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Im Rahmen der IKT für Elektromobilität II-Initiative


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Interdisziplinäre wissenschaftliche Kompetenz

Insgesamt beteiligen sich 11 Lehrstühle aus verschiedensten Bereichen der Fakultäten für Wirtschaftswissenschaften, Informatik sowie Elektro- und Informationstechnik, ein Teil davon arbeitete bereits erfolgreich in den Projekten MeRegio, MeRegioMobil und CROME zusammen.


Fakultät für Wirtschaftswissenschaften

Zentrales Thema der Forschungsgruppe Effiziente Algorithmen (Prof. Schmeck) am Institut für Angewandte Informatik und formale Beschreibungsverfahren (AIFB) ist die Entwicklung von Methoden für den wirtschaftlichen Einsatz moderner Rechnerinfrastrukturen zur Planung, Verbesserung und Ausführung von Informationsverarbeitungs-, Geschäfts- und Fertigungsprozessen. Von besonderem Interesse sind dabei vielfältig vernetzte, adaptive Systeme mit der Fähigkeit zur Selbstorganisation, deren Beherrschbarkeit und effiziente Nutzung ein wesentliches Ziel des DFG Schwerpunktprogramms Organic Computing ist, das von H. Schmeck koordiniert wird. Neben grundlegenden Arbeiten zu Architekturen und Methoden des Organic Computing werden konkrete technische Anwendungen in den kritischen Infrastrukturen Verkehr, Energie und Cloud Computing untersucht. Schwerpunkte im Bereich Energie bilden die Innovationsthemen Smart Home, Smart Grid und Lademanagement von E-Fahrzeugen, welche u. a. in den Projekten MeRegio, MeRegioMobil, CROME und iZEUS erforscht werden. Die Beteiligung an den KICs InnoEnergy und EIT ICT Labs ermöglicht eine umfangreiche Vernetzung auf europäischer Ebene. Partnerschaften zu namhaften OEMs, Anlagenherstellern und Energieunternehmen sichern praxisnahe Forschung. Weiterhin prägt H. Schmeck als Wissenschaftlicher Sprecher die Arbeit des KIT-Schwerpunkts „COMMputation“, der die inhärente Verbindung von „Communication“ und „Computation“ in heutigen intelligenten Systemen adressiert. Durch die am Forschungszentrum Informatik (FZI) aufgebaute Abteilung „Intelligente Information und Kommunikation in technischen Systemen“ wird ein aktiver Transfer von Forschungsergebnissen in direkte Kooperationen mit Industriepartnern gewährleistet.
Die Arbeiten des KIT in den Projekten MeRegio und MeRegioMobil wurden durch die Arbeitsgruppe von H. Schmeck koordiniert. Durch den Entwurf und Aufbau des Smart Home und die Entwicklung des Energy Management Systems und des Energy Management Panel wurden entscheidende Beiträge für die Projektarbeit geleistet. Das wesentliche Thema des Lehrstuhls in iZEUS wird neben der Koordinationsaufgabe und der Betreuung und Weiterentwicklung des Energy Smart Home Labs die Entwicklung intelligenter Lademanagementverfahren sein.


Zentrales Thema der Forschungsgruppe Wissensmanagement (Prof. Studer) am Institut für Angewandte Informatik und Formale Beschreibungsverfahren (AIFB) ist die Forschung im Bereich semantische Technologien. Im Fokus steht dabei die Entwicklung von Methoden und Infrastrukturen für das intelligente Ontologie-basierte Management verteilter Datenquellen, sowie intelligente Wissensmanagementanwendungen. Die Gruppe kann dabei auf eine langjährige Erfahrung zurückblicken und gehört zu den weltweit führenden Gruppen in diesen Gebieten. Die Gruppe verfolgt diese Themen zur Zeit in einer Reihe prominenter Forschungsprojekte, wie z. B. den europäischen Forschungsprojekten Render (Reflecting Knowledge Diversity) oder PlanetData, und war aktiv bei der Verabschiedung der Web Ontology Language (OWL) als offiziellem Ontologiebeschreibungsstandard des W3C beteiligt.
Besonders relevant für iZEUS sind auch eine hochskalierende, verteilte Datenhaltung und Anfragebearbeitung. Hierzu konnten bereits mehrfach große, verteilte Datenmengen in entsprechenden Softwareumgebungen integriert und damit nutzbar gemacht werden. Zwei dieser Software-Lösungen (die Information Workbench, entwickelt in Kooperation mit dem Unternehmen Fluidops, und Visinav) haben bereits erfolgreich an internationalen Wettbewerben teilgenommen (siehe bspw. Semantic Web Challenge 2009). Weiter ist ein formales Vokabular essentiell für die Daten-Integration in iZEUS. Dabei konnten Ontologien bereits in mehreren Projekten – wie z. B. dem BMBF Projekt "SmartWeb - Mobiler breitbandiger Zugang zum semantischen Web", dem BMBF-Verbundprojekt "SESAM - Selbstorganisation und Spontaneität in liberalisierten und harmonisierten Märkten" und zuletzt auch im MeRegioMobil Projekt – dazu verwendet werden, um heterogene Daten und Datenquellen zu integrieren und einen einheitlichen Zugriff zu ermöglich. Zuletzt hat die Gruppe auch verstärkt Erfahrung mit ausdrucksmächtigen Policy-Sprachen und deren Umsetzung in einer heterogenen Umgebung gesammelt. Dieses Wissen soll in iZEUS angewendet werden um die Einhaltung von Datenschutzvorgaben technisch abzusichern.
Die Forschungsgruppe fördert aktiv den Transfer der Ergebnisse zu Partnern aus Industrie und Wissenschaft durch unmittelbare Kooperation mit dem "FZI – Forschungszentrum Informatik" und dem "KSRI – Karsruhe Service Research Institute".


Am Lehrstuhl für Energiewirtschaft (Prof. Fichtner), Institut für Industriebetriebslehre und Industrielle Produktion (IIP) werden techno-ökonomische Fragestellungen entlang der gesamten energetischen Wertschöpfungskette von der Primärenergiegewinnung über die Energieumwandlung und den Energietransport bis zur Energieverteilung und Energienutzung analysiert. Dabei werden sowohl Energiesysteme von Ländern oder Regionen als auch von Unternehmen und Haushalten betrachtet. Zur Analyse wird ein interdisziplinärer Ansatz mit technischen, ökonomischen, ökologischen sowie sozialwissenschaftlichen Methoden gewählt.
Traditionell bearbeitete strategische Fragestellungen betreffen u. a. die Kapazitätsausbau- und Einsatzplanung, die Technologie- und Instrumentenbewertung sowie die Entwicklung von Emissionsminderungsstrategien. Neuere Studien zielen verstärkt auf die Analyse dezentraler Energieversorgungsstrukturen mit (mobilen) Energiespeichern ab. Dies umfasst zum einen Studien zur Elektromobilität und Analysen des langfristigen Entwicklungspotenzials dezentraler Erzeugungstechnologien sowie zur Bewertung von Instrumenten und Technologien zur verbesserten Marktintegration von dezentralen Erzeugern und Nachfragern. Zum anderen werden Methoden und Werkzeuge zur Steuerung dezentraler Anlagen sowie des Lastverhaltens von Haushalts-, Gewerbe- und Industriekunden entwickelt und deren Akzeptanz bei den Endkunden analysiert.


Die Forschungsgruppe von Prof. Weinhardt (Lehrstuhl für Informationsbetriebswirtschaftslehre) analysiert und gestaltet elektronische Märkte insbesondere in den Branchen Finanzen, Energie und Services. Elektronische Handelsplattformen und Marktmechanismen werden nicht nur gestaltet, sondern vor allem auch auf ihre Eignung und Qualität hin analysiert. Dazu werden prototypische Systeme entworfen und implementiert, auf deren Basis Planspiele oder Simulationen und wirtschaftswissenschaftliche Experimente im Labor durchgeführt werden. Die Gesamtvorgehensweise wird als „Market Engineering“ bezeichnet, dessen fundierte Weiterentwicklung auf Basis geeigneter Modelle und Methoden im Zentrum der Forschungsarbeit steht. Im Rahmen von iZEUS sollen die Methoden des Market Engineering zur Findung von Lösungen, die Menschen in ihrem alltäglichen Leben dabei unterstützen, informierter und verantwortungsbewusster mit knapper werdenden (Energie-) Ressourcen umzugehen, eingesetzt werden. Hierbei geht es insbesondere um die Koordination der Ladevorgänge der E-Fahrzeuge anhand von Zielgrößen wie dem Energiemarkt, der lokalen Netzsituation, oder aber anhand der verfügbaren erneuerbaren Energie. Hierbei sollen neben ökonomischen Anreizen auch nicht-monetäre Anreize und Feedbackinformationen für die Koordination eingesetzt werden. Neben der simulationsgestützten Analyse wie sie für das IISM auch schon im Projekt MeRegioMobil im Vordergrund stand, soll in iZEUS auch die Erprobung der Ladestrategien erfolgen sowie die Akzeptanz durch die Nutzer in Kooperation mit dem IIP untersucht werden.
Die Integration von Fahrzeugflotten in das Energiesystem kann darüber hinaus auch über die Simulationsplattform PowerTAC, welche mit internationalen Partnern von den Universitäten Rotterdam und Minnesota im Rahmen von MeRegio implementiert wird, mit Blick auf die Marktintegration untersucht werden.


Fakultät für Informatik

Die Arbeitsgruppe von Prof. Dorothea Wagner am Institut für Theoretische Informatik (ITI) der Fakultät für Informatik befasst sich mit Algorithm Engineering, also einem Ansatz für die Algorithmenforschung, bei dem Theorie und Praxis in Einklang gebracht werden sollen. Die Gruppe arbeitet vor allem an Algorithmen in den Bereichen Graphenzeichnen, Clustern und Kürzeste-Wege-Suche. Frau Wagner ist Vizepräsidentin der Deutschen Forschungsgemeinschaft und Editorin bei namhaften Fachzeitschriften wie JDA und JGAA.
Der Bereich Routenplanung wird schon seit über einem Jahrzehnt intensiv am Lehrstuhl erforscht, so dass die Arbeitsgruppe einer der weltweit führenden Gruppen auf diesem Gebiet ist. Besonderer Fokus liegt hierbei auf der Arbeit an praktikablen, schnellen Verfahren. Alle entwickelten Verfahren wurden implementiert und experimentell an Realweltdaten auf ihre Anwendbarkeit hin untersucht. Die rein akademische Forschung wird durch Kooperationen mit Industriepartnern wie PTV, GOOGLE und HACON bereichert.
Momentane Forschungsschwerpunkte liegen bei multimodaler und multikriterieller Routenplanung, sowie Theorie für Kürzeste-Wege-Algorithmen.
Hauptbeitrag der Arbeitsgruppe für das iZEUS-Projekt werden Methoden und Algorithmen zur Bestimmung batterieeffizienter Routen sein. Oberstes Ziel ist dabei, die Akzeptanz von Elektromobilität durch die präzise und situationsbezogene Anzeige der verfügbaren Reichweite zu erhöhen (Stichwort: Reichweitenangst) und die Batterieeffizienz durch die Berechnung verbrauchsoptimaler Routen und Fahranweisungen zu erhöhen. Die entwickelten Verfahren werden implementiert und in Kooperation mit unseren Industriepartnern in eine Navigationslösung integriert und im Feld getestet werden.


Die am Institut für Informationsrecht (Prof. Dreier) angesiedelte Forschungsgruppe Energieinformationsrecht und Neue Rechtsinformatik befasst sich unter Leitung von Dr. Raabe schwerpunktmäßig mit den Rechtsfragen, die sich aus der zunehmenden Informatisierung in der Energiewirtschaft ergeben. Insbesondere sind hier die Bereiche des Datenschutzrechts, des Eich- und Beweisrechts sowie der energiemarktspezifischen Regulierung zu nennen, in denen die Mitarbeiter der Forschungsgruppe durch zahlreiche Veröffentlichungen und Vorträge national wie international ausgewiesen sind. Die Forschungsgruppe ist zudem aktiv in der Politik- und Behördenberatung bei allen rechtlichen Fragen in Bezug auf Smart Grid und Elektromobilität. Durch die Beteiligung an Gremien - wie beispielsweise die „Nationale Plattform Netze“ - hat die Forschungsgruppe frühzeitig Einblick in künftige Gesetzesentwicklungen. Daher ist es möglich, bereits in einem frühen Stadium auf die rechtskonforme Konzeption und Implementierung von Systemarchitekturen, Komponenten und Kommunikationsmodellen bei den Projektpartnern hinzuwirken.


Das Institut für Programmstrukturen und Datenorganisation (Lehrstuhl Prof. Reussner) befasst sich mit Software-Technik als Ingenieursdisziplin in Forschung und Lehre. Das Arbeitsfeld umfasst alle Themen in Zusammenhang mit der systematischen Erstellung großer Software-Systeme und reicht von der Architekturgestaltung über Entwicklungsmethoden, -werkzeuge und -umgebungen bis hin zu Verfahren für die Sicherung von Qualität und Wirtschaftlichkeit der Programmierung. Die enge Verzahnung von Software-Architektur, Software-Komponenten, modellgetriebener Entwicklung und Software-Qualität ist Schwerpunkt des Forschungsbereichs "Software-Entwurf und -Qualität". Im Mittelpunkt stehen insbesondere Verfahren zur systematischen Vorhersage von Qualitätseigenschaften von Software wie Performanz und Zuverlässigkeit auf der Basis von Software-Architekturmodellen.
Im Rahmen des DFG-Forschungsprojektes Palladio wurden zu diesem Zweck erfolgreich Methoden und Werkzeuge entwickelt, die zurzeit im DFG-Forschungsprojekt Ferdinand auf Cloud- und Virtualisierungstechniken übertragen werden. Hierbei wird auch im Bereich modellgetriebener Techniken geforscht.
Im Projekt MeRegioMobil wurden am IPD Alternativen für Software-Architekturen für die IKT Infrastruktur zum Laden und Entladen von Elektrofahrzeugen entworfen und dokumentiert. Zusätzlich wurden die unterschiedlichen Trade-offs der einzelnen Alternativen analysiert und bewertet.


Die Arbeitsgruppe von Prof. Hartenstein (Forschungsbereich für Dezentrale Systeme und Netzdienste) beschäftigt sich vornehmlich mit Entwurf, Bewertung und Optimierung von mobilen und virtuellen Netzwerken sowie mit föderativen dienstorientierten Architekturen. Hierbei werden häufig selbstorganisierende, adaptive Kommunikationsnetze untersucht. Im Bereich mobiler Netzwerke hat sich die Gruppe auf die Kommunikation zwischen Fahrzeugen spezialisiert (BMBF-Projekte FleetNet, NoW: Network on Wheels, EU-FP7 Projekt PRE-DRIVE C2X, DRIVE C2X). In solchen Netzwerken spielt die inhaltsbezogene Adressierung eine wesentliche Rolle, da das Ende-zu-Ende Prinzip meist nicht zur Anwendung kommt, sondern geographisch relevante Zielregionen adressiert werden. Im Bereich virtueller Netze wurden durch Einsatz von Simulationen und Testbeds autonome Kommunikations-Infrastrukturen im Rahmen des BMBF-Verbundprojektes SESAM zur Internetökonomie untersucht, mit dem Fokus auf deren Skalierbarkeit, Robustheit und Praxistauglichkeit. Weitergehende Fragestellungen wurden im Rahmen des BSI-Projektes KAI betrachtet. Im Kontext dezentraler dienstorientierter Architekturen befasste sich die Gruppe in Verbindung mit dem vom Karlsruher Institut für Technologie getragenen Integrationsprojekt KIM insbesondere mit dem Identitätsmanagement in föderativen Strukturen, das als Basisdienst eine wichtige Voraussetzung für höherschichtige Dienste bildet. Im Projekt MeRegioMobil wurde insbesondere eine praxisnahe Architektur im Kontext der Elektromobilität konzipiert, die die sichere Authentifikation, Autorisation sowie Datenverwaltung unter unabhängigen Marktteilnehmern ermöglicht. Methodisch hat die Gruppe erhebliche Kompetenzen auf dem Gebiet der Simulation, aber auch der analytischen Betrachtung sowie der Arbeit mit Prototypen und Testumgebungen vorzuweisen.
Im Projekt iZEUS soll eine marktoffene Elektromobilitäts-Plattform geschaffen werden, die die flexible und ausfallsichere Erbringung von DSM-Diensten ermöglicht. Schwerpunkte liegen insbesondere auf der Rechtskonformität und Zukunftssicherheit des Konzepts sowie der Ausgestaltung eines detaillierten Berechtigungsmanagements als Grundlage für die Kommunikation zwischen einzelnen Marktteilnehmern, auch im Hinblick auf elektromobiles Roaming. Des Weiteren sollen im Rahmen von iZEUS eine effiziente Simulationsinfrastruktur sowie Modelle geschaffen werden, die die Identifikation und Bewertung von Energieeffizienzpotentialen im Smart Traffic und Smart Grid ermöglichen.


Die Forschungsgruppe von Prof. Zitterbart am Institut für Telematik bearbeitet Fragestellungen, die sich mit der Weiterentwicklung der aktuellen Kommunikationsinfrastruktur des Internets und den dadurch möglich werdenden neuartigen Diensten und Anwendungen beschäftigen. Schwerpunktthemen sind dabei Signalisierung und Management in zukünftigen Netzen, die Realisierung von verteilten Anwendungen und Diensten durch Overlay und Peer-to-Peer-Ansätze sowie Kommunikationsprotokolle und Anwendungen für drahtlose Sensornetze. In allen Themenbereichen spielen Netzsicherheit sowie Modellierung und Simulation eine wichtige Rolle. Im Projekt SpoVNet (gefördert von der Landesstiftung BW im Rahmen des BWFIT Programms) werden overlaybasierte Architekturen bereitgestellt, die eine komfortable Realisierung verteilter Dienste unter Berücksichtigung von Dienstgüte und Sicherheitsanforderungen erlauben. Die Ergebnisse des „SpoVNet-Projekts“ im Bezug auf verteilte Dienste können direkt in die Entwicklung eines verteilten IKT-Systems für iZEUS einfließen. Im Projekt G-Lab ist das Institut zudem an der Entwicklung von Technologien für das Future Internet beteiligt. Darüber hinaus leitet Dr. Ingmar Baumgart die aus Mitteln der Exzellenzinitiative finanzierte Nachwuchsgruppe SODESSON am Institut für Telematik, die sich mit dem Einsatz von P2P-Techniken in mobilen Netzen beschäftigt. Im Rahmen der Nachwuchsgruppe wurde mit dem Simulationswerkzeug OverSim ein international etabliertes Werkzeug zur Simulation komplexer IKT-Systeme entwickelt. Der Simulator wurde im Rahmen der Projekte MeRegio und MeRegioMobil um Smart Grid Komponenten erweitert und soll auch in iZEUS als Basis der Untersuchungen dienen.

Fakultät für Elektro- und Informationstechnik

Am Institut für Elektroenergiesysteme und Hochspannungstechnik (IEH) des Karlsruher Institut für Technologie (KIT) existieren derzeit drei Forschungsschwerpunkte unter der Leitung von Prof. Leibfried. Im ersten Schwerpunkt werden neue Strategien zur Erhöhung der Übertragungskapazität von Energieübertragungsleitungen durch geeignete Topologien von FACTS (Flexible AC Transmission Systems) und deren Regelung erforscht. Ferner wird die Realisierung von Ladestationen für Elektrofahrzeuge in Parkhäusern (Smart Car Park) untersucht und analysiert, ob und in welcher Weise sie für Netzdienstleistungen, z. B. Spannungshaltung im Mittelspannungsnetz, eingesetzt werden können. In einem zweiten Schwerpunkt werden Strategien zur Optimierung der Netzführung unter Einbezug von regenerativen Energieerzeugern und Speichern, z. B. den Batterien von Elektrofahrzeugen untersucht. Hierbei geht es um die Einhaltung der Netzstabilität bei möglichst geringer Netzauslastung und gleichzeitig optimaler Nutzung regenerativer Energiequellen. Der dritte Schwerpunkt „Diagnostik elektrischer Betriebsmittel“ widmet sich der Erforschung von Mess- und Analysemethoden zur Zustandsanalyse und Fehlerfrüherkennung von elektrischen Netzbetriebsmitteln, speziell den Leistungstransformatoren. Dazu gehören auch Forschungsarbeiten an neuartigen Hochspannungsprüfsystemen auf der Basis leistungselektronischer Umrichter für die Prüfung von Netzbetriebsmitteln vor Ort auf der Anlage.


Das Elektrotechnische Institut bearbeitet unter Prof. Braun die Gebiete Elektrische Antriebe und Leistungselektronik. Aktuelle Forschungsschwerpunkte sind die hochdynamische Regelung von permanenterregten Synchronmaschinen für Industrie- und Fahrzeugantriebe, neue Stromrichterschaltungen, sowie Steuer- und Regelverfahren für Antriebs- und Netzstromrichter. Mit dem Stromrichter als Stellglied werden weiterhin Einspeiseschaltungen und Kurzzeitenergiespeicher für regenerative Energieerzeugungssysteme einschließlich der optimalen Regelung des Gesamtsystems betrachtet. Für einschlägige Systemuntersuchungen verfügt das Institut aus Vorprojekten über einen 4 kW-Solargenerator auf dem Dach des Elektrotechnischen Instituts und einen Stromanschluss für Elektrofahrzeuge im Außenbereich. Im Projekt MeRegioMobil wurden die Netzintegration von Elektrofahrzeugen in das Energieversorgungsnetz und die Anbindung an das Smart Home untersucht. Für das Projekt iZEUS soll eine Ladestation mit angeschlossenem stationärem Energiespeicher zur Schnellladung von mehreren Elektrofahrzeugen für das Energy Smart Home Lab aufgebaut und untersucht werden. Als weiteres Forschungsgebiet werden Untersuchungen zur fahrzeugbasierten Netzstabilisierung angestrebt, durch deren Hilfe die Netzstabilität bei hohem Anteil regenerativer Energieerzeuger aufrechterhalten werden kann.