitwmfraunhoferde/rymax »EniQmA« – Hybrides Quantencomputing trifft auf Anwendungsfälle Die bisher als »industriell relevant« identifizier- ten Anwendungen im Bereich Quantencom- puting sind fast immer hybrid. Das heißt die klassischen Systeme kommen in Kombination mit Quantenschaltkreisen zum Einsatz. Im Au- gust 2022 gestarteten Projekt »EniQmA« (Er- möglichung hybrider Quantum-Anwendungen) arbeiten wir daran, diese hybriden Prozesse gezielt zu systematisieren. »Wir unterstützen bei der strukturierten Ent- wicklung hybrider Quantenanwendungen durch Software, Methoden und Werkzeuge«, erklärt Projektleiterin Dr. Valeria Bartsch. »Konkret heißt das: Wir helfen bei der Orchestrierung klassischer Software und Quanten-Software. Dafür schafft unser EniQmA-Team ein Set an Tools für den gesamten Lebenszyklus hybrider Quantenanwendungen.« Im Projekt geschieht dies anhand konkreter industrieller Use Cases. In der ersten Phase sind die großen Anwen- dungsschwerpunkte: Risikoanalyse und Auffäl- ligkeitsdetektion in Produktionsprozessen. Sei- tens unseres ITWM-Teams bringen Forschende aus den Bereichen »High Performance Comput- ing«, »Finanzmathematik«, »Strömungs- und Materialsimulation« und »Bildverarbeitung« ihre Expertise mit ein. Außerdem dabei sind das Fraunhofer-Institut für Offene Kommunika- tionssysteme FOKUS, die Universität Stuttgart, die Freie Universität Berlin, die umlaut Solutions GmbH und die Deutsche Bahn / DB Systel GmbH sowie über 20 assoziierte Partner. Das gemeinsam gewonnene Wissen ermög- licht es der Fraunhofer-Gesellschaft zukünftig das Angebot zu Quantencomputing auszu- bauen und genauer zu definieren. Interessierte Unternehmen können sich dann an die Kom- petenzzentren wenden, um sich umfassend zu den verschiedenen Aspekten der hybriden QC- Algorithmen beraten zu lassen und ihre eigene industrielle QC-Forschungsprojekte voranzu- treiben. wwwitwmfraunhoferde/eniqma © IBM Kontakt Dr. Valeria Bartsch Projektleiterin »EniQmA« Telefon +49 631 31600-4741 valeria.bartsch@itwm.fraunhofer.de 33

Finanzmathematik » Wir bekommen im Projekt ein Gefühl dafür, ob Probleme noch effizienter auf Quanten- computern zu lösen sind und wo das über- haupt Sinn macht.« Dr Pascal Halffmann Forschungskoordinator »Quantencomputing« in der Abteilung »Finanzmathematik« © istockphoto/IBM 2021 am Fraunhofer ITWM und arbeitet sich seitdem durch verschiedene Projekte in die Quantenwelt ein. »Das Besondere an diesem Anwendungsprojekt: Unser Domänenwissen ist bereits Jahre erprobt, es muss nicht erst aufgebaut werden. Zu dieser Basis gehört auch die Partnerschaft mit R+V, die seit 2008 besteht. Wir kennen die Richtlinien und das Unternehmen. Das sind gute Grundlagen, um gemeinsam neue QC-Ansätze zu finden«. Im Projekt QUSAA ist noch bis Mitte 2024 Zeit die neuen Modelle und Algorithmen zu entwi- ckeln sowie die Quantenhardware auf Herz und Qubit- Nieren zu testen. Neben der R+V Lebensver sicherung AG ist auch das Quanten- Startup JoS QUANTUM GmbH mit an Bord. Beim Blick in die Quantenzukunft ist Halff- mann zurückhaltend optimistisch: »Die neue Technologie hat viel Potenzial, dennoch sind wir noch ein gutes Stück davon entfernt, einen echten Quantenvorteil in der Praxis zei- gen zu können – auch in diesem Projekt. Das braucht einfach Zeit, bis wir mit dieser neuen Technologie so weit sind wie bei Hochleis- tungsrechnern. Aber es ist großartig von Anfang an dabei zu sein. Denn für alle heißt es jetzt Be ready, when it‘s ready.« Forschung und Industrie wollen vorbereitet sein, wenn dieser Zeitpunkt kommt, und die unterschiedlichen QC-Projekte bereiten den Weg. wwwitwmfraunhoferde/qc-fm Kontakt Dr. Pascal Halffmann Forschungskoordinator »Quanten- computing« in der Abteilung »Finanzmathematik« Telefon +49 631 31600-4110 pascal.halffmann@itwm.fraunhofer.de 35

Materialcharakterisierung und -prüfung »Das wäre wirklich bahnbrechend« Ultraschall liefert Bilder mit Auflösungen bis in den Submillimeterbereich in Echtzeit – die Technologie gehört deswegen zu den weltweit am meisten genutzten diagnos- tischen Bildgebungsverfahren in der Medizin. An der Weiterentwicklung des Ultra- schallverfahrens arbeitet ein Team der Abteilung »Materialcharakterisierung und -prüfung« im Projekt »FEMUT«. Im Projekt »FEMUT« (Innovative frequenzkodier- te Volumenbildgebung mittels 3D Laser- induziert gefertigter kapazitiver Ultraschallwandler) ent- wickelt das Team um Dr. Erik Waller eine neue Herstellungsmethode für Ultraschallsensoren mittels 3D-Druck. Der Vorteil: Das flexible Ver- fahren fertigt schnell und kostengünstig Ultra- schallsensoren auf beliebigen Untergründen. Ultraschall-Sensoren auf Glasfasern »Die Vision ist es, Ultraschallsensoren auf Glasfaserendfacetten zu entwicklen, um sie in der Medizin als minimal invasive Endoskope zu nutzen. Steht die Technologie, lässt sich diese auch in andere Branchen übertragen, etwa für die zerstörungsfreie Prüfung von Materialien«, beschreibt Waller. Moderne Systeme arbeiten mit einer großen Zahl an regelmäßig angeord- neten Ultraschallschwingern aus piezoelektri- schen Keramikstäben. Piezoelektrische Mate- rialien eignen sich für das Herstellen von Sen- soren, da sie bei Druck, Scherspannung oder Biegung elektrische Ladungen erzeugen. © Fraunhofer ITWM/freepik Forschen für die Medizin: Wir entwickeln den Einsatz von Ultraschall in Endos- kopen weiter. flexibel mittels 3D Laserdruck hergestellt wer- den können, machen es möglich. Dafür gilt es mithilfe neuer Algorithmen das entsprechende Schallfeld zu designen. Diese Aufgabe liegt beim Fraunhofer-Institut für biomedizinische Technik IBMT. Fraunhofer ITWM fertigt Prototypen Kontakt Die einzelnen Schwinger werden individuell an- gesteuert und sind grundlegend für die Bildge- bung. Bislang besteht ein medizinischer Ultra- schallsensor aus Hunderten von Elementen mit immer den gleichen Schwingungseigenschaf- ten; die dazugehörige Elektronik hat ebenso viele Kanäle – dies macht die Systeme komplex und teuer. Der im Projekt FEMUT verfolgte An- satz soll mit nur einem elektronischen Kanal auskommen: Ultraschallschwinger, die mit un- terschiedlichen Frequenzen schwingen und die Am Fraunhofer ITWM hingegen geht es um die Herstellung. »Wir sind sehr schnell in der Produktion von Prototypen, können innerhalb von Stunden die entworfenen Designs auf leit- fähigen Substraten herstellen und optimieren«, sagt Waller. »Gelingt uns das, was wir uns im Projekt vorgenommen haben, wäre das wirk- lich bahnbrechend: Eine große Bandbreite an Anwendungen, die von haptischen Displays, über in-vivo Sensoren bis zu autonome Mikro- roboter reichen, rückt in greifbare Nähe.« Dr. Erik Waller Abteilung »Materialcharakte risierung und -prüfung« Telefon +49 631 31600-4900 erik.waller@itwm.fraunhofer.de wwwitwmfraunhoferde/femut 37

Optimierung © ITWM/freepik Im Mittelpunkt des Projektes steht eine Online-Plattform, bei der sich die eigene Resilienz för- dern und trainieren lässt. in Zeiten von Krisen oder stressigen Lebens- ereignissen sind viele Menschen in ihrer psychi- schen Gesundheit besonders belastet. Dem entgegenzuwirken und die eigene Resilienz zu stärken, kann gezielt trainiert werden, zum Beispiel mit digitaler Unterstützung. Der Titel des Projektes steht für »Ausbau von Resilienzförderungsprogrammen zu einer Plattform mit zielgruppenspezifischen Ange- boten der Gesundheitsförderung« und bis Ende 2023 entwickelt das interdisziplinäre Team eine solche Online-Plattform. Die Exper- tise kommt nicht nur aus dem Fraunhofer ITWM, sondern auch aus dem Leibniz-Institut für Resilienzforschung in Mainz. Gemeinsam stellen sie das wissenschaftlich fundierte Trai- ningsprogramm bereit. Ein sicheres KI-Verfahren analysiert die Daten und ermittelt automatisch aus dem entwickelten Programm individuelle Trainingsinhalte und Informationen. Das Projekt verfolgt dabei einen Gamification-Ansatz: die Anwendenden haben spielerisch die Mög- lichkeit zum eigenständigen Training im stres- sigen Alltag. Zudem dokumentiert die quali- tätsgesicherte Plattform den Fortschritt der persönlichen Resilienz. Psychoedukative Webplattform für alle »Das Besondere: Die Onlineplattform steht an- schließend allen kostenlos und frei zur Verfü- gung«, erklärt Scherrer begeistert. »Perspekti- visch heißt das, Resilienzförderung für alle in- teressierten Einzelpersonen, aber auch Unter- nehmen, Kommunen und Verwaltung können das digitale Training bedarfsgerecht anbieten und für ihre Zwecke anpassen.« Das ist ganz im Sinne des Förderprogramms, denn APP- WAG wird durch den Europäischen Fonds für Regionale Entwicklung (EFRE) Rheinland-Pfalz finanziell unterstützt. wwwitwmfraunhoferde/appwag Kontakt Dr. Alexander Scherrer Stellv. Abteilungsleiter »Optimierung in den Life Science« Telefon +49 631 31600-4609 alexander.scherrer@itwm.fraunhofer.de 39

Optimierung Zukünftige Pandemie- modelle be- rücksichtigen psychologische Aspekte Kontakt Dr. Neele Leithäuser Stellv. Abteilungsleiterin »Optimierung – Operations Research« Telefon +49 631 31600-4621 neele.leithaeuser@itwm.fraunhofer.de 41 SEMSAI baut auf interdisziplinären Ansatz Wie nah kommen wir der Realität mit Simulationsmodellen? Wie wappnen wir uns mit diesem Wissen für neue Pandemien? Antwort darauf gibt das Pro- jekt SEMSAI. Die Abkürzung steht für »Self- Referential Multi-Scale Modelling and Simula- tion of Severe Infectious Diseases«. Die Koor- dination liegt beim Team um Prof. Dr. Ingo Timm vom Deutschen Forschungszentrums für Künstliche Intelligenz (DFKI) in Trier. Am Fraun- hofer ITWM kommt die Expertise aus der Ab- teilung »Transportvorgänge« und dem Bereich »Optimierung«. Beide Arbeitsgruppen haben bei anderen Corona-Projekten mit dem DFKI- Team bereits erfolgreich zusammengearbeitet. Zudem ist die Katastrophenforschungsstelle (KFS) der Freien Universität Berlin mit an Bord und trägt mit ihren sozialwissenschaftlichen Kompetenzen bei. Verschiedene Bausteine und Vorarbeiten des Konsortiums ebnen den interdisziplinären An- satz: Die KFS führt Erhebungen durch, um die komplexen Zusammenhänge zu untersuchen – sie erfragen Faktoren wie Kommunikation, Ri- sikowahrnehmung, Vertrauen und gesundheits- schützendes Verhalten. Diese Daten unterstüt- zen das DFKI beim Erstellen eines Simulations- modells auf Mikroebene – einer sogenannten »agentenbasierten Sozialsimulation«. Aber wie wirkt sich das individuelle Verhalten auf das große gesamte Infektionsgeschehen aus? Denn Menschen ändern ihr Verhalten im gesellschaft- lichen Kontext angesichts einer Epidemie. Das Modell ist dadurch in der Lage, Prognosen be- züglich der Ausbreitung von Infektionen bei bestimmten Szenarien zu treffen. Der agenten- bezogene Ansatz schaut sich das für einzelne Situation und kurze Zeiträume genauer an. Das ITWM-Team entwickelt darauf basierend ein Softwaretool, das die Auswirkungen von Maßnahmen differenziert vorhersagt und de- ren Wirksamkeit bewertet. Wie kann also der Einfluss einer Maßnahme bemessen werden, wenn sie von parallelen Maßnahmen überla- gert wird? »Dazu integrieren wir die Erkennt- nisse aus dem mikroskaligen, agentenbasierten DFKI-Modell in unser bereits bestehendes ma- thematisches Modell der Krankheitsausbrei- tung«, erklärt Mohring. Am Fraunhofer ITWM wurde in den letzten Jahren ein epidemiologi- sches, kohortenbasiertes Modell entworfen, das auf der Makroebene simuliert und vor allem an real erhobene Kennzahlen angepasst werden kann. Bei kohortenbasierten Ansätzen teilen die Forschenden die Bevölkerung in Gruppen ein, die z. B. ihren aktuellen Gesundheitszu- stand widerspiegeln. Solche Simulationen ka- men bereits erfolgreich in der Politikberatung sowie bei internationalen Prognosevergleichen zum Einsatz. Als wesentliche Erweiterung wer- den den gesundheitlichen Zustandsgrößen nun auch psychologische hinzugefügt. Am Ende gilt es, die verschiedenen Ebenen zu- sammenzuführen. Das klare Ziel: In Zukunft den Menschen, die die Entscheidungen treffen, eine fundierte wissenschaftliche Grundlage an die Hand zu geben, mit der sie besser einschätzen können, welche Auswirkungen ihre Maßnah- men in der Realität haben. SEMSAI soll auch einen Beitrag dazu leisten, das gesunkene Ver- trauen in modellbasierte Prognosen wieder- herzustellen. Das Projekt ist auf drei Jahre an- gelegt und wird bis 30.04.2025 vom BMBF gefördert. wwwitwmfraunhoferde/corona

Finanzmathematik © istockphoto/freepik berichtet Dr. Elisabeth Leoff, stellvertretende Abteilungsleiterin der »Finanzmathematik«. »Im Moment sind wir dabei unseren Demons- trator auf Echtdaten zu testen: Wie gut funk- tioniert das automatische Erkennen und Aus- werten der Daten? Wie gut sind unsere Algo- rithmen bereits?« Im Frühjahr fand zur Vertie- fung dessen ein Anwendungsworkshop statt. Das Projekt endete im Juni 2023. »Im Idealfall gibt es zukünftig weitere Forschung, mit der wir die Produktivsoftware realisieren«, so Leoff zuversichtlich. Neuronale Netze finden kriminelle Netzwerke Im Projekt »Kriminelle Netzwerke« – ebenfalls vom BMBF gefördert – entwickelt ein weiteres Team der Abteilung Künstliche Intelligenz für Ermittlungsbehörden und Krankenkassen. Da- bei geht es darum, ganze betrügerische Netz- werke aufzudecken. Im Verdachtsfall werden Massendaten wie E-Mail- oder Telefonverkehr untersucht. Das macht die Ermittlungen res- sourcenaufwändig und langsam. Ein neuer KI-Ansatz sind sogenannte Graph Neural Networks (GNN). Sie kommen bereits bei Suchmaschinen und Social Media zum Ein- satz, denn die Methode eignet sich besonders gut, um Zusammenhänge zu finden. Basis der GNN-Ansätze sind künstliche Neuronale Netze, die das menschliche Gehirn nachbilden. In einem GNN sammeln Knoten Informationen von ihren benachbarten Knoten, zum Beispiel die Häufigkeit von E-Mails zu einem bestimm- ten Schlagwort zwischen zwei Personen. Auf diese Weise lernt das GNN und weist die er- mittelnden Personen auf auffällige Beziehungen hin. Die Finanzmathematiker:innen kombinieren die GNN mit Methoden der Zeitreihenanalyse. Sie betrachten Veränderungen über die Zeit und erkennen z. B. Saisonalitäten, wie ein un- erwarteter Anstieg an Mails zwischen zwei Personen. Das Team um Dr. Stefanie Grimm hat die Arbeiten kürzlich auf dem Symposium zur europäischen zivilen Sicherheitsforschung in Brüssel vorgestellt, auch dieses Projekt läuft seit 2021 und ist auf drei Jahre angelegt. wwwitwmfraunhoferde/kriminelle-netzwerke Kontakt Dr. Stefanie Grimm Forschungskoordinatorin »Data Science« Telefon +49 631 31600-4040 stefanie.grimm@itwm.fraunhofer.de 43

Finanzmathematik Prof. Dr. Ralf Korn hat unsere Abteilung »Finanzmathematik« aufgebaut und unterstützt das Fraunhofer ITWM weiterhin als Berater. man eine Regressionsrechnung – also eine Aus- gleichsrechnung – macht, erhält man ein er- staunlich gutes Ergebnis. Und das schon nach wenigen Stunden, weil wir parallel auf einem sehr großen Cluster rechnen. Wie geht es weiter? Gemeinsam mit dem Statistiker Gerhard Stahl (früherer Chief Risk Officer der HDI-Talanx) habe ich ein revolutionäres Modell entwickelt, mit dem man leider aus ITWM-Sicht nicht viel Geld verdienen kann, mit dem aber eventuell sehr viel Geld in Windparks oder andere nach- haltige Anlagen investiert werden kann, statt es einfach nur rumliegen zu lassen. Aktuell erforschen wir, ob man wirklich alle 10 000 Bewertungen braucht für eine valide Prognose und haben einen Demonstrator er- stellt, mit dem wir die Dinge bereits gut dar- stellen können. Glücklicherweise haben wir mit Mark-Oliver Wolf einen neuen Kollegen, der auf dem Gebiet »Bewertungsmodelle und -algorithmen für strukturierte Produkte und Derivate« forscht und dafür Machine-Learning- Methoden anwendet. Wir nutzen ein reduziertes Modell für die Risiko- bewertung, in dem die Schwankungsbreite der Eigenmittel der Versicherung als Prognose- Grundlage dient. Dies ist eine bei Aktienport- folios etablierte Methode. Dabei betrachten wir die Entwicklung über 28 Quartale, haben also viel weniger Daten. Trotzdem ist die Prognose- Qualität sehr gut und versetzt Versicherungen in die Lage, mehr investieren zu können und trotzdem die Solvenzquote zu erfüllen. wwwitwmfraunhoferde/solvenzkapital Kontakt Prof. Dr. Ralf Korn Wissenschaftlicher Berater der Abteilung »Finanzmathematik« Telefon +49 631 31600-4658 ralf.korn@itwm.fraunhofer.de 45

Materialcharakterisierung und -prüfung Terahertz-Prüfung von Slush-Häuten: Optik, Haptik und Sicherheit müssen stimmen Die erste Assoziation ist falsch: Die Forschenden der Abteilung »Materialcharakte- risierung und -prüfung« testen nicht die Qualität eiskalter, farbiger Getränke aus dem Schwimmbad-Kiosk, sondern das Material von Amaturenbrettern in Autos der gehobenen Preisklasse. Diese sehen zwar aus wie Leder, sind es aber in den seltens- ten Fällen. © freepik Zum Einsatz kommt eine widerstandsfähige Kunststoffhaut, hergestellt im Pulversinterver- fahren. Dabei wird das Pulver in einer sehr hei- ßen Metallform zu einer Haut aufgeschmolzen, die nach dem Abkühlen über das Cockpit ge- zogen wird. Diese Haut ist ca. einen Millimeter dick und besteht aus zwei PVC-Schichten mit unterschiedlicher Dichte: einer massiven und einer geschäumten. Slush-Häute sind sicherheitsrelevant Direkt unter der Slush-Haut sind die Airbags verbaut, die »Sollriss-Stellen« brauchen, um sich bei einem Aufprall schnell und vollständig zu entfalten. Dafür schneiden scharfe Klingen von unten sehr präzise in die Slush-Haut. »Die Restwandstärke ist sehr gut einstellbar, den- noch gibt es Prüfbedarf«, erläutert Projektleiter Dr. Daniel Molter. Das Problem bei diesem Prozess: Die beiden Schichten sind nicht über- all gleich dick. Es muss aber gewährleistet sein, dass beide Schichten durch den Schnitt ge- schwächt werden und somit durch einen sich entfaltenden Airbag leicht zerreißen können. »Wir mussten also ein System bauen, das die Einzelschichten jeder Haut zerstörungsfrei messen kann.« Zerstörungsfreie 100-Prozent-Prüfung Bisher wurde das Material zerschnitten und die Schnittkante unter dem Mikroskop ange- schaut; der Materialverlust war also groß und die Prüfung aufwendig. Im Vergleich zu Mehr- schichtlacken, für deren Dickenmessung im Automobil-Bereich die Abteilung bereits Ge- räte im Einsatz hat, sind einzelne Mess-Signale an Slush-Häuten nicht gut modellierbar, denn die Grenzschichten sind hier nicht gut defi- niert. Außerdem sind die Schichten durch Luftbläschen inhomogen und die Oberfläche ist (gewollt) strukturiert. Trotzdem ist es ge- lungen, in weniger als einem Jahr ein Tera- hertz-System mit handgehaltenem Messkopf zu entwickeln, das inzwischen beim Auto- mobilzulieferer Antolin Straubing GmbH im Einsatz ist. wwwitwmfraunhoferde/pruefung-terahertz Moderne Slushhäute bestehen aus zwei Schichten, deren Übergänge nicht klar abge- grenzt und damit schwer zu modellieren sind. Kontakt Dr. Daniel Molter Abteilung »Materialcharakte risierung und -prüfung« Telefon +49 631 31600-4921 daniel.molter@itwm.fraunhofer.de 47

Mathematik für die Fahrzeugentwicklung KI-basierte kooperative Verkehrsregelung: Die Mischung macht´s Vernetzte Maschinen und Systeme agieren zunehmend autonom. Das gilt auch für unsere Mobilität. Doch welche Auswirkungen haben hoch-automatisierte Ver- kehrssysteme, autonome Fahrzeuge und vernetzte Verkehrsteilnehmende auf Ver- kehrssicherheit, Ressourceneffizienz, Umweltfreundlichkeit sowie die Auslastung existierender Verkehrsinfrastrukturen? Mit diesen Fragen beschäftigt sich unser Bereich »Mathematik für die Fahrzeugentwicklung« im Projekt »SOPRANN«. SOPRANN steht für »Synthese optimaler Rege- lungen und adaptiver Neuronaler Netze für Mobilitätsanwendungen« und betrachtet unter anderem das Miteinander von automati- sierten und von Menschen gesteuerten Fahr- zeugen. Ziel ist der Einsatz datenbasierter Mo- delle und KI zur sicheren und optimalen Regelung in der Mobilität. Mit dabei sind Forschende der Technischen Universität Chemnitz sowie der Universität der Bundeswehr in München. Wer regelt den Verkehr am besten? Den Verkehrsfluss kann man über die Infra- struktur steuern, zum Beispiel mit Ampeln, aber auch durch intelligent(er) geregelte Fahr- zeuge, welche die übrigen Verkehrsteilneh- menden durch ihr Fahrverhalten »dirigieren«. »In unserem Ansatz reicht schon ein einziges Fahrzeug, um ein Ensemble von etwa zwanzig Autos zu effizienterem Fahrverhalten zu bewe- gen«, erklärt Projektleiter Dr. Michael Burger. Das kann es, weil es über einen Modell- und KI-basierten Regler verfügt und auch Daten und Informationen der anderen Fahrzeuge nutzt, um menschliche Unzulänglichkeiten auszugleichen. Fährt zum Beispiel jemand zu dicht auf oder sind bereits Stop-and-go-Wellen entstanden, versucht das taktgebende Fahrzeug dies zu kompensieren, indem es beispielsweise einen relativ großen Abstand lässt, langsam fährt, aber nicht bremst, damit der Verkehr weiterhin fließt. Experimentell abgesichert wird diese An- nahme derzeit im ITWM-Fahrsimulator RODOS®. Testfahrt im Fahrsimulator: Kann das rote Auto als Taktgeber den vom blauen Auto verursachten Stau durch intelligentes Fahrverhalten auflösen? Weniger Stop-and-go Kontakt Dr. Michael Burger Stellv. Abteilungsleiter »Dynamik, Lasten und Umgebungsdaten« Telefon +49 631 31600-4414 michael.burger@itwm.fraunhofer.de Der Nutzen dieses intelligent gesteuerten Fahrverhaltens liegt auf der Hand: weniger Stop-and-go-Wellen, weniger Staus. Das spart sowohl Zeit als auch Emissionen, denn die Durchschnittsgeschwindigkeit aller Fahrzeuge steigt in der Regel mit einem gleichförmigen Verkehrsfluss. Vor allem bedeuten weniger Staus auch ein deutlich reduziertes Unfallrisiko und damit mehr Sicherheit für die Menschen. Michael Burger umreißt die Zukunftsvision: »Man könnte automatisierte Fahrzeuge ganz systematisch in Regionen mit hohem Ver- kehrsaufkommen und vielen Staus einsetzen und den Vekehr so im Fluss halten.« wwwitwmfraunhoferde/verkehrssimulation 49

Mathematik für die Fahrzeugentwicklung IPS Demify® – Boden-Wechselwirkungssimulation in Echtzeit Demify® ist ein Modul der Softwarefamilie IPS und wird eingesetzt, um Interaktionskräfte zwischen granularen Materialien und Festkör- pern vorherzusagen. Die Forschenden unseres Bereichs »Mathematik für die Fahrzeugentwick- lung« simulieren dabei beispielsweise die Wech- selwirkungen zwischen Bau- bzw. Landmaschi- nen und dem Untergrund, den sie bearbeiten. Die Interaktion von Werkzeugen wie Schaufeln oder Pflügen mit feinem Boden oder grobem Gestein ist hierbei eine ebenso große Herausfor- derung wie die Interaktion einer Erntemaschine mit dem Erntegut. Bisher werden solche kom- plexen Wechselwirkungen meist messtechnisch erfasst und sind dadurch schwer in die virtuelle Produktentwicklung zu integrieren. Die Soft- ware IPS Demify® for Heavy Machinery and Vehicles ermöglicht nun die Modellierung und Simulation von Böden, Gestein und Material sowie deren Wechselwirkung mit Werkzeugen und realisiert die Unterstützung des virtuellen Produktentwicklungsprozesses. Jüngste Forschungen zu Algorithmen, die auf Methoden des Maschinellen Lernens basieren, ermöglichen eine echtzeitfähige Boden-Werk- zeug-Interaktion. Ein Ziel ist die interaktive Bodensimulation am Fahrsimulator RODOS®. wwwitwmfraunhoferde/demify Kontakt Dr. Sebastian Emmerich Abteilung »Mathematik für die Fahrzeugentwicklung« Telefon +49 631 31600-4079 sebastian.emmerich@itwm.fraunhofer.de EMMA4Drive für sicheres und bequemes autonomes Fahren Bisher werden Menschmodelle entweder in Crash-Simulationen oder in Ergonomie-Analysen verwendet. Wir wollen aber auch die Auswir- kungen unterschiedlicher Fahrmanöver auf den Menschen, wie z. B. dessen Reaktions-Verhalten sowie die Auswirkungen auf den Fahrzeugsitz untersuchen. Genau deshalb arbeiten unsere Forschenden gemeinsam mit der Universität Stuttgart und unserem Spin-off fleXstructures GmbH am Projekt »EMMA4Drive« der Deut- schen Forschungsgesellschaft (DFG): »Hier ver- wenden wir einen Optimierungsalgorithmus, um automatisch neue Körperhaltungen und ganze Bewegungsab läufe über ein längeres Zeitfenster mit den dazugehörigen Muskelak- tivitäten zu berechnen«, erklärt ITWM-Projekt- leiter Dr. Marius Obentheuer. Der daraus entstehende Prototyp fungiert als digitaler Zwilling der Insassen und hilft, neue Sitzkonzepte hinsichtlich Sicherheit und Ergo- nomie bei Fahrmanövern zu analysieren sowie zu bewerten – angepasst an die menschlichen Bewegungsmuster. wwwitwmfraunhoferde/EMMA4Drive Kontakt Dr.-Ing. Marius Obentheuer Abteilung »Mathematik für die Fahrzeugentwicklung« Telefon +49 631 31600-4766 marius.obentheuer@itwm.fraunhofer.de 51

Optimierung holzbasierter Dämmstoffe Dämmstoffe aus regenerativen Rohstoffen sind nachhaltiger und besser für das Klima als konventionelle Dämmstoffe wie Mineralwolle sowie Hartschäume, haben aber auch einen Nachteil: Ihre Wärmeleitfähigkeit ist höher und ihre Wärmedäm- mung deshalb geringer. Dies zu ändern ist das Ziel eines vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekts, an dem auch Kolleg:innen unserer Abteilung »Bildverarbeitung« beteiligt sind. Entscheidend für die Wärmedämmung sind Verteilung und Orientierung der Zellulosefa- sern. Darum wollen die Forschenden die Rich- tungsabhängigkeit der Zellulosefasersysteme nutzen und gezielt unterschiedlich orientierte Schichten so anordnen, dass die Wärmedäm- mung optimiert wird. Welchen Einfluss hat die Wärme- strahlung? Die Dämmstoffplatten enthalten aber neben Einzelfasern auch Faserbündel unterschiedlicher Größe, was ihre geometrische Modellierung erschwert. Den Part des Fraunhofer ITWM be- schreibt Projektleiterin Dr. Katja Schladitz so: »Unsere Aufgabe ist die Bildverarbeitung und Simulation der effektiven Wärmeleitfähigkeit der Holzfaserdämmplatten. Dazu analysieren wir zunächst die Holzfasergeometrien anhand von 3D-Bilddaten. Im zweiten Schritt simulie- ren wir den Wärmetransport auf der Skala der Plattendicke.« Beim Industriepartner, der Firma Steico, weiß man, dass bei Porositäten bis 90 Prozent Mate- rialdichte und Wärmeleitfähigkeit proportional sind. Das passt aber bei hochporösen Materia- lien wie den untersuchten Dämmplatten nicht mehr, zum Beispiel weil der Einfluss der Wärme- strahlung noch nicht abschließend untersucht wurde. Modellieren statt messen Benötigt wird daher ein sehr feines Modell mit aufgelösten Faserwänden; die Kontaktstellen der Fasern werden geometrisch modelliert. Das geht nur für winzige Volumina, maximal einen Kubikzentimeter. Solche kleinen Proben kann man weder präparieren noch messen, aber modellieren. »Wir versuchen ein verein- fachtes Geometriemodell aus Zylindern oder Balken zu kalibrieren und schreiben diesen quasi ›effektive Wärmeleiteigenschaften‹ zu«, so Katja Schladitz. Aus diesen einfacheren Ele- menten kann man dann virtuelle Proben gene- rieren, die repräsentativ für die Plattenskala – also die Plattendicke – sind. Und auf dieser grö- beren Skala wollen die Forschenden dann op- timieren; dafür müssen sie die Wärmeleitung in zehn Zentimeter dicken Dämmplatten simulie- ren. Die Ergebnisse können auf andere hoch- poröse Materialien übertragen werden. wwwitwmfraunhoferde/bv-matchar Bildverarbeitung Computertomografische Auf- nahme der Mikrostruktur holz- faserbasierter Dämmplatten Grau: säulenförmige Probe, (entspricht der Plattendicke) Gelb: detaillierte Visualisie- rung des Volumenbilds der Pro benmitte Kontakt Dr. Katja Schladitz Abteilung »Bildverarbeitung« Telefon +49 631 31600-4625 katja.schladitz@itwm.fraunhofer.de 53

Materialcharakterisierung und -prüfung Schnellere Schichtdickenkontrolle dank Terahertz-Wellen Rollt ein Auto glänzend vom Band, hat es einen Tauchgang und mehrere Farb- aufträge hinter sich; in der Regel drei bis fünf. Im ersten wird der Rostschutz aufgetragen, anschließend die Farbschich- ten. Um ein gleichmäßiges Erscheinungs- bild zu garantieren, wird die Schichtdicke nach jedem Auftrag gemessen, Schicht für Schicht. Mit einem neuen Verfahren unserer Kolleg:innen aus der Abteilung »Materialcharakterisierung und -prü- fung« können alle Schichten auf einmal gemessen werden. Das bisherige Verfahren war nicht nur auf- wändig, sondern auch ungenau, weil nicht immer an derselben Stelle gemessen werden kann. Auch Messfehler sind dadurch nicht auszuschließen, denn nach jedem Auftrag wird die Gesamtdicke gemessen und davon der bereits ermittelte Wert abgezogen. All in one: hundertprozentige Inline- Kontrolle möglich mit neuem System »Unser System steht am Ende der Produktions- linie und misst alle Schichten gleichzeitig. Dafür reicht dem Terahertz-Sensor eine 3 × 4 Millimeter große Fläche«, sagt Projektleiter Dr. Joachim Jonuscheit. »Das ist ein großer Fortschritt, da man nur noch ein einziges Messgerät benötigt und alle Schichten an exakt der gleichen Position misst.« Die Messzelle mit dem Terahertz-Sensor befindet sich direkt hinter dem Decklacktrockner und erfasst fünfzig über die gesamte Karosserie verteilte Messpunkte. Die Positionierung des Sen- sors und die Messung dauert wenige Sekunden. Das komplette Auto ist in zehn Minuten erfasst, was die Qualitätsprüfung enorm beschleunigt. © das-Nano Der Terahertzsensor misst auf einer Fläche von 3 × 4 Millimeter. Kontakt Dr. Joachim Jonuscheit Stellv. Abteilungsleiter »Materialcharak- terisierung und -prüfung« Telefon +49 631 31600-4911 joachim.jonuscheit@itwm.fraunhofer.de Um fehlerhafte Lackierungen zu erkennen, muss nicht jedes Auto einer eingehenden Prü- fung unterzogen werden. Es reicht in etwa je- des zehnte, denn dass von einem Auto zum nächsten Auto etwas schiefgeht, ist ausge- schlossen. Man erkennt Tendenzen und ent- deckt frühzeitig, welcher Lackierroboter nicht richtig arbeitet, weil beispielsweise die Farb- schicht immer dünner wird. Technologieakzeptanz von Volkswagen Entwickelt wurde das System mit dem Auto- mobilzulieferer, unserem Partner und Lizenz- nehmer das-Nano; eingesetzt wird es bei- spielsweise im VW-Werk in Pamplona. Um den Standard einer »Accepted Techology« zu erreichen, müssen 20 000 Autos damit getes- tet werden – mittlerweile sind bereits mehr als 200 000 Autos überprüft worden! wwwitwmfraunhoferde/schichtdickenmessung 55

Systemanalyse, Prognose und Regelung » Da Kalksteinmahlwerke in entlegenen Gebieten betrieben werden, ist lokale Datenverarbeitung zur Automatisierung nötig. Unsere Mahlwerke erweitern wir mit implementierten smarten Edge Devices, um energieeffi ziente Betriebspunkte zu erreichen.« © Gebrüder Pfeiffer SE Koloss mit intelligenter Technik: Zementmühle des Materialaufbe- reiters Gebrüder Pfeiffer SE Lukas Schmitt Gebrüder Pfeiffer SE Projektleiter Predictive Maintenance Anwendungsfall: Zementmühlen der Gebrüder Pfeiffer SE In Zementmühlen der Gebrüder Pfeiffer SE werden die Edge-Geräte im realen Produktions- betrieb getestet. Die Fertigung von Zement ist ein hochkomplexer Prozess, der nicht nur äu- ßerst viel Energie verbraucht, sondern zugleich auch sechs bis acht Prozent der weltweiten CO2-Emissionen erzeugt. Eine mittelgroße Ze- mentmühle hat allein für das Aufmahlen des Zementklinkers einen Energiebedarf von etwa 20 GWh pro Jahr. Hier setzt EMILIE an: »Beim Zerkleinern von Bauschutt wirken große Kräf- te, die zum Aufschwingen der Mühlen führen und deren Verschleiß beschleunigen. Das kön- nen wir verhindern, indem wir mit einem Digi- talen Zwilling Maschineneinstellungen opti- mieren und auf die realen Mühlen übertragen«, beschreibt Benjamin Adrian, Abteilung »Sys- temanalyse, Prognose und Regelung«, das Projektziel. wwwitwmfraunhoferde/emilie Kontakt Dr. Benjamin Adrian Projektleiter »EMILIE« Telefon +49 631 31600-4943 benjamin.adrian@itwm.fraunhofer.de 57

Materialcharakterisierung und -prüfung Neue Sensoren für den Blick in Batterieelektroden Expertise in der Schichtdicken-Mess- technik haben die Forschenden der Ab- teilung »Materialcharakterisierung und -prüfung« schon seit vielen Jahren, vor allem bei Lacken und Kunststoffen. Nun nehmen sie Elektroden in den Fokus, genauer: die Leiteigenschaften von Batterieelektroden. Erforscht wird die innovative Technik im institutsübergrei- fenden Projekt INTENSE, kurz für Inline- Terahertz-Schichtdickensensorik. Will man Materialschichten zerstörungsfrei untersuchen, muss die eingesetzte Terahertz- Sensorik Messdaten mit hoher Auflösung lie- fern; diese werden aber mit zunehmender Leitfähigkeit bzw. Absorption der Materialien schlechter. »Gemeinsam mit dem Fraunhofer- Institut für Nachrichtentechnik HHI entwickeln wir eine kontaktfreie, hochauflösende Inline- Schichtdicken-Messtechnik für stark absorbie- rende Materialien«, erläutert Dr. Fabian Friede- rich, der INTENSE auf Seiten des Fraunhofer ITWM koordiniert. Zu diesen gehören u. a. Batterieelektroden, wie sie beispielsweise für die Automobilbranche hergestellt werden. Gute Auflösung bei hoher Eindringtiefe Bisher werden entweder elektronische Tera- hertz-Radarsensoren eingesetzt, die eine gute Signaleindringtiefe in Materialien haben, dafür aber nur eine geringe Auflösung durch ver- gleichsweise kleine Signalbandbreite aufwei- sen, oder breitbandige photonische Terahertz- Systeme. Diese sind für eine sehr hohe Auflö- sung an dünnen Schichten mit geringer Ab- sorption optimiert. Die neue Sensorik ist so © Fraunhofer FFB konzipiert, dass sie die Aufgaben maßge- schneidert übernimmt; Grundlage ist ein ge- meinsam mit dem Fraunhofer HHI entwickel- tes photonisches Terahertz-Radar, das bisher primär für einen breitbandigen Betrieb ausge- legt ist. Herstellungsstraße für Batterie- zellen beim Projektpartner, der Fraunhofer-Einrichtung Forschungsfertigung Batterie- zelle FFB Neue Sensorik macht flexibel Ziel ist ein inlinefähiges, skalierbares Terahertz- Schichtdickenmesssystem, das sich in der Zahl und Position der Messköpfe sowie der Mess- frequenz flexibel an die jeweilige Aufgabe an- passen lässt. Die Optimierung auf Frequenzen zwischen 50 GHz und 1 THz, Frequenzstabili- sierung durch bessere Treiberelektronik und angepasster Signalverarbeitung sollen präzise Dickenmessungen an dünnen stark absorbie- renden sowie elektrisch leitfähigen Schichten ermöglichen. Aktuell entwickeln die Forschenden aus Berlin und Kaiserslautern im Projekt INTENSE im Rah- men des Fraunhofer-internen Programms SME den Labordemonstrator für den Einsatz in der Automobilindustrie weiter. Kontakt Dr. Fabian Friederich Gruppenleiter »Elektronische Terahertz-Messtechnik ETM« Telefon +49 631 31600-4908 fabian.friederich@itwm.fraunhofer.de wwwitwmfraunhoferde/schichtdickenmessung 59

Strömungs- und Materialsimulation A B C D E F G Das aktuelle Energieeffizienzlabel teilt alle Waschmaschinen in Effizienzklassen von A bis G ein. Das bedeutet auch höhere Anforderungen an die Geräte. einbeziehen sowie die Umweltbilanz mitdenken – vom CO2-Fußabdruck, dem Energieverbrauch bis hin zum Recycling. Dafür kombinieren wir in vielen Schritten verschiedene Simulations- verfahren.« Wir, das sind bei »DigiLaugBeh« neun Partner, die sich zusammengetan haben. Die Projekt- leitung liegt bei der Robert Bosch GmbH. Mit an Bord sind neben unserem mathematischen Institut aus Kaiserslautern außerdem die Math2- Market GmbH – eine Ausgründung des Fraun- hofer ITWM –, das Institut für Akustik und Bauphysik (IABP) der Universität Stuttgart, das Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft (ISWA) der Universität Stuttgart, der Lehrstuhl für Kunststoffverarbei- tung an der RWTH Aachen (IKV) sowie die Plastics Engineering Group GmbH (PEG) – ein Spin-off der Hochschule Darmstadt. Die zwei assoziierten Partner BSH Hausgeräte GmbH und Celanese Services Germany GmbH stellen Geräte und Material. Zukunft Kommerzialisierung in der Industrie Basis zum Vorgehen bildet eine langjährige Kooperation zwischen BOSCH und dem Fraun- hofer ITWM, in der die Machbarkeit eines sol- chen Ansatzes bereits für SFT im industriellen Forschungsumfeld erfolgreich gezeigt wurde. Das BMWK-Projekt »DigiLaugBeh« läuft seit November 2021 im Technologietransfer-Pro- gramm Leichtbau (TTP LB) und ist auf drei Jah- re angesetzt. Zum Projektende wird ein an die erhöhten Anforderungen angepasster Demons- trator ausgelegt, gefertigt und erprobt. Der Digi- tale Zwilling wird immer wieder im Real-Expe- riment validiert und angepasst. Parallel entwi- ckelt das Projektteam ein Konzept zur Rück- führung von Material, sodass Kunststoff von alten Geräten unter Zugabe von neuem Granu- lat wieder in den Produktkreislauf findet. Im Idealfall fließen all diese vielschichtigen Ergeb- nisse in den nächsten fünf Jahren in der indus- triellen Produktion mit ein. wwwitwmfraunhoferde/DigiLaugBeh © freepik Kontakt Dr. Matthias Kabel Teamleiter »Leichtbau und Dämmstoffe« Telefon +49 631 31600-4649 matthias.kabel@itwm.fraunhofer.de 61

Strömungs- und Materialsimulation Schäume simulieren, um optimale Schaumstoff-Bauteile zu entwickeln Schäume sind ideale thermische oder akustische Dämmstoffe und ein guter Ersatz für schwere strukturelle sowie mechanische Systeme, wie etwa Verbundwerkstoffe. Sie sind daher nicht nur in Sitzen aller Art zu finden, sondern kommen auch als Stoß- dämpfer oder für die Schall- und Wärmedämmung zum Einsatz. Mithilfe unserer Di- gitalen Zwillinge ermöglichen wir das vollständige Digitalisieren der Entwicklungs-, Konstruktions- und Fertigungsprozesse von Schaum-Komponenten – unter Berück- sichtigung der lokalen Schaumeigenschaften. Multiskalen-Simulationskette für Schaumstoff-Komponenten Der Digitale Zwilling für Schaumstoff-Kompo- nenten beginnt mit der Simulation des Auf- schäumprozesses mit unserer Software FOAM, um die lokale Dichte und Porengrößenvertei- lung des Schaumstoffbauteils zu bestimmen. Auf der Grundlage der FOAM-Ergebnisse wird dann eine Schaumstoffdatenbank für verschie- dene Dichten und Porengrößen dynamisch er- stellt. Dieser Schritt stützt sich auf Mikrostruk- tursimulationen des Schaumes, die mit unserem Tool FeelMath durchgeführt werden. »In einer auf dem Materialgesetz der Daten- bank beruhenden Finite-Elemente-Simulation berücksichtigten wir die spezifischen Material- und Prozesseigenschaften des Schaums, um das Produkt optimal, belastungsgerecht aus- zulegen«, erklärt Dr. Konrad Steiner. Belastungsgerechte Auslegung eines Fahrzeugsitzes Beispielhaft wendeten wir diesen digitalen Zwilling für einen Kinderfahrzeugsitz an. Die Prozesssimulation mit FOAM liefert die lokale Lokale Schaumdichte Prozessparameter für das Schäumen V erzerru n g S p a n n u n g Mikrostruktur des Schaums Schaumdichte in einem Bereich zwischen 50 und 100 kg/m³. In diesem Dichtebereich simulieren wir die me- chanischen Mikrostrukturen, wobei sich die lo- kale Schaumstruktur mit zunehmender Dichte hin zu mehr geschlossenporigen Schäumen ändert. Die Mikrostruktursimulationen liefern die Datengrundlage zur Bestimmung dichte- abhängigen Materialgesetztes, das bei der Be- lastungssimulation Verwendung findet. Der Vergleich mit einer herkömmlichen FE-Si- mulation zeigt, dass die Multiskalensimulation die Verschiebungen und Belastungen deutlich genauer vorhersagen kann. Kontakt Dr. Konrad Steiner Abteilungsleiter »Strömungs- und Materialsimulation« Telefon +49 631 31600-4342 konrad.steiner@itwm.fraunhofer.de wwwitwmfraunhoferde/digitaler-zwilling-prozess-schaum 63

Bildverarbeitung Bildverarbeitung Womit beschäftigt sich Ihre Abteilung? Wir entwickeln Algorithmen für Bildanalysen und wandeln diese in industrietaugliche Software in der Produktion um. Die Anwendungsgebiete umfassen dabei anspruchsvolle Oberflächenprü- fungen und Analysen von Mikrostrukturen. Dazu hat sich das Thema Quantencomputing in den vergangenen Jahren als sehr wichtig erwiesen. Wir versuchen das Potenzial von Quantencompu- tern für die industrielle Bildverarbeitung zu nutzen. Zudem entwickeln wir sowohl neue Metho- den als auch domänenspezifische Machine-Learning-Algorithmen. Wo liegen die Forschungsschwerpunkte Ihrer Abteilung beim Thema »Energie?« Im Schwerpunkt »Industrial Image Learning« nutzen wir KI-Methoden zur ressourcenschonenden Qualitätssicherung. Hier geht es immer darum, den Ressourcenverbrauch zu minimieren und durch die effiziente Nutzung von Aktorik und Sensorik möglichst wenig Energie einzusetzen – immer unter der Prämisse, dass die Qualität nicht leiden darf. Auch durch die ganzheitliche Mo- dellierung der Produktion mithilfe Digitaler Zwillinge verbessern wir den Materialverbrauch. Die »Energiewende« wird viel zitiert und kritisch diskutiert; was wird in fünf Jahren (in Deutschland) erreicht sein? Sicherlich wird der Anteil erneuerbarer Energien weiter steigen. Ob die offiziellen Zielzahlen der Regierung wirklich erreicht werden, ist allerdings noch unklar. Wichtig ist dabei die Erneuerung der Energienetze; ohne deren Modernisierung wird die Energiewende nicht möglich werden. Der Anteil von Elektrofahrzeugen wird weiter steigen und der Ausbau von Ladestationen scheint be- reits jetzt zügig voranzugehen. Der Wechsel zu CO2-neutralen Heizungen wird wahrscheinlich sehr langsam stattfinden, da die Kosten für die Sanierung alter Bausubstanz massiv sein werden. Die beste Energie ist die, die nicht verbraucht wird, darum nun noch die Gretchenfrage: Wo spart Ihre Abteilung im Alltag Energie? Kontakt Wir haben in Fluren und Laboren ca. die Hälfte der Leuchtmittel ausgeschaltet. Rechner werden nach Möglichkeit über Nacht runtergefahren. Virtuelle Meetings ersetzen inzwischen viele Dienst- reisen. Dipl.-Inf. Markus Rauhut Abteilungsleiter »Bildverarbeitung« Telefon +49 631 31600-4595 markus.rauhut@itwm.fraunhofer.de wwwitwmfraunhoferde/bv 67

Finanzmathematik Womit beschäftigt sich Ihre Abteilung? Wir simulieren Altersvorsorgeverträge und optimieren Anlagestrategien für Lebensversicherungen. Wir erfassen Auffälligkeiten in Abrechnungen mithilfe statistischer Methoden und Data Science. Und wir sparen Kosten und Energie durch verbesserte Lastabnahmen. Wo liegen die Forschungsschwerpunkte Ihrer Abteilung beim Thema »Energie?« Zum einen optimieren wir Handelsstrategien an Strombörsen, zum anderen forschen wir an der marktgetriebenen Steuerung von Energieerzeugung und -verbrauch. Große Gewerbekunden unterstützen wir durch datengestützte Analyse ihres Verbrauchs. Die Modellentwicklung zur Risiko- analyse gehört generell zu unserm Portfolio. Sie kommt auch in Energieprojekten zum Zuge. Die »Energiewende« wird viel zitiert und kritisch diskutiert; was wird in fünf Jahren (in Deutschland) erreicht sein? Aus Abteilungssicht: Wir hoffen, dass bis dahin eine hinreichende Digitalisierung verfügbar ist, insbesondere Smart Meter für alle Haushalte, um den Verbrauch zu flexibilisieren. Persönlich fürchte ich, dass das Klimaziel von 1,5 Grad bereits vorfristig verfehlt wird. Die Atomkraftwerke werden abgeschaltet, ohne einen Zusammenbruch der Energienetze zu verursachen. Ob es schon ganz ohne Kohle gehen wird – da bin ich gespannt. Die beste Energie ist die, die nicht verbraucht wird, darum nun noch die Gretchenfrage: Wo spart Ihre Abteilung im Alltag Energie? Wir begeben uns auf Dienstreisen mit der Bahn, wann immer möglich. Außerdem arbeiten wir viel im Homeoffice und reduzieren damit den Pendelverkehr. Finanzmathematik Kontakt Dr. habil. Jörg Wenzel Abteilungsleiter »Finanzmathematik« Telefon +49 631 31600-4501 joerg.wenzel@itwm.fraunhofer.de wwwitwmfraunhoferde/fm 69

High Performance Computing High Performance Computing Womit beschäftigt sich Ihr Bereich? Wir sind ein weltweit anerkannter Partner, wenn es um die Entwicklung neuer Technologien geht, insbesondere für verteiltes und Hochleistungsrechnen. Wir engagieren uns für eine ganz- heitliche und zukunftsorientierte Entwicklung, Optimierung und Forschung. Zu unseren Themen gehören effiziente und skalierbare Hard- und Softwarelösungen sowie Methoden, die industrielle und gesellschaftliche Herausforderungen bewältigen. Mit Unternehmen aus dem Energiesektor verfügen wir über potente Anwender unserer Technologien und garantieren somit die Praxis- relevanz unserer Forschungsergebnisse. Das HPC-Führungsteam besteht aus Dr. Valeria Bartsch, Dr. Norman Ettrich, Dr. Daniel Grünewald, Dr. Janis Keuper, Matthias Klein-Schlößl, Dr. Jens Krüger, Dr. Mirko Rahn und Dr. Rui Màrio da Silva Machado. Sprecherteam sind Dr. Valeria Bartsch und Dr. Daniel Grünewald. Wo liegen die Forschungsschwerpunkte Ihres Bereichs beim Thema »Energie?« Unser Green by IT-Team setzt sich mit der Steuerung erneuerbarer Energien auseinander und arbeitet an ihrer Integration in die Sektoren Strom, Wärme, Mobilität und Speicherung. Dabei spielt das Vernetzen und optimierte Steuern von Verbrauchern, Erzeugern und Speichern in Energiegemeinschaften eine große Rolle. Das Team Seismik erforscht Methoden zur Interpreta- tion des Erduntergrundes für die Öl- und Gasexploration sowie für das Auffinden von Gebieten mit hohem geothermischem Potenzial; auch Standort planung für Offshore-Windkraftanlagen spielt eine Rolle. Die »Energiewende« wird viel zitiert und kritisch diskutiert; was wird in fünf Jahren (in Deutschland) erreicht sein? Die Gesetzgebungsinitiative des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz wird den Ausbau erneuerbarer Energien beschleunigen. In fünf Jahren wird der Einbau von Gas- und Öl- heizungen nur noch in Sonderfällen möglich sein. Günstige Strompreise durch Erneuerbare und CO2-Abgaben fördern die Elektromobilität. Deutschland wird energiebewusster sein. Als HPC treiben wir Green-Computing durch sparsame Prozessoren und effiziente Software voran. Kontakt Dr. Valeria Bartsch Sprecherin der Bereichsleitung »High Performance Computing« Telefon +49 631 31600-4741 valeria.bartsch@itwm.fraunhofer.de Die beste Energie ist die, die nicht verbraucht wird, darum nun noch die Gretchenfrage: Wo spart Ihr Bereich im Alltag Energie? Generell beschäftigt sich unser Bereich mit der Steigerung der Leistungsfähigkeit von recheninten- siver Software zur effizienten und damit energiesparenden Nutzung von Hardware. In einem ganzheitlichen Ansatz wird dabei einerseits die Software auf allen Ebenen auf die Hardware an- gepasst (Code Optimierung). Andererseits entwickeln wir aber auch für spezielle Probleme spe- zifische und damit maximal effiziente Hardware (Software / Hardware Co-Design). Außerdem wird die Abwärme unserer Computer cluster für die Heizung des Gebäudes genutzt. Dr. Daniel Grünewald Sprecher der Bereichsleitung »High Performance Computing« Telefon +49 631 31600-4519 daniel.gruenewald@itwm.fraunhofer.de wwwitwmfraunhoferde/hpc 71

Materialcharakterisierung und -prüfung Materialcharakterisierung und -prüfung Womit beschäftigt sich Ihre Abteilung? Im Zentrum unserer Arbeiten steht die zerstörungsfreie Prüfung zur Qualitätskontrolle im industriel- len Fertigungsprozess. Beispiele für unsere Anwendungen sind die Rohrwandstärken-Messung, die Charakterisierung von Mehrschicht-Lacksystemen oder die Elektroden in der Batteriefertigung. Dafür setzen wir elektromagnetische Wellen im gesamten Spektralbereich vom sichtbaren Licht bis in den Terahertz-Wellen-Bereich ein und nutzen sowohl Quanten-inspirierte Messtechnik als auch die Möglichkeiten des Maschinellen Lernens, um bestmögliche Ergebnisse zu erzielen. Wo liegen die Forschungsschwerpunkte Ihrer Abteilung beim Thema »Energie?« Wir konzentrieren uns hier auf die Ressourcenoptimierung, beispielsweise im Lackierprozess durch die Kontrolle der Schichtdicken oder durch in-Line Qualitätskontrolle von Materialien direkt wäh- rend der Herstellung. Darunter fällt auch die Standzeitverlängerung von Kraftwerksgeneratoren durch Qualitätskontrolle der Isolationsschichten. Und wir prüfen Faserverbundwerkstoffe (z. B. für Windkraftanlagen oder Leichtbau), um eine hohe Betriebssicherheit zu gewährleisten. Die »Energiewende« wird viel zitiert und kritisch diskutiert; was wird in fünf Jahren (in Deutschland) erreicht sein? Photovoltaik und Solarthermie werden sich im privaten und öffentlichen Bereich weiter durch- setzen, ein Tempolimit ist eingeführt, die Elektromobilität wächst weiterhin deutlich. Durch die Möglichkeit zum bidirektionalen Laden schafft die Elektromobilität Speicherkapazitäten, um Spitzenlasten aus Solar- und Windenergie aufzufangen und sie in ertragsärmeren Zeiten einzu- speisen. Entsprechende Ladestationen sind im öffentlichen Raum vorhanden. Ein intelligentes Netzmanagement koordiniert die Ein- und Ausspeicherung der Energie. Die beste Energie ist die, die nicht verbraucht wird, darum nun noch die Gretchenfrage: Wo spart Ihre Abteilung im Alltag Energie? Dienstreisen machen wir mit der Bahn, wann immer es möglich ist. Um Pendlerverkehr zu redu- zieren, nutzen wir die Möglichkeit, zu Hause zu arbeiten. In unseren Laboren setzen wir auf neueste energieeffiziente Technologie und energiesparende Beleuchtung; Letzteres gilt für das gesamte Institutsgebäude. Kontakt Prof. Dr. Georg von Freymann Abteilungsleiter »Material- charakterisierung und -prüfung« Telefon +49 631 31600-4901 georg.von.freymann@ itwm.fraunhofer.de wwwitwmfraunhoferde/mc 73

Mathematik für die Fahrzeugentwicklung Mathematik für die Fahrzeugentwicklung Womit beschäftigt sich Ihr Bereich? Der Bereich gliedert sich in zwei Abteilungen sowie die Projektgruppe »Reifensimulation« und die Querschnittseinheit »MF-Technikum«, die sich um die Versuchs- und Messtechnik kümmert. In der Abteilung »Dynamik, Lasten und Umgebungsdaten« entwickeln wir Methoden und Werk- zeuge zur Systemsimulation und beziehen dabei Umgebungsdaten und Nutzungsvariabilität mit ein. Damit adressieren wir insbesondere folgende Aspekte in der Fahrzeugentwicklung: Betriebs- festigkeit, Zuverlässigkeit, Energieeffizienz und ADAS/AD. Die Abteilung »Mathematik für die digitale Fabrik« bündelt die Aktivitäten zum Design von Soft- waretools für das virtuelle Entwickeln von Produkten; darunter fällt zum Beispiel IPS Cable Simu- lation: Mit dieser Software-Familie lässt sich die Montage von Kabeln, Kabelbäumen und Schläu- chen virtuell auslegen und im Betrieb absichern. Wo liegen die Forschungsschwerpunkte Ihres Bereichs beim Thema »Energie?« Wir beschäftigen uns umfassend mit der Energieeffizienz von Fahrzeugen und Verkehrssystemen. Dazu gehört die Analyse und Optimierung des Energiebedarfs in realistischer Nutzung. Besonde- res Augenmerk liegt dabei auf neuen Antriebskonzepten. Wir befassen uns auch mit der energie- optimalen Planung von Speditionstransporten, von ÖPNV-Systemen und mit intelligenter Verkehrs- leitung durch optimierte Ampelsteuerung. Die »Energiewende« wird viel zitiert und kritisch diskutiert; was kann unser Institut in den nächsten Jahren zu ihrem Gelingen beitragen? Der Bereich MF leistet vor allem Beiträge im Sektor Mobilität. Die politisch gewollte Umstellung der Antriebstechnik weg von Benzin und Diesel hin zu Batterieelektrik und Wasserstoff bringt wegen der schlechteren Energiedichte (Batterie) und schwierigeren Handhabbarkeit (Wasser- stoff) viele Herausforderungen mit sich. Das betrifft einerseits die Fahrzeugentwicklung selbst, vor allem im Hinblick auf die Reichweitenproblematik, und andererseits die notwendig stärkere Verzahnung mit der Infrastrukturplanung. Genau diese Themen werden in unseren Forschungs- aktivitäten adressiert. Die beste Energie ist die, die nicht verbraucht wird, darum nun noch die Gretchenfrage: Wo spart Ihr Bereich im Alltag Energie? Im Forschungs- und Büroarbeitsalltag sind die Möglichkeiten überschaubar. Aber wir achten bei Rechnerausstattung und Betrieb auch auf die Energieeffizienz und reduzieren die Reisetätigkeit mithilfe des verstärkten Einsatzes von Web-Meetings. wwwitwmfraunhoferde/mf Kontakt Dr. Klaus Dreßler Bereichsleiter »Mathematik für die Fahrzeugentwicklung« Telefon +49 631 31600-4466 klaus.dressler@itwm.fraunhofer.de 75

Optimierung Kontakt Prof. Dr. Karl-Heinz Küfer Bereichsleiter »Optimierung« Telefon +49 631 31600-4491 karl-heinz.kuefer@itwm.fraunhofer.de Optimierung Womit beschäftigt sich Ihr Bereich? Wir behandeln die modellbasierte Simulation und Optimierung komplexer organisatorischer Fra- gen in der Abteilung »OPT-Operations Research«, technische Fragen in der Abteilung »OPT-Tech- nische Prozesse« und Fragen aus den Lebenswissenschaften in der Abteilung »OPT-Life Scienes«. Ziel ist dabei, Komplexität zu beherrschen, indem vielversprechende Lösungen interaktiv zugäng- lich gemacht werden. Wir machen Verbesserungspotenziale transparent und nachvollziehbar, so- dass die Nutzenden sie schnell erkennen. Wo liegen die Forschungsschwerpunkte Ihres Bereichs beim Thema »Energie?« In Kooperation mit der chemischen Industrie loten wir Einsparpotenziale durch Verbesserungen in Prozesslayout und -steuerung aus. Darüber hinaus entwickeln wir ein ganzheitliches Planungs- tool zur Auslegung großer Freiflächen-PV-Anlagen. Auch die optimierte Gebäudeenergieversor- gung für Industrie- und Wohnanlagenbau spielt eine große Rolle in unserer Forschung. Die »Energiewende« wird viel zitiert und kritisch diskutiert; was kann unser Institut in den nächsten Jahren zu ihrem Gelingen beitragen? Eine wichtige Aufgabe wird sein, der Industrie in Europa angesichts veränderter Preisgefüge fossiler Energieträger und gesellschaftlich gewollter Energiewende bei der einergieeffizienten Produktion durch bessere Organisation und durch verbesserte technische Prozesslayouts zu helfen. Ersteres zum Beispiel durch die Verschiebung energieintensiver Produktion in Zeitfenster mit günstigem Überschussstrom. Zentral ist auch die bessere Nutzung von Solarstrom und Windkraft durch ein gutes Zusammenspiel flexibler Verbrauchszeiten und verbesserter Speiche- rung bzw. Energiewandlung am Produktionsort in Gase bzw. Flüssigkeiten als Energieträger. Politische Stichworte sind hier »grüner Wasserstoff« bzw. »synthetische Kraftstoffe«. Das Fraun- hofer ITWM hat alle Kompetenzen, um diese Prozesswende durch Modellierung, Simulation und Optimierung zu unterstützen. Die beste Energie ist die, die nicht verbraucht wird, darum nun noch die Gretchenfrage: Wo spart Ihr Bereich im Alltag Energie? Wir nutzen nahezu ausschließlich kleine Rechner und führen keine großen algorithmischen Stu- dien mit energieintensiven Clustern durch. Angeregt und finanziert von unserem Bereich werden im ganzen Gebäude Leuchtstoffröhren durch LED-Technik ersetzt, was den Energieverbrauch um ca. 50 Prozent senkt. Bei Routinetreffen mit Projektpartnern wird überwiegend auf Remote- Meetings gesetzt. wwwitwmfraunhoferde/opt 77

Strömungs- und Materialsimulation Strömungs- und Materialsimulation Womit beschäftigt sich Ihre Abteilung? Wir bieten kompetente Forschungs- und Entwicklungsunterstützung beim Modellieren, Simulieren und Optimieren der Produktion, der Funktion und des Einsatzverhaltens von porösen Werkstoffen und Verbundmaterialien. Wir erstellen simulationsbasierte Digitale Zwillinge bis auf die Material- ebene, um Produktionsprozesse und Produktentwicklung (Filtration und Batterien) nachhaltig zu verbessern sowie Rohstoff- und Energiebilanzen quantitativ mitzubewerten. Wo liegen die Forschungsschwerpunkte Ihrer Abteilung beim Thema »Energie?« Unsere Batteriesimulation BEST unterstützt Automobilproduzenten und Hersteller elektrischer Energiespeicher dabei, langlebige und sichere Batterien mit höherer Kapazität und verbesserter Leistungsdichte zu bauen. Unsere Prozesssimulationen mit FOAM, TexMath und FLUID optimie- ren Rohstoffeinsatz, Energie und Produktionszeit bei der Herstellung von porösen Werkstoffen (Schäume, Textilien, Dämmstoffe) und faserverstärkten Verbundmate rialien. Die digitale Bauteiloptimierung unter Einsatz unserer Software FeelMath spart Energie durch deutlich geringere bewegte Massen bei Fahrzeugen, kann aber genauso die Lebensdauer von Waschmaschinen erhöhen. Die optimale Filterauslegung mit unserer Software FiltEST hat das Ziel, die Filtrationseffizienz zu steigern, insbesondere die Reinigungsleistung und Standzeit der Filter- medien zu verbessern und gleichzeitig den benötigten Druck und damit den Energieverbrauch zu reduzieren. Die »Energiewende« wird viel zitiert und kritisch diskutiert; was wird in fünf Jahren (in Deutschland) erreicht sein? Wahrscheinlich zu wenig. Trotzdem kümmern wir uns auf breiter Ebene darum, so schnell wie möglich eine CO2-neutrale Wirtschaft zu ermöglichen. Die beste Energie ist die, die nicht verbraucht wird, darum nun noch die Gretchenfrage: Wo spart Ihre Abteilung im Alltag Energie? Eine Berechnung auf einem Computer ist oft viel energieeffizienter als ein realer Versuch, aber ein Hochleistungsrechner verbraucht eben auch viel Strom. Wir setzen unsere Kompetenzen in der mathematischen Modellierung und der Entwicklung effizienter Algorithmen ein, um mög- lichst wenige Operationen auf einem Rechner ausführen zu müssen. Das spart Energie und Zeit. wwwitwmfraunhoferde/sms Kontakt Dr. Konrad Steiner Abteilungsleiter »Strömungs- und Materialsimulation« Telefon +49 631 31600-4342 konrad.steiner@itwm.fraunhofer.de 79

Systemanalyse, Prognose und Regelung Systemanalyse, Prognose und Regelung Womit beschäftigt sich Ihre Abteilung? Wir erforschen und entwickeln KI-gestützte Technologien für den Echtzeitanlagenbetrieb und Antriebstechnik, um eine nachhaltige Produktion (Industrie 4.0) sowie eine intelligente Energie- erzeugung und -verteilung mit einem hohen Anteil an erneuerbaren Erzeugern zu gestalten. Wir unterstützen Anlagenbetriebe, -hersteller und Forschungspartner, um mittels einer KI-gestützten Erweiterung ihre Anlagen intelligent zu überwachen und automatisieren. Bei der ressourcenopti- mierten Anlagenregelung berücksichtigen wir durch die multikriterielle prädiktive Steuerung die verschiedenen produktionsrelevanten Zielgrößen: Produktqualität, Einsatz der verwendeten Roh- stoffe, Durchsatz, aber insbesondere auch Energienutzung (Minimierung oder Flexibilisierung) sowie den Zustand der Produktionsanlage selbst. Wo liegen die Forschungsschwerpunkte Ihrer Abteilung beim Thema »Energie?« Sowohl physikalisch als auch datenbasiert entwickeln wir digitale Zwillinge in den Bereichen prä- diktive Instandhaltung und ressourcenoptimierte prädiktive Regelung von Verbrauchern und Netzen. Ein weiterer Schwerpunkt sind das Entwickeln und Umsetzen von KI-Algorithmen zur Überwachung, Diagnose und Prognose von Anlagenzuständen. Aber wir programmieren auch prädiktive Regelungsalgorithmen auf Basis physikalischer und/oder datengetriebener Modelle. Ganz aktuell ist unsere Forschung an Lösungen auf Edge Devices für den Schaltschrank. Die »Energiewende« wird viel zitiert und kritisch diskutiert; was wird in fünf Jahren (in Deutschland) erreicht sein? Es sind aktuell leider noch viele Herausforderungen zu meistern. So erfordert z. B. der stabile Be- trieb der Energienetze deren Umbau, die Integration von vielen Erzeugungseinheiten und Spei- chern sowie neue Konzepte zur Netzsteuerung mit vielen Erzeugern, Verbrauchern und neuen Stellgrößen. Ich glaube, dass es bei enger Zusammenarbeit von Wissenschaftler:innen, Herstellern und Betreibenden für viele Probleme in fünf Jahren Lösungen gibt, deren Umsetzung im Feld aber noch einige Zeit benötigen wird. Die beste Energie ist die, die nicht verbraucht wird, darum nun noch die Gretchenfrage: Wo spart Ihre Abteilung im Alltag Energie? Wir sparen bei der Verwendung von Hardware-Ressourcen mit hohem Energieverbrauch z. B. unsere HiL-Plattform, die nur in Betrieb genommen werden, wenn sie direkt benötigt werden. Kontakt Dr. Andreas Wirsen Abteilungsleiter »Systemanalyse, Prognose und Regelung« Telefon +49 631 31600-4629 andreas.wirsen@itwm.fraunhofer.de wwwitwmfraunhoferde/sys 81

Transportvorgänge Womit beschäftigt sich Ihre Abteilung? Wir modellieren komplexe industrielle Fragestellungen und entwickeln effiziente Algorithmen zur numerischen Simulation und Optimierung dieser Probleme. Die Anwendungen liegen meist im Kontext Strömungsdynamik, Strukturmechanik, Wärme- und Energietransport. Aus Sicht unserer industriellen Kundinnen und Kunden geht es um das Auslegen und Optimieren von Produktions- prozessen und Produkten. Wo liegen die Forschungsschwerpunkte Ihrer Abteilung beim Thema »Energie?« Mit der Simulation von Energienetzen beschäftigen wir uns schon seit vielen Jahren; aktuell steht das Optimieren der dynamischen Betriebsführung von Fernwärmenetzen im Fokus. Wichtig für das Gelingen der Energiewende ist die Sektorenkopplung, auch hierzu forschen wir. Zentrales Thema unserer Abteilung ist die strömungsdynamische Optimierung von Produktionsprozessen. Damit erhöhen wir die Energieeffizienz von Industrieanlagen. Die »Energiewende« wird viel zitiert und kritisch diskutiert; was wird in fünf Jahren (in Deutschland) erreicht sein? Die Energienetze sind auf den massiven Einsatz regenerativer Energieerzeugung eingestellt und durch sektorielle Vernetzung in der Lage, sich den dynamischen Schwankungen anzupassen. Die Energieeffizienz von Produktionsprozessen wird deutlich verbessert und die Prozessführung zur Nutzung regenerativer Energien dynamisiert. Im Umfeld der Diskussion um das Gebäude-Energie- Gesetz startet die Bundesregierung eine strategische Offensive zur Fernwärme. Ziel ist es, 100 000 Gebäude pro Jahr an solche Wärmenetze anzuschließen. Mit geeigneten Förderinstrumenten und intelligentem Netzausbau kann das durchaus erreicht werden. Fernwärmenetze bilden bereits einen Anwendungsschwerpunkt der Abteilung, den wir aufgrund dieser Entwicklung ausbauen werden. Die beste Energie ist die, die nicht verbraucht wird, darum nun noch die Gretchenfrage: Wo spart Ihre Abteilung im Alltag Energie? Der Aufwand für Dienstreisen hat sich durch virtuelle Meetings und verstärkte Nutzung des ÖPNV deutlich reduziert. Außerdem hat das systematische Etablieren von mobilem Arbeiten die Anzahl von Fahrten zur Arbeitsstätte gesenkt. Transportvorgänge Kontakt Dr. Dietmar Hietel Abteilungsleiter »Transportvorgänge« Telefon +49 631 31600-4627 dietmar.hietel@itwm.fraunhofer.de wwwitwmfraunhoferde/tv 83