Advocating energy-per-token in LLM inference

Large Language Models (LLMs) demonstrate exceptional performance across diverse tasks but come with substantial energy and computational costs, particularly in request-heavy scenarios. In many real-world applications, the full scale and capabilities of LLMs are often unnecessary, as Small Language Models (SLMs) can provide accurate responses for simpler text generation tasks. When enhanced with advanced reasoning strategies, such as Chain-of-Thought (CoT) prompting or Majority Voting, SLMs can approach the performance of larger models while reducing overall computational requirements. However, these strategies can also introduce additional energy costs, creating an energy-accuracy trade-off. Our analysis examines these trade-offs in test-time compute strategies for smaller models compared to larger ones, using the MMLU benchmark. Additionally, we explore the input-output token dynamics of transformer architectures, which result in nonlinear hardware energy operation curves for LLMs. To bridge AI research with its physical impact, we propose energy efficiency metrics, including Energy-per-Token, as complements to traditional accuracy benchmarks. Beyond model selection, we propose controlled reasoning in CoT token generation, using operating curves to regulate reasoning depth dynamically. This vision integrates a energy-aware routing mechanism, ensuring that model selection and inference strategies balance accuracy for sustainable AI deployment.TU Berlin, Open-Access-Mittel – 202

Sicherheits- und Nachhaltigkeitsbewertung von nicht-metallischen antiviralen und antibakteriellen Beschichtungen, aufgebracht auf porösen und nicht-porösen Oberflächen

Antimicrobial coatings have become a pivotal technology for tackling pathogen spreading, particularly in healthcare settings. Novel coatings are designed to prevent microbial survival and biofilm formation on various surfaces, thereby reducing the risk of infections from person to person by inhibiting the growth and spread of pathogens. The mechanisms of action include the release of antimicrobial agents (biocidal), the retention of agents on the surface (contact-killing), and anti-adhesion properties (anti-fouling). Frequently applied antimicrobial coatings often contain silver or other metals which are suspected to cause skin sensitization or allergies, and the metal ion release may pose an environment treat. The need for novel metal-free antimicrobials is therefore evident. New coatings based on quaternary ammonium, antimicrobial polysaccharides or peptides, oxidizing agents releasing radical oxygen species (ROS) to name only a few are at the research forefront. Despite recent progress, several challenges remain, including human safety assessment, long-term functionality, broad-spectrum antimicrobial activity and the potential environmental impact of these materials. History thought us that the human biocompatibility aspects were not given much attention during the development of novel antibiotics. Therefore, the safety aspects of the newest generation of antimicrobial coatings according to “safe by design” (SbD) principles, directly from the start of their development should be assessed. Two case studies were defined, including highly infectious nosocomial hospital settings and highly dense public transportation systems such as trains and airplanes. In-vitro models were adapted and improved to assess the potential adverse effects of tailored coatings, directly on the most likely exposure ways of skin and lungs identified. At the beginning of the COVID-19 pandemic, the safety assessment of newly emerging mask textiles had the highest priority due to the proximity of textiles to our airways as well as their prolonged wearing time. Here, acute lung toxicity evaluation of fiber and particle debris release from diverse types of textiles were investigated. No acute in-vitro cytotoxicity was observed in the human alveolar basal epithelial lung cell model for any facemask textiles investigated. After investigation of the lung toxicity of textile debris from mask textiles, the skin irritation and sensitization capacity of a novel metal-free coating based on quaternary ammonium compounds developed by BASF was assessed. This technology allows rapid functionalization by an easy-to-apply coating for textiles that provide antiviral and antibacterial properties. The functionalized hospital curtains demonstrated an excellent antibacterial and antiviral activity against pathogens like Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa, and Acinetobacter baumannii, with a 98% to 100% reduction and murine hepatitis virus (MHV) with a >99% reduction. A conducted KeratinoSens® skin sensitization & irritation assay, according to OECD guidelines No. 442D, showed no acute in-vitro skin toxicity or sensitization in the functional applied coating concentration. For the transportation case study, the incineration toxicity of light-activated antimicrobial coatings, intended for high-traffic enclosed spaces such as airplanes, was investigated with an improved co-culture lung model. This new class of antimicrobial coatings includes hydrophobic carbon quantum dots (hCQDs) and silicate-based upconverters (UPC) which release ROS or UV-light when irradiated with blue light. An in-depth hazardous fume assessment was conducted using a cone calorimeter incineration platform also considering the potential hazards during accidents, such as the formation of harmful polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs). Finally, the airborne soot particles were assessed for their acute in-vitro cytotoxicity on the co-culture lung model and their potential to cause a pro-inflammatory cytokine response. No changes in burning and smoke toxicity behavior and no severe acute toxicity response on the studies lung model of the coated substrates was observed in contrast to the controls. This thesis highlights the potential of novel non-metal based antimicrobial coatings since their antimicrobial efficacy is similar, and their human safety aspects are superior to the previous applied metal-based antimicrobial coatings. These promising results may lead the way for a substitution of harmful antimicrobials with more safe and environmentally friendly alternative coatings. However, continued research and development is needed to overcome existing challenges, enhance the effectiveness and durability of these coatings, and ensure their safe application in diverse use-case scenarios. The integration of these advanced coating materials will likely contribute to improved public health care systems by reducing infection rates in the future.Antimikrobielle Beschichtungen, fortlaufend als "Coatings" bezeichnet, sind insbesondere im Gesundheitswesen zu einer zentralen Strategie im Kampf gegen mikrobielle Infektionen geworden. Indem sie das Wachstum und die Ausbreitung pathogener Mikroorganismen hemmen, verhindern neuartige Coatings das mikrobielle Wachstum und die Bildung von Biofilmen auf verschiedenen Oberflächen, was das Risiko von Infektionen von Mensch zu Mensch verringert. Zu den Wirkmechanismen gehören die Freisetzung antimikrobieller Wirkstoffe (Biozide), das Verbleiben der Wirkstoffe auf der Oberfläche (abtötend bei Kontakt) und anti-Adhäsionseigenschaften (Kontakt-inhibierend). Häufig verwendete antimikrobielle Coatings enthalten zumeist Silber oder andere Metalle, die im Verdacht stehen, Hautsensibilisierungen und Allergien auszulösen. Die Freisetzung von Metallkomplexen kann zudem eine Umweltbelastung darstellen. Der Bedarf an neuartigen metallfreien antimikrobiellen Coatings ist daher offensichtlich. Neuartige Coatings enthalten quaternäre Ammoniumverbindungen, antimikrobielle Polysaccharide oder Peptide, Oxidationsmittel, die radikale Sauerstoffspezies (ROS) freisetzen, um nur einige Substanzklassen zu nennen. Trotz der jüngsten Fortschritte bleiben einige Herausforderungen bestehen, darunter die Sicherheitsbewertung für Menschen, die langfristige Funktionalität, die antimikrobielle Breitbandwirkung und die potenzielle Umweltbelastung dieser neuartigen Materialien. Aus der Geschichte wissen wir, dass dem Aspekt der menschlichen Biokompatibilität bei der Entwicklung neuartiger Antibiotika nicht viel Aufmerksamkeit geschenkt wurde. Daher sollten die Sicherheitsaspekte der neuesten Generation antimikrobieller Coatings nach den Grundsätzen des „vom Design her sicher“ (SbD) direkt zu Beginn ihrer Entwicklung berücksichtigt werden. Dazu wurden zwei Fallstudien definiert, darunter hochinfektiöse nosokomiale Krankenhausumgebungen und hochfrequentierter öffentliche Verkehrssysteme wie Züge und Flugzeuge. Um die potenziellen schädlichen Auswirkungen dieser verbesserten Coatings zu identifizieren wurden in-vitro Zellkulturmodelle für die wahrscheinlichsten Expositionswege von Haut und Lunge angepasst und verbessert. Zu Beginn der COVID-19-Pandemie hatte die Sicherheitsbewertung von neu aufkommenden Maskentextilien höchste Priorität, da sie sich in unmittelbarer Nähe unserer Atemwege befinden und über einen längeren Zeitraum getragen werden. In dieser Arbeit wurde daher zunächst die akute Lungentoxizität der freigesetzten Fasern und Partikeln aus unterschiedlichen Textilien untersucht. Für keine der untersuchten Maskentextilien wurde eine akute in-vitro Zytotoxizität im menschlichen alveolären Basalepithel-Lungenzellmodell beobachtet. Im Anschluss zur Untersuchung der Lungentoxizität von Textilfasern und Partikeln aus Maskentextilien wurde die Hautreizungs- und Sensibilisierungsfähigkeit eines neuartigen metallfreien Coatings auf der Basis von quaternären Ammoniumverbindungen für den vorgesehenen Einsatz in Krankenhausvorhängen analysiert. Dieses von der Firma BASF entwickelte Coating ermöglichte die rasche antivirale und antibakterielle Funktionalisierung durch ein einfaches textiles Beschichtungsverfahren. Die so funktionalisierten Krankenhausvorhänge zeigten eine ausgezeichnete antibakterielle und antivirale Aktivität gegen Krankheitserreger wie Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa und Acinetobacter baumannii mit einer 98% bis 100%igen Reduktion sowie eine >99%ige Reduktion gegen das murine Hepatitis-Virus (MHV). Um den Einfluss des Coatings auf die menschliche Haut zu untersuchen, wurde ein KeratinoSens® Hautsensibilisierungs- und Hautreizungstest gemäß OECD-Richtlinie Nr. 442D durchgeführt. Dieser Assay zeigte keine akute in-vitro Hauttoxizität oder -sensibilisierung an, in der funktionalisierten Coating Konzentration, welche auf den Krankenhausvorhängen aufgebracht wurde. In einer weiteren Studie wurde die Verbrennungstoxizität von lichtaktivierten Coatings untersucht, die für stark frequentierte geschlossene Räume wie Flugzeuge vorgesehen sind. Dazu wurde ein verbessertes Lungenmodell angewandt. Zu dieser neuen Klasse antimikrobieller Coatings gehören hydrophobe Kohlenstoff-Quantum Dots (hCQDs) und Silikat-basierte Upconverter (UPC), die bei Aktivierung ROS respektive UV-Strahlung freisetzen. Mit einer Conekalorimeter-Verbrennungsplattform wurde eine eingehende Bewertung der gefährlichen Abgase durchgeführt, wobei auch die potenziellen Gefahren bei Unfällen, wie die Bildung schädlicher polyzyklischer aromatischer Kohlenwasserstoffe (PAK), berücksichtigt wurden. Zudem wurden die in der Abluft freigesetzten Russpartikel auf ihre akute in-vitro Zytotoxizität am verbesserten Lungenzellkulturmodell untersucht. Weiter wurde das Potential der Russpartikel, eine pro-inflammatorische Entzündungsreaktion auszulösen, analysiert. Im direkten Vergleich der beschichteten Substrate mit den unbehandelten Kontrollsubstraten, wurden keine Veränderungen im Verbrennungs- und Rauchtoxizitätsverhalten sowie keine gravierenden akute Toxizitätsreaktion an dem Lungenmodell festgestellt. In dieser Arbeit wird das Potential neuartiger antimikrobieller Coatings hervorgehoben, da ihre antimikrobielle Wirksamkeit vergleichbar und ihre Unbedenklichkeit für den Menschen den bisher verwendeten antimikrobiellen Coatings auf Metallbasis überlegen ist. Diese vielversprechenden Ergebnisse könnten den Weg für einen Ersatz schädlicher antimikrobieller Formulierungen durch sicherere und umweltfreundlichere alternative Beschichtungen ebnen. Es ist jedoch weitere wissenschaftliche Forschung erforderlich, um die bestehenden Probleme zu überwinden, die Wirksamkeit und Haltbarkeit dieser Beschichtungen zu verbessern und ihre sichere Anwendung in verschiedenen Anwendungsszenarien zu gewährleisten. Die Integration dieser fortschrittlichen Coatings wird wahrscheinlich zu einer Verbesserung des öffentlichen Gesundheitswesens beitragen, da die Infektionsraten in Zukunft gesenkt werden kann

Operatorplatzierung und Parallelisierung für geoverteilte Streamverarbeitung in großen und heterogenen Topologien

The rapid growth of Internet of Things (IoT) devices has produced large volumes of sensor data across geo-distributed, resource-constrained environments. Although Stream Processing Engines (SPEs) traditionally handle this data in centralized cloud infrastructures, such solutions incur high latency and communication overhead. To overcome these challenges, the osmotic computing paradigm has emerged, enabling dynamic distribution of computations across cloud, fog, and edge resources to reduce latency and communication costs. However, shifting workloads from the cloud to fog and edge nodes requires to identify the parallelization and placement of operators, which are the core computational units in SPE workloads. While operator parallelization and placement are well-studied in centralized cloud settings, they remain largely unresolved in osmotic environments characterized by their geographical distribution, heterogeneity, and volatility. To address this, we begin by investigating the limitations of performance monitoring workloads in centralized stream processing. Our findings reveal that funneling computations to centralized nodes leads to node overload and excessive latency, emphasizing the need for effective distribution of SPE tasks across the edge–cloud continuum. Building on these insights, we tackle two unresolved challenges in osmotic computing–based stream processing. First, we propose NEMO, a resource-aware approach that efficiently parallelizes and places Decomposable Aggregation Functions (DAFs), across fog and edge resources. Second, we introduce NOVA, a novel approach for optimizing parallelization and placement of streaming join operators, which are essential for combining multiple data streams. Unlike traditional methods for the NP-hard operator placement problem that operate over a discrete set of nodes, NEMO and NOVA map the topology into a Euclidean space. Through iterative approximation, this transformation enables them to identify near-optimal placements in linear time and to re-optimize in near-constant time. Experimental evaluations show that NEMO lowers latency by up to 6× and reduces communication costs by up to 15× through dynamic, hierarchical aggregation trees. Its replication and placement strategy balances workloads, preventing node overload while maximizing resource efficiency. Meanwhile, NOVA achieves up to 39× lower latency, 4.5× higher throughput and prevents node overload compared to existing methods by decomposing large joins into smaller sub-joins strategically distributed across the edge–cloud continuum. By leveraging data distribution patterns (e.g., region-based keys), NOVA further minimizes data transfers and resource overhead. Collectively, these contributions advance osmotic computing by (1) providing an in-depth analysis of performance monitoring requirements for SPEs in IoT-scale deployments, (2) providing robust mechanisms for efficient aggregation of DAFs, and (3) delivering a comprehensive solution for distributed streaming joins. Together, they establish a foundation for scalable, efficient, and resource-aware stream processing in large-scale, heterogeneous, and geo-distributed environments.Die rasante Zunahme von Internet of Things (IoT)-Geräten hat große Mengen an Sensordaten in geografisch verteilten, ressourcenbeschränkten Umgebungen erzeugt. Obwohl Stream Processing Engines (SPEs) diese Daten traditionell in zentralisierten Cloud-Infrastrukturen verarbeiten, sind solche Lösungen mit hohen Latenzzeiten und Kommunikations-Overhead verbunden. Um diese Herausforderungen zu bewältigen, wurde das Paradigma des osmotischen Computings entwickelt, das eine dynamische Verteilung von Berechnungen über Cloud-, Fog- und Edge-Ressourcen ermöglicht, um Latenzzeiten und Kommunikationskosten zu reduzieren. Die Verlagerung von Workloads von der Cloud auf Fog- und Edge-Knoten erfordert jedoch die Parallelisierung und Platzierung von Operatoren, die die zentralen Recheneinheiten in SPE Workloads sind. Während die Parallelisierung und Platzierung von Operatoren in zentralisierten Cloud-Umgebungen gut erforscht sind, bleiben sie in osmotischen Umgebungen, die durch ihre geografische Verteilung, Heterogenität und Volatilität gekennzeichnet sind, weitgehend ungelöst. Um dieses Problem anzugehen, untersuchen wir zunächst die Grenzen der Leistungsüberwachung von Arbeitslasten in der zentralisierten Stream-Verarbeitung. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Bündelung von Berechnungen auf zentralen Knoten zu einer Überlastung der Knoten und übermäßigen Latenzzeiten führt, was die Notwendigkeit einer effektiven Verteilung von Aufgaben über das Edge-Cloud-Kontinuum unterstreicht. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen gehen wir zwei ungelöste Herausforderungen bei der auf Osmotic Computing basierenden Stromverarbeitung an. Erstens schlagen wir NEMO vor, ein ressourcenbewusster Ansatz, der effizient parallelisiert und Decomposable Aggregation Functions (DAFs) über Fog- und Edge-Ressourcen platziert. Zweitens stellen wir NOVA vor, einen neuartigen Ansatz zur Optimierung der Parallelisierung und Platzierung von Streaming-Join-Operatoren, die für die Kombination mehrerer Datenströme unerlässlich sind. Im Gegensatz zu traditionellen Methoden für das NP-schwere Operator-Platzierungsproblem, die über eine diskrete Menge von Knoten arbeiten, bilden NEMO und NOVA die Topologie in einem euklidischen Raum ab. Durch iterative Approximation ermöglicht diese Transformation die Identifizierung nahezu optimaler Platzierungen in linearer Zeit und eine erneute Optimierung in nahezu konstanter Zeit. Experimentelle Auswertungen zeigen, dass NEMO durch dynamische, hierarchische Aggregationsbäume die Latenzzeit um bis zu 6× und die Kommunikationskosten um bis zu 15× senkt. Seine Replikations- und Platzierungsstrategie gleicht die Arbeitslasten aus, verhindert eine Überlastung der Knoten und maximiert gleichzeitig die Ressourceneffizienz. In der Zwischenzeit erreicht NOVA eine bis zu 39× geringere Latenz, einen 4,5× höheren Durchsatz und verhindert eine Überlastung der Knoten im Vergleich zu bestehenden Methoden, indem große Joins in kleinere Sub-Joins zerlegt werden, die strategisch über das Edge-Cloud-Kontinuum verteilt sind. Durch die Nutzung von Datenverteilungsmustern (z. B. regionenbasierte Schlüssel) minimiert NOVA die Datenübertragungen und den Ressourcen-Overhead weiter. Gemeinsam bringen diese Beiträge das osmotische Computing voran, indem sie (1) eine eingehende Analyse der Leistungsüberwachungsanforderungen für SPEs in IoT-Einsätzen liefern, (2) robuste Mechanismen für die effiziente Aggregation von DAFs bereitstellen und (3) eine umfassende Lösung für verteilte Streaming-Verbindungen liefern. Zusammen bilden sie die Grundlage für eine skalierbare, effiziente und ressourcenschonende Stream-Verarbeitung in großen, heterogenen und geografisch verteilten Umgebungen.BMFTR, Berlin Institute for the Foundations of Learning and Data - BIFOL

Energy sufficiency potentials and policy instruments

Sufficiency aims to achieve a state in which overconsumption and overproduction are reduced to ensure that ecological limits are not exceeded, while underconsumption is also reduced to provide an adequate social foundation for everyone. Due to its potential to enable the achievement of several ecological and social goals, sufficiency is labelled a 'multi-solving strategy'. This thesis focuses on the potential of sufficiency to reduce greenhouse gas emissions and limit energy consumption. For sufficiency to contribute as much as possible to achieving these goals, it must extend beyond individual behavioural changes and lifestyle issues. Only politically designed framework conditions, such as infrastructure and incentives, can ensure a reliable transition towards sustainable energy and resource use on a large scale within society and the economy, thereby changing social practices. However, the current framework conditions are not oriented towards sufficiency, and only a few examples of ambitious sufficiency policy instruments have been implemented to date. This thesis concentrates on the intersection of energy sufficiency potentials and policy instruments. Firstly, quantitative sufficiency saving potentials are required at the level of energy services and explicit saving measures in order to integrate sufficiency in models and scenarios. These guide policy-making, but are currently strongly biased towards energy-intensive variants. Secondly, a systematic inventory and analysis of sufficiency policy instruments are required to assess the current state of sufficiency in politics, to explore the variety of proposed instruments and to compare the feasibility of those already implemented, planned or proposed. The overarching research question of this dissertation is: ‘What are potentials of sufficiency to reduce energy demand directly and indirectly and what instruments can be used to implement it politically?’. This thesis contributes to answering this overarching research question on the basis of five individual research questions, each of which is answered in a separate research article. The methods applied span systematic literature reviews, text coding, data extraction, categorisation, harmonisation and clustering, and impact chain analyses based on expert consultations, as well as the design and set-up of different databases. These methods address a major gap in research, namely the lack of structured evidence of sufficiency potentials and policy instruments. The key results with a view to sufficiency potentials are that, according to scenario studies, the food sector has the greatest relative potential for reducing energy service levels (-60 %) with regard to the key indicators 'meat consumption per capita per day' and 'food waste per capita per year'. The systematic literature review shows that measures lowering per capita floor area have the highest absolute saving potential, with an estimated reduction in energy consumption of up to 150 TWh/a. Data gaps on quantified saving potentials were identified for regional economies, local production, product labelling, and specific saving potentials in the mobility, industry/production, and food sectors. With regard to sufficiency policy instruments, the main finding is that these instruments have played a minor role in the decarbonisation policies of EU Member States to date, but they enjoy high approval rates and are frequently recommended, particularly regulatory instruments, by Citizen Assemblies with well-informed participants. A comparison of the National Energy and Climate Plans (NECPs) of eight EU Member States with the climate change recommendations of their Citizen Assemblies (CAs) revealed that the CAs' recommendations have a sufficiency share of 39 %, whereas the NECPs' sufficiency share is significantly lower at an average of 8 %. In terms of feasibility, the results with a view to individual policy instruments are highly specific. At the policy target level, the two strategies 'promotion of active modes' and 'reduce motorised individual transport' pose the fewest risks because they are often not costly, labour-intensive or material-intensive. This dissertation advances the research field by providing a comprehensive and comparative view of sufficiency policy options. It achieves this by combining quantified sufficiency potentials with analyses of existing, planned, and proposed policy instruments, and by assessing their feasibility. The structured and harmonised data provided by the sufficiency saving potentials and sufficiency policy instrument data collections – the first systematic collections in their field – makes this knowledge visible and usable.Überproduktion reduziert sind, um sicherzustellen, dass keine ökologischen Grenzen überschritten werden. Gleichzeitig soll „Unterkonsum“ reduziert werden, um angemessene Lebensgrundlagen für alle zu schaffen. Aufgrund ihres Potenzials, die Erreichung mehrerer ökologischer und sozialer Ziele möglich zu machen, wird Suffizienz auch als „multiple Lösungsstrategie“ bezeichnet. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf das Potenzial von Suffizienz, Treibhausgasemissionen zu reduzieren und den Energieverbrauch zu senken. Um den größtmöglichen Beitrag zur Erreichung dieser Ziele zu leisten, muss Suffizienz über individuelle Verhaltensänderungen und Lebensstilfragen hinausgehen. Nur politisch gestaltete Rahmenbedingungen wie Infrastrukturen und Anreize können den umfassenden Übergang zu einer nachhaltigen Energie- und Ressourcennutzung in Gesellschaft und Wirtschaft verlässlich gewährleisten und somit soziale Praktiken verändern. Die derzeitigen Rahmenbedingungen sind jedoch nicht auf Suffizienz ausgerichtet und bislang wurden nur wenige ehrgeizige Suffizienzpolitikinstrumente umgesetzt. Der Fokus der Arbeit liegt an der Schnittstelle zwischen Energiesuffizienzpotenzialen und Politikinstrumenten. Zum einen werden quantitative Suffizienz-Einsparpotenziale auf der Ebene von Energiedienstleistungen und expliziten Einsparmaßnahmen benötigt, um Suffizienz in Modelle und Szenarien zu integrieren. Diese leiten die politische Entscheidungsfindung, sind allerdings derzeit stark auf energieintensive Varianten ausgerichtet. Zum anderen ist eine systematische Bestandsaufnahme und Analyse von Suffizienz-Politikinstrumenten erforderlich, um den Status Quo von Suffizienz in der Politik zu bestimmen, die vielfältigen vorgeschlagenen Instrumente zu untersuchen und die Machbarkeit der bereits umgesetzten, geplanten oder vorgeschlagenen Instrumente zu bewerten. Die übergreifende Forschungsfrage dieser Dissertation lautet: „Welche Potenziale hat Suffizienz zur direkten und indirekten Senkung des Energiebedarfs und mit welchen Instrumenten kann sie politisch umgesetzt werden?“. Die vorliegende Arbeit trägt durch die Beantwortung von fünf Forschungsfragen, die jeweils in einem eigenen Forschungsartikel behandelt werden, zur Beantwortung der übergreifenden Forschungsfrage bei. Dabei kommen folgende Methoden zum Einsatz: systematische Literaturrecherche, Textkodierung, Datenextraktion, Kategorisierung, Harmonisierung und Clustering, Wirkungskettenanalysen auf der Grundlage von Expertengesprächen sowie die Konzeption und der Aufbau verschiedener Datenbanken. Mit diesen Methoden wird die bedeutsame Forschungslücke des Mangels an strukturiertem Fachwissen über Suffizienzpotenziale und Politikinstrumente adressiert. Die wichtigsten Ergebnisse hinsichtlich der Suffizienzpotenziale sind: Der Ernährungssektor hat laut Szenariostudien das größte relative Potenzial zur Verringerung der Energiedienstleistungsniveaus (-60 %) in Bezug auf die Schlüsselindikatoren „Fleischverbrauch pro Kopf und Tag“ sowie „Lebensmittelabfälle pro Kopf und Jahr“. Die systematische Literaturauswertung zeigt, dass Maßnahmen zur Verringerung der Pro-Kopf- Wohnfläche das höchste absolute Einsparpotenzial haben. Eine Verringerung des Energieverbrauchs von bis zu 150 TWh/Jahr wird dafür abgeschätzt. Datenlücken zu quantifizierten Einsparpotenzialen wurden in Bezug auf die Bereiche regionale Wirtschaft, lokale Produktion, Produktkennzeichnung sowie spezifische Einsparpotenziale in den Sektoren Mobilität, Industrie/Produktion und Ernährung identifiziert. In Bezug auf Suffizienz-Politikinstrumente ist die wichtigste Erkenntnis, dass diese Instrumente in der Klimaschutzpolitik der EU-Mitgliedstaaten bisher eine geringe Rolle spielen, jedoch hohe Zustimmungsraten in Bürgerräten mit gut informierten Teilnehmenden genießen und von diesen häufig vorgeschlagen werden, insbesondere regulatorische Instrumente. Ein Vergleich der Nationalen Energie- und Klimapläne (NECP) von acht EU-Mitgliedstaaten mit den Klimaschutzempfehlungen ihrer Bürgerräte ergab, dass die Empfehlungen der Bürgerräte einen Suffizienzanteil von 39 Prozent aufweisen, während der Suffizienzanteil der NECP mit durchschnittlich acht Prozent deutlich geringer ausfällt. Was die Machbarkeit betrifft, so sind die Ergebnisse für die einzelnen Politikinstrumente sehr spezifisch. Auf Ebene der politischen Ziele bergen die Strategien „Förderung aktiver Mobilität” und „Verringerung des motorisierten Individualverkehrs” die geringsten Risiken, da sie in der Regel nicht kostspielig, arbeits- oder materialintensiv sind. Diese Dissertation trägt durch ihren umfassenden und vergleichenden Blick auf Optionen der Suffizienzpolitik zur Weiterentwicklung des Forschungsfeldes bei. Dies wird durch die Kombination von quantifizierten Suffizienzpotenzialen mit Analysen bestehender, geplanter und vorgeschlagener Politikinstrumente und deren Bewertung hinsichtlich ihrer Machbarkeit erreicht. Die strukturierten und harmonisierten Daten der Datenbanken zu Suffizienzeinsparpotenzialen und Suffizienzpolitikinstrumenten – die ersten systematischen Zusammenstellungen in diesem Bereich – machen dieses Wissen sichtbar und nutzbar

Dekarbonisierung von Fernwärmesystemen: strategische Ansätze, Wirksamkeit und CO₂-Bilanz – von der Lieferkette bis zur Infrastruktur

District heating plays a central role in the European energy transition. However, its decarbonization is one of the most complex challenges of urban transformation. This dissertation develops an integrated framework that examines district heating systems along their entire value chain. It combines operational, structural, and organizational emissions in a consistent methodological approach. The aim is to comprehensively capture the mechanisms of emission reduction and understand how technical, infrastructural, and planning strategies can jointly contribute to climate neutrality. The starting point is a systematic analysis of existing decarbonization strategies based on the “Avoid–Shift–Improve” model. This model classifies measures according to avoidance, shift, and improvement and covers all relevant stages of the supply chain: from energy sources and conversion to energy management and heat distribution to demand-side and regulatory strategies. The methodology includes a harmonized evaluation of over one hundred studies from the district heating sector, comparative modeling of European district heating systems, and a detailed investigation of emissions from infrastructure and construction processes using Berlin as an example. The results show that emissions occur at all stages of the supply chain and that interventions at one point have an impact on other stages. The harmonized carbon footprint data show that systems based on renewable energies achieve intensities of between approximately −0.001 and 0.091 kg CO₂e per MJ. Fossil fuel systems, on the other hand, have values between 0.04 and 0.31 kg CO₂e per MJ. Combined heat and power reduces emissions by 16 to 70% compared to simple boiler configurations. Large electric heat pumps with a low-emission electricity mix reduce emissions by an average of around 64%. The integration of heat storage systems can reduce emissions in hybrid systems by around 50%. This makes it clear that the switch to renewable heat sources and systemic efficiency improvements have a substantial but not unlimited reduction effect and must always be considered in terms of their interactions with grid operation, demand, and infrastructure. The European comparative analysis also shows that the effectiveness of decarbonization measures depends heavily on the specific context. In countries with a largely decarbonized electricity mix, such as Sweden, large heat pumps achieve emission intensities of less than 0.00003 kg CO₂e per MJ and are among the most effective strategies. In countries with fossil fuel-based electricity generation, such as Poland, reducing heat losses and lowering heat demand lead to greater relative savings than additional electrification of heat supply. Across all contexts considered, it appears that increasing the share of low-carbon heat by one percentage point reduces emissions by an average of 0.0008 to 0.0013 kg CO₂e per MJ of heat supplied. The results of the model-based case studies show that successful decarbonization must be context-specific and gradual, rather than relying on universal “one-size-fits-all” solutions. It also becomes clear that technologies often favored by policymakers do not necessarily deliver the highest marginal mitigation contributions. On this basis, the “Building Infrastructure” study identifies decarbonization in the area of heat distribution as an additional strategy. A detailed carbon footprint analysis of Berlin's district heating network shows that the construction and maintenance of the pipeline infrastructure accounts for around 11% of total supply chain emissions. This corresponds to around 340 million kg CO₂ per year. Around 70% of these emissions are generated in civil engineering, particularly during excavation, transport, and the operation of construction machinery. Only a small proportion is attributable to the production of pipes and the restoration of surfaces. The choice of materials also proves to be an important lever: asphalt causes about twice as many emissions as natural stone. Through coordination of construction work by various utility companies, bundling of interventions in the road space, and optimized logistics, total emissions can be reduced by around 13%, which corresponds to an annual saving of around 43 million kg CO₂. These results underscore the significant importance of infrastructure planning and organization as a previously underestimated but effective tool for reducing emissions. The inclusion of construction and renovation processes in strategic planning transforms infrastructure construction from a background process into an active component of decarbonization. It thus complements existing technical and operational measures with a governance lever. Methodologically, the dissertation contributes to linking the previously separate approaches of carbon footprint analysis and energy system modeling. By standardizing the functional units to one MJ of useful heat and harmonizing the system boundaries with relevant ISO standards, it enables a transparent and comparable evaluation of different technologies and strategy combinations. The combination of qualitative strategy mapping, harmonized carbon footprint analyses, cross-border system modeling, and detailed infrastructure evaluation results in an analytical tool that can be used in scientific research as well as in planning and political decision-making processes. This enables whole-life carbon considerations at the system level. The study concludes that decarbonization of district heating can only be achieved by integrating all levels, from energy generation and network and plant operation to infrastructure construction and institutional coordination. The realization of climate-neutral district heating therefore requires not only clean energy sources, but also coordinated planning of civil engineering processes, conscious material selection, and governance-based control of embodied emissions. This has key implications for policy and practice: whole-life carbon assessments should become mandatory for district heating projects, infrastructure emissions should be integrated into municipal climate budgets, and greenhouse gas emissions should be systematically anchored in tendering and procurement processes. At the same time, municipal coordination platforms are needed to bundle the construction activities of different utilities, thereby reducing emissions, costs, and burdens on urban society. Overall, the dissertation concludes that a successful heat transition cannot be achieved solely by switching to “clean” energy, but rather through a combination of efficient operation, intelligent infrastructure, and institutional cooperation. In this system, tomorrow's infrastructure must be designed as climate capital in order to pave the way for truly climate-neutral heating networksDie Fernwärme spielt eine zentrale Rolle in der europäischen Energiewende. Ihre Dekarbonisierung zählt jedoch zu den komplexesten Herausforderungen der urbanen Transformation. In dieser Dissertation wird ein integriertes Rahmenwerk entwickelt, das Fernwärmesysteme entlang ihrer gesamten Wertschöpfungskette untersucht. Dabei werden betriebliche, bauliche und organisatorische Emissionen in einem konsistenten methodischen Ansatz vereint. Das Ziel besteht darin, die Mechanismen der Emissionsminderung ganzheitlich zu erfassen und zu verstehen, wie technische, infrastrukturelle und planerische Strategien gemeinsam zur Klimaneutralität beitragen können. Ausgangspunkt ist eine systematische Analyse bestehender Dekarbonisierungsstrategien auf Grundlage des „Avoid–Shift–Improve“-Modells. Dieses klassifiziert Maßnahmen nach Vermeidung, Verlagerung und Verbesserung und ergänzt alle relevanten Stufen der Lieferkette: von der Energiequelle und -umwandlung über das Energiemanagement und die Wärmeverteilung bis hin zu nachfrageseitigen und regulatorischen Strategien. Die Methodik umfasst eine harmonisierte Auswertung von über einhundert Studien aus dem Fernwärmebereich, eine vergleichende Modellierung europäischer Fernwärmesysteme sowie eine detaillierte Untersuchung der Emissionen aus Infrastruktur und Bauprozessen. Die Ergebnisse zeigen, dass Emissionen in allen Abschnitten der Versorgungskette entstehen und Eingriffe an einer Stelle sich auf andere Stufen auswirken. Die harmonisierten Treibhausgas-Daten belegen, dass Systeme auf Basis erneuerbarer Energien Intensitäten zwischen -0,001 und 0,091 kg CO₂-Äq. pro MJ erreichen. Fossile Systeme weisen dagegen Werte zwischen 0,04 und 0,31 kg CO₂-Äq. pro MJ auf. Kraft-Wärme-Kopplung senkt die Emissionen im Vergleich zu einfachen Kesselkonfigurationen um 16 bis 70 %. Elektrische Großwärmepumpen mit emissionsarmem Strommix reduzieren die Emissionen im Durchschnitt um etwa 64 %. Die Integration von Wärmespeichern kann die Emissionen in hybriden Systemen um rund 50 % verringern. Damit wird deutlich, dass die Umstellung auf erneuerbare Wärmequellen und systemische Effizienzsteigerungen zwar substanzielle, jedoch keine beliebig steigerbaren Minderungswirkungen entfalten und stets in ihren Wechselwirkungen mit Netzbetrieb, Nachfrage und Infrastruktur betrachtet werden müssen. Die europäische Vergleichsanalyse verdeutlicht zudem, dass die Wirksamkeit von Dekarbonisierungsmaßnahmen stark vom jeweiligen Kontext abhängt. In Ländern mit einem weitgehend dekarbonisierten Strommix wie Schweden erreichen große Wärmepumpen Emissionsintensitäten von unter 0,00003 kg CO₂-Äq. pro MJ und zählen zu den effektivsten Strategien. In Ländern mit fossiler Stromerzeugung wie Polen führen dagegen die Reduktionvon Wärmeverlusten und die Senkung der Wärmenachfrage zu größeren relativen Einsparungen als eine zusätzliche Elektrifizierung der Wärmebereitstellung. Über alle betrachteten Kontexte hinweg zeigt sich, dass eine Erhöhung des Anteils kohlenstoffarmer Wärme um einen Prozentpunkt die Emissionen im Mittel um 0,0008 bis 0,0013 kg CO₂-Äq. pro MJ bereitgestellter Wärme reduziert. Die Ergebnisse der modellbasierten Fallstudien zeigen, dass eine erfolgreiche Dekarbonisierung kontextspezifisch und schrittweise erfolgen muss, statt auf universelle „One-Size-Fits-All“-Lösungen zu setzen. Außerdem wird deutlich, dass politisch häufig bevorzugte Technologien nicht zwangsläufig die höchsten marginalen Minderungsbeiträge liefern. Auf dieser Grundlage identifiziert die Arbeit „Building Infrastructure“ die Dekarbonisierung im Bereich der Wärmeverteilung als zusätzliche Strategie. Eine detaillierte Carbon-Footprint-Analyse des Berliner Fernwärmenetzes zeigt, dass Bau und Instandhaltung der Leitungsinfrastruktur etwa 11 % der gesamten Lieferkettenemissionen verursachen. Dies entspricht rund 340 Millionen kg CO₂ pro Jahr. Etwa 70 % dieser Emissionen entstehen im Tiefbau, insbesondere beim Aushub, beim Transport und beim Betrieb der Baumaschinen. Nur ein kleinerer Anteil entfällt auf die Produktion der Rohre und die Wiederherstellung der Oberflächen. Die Wahl der Materialien erweist sich ebenfalls als wichtiger Hebel: Asphalt verursacht etwa doppelt so viele Emissionen wie Naturstein. Durch eine koordinierte Abstimmung der Bauarbeiten verschiedener Versorgungsunternehmen, eine Bündelung von Eingriffen im Straßenraum und eine optimierte Logistik lassen sich die Gesamtemissionen um rund 13 % senken, was einer jährlichen Einsparung von etwa 43 Millionen kg CO₂ entspricht. Diese Ergebnisse unterstreichen die signifikante Bedeutung infrastruktureller Planung und Organisation als bislang unterschätztes, jedoch äußerst wirkungsvolles Instrument zur Emissionsminderung. Die Einbeziehung von Bau- und Erneuerungsprozessen in die strategische Planung transformiert den Infrastrukturbau von einem Hintergrundprozess zu einem aktiven Bestandteil der Dekarbonisierung. Methodisch leistet die Dissertation einen Beitrag zur Verbindung der bislang getrennten Ansätze der Carbon-Footprint-Analyse und der Energiesystemmodellierung. Durch die Standardisierung der funktionalen Einheiten auf ein MJ Nutzwärme und die Harmonisierung der Systemgrenzen mit einschlägigen ISO-Standards wird eine transparente und vergleichbare Bewertung unterschiedlicher Technologien und Strategiekombinationen ermöglicht. Die Kombination aus qualitativer Strategiekartierung, harmonisierten Carbon-Footprint-Analysen, länderübergreifender Systemmodellierung und detaillierter Infrastruktur- Auswertung führt zu einem Analyseinstrument, das sowohl in der wissenschaftlichen Forschung als auch in planerischen und politischen Entscheidungsprozessen einsetzbar ist und Whole-Life-Carbon-Betrachtungen auf Systemebene operationalisiert. Die Arbeit kommt zu dem Schluss, dass eine Dekarbonisierung der Fernwärme nur durch die Integration aller Ebenen, von der Energieerzeugung über den Netz- und Anlagenbetrieb bis hin zum Infrastrukturbau und zur institutionellen Koordination, erreicht werden kann. Demnach erfordert die Realisierung klimaneutraler Fernwärme nicht nur saubere Energieträger, sondern auch eine koordinierte Planung von Tiefbauprozessen, eine bewusste Materialwahl sowie eine politikbasierte Steuerung der verkörperten Emissionen. Daraus ergeben sich zentrale Implikationen für Politik und Praxis: Whole-Life-Carbon-Bewertungen sollten für Fernwärmeprojekte verpflichtend werden, Infrastrukturemissionen sollten in kommunale Klimabudgets integriert werden, und Treibhausgasemissionen sollten systematisch in Vergabe- und Beschaffungsprozessen verankert werden. Gleichzeitig sind kommunale Koordinationsplattformen erforderlich, die Bauaktivitäten verschiedener Versorger bündeln und damit Emissionen, Kosten und Belastungen für die Stadtgesellschaft reduzieren. Insgesamt kommt die Dissertation zu dem Ergebnis, dass eine erfolgreiche Wärmewende nicht allein durch den Wechsel zu „sauberer” Energie erreicht werden kann, sondern durch das Zusammenspiel aus effizientem Betrieb, intelligenter Infrastruktur und institutioneller Kooperation. In diesem System muss die Infrastruktur von morgen als Klimakapital gestaltet werden, um den Weg zu wirklich klimaneutralen Wärmenetzen zu ebnen

Fehlerdiagnose elektrischer Maschinen, die in einem vernetzten Fahrzeugsystem eingesetzt werden, unter Verwendung eines Deep-Learning-Ansatzes

The focus of this PhD project is to engage in the condition-based monitoring (CBM) of synchronous machines used in automotive applications. CBM is carried out for the machine by monitoring its electrical signals, e.g., current, voltage, etc., to detect electrical and mechanical faults occurring in the machine bearings, stator, and inverter. The developed fault diagnosis functions are mounted on the electrical machine. The advantage of having these functions onboard is that the machine condition can be evaluated at all times, even during operations. Secondly, the economic losses that result from the downtime of vehicles can be reduced by planning the maintenance of the machine in advance. The following faults are considered in the five-phase synchronous machine known as the Boost Recuperation Machine or BRM: 1. open-circuit fault in the stator windings; 2. open-circuit fault in the inverter MOSFET; and 3. inner and outer race fault in the bearing. The following signals are used at a 1 kHz sampling rate for fault detection: • E-Drive DC current; • E-Drive DC voltage; • speed; and • torque. The training dataset for deep-learning 1D convolutional neural network was collected from the PLECS simulation of the machine, the experimental data from the measurement of machines on the test bench and the data generated used a generative adversarial network (GAN). The task has been successfully completed with a fault classification accuracy well above 90%. The methodology has been developed for a speed range from 500 rpm to 8000 rpm and a torque range from -20 Nm to 40 Nm.Der Schwerpunkt dieses Promotionsprojekts liegt auf der zustandsorientierten Überwachung (Condition-Based Monitoring, CBM) von Synchronmaschinen, die in Automobilanwendungen zum Einsatz kommen. Die CBM erfolgt durch die Überwachung der elektrischen Signale der Maschine, z. B. Strom, Spannung usw., um elektrische und mechanische Fehler zu erkennen, die an den Lagern, am Stator und am Wechselrichter der Maschine auftreten. Die entwickelten Fehlerdiagnosefunktionen werden in die elektrische Maschine integriert. Der Vorteil dieser integrierten Funktionen besteht darin, dass der Zustand der Maschine jederzeit, auch während des Betriebs, bewertet werden kann. Zweitens lassen sich die wirtschaftlichen Verluste, die durch Ausfallzeiten von Fahrzeugen entstehen, durch eine vorausschauende Planung der Maschinenwartung reduzieren. Bei der als Boost-Rekuperationsmaschine (BRM) bezeichneten fünfphasigen Synchronmaschine werden folgende Fehler berücksichtigt: 1. Unterbrechungsfehler in den Statorwicklungen; 2. Unterbrechungsfehler im Wechselrichter-MOSFET; und 3. Fehler am inneren und äußeren Laufring des Lagers. Zur Fehlererkennung werden die folgenden Signale mit einer Abtastrate von 1 kHz verwendet: • E-Drive-Gleichstrom; • E-Drive-Gleichspannung; • Drehzahl; und • Drehmoment. Der Trainingsdatensatz für das Deep-Learning-1D-Faltungsneuronale Netzwerk wurde aus der PLECS-Simulation der Maschine, den experimentellen Daten aus der Messung von Maschinen auf dem Prüfstand und den mit einem generativen gegnerischen Netzwerk (GAN) generierten Daten zusammengestellt. Die Aufgabe wurde erfolgreich mit einer Fehlerklassifizierungsgenauigkeit von deutlich über 90 % abgeschlossen. Die Methodik wurde für einen Drehzahlbereich von 500 U/min bis 8000 U/min und einen Drehmomentbereich von -20 Nm bis 40 Nm entwickelt

Managing distributed scientific workflows with Globus

Scientific workflows increasingly span remote computing resources, from local desktops and scientific instruments to supercomputers, clouds, and AI accelerators. This distribution is driven by the nature of modern data-driven research and the availability of specialized computing hardware. Distribution creates new opportunities to improve performance and efficiency by exploiting resource heterogeneity and locality; however, it also creates new challenges related to portability and security. In this chapter, we describe Globus, a platform designed to tackle these challenges via a hybrid model in which cloud services securely manage the remote execution of arbitrary research activities. We describe how Globus Flows, a cloud-hosted workflow platform, combined with Globus Compute and Globus Transfer, enables researchers to define and execute workflows across diverse distributed computing resources. We present several example applications in real-time instrument analysis, simulation campaigns, and distributed model training that demonstrate how Globus addresses challenges in real-world scenarios

Tropical Fréchet Means

The Fréchet mean is a key measure of central tendency as a barycenter for a given set of points in a general metric space. It is computed by solving an optimization problem and is a fundamental quantity in statistics. In this paper, we study Fréchet means in tropical geometry—a piecewise linear, combinatorial, and polyhedral variant of algebraic geometry that has gained prominence in applications. A key property of Fréchet means is that uniqueness is generally not guaranteed, which is true in tropical settings. In solving the tropical Fréchet mean optimization problem, we obtain a geometric characterization of the collection of all Fréchet means in a general tropical space as a tropically and classically convex polytope. Furthermore, we prove that a certificate of positivity for finitely many quadratic polynomials in R[1, . . . , ] always exists, given that their quadratic homogeneous components are sums of squares. We propose an algorithm to symbolically compute the Fréchet mean polytope based on our exact quadratic optimization result and study its complexity.TU Berlin, Open-Access-Mittel – 2025DFG, 390685689, EXC 2046: MATH+: Berlin Mathematics Research Cente

Assessing the prospects, costs, and risks of carbon capture and storage implementation in Germany

Carbon Capture and Storage (CCS) is an important cornerstone of Germany's future Carbon Management Strategy (CMS). This case study evaluates the costs, risks, and deployment prospects of CCS in Germany, with a focus on industrial and energy sectors. Our comprehensive framework integrates capture, transport, and storage cost modeling with Monte Carlo risk simulations to assess economic viability under three CCS capacity deployment scenarios. Further, assuming three different cost developments, our findings reveal that cumulative CCS costs for the Med scenario range from €39.2–€81.5 billion by 2045, with profitability contingent on uncertain cost reductions and elevated EU ETS carbon prices. Monte Carlo analyses highlight up to 50 % risk premiums for costs due to project failures. These results underscore the significant cost associated with CCS. Our analysis calls for a careful, economical integration of CCS within broader decarbonization strategies with a focus on hard-to-abate sectors which cannot be decarbonized by scalable alternatives like green hydrogen or direct electrification.TU Berlin, Open-Access-Mittel – 202

Entfernung von Reifenabrieb aus Straßenabflüssen

The central objective of this work is to develop a sampling system for tire-wear emissions in urban areas to determine tire-wear hot spots and to develop decentralised technical filter solutions with a suitable test substance in order to reduce the emissions of tire wear into surface waters. First, the development of awareness of microplastics since the late 1960s is presented retrospectively. On the one hand, the increasing social relevance of the topic becomes clear, and on the other hand, the differences in the description of microplastics. Increasingly, analyses were no longer carried out using only optical methods, but were supplemented or even completely replaced by spectroscopic methods. Emission quantities into the environment for microplastics are compared with production quantities. For urban water management, combined sewer overflows and the direct discharge of road runoff can be identified as the most relevant entry points. For tire wear, the largest entry into the aquatic environment comes from the discharge of road runoff. In order to identify tire wear hot spots in urban areas, a monitoring approach using defined road sweeping samples has been developed. It was shown that up to six times more tire wear can be found in the curve area and up to three times more in the traffic light area than in the straight road. Based on this finding, a modular filter system was developed that allows decentralised cleaning of road runoff water. In order to test the developed prototypes, a test stand procedure established in Germany by the German Institute for Construction Technology (DIBt) was adopted. In particular, the Millisil W4 test material normally used was critically scrutinised and replaced by fractionated road sweepings for further tests. The modular filter system consists of nine filter modules for the road, gully and drain areas and can be individually configured. The tests show that the filters developed can retain up to 97% of the total TSS and up to 66% of the TSS < 63µm. The results of this work can help to significantly reduce the input of microplastics in general and tire wear in particular into our surface waters.Zentrales Ziel dieser Arbeit ist es, für Reifenabriebsemmissionen im urbanen Raum ein Probenahmesystem zur Ermittlung von Reifenabrieb - hot spots zu entwickeln und mit einem geeigneten Prüfstoff dezentrale technische Filterlösungen zu entwickeln, um die Immissionen von Reifenabrieb in die Oberflächengewässer zu reduzieren. Zunächst wird rückblickend dargestellt wie sich die Sensibilisierung für das Thema Mikroplastik seit Ende der 1960er Jahre entwickelt hat. Zum einen wird hier die zunehmende gesellschaftliche Relevanz des Themas deutlich aber auch die Unterschiede in der Beschreibung von Mikroplastik. Analysen wurden zunehmend nicht mehr nur mit optischen Methoden durchgeführt, sondern durch spektroskopische Verfahren ergänzt oder auch gänzlich ersetzt. Über Produktionsmengen hinaus werden Emissionsmengen in die Umwelt für Mikroplastik gegenübergestellt. Für die Siedlungswasserwirtschaft können so Mischwasser und die direkte Einleitung von Straßenablaufwasser als die relevantesten Eintragspfade herausgestellt werden. Für Reifenabrieb kommt der größte Eintrag in die aquatische Umwelt aus der Einleitung von Straßenablaufwasser. Um im städtischen Raum gezielt Reifenabrieb hot spots ermitteln zu können wird ein Monitoring Ansatz mittels definierter Straßenkehrichtprobenahme entwickelt. Es konnte gezeigt werden, dass im Bereich der Kurve bis zu sechsmal mehr und im Ampelbereich bis zu dreimal mehr Reifenabrieb zu finden ist, als im Bereich der geraden Straße. Auf Basis dieser Erkenntnis wird auf die Entwicklung eines modularen Filtersystems hingearbeitet, dass es erlaubt Straßenablaufwasser dezentral zu reinigen. Um entwickelte Prototypen testen zu können wird ein in Deutschland etabliertes Teststandverfahren des Deutschen Instituts für Bautechnik DIBt herangezogen. Insbesondere der üblicherweise verwendete Prüfstoff Millisil W4 wird kritisch hinterfragt und für weiter Test durch fraktionierten Straßenkehricht ersetzt. Das modulare Filtersystem besteht aus neun Filtermodulen im Bereich Straße, Gully und Ablauf und lässt sich frei konfigurieren. Die Versuche zeigen, dass sich durch die entwickelten Filter bis zu 97 % des gesamt AFS und bis zu 66 % des AFS < 63µm zurückhalten lassen. Die Ergebnisse dieser Arbeit können dazu beitragen, den Eintrag von Mikroplastik im Allgemeinen und Reifenabrieb im Speziellen in unsere Oberflächengewässer deutlich zu reduzieren