Spei h, Leon O is e al.
A icle — Published Ve sion
De Fo schungsschwe punk Cloud-basie e Ene giene ze
HMD P axis de Wi scha sin o ma ik
P o ided in Coope a ion wi h:
Sp inge Na u e
Sugges ed Ci a ion: Spei h, Leon O is e al. (2024) : De Fo schungsschwe punk Cloud-basie e
Ene giene ze, HMD P axis de Wi scha sin o ma ik, ISSN 2198-2775, Sp inge Fachmedien
Wiesbaden GmbH, Wiesbaden, Vol. 61, Iss. 4, pp. 991-1001,
h ps://doi.o g/10.1365/s40702-024-01080-5
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h ps://doi.o g/10.1365/s40702-024-01080-5
HMD P axis de Wi scha sin o ma ik (2024) 61:991–1001
De Fo schungsschwe punk Cloud-basie e
Ene giene ze
Leon O is Spei h · Ch is oph He icks · Seyed Saeed Mi sa ian ·
Ma in Kiel · To s en Füg · Vinod Rajamani · Y es Rose o ·
Ma kus Thoben
Eingegangen: 25. Janua 2024 / Angenommen: 26. Ap il 2024 / Online publizie : 30. Mai 2024
© The Au ho (s) 2024
Zusammen assung Eine de g öß en He aus o de ungen de heu igen Zei is die
nachhal ige und zugleich siche e Ve so gung mi Ene gie. Die un e dem S ichwo
Ene giewende zusammenge ass en Handlungs elde sind dabei iel äl ig und in e -
disziplinä . Häu ig we den in diesem Kon ex einzelne Technologien in den Fokus
ge ück und de en Vo züge als „Game-Change “ angep iesen. Die Komplexi ä des
Themas läss dabei häu ig die Sich au das gesam e Sys em auße ach .
Aus diese Mo i a ion he aus wu de de Fo schungsschwe punk Cloud-basie e
Ene giene ze an de Fachhochschule Do mund (2024) gescha en.
Diese A ikel besch eib neben den be eilig en Labo en und Fo sche n die Be-
wegg ünde ü das P ojek , die geplan en P ojek ziele sowie e s e Ansä ze ü die
no wendige In as uk u , die ü diesen Fo schungsschwe punk an de Fachhoch-
schule Do mund gescha en wi d.
Schlüsselwö e Ene giee izienz · Ene giesys eme · Dezen ale Ene giesys eme ·
Cloud · Ve ne zung
Abs ac One o he g ea es challenges o ou ime is he sus ainable ye secu e
supply o ene gy. The ields o ac ion summa ized unde he e m ene gy ansi ion
a e di e se and in e disciplina y. O en, in his con ex , indi idual echnologies a e
spo ligh ed and ou ed as “game change s”. The complexi y o he opic all oo o en
obscu es he iew o he en i e sys em.
Mo i a ed by his, he esea ch ocus on cloud-based ene gy ne wo ks (2024)was
es ablished a he Do mund Uni e si y o Applied Sciences.
Leon O is Spei h · Ch is oph He icks · Ma in Kiel · To s en Füg
Fachbe eich Elek o echnik, Fachhochschule Do mund, Do mund, Deu schland
E-Mail: ma in.kiel@ h-do mund.de
Seyed Saeed Mi sa ian · Vinod Rajamani · Y es Rose o · Ma kus Thoben
Fachbe eich Maschinenbau , Fachhochschule Do mund, Do mund, Deu schland
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992 L. O. Spei h e al.
This a icle desc ibes he labo a o ies and esea che s in ol ed, he easons o he
p ojec , he planned p ojec objec i es, as well as ini ial app oaches o he necessa y
in as uc u e o be es ablished o his esea ch ocus a he Do mund Uni e si y
o Applied Sciences.
Keywo ds Ene gy e iciency · Ene gy ne wo ks · Mic og ids
1 Mo i a ion
„B ing de Tu bolade den Du chb uch de B enns o zelle?“ be ich e e das Han-
delsbla Ende Mai 2023 (Handelsbla 2023). Ein halbes Jah spä e lies man in de
Au obild: „Wann komm de Wunde akku ü ku ze Ladezei en und g oße Reich-
wei en?“ (Au obild 2023).
Solche Schlagzeilen spiegeln den Disku s de Expe en in de Ene giewende wie-
de . Scheinba exis ie ein Kamp de Technologien, welche nun den Du chb uch
zu eine Wel de saube e en Ene gie b ing . Dabei is die Reali ä dahin e deu lich
komplizie e . Ene gie- und Leis ungsdich e spielen ebenso eine Rolle wie Lebens-
daue , Zyklen es igkei und Wi kungsg ad. Und le z lich we den En scheidungen
au g und des Fak o s Kos en ge o en. En scheidend ü die Ene gie e so gung sind
hie bei die Ges ehungskos en, de en Augenblickswe au g und de Fluk ua ion on
Sola - und Windene gie deu lich schwanken kann.
Das Gelingen de Ene giewende is somi eine F age des Zusammenspiels iele
Komponen en und dami eine sys emische F age. Zu de en Bean wo ung gib es
iele Ansä ze, welche die un e schiedlichen Technologien hinsich lich Ih e jeweili-
gen Ges ehungskos en in Abhängigkei de ö lichen Gegebenhei en be ach en ( gl.
z.B. S adle e al. 2022).
An de Fachhochschule Do mund en s eh aus diesen Übe legungen he aus ei-
ne Cloud-basie e Lösung, um eine ganzhei liche Be ach ung de Ene giewel zu
e möglichen. Die Ve ne zung übe eine Cloud e möglich hie bei die In e ak ion
meh e e äumlich ge enn e Labo e un e schiedliche Fachbe eiche und s ell die
Basis eine wachs ums ähigen In as uk u da .
2P ojek idee
Die In e disziplina i ä im Be u sbild des Ingenieu s is heu zu age nich meh weg-
zudenken. Man denke beispielsweise an die En wicklung de Elek omobili ä und
den da ü e o de lichen Ausbau de Lade-In as uk u . Ingenieu e des klassischen
Maschinenbaus können den e o e lichen Au gaben längs nich meh alleine ge ech
we den. Übe ie g ei ende Kenn nisse im Be eich Fah zeug echnik und -Enwick-
lung hinaus sind e meh auch wei e üh ende Kenn nisse im Be eich Elek o ech-
nik und Elek onik sowie digi ale Kommunika ion ge o de . Dieses omnip äsen-
e Beispiel mach deu lich, wie sich die G enzen de eins igen ingenieu mäßigen
Fachdisziplinen Elek o echnik und Maschinenbau e schieben. Ingenieu e müssen
heu zu age ein in e disziplinä es Ve s ändnis ü komplexe Zusammenhänge übe
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De Fo schungsschwe punk Cloud-basie e Ene giene ze 993
Fachg enzen hinaus mi b ingen und in de Lage sein koope a i mi ande en Fach-
leu en an spezi ischen Schni s ellen zusammenzua bei en.
2.1 Gemeinsam Fo schen und Leh en
Um diesen En wicklungen de An o de ungen an Ingenieu e Rechnung zu agen
und ih e Ausbildung demen sp echend anzupassen haben sich die beiden Fachbe ei-
che Elek o echnik und Maschinenbau de Fachhochschule Do mund mi einande
ausge ausch und gemeinscha lich das Fo schungsp ojek Cloud-basie e Ene gie-
ne ze gescha en. E klä es Ziel de P ojek eilnehme is hie bei die enge Zusam-
mena bei beide Fachbe eiche. Dies geschieh zum einen au digi ale Basis du ch
E scha ung eine zen alen Cloud zum Da enaus ausch übe die G enzen de Fach-
be eiche hinaus. Zum ande en soll ein e ne z es Real-Labo en s ehen, das un e
ande em die Labo e de P ojek eilnehme au Ebene on S eue ung und Las lüs-
sen mi einande e binde . Lang is ig sollen in dem Fo schungsschwe punk Cloud-
basie e Ene giene ze achbe eichsübe g ei end wei e e Labo e de Fachhochschule
in eg ie we den und achhochschulwei eine Pla o m ü anwendugso ien ie e
Fo schung en s ehen. Zudem soll die im Rahmen des Fo schungsp ojek s en s e-
hende In as uk u auch die Basis ü in e disziplinä e und p ojek o ien ie e Leh e
bilden.
Gemeinsame Schni mengen de Fachbe eiche im Rahmen de Fo schung, wie
beispielsweise Elek omobili ä und zugehö ige Ladein as uk u ode auch die
Que schni s hemen Ene gie echnik und Wasse s o wi scha , sind kla e kennba .
Au de einen Sei e de Fachbe eich Elek o echnik, de adi ionell s a k du ch die
elek ische Ene gie echnik und dami ehe du ch s a ionä e Anwendungen gep äg
is und au de ande en de Fachbe eich Maschinenbau mi dem Schwe punk in
de Fah zeugen wicklung. De gemeinsame Fo schungsschwe punk äg an diese
S elle auch dazu bei, bes ehende Kompe enzen e s ä k zu e ne zen und Syne gien
besse nu zba zu machen.
2.2 Nu zen ü ex e ne Pa ne
Dabei haben die Fo schenden auch ex e ne P ojek pa ne im Blick. Im Be eich de
Ene gie echnik exis ie en in beiden Fachbe eichen iele Kon ak e zu Un e nehmen
jede G öße und Rolle in de We schöp ungske e. Mi Bezug au Ene giesys eme
e geben sich aus Au o ensich die Ka ego ien „Planung“, „Be ieb“ und „Kompo-
nen enen wicklung“.
2.2.1 Planung
Un e nehmen, welche sich mi de Planung on Ene giesys emen, ob nun zen al,
dezen al ode soga mobil auseinande se zen, beschä igen sich on Beda s- und
Ressou censei e he und planen u.a. die In as uk u des Sys ems. An diese S elle
sind lang is igen Be ach ungszei äume mi ela i g oßen Zei sch i en (15 Minu-
en ode s undenweise bishin zu jäh liche Be ach ung, le z e e ü die wi scha li-
che Bewe ung) no wendig.
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Hie exis ie en ü s a ionä e Sys eme be ei s iele So wa e-Lösungen wie z.B.
TOP-Ene gy,Ene gyPRO,Home P o,NepLan,Digsilen Powe Fac o y und Plexos.
Hie mi lassen sich Szena ien un e suchen, Va ian en on Ausbaup aden simulie-
en und un e schiedliche Topologien übe den Absch eibungs- ode Lebenszei aum
simula i e p oben. Die Komplexi ä de Simula ion en s eh dabei du ch das Zusam-
menschal en de einzelnen Komponen en, diese wiede um können ela i ein ach,
z.B. du ch Kennlinien, modellie sein.
2.2.2 Be ieb
Un e nehmungen, welche den Be ieb eines Ene giesys ems ad essie en, be eiben
und wa en diese Sys eme. Fü Be eibe sind Op imie ungen hinsich lich de Be-
iebss a egie bzw. dem Einsa z on Komponen en nu dann hil eich, wenn diese
Op imie ung zum Zei punk des Einsa zes au eine hin eichend gu e P ognose on
Las und E zeugung bzw. au Be iebskos en o handen is . Eine ganzhei liche Op i-
mie ung übe den Be ach ungszei aum, welche au eine 100% zu e ende P ogno-
se (his o ische Da en) zu ückg ei , hil hie nu am An ang de Planung. Auch is
ü den Be eibe wich ig, welche Ausbaumöglichkei en es im Sys em gib . Hie is
die Schni s elle zu Planung. Da übe hinaus is ein P edic i e-Main enance-Sys em
ü den Be eibe hil eich, um eine möglichs lange Lebensdaue siche zus ellen.
Auch hie sind P ognosen zum Al e ungs e hal en on Komponen en wich ig. Hie
en s eh eine wei e e Schni s elle zu d i en Ka ego ie, de Komponen enen wick-
lung.
2.2.3 Komponen enen wicklung
Pho o ol aik-Wechsel ich e , Ba e iespeiche sys eme, Elek olyseu e, B enns o -
zellen, No s omsys eme ode auch Ladesäulen ü Elek o ah zeuge sind Beispiele
ü mode ne Komponen en eines Ene giesys ems, welche on zahl eichen Un e neh-
men en wickel und p oduzie we den. Fü diese Un e nehmen is die Rückmeldung
aus Sys emsich wich ig: Wo au soll bei de En wicklung eine Komponen e We
geleg we den? De Pa agdigmen-Wechsel bei Pho o ol aik-Wechsel ich e n hin-
sich lich de Wi kungsg adkennlinie bei de Ein üh ung on Heimspeiche n is ein
Beispiel hie ü . Ohne Speiche leg de Kunde hie zulande We au einen gu en eu-
opäischen Wi kungsg ad, de en sp echend de We e e häl nisse einen bes imm-
en Teillas -Be eich de Wi kungsg adkennlinie s ä ke gewich e als ande e. Beim
Be ieb mi Speiche mi dem Ziel de Eigenbeda sop imie ung ück de kleine
Leis ungsbe eich s ä ke in den Fokus, da hie de meis e Ene giedu chsa z übe das
Jah e olg . Das ha Auswi kungen au das Design de Leis ungselek onik.
Komponen enen wickle müssen also on Sei en des Plane s und des Be eibe s
möglichs genaue An o de ungen bekommen. Bei Ba e iespeiche n, B enns o zel-
len und Elek olyseu en beispielsweise sind bei de Op imie ung die Zielwe e wie
CO2-Bilanz im Lebenszyklus, Kompak hei , Kos en, Wi kungsg ad abe auch Dau-
e hal ba kei zu be ücksich igen. Die genaue Auslegung häng hie seh s a k om
Einsa zgebie und dami auch om Las p o il ab. Solche Las p o ile können dann
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De Fo schungsschwe punk Cloud-basie e Ene giene ze 995
mi dem Cloud-basie en Ene giene z e zeug und beginnend on de Simula ion bis
hin zu Daue e p obung genu z we den.
2.3 Konzep
Aus diesen Übe legungen he aus en s and die Idee de Cloud-basie en Ene giene ze.
Aus E ah ung de Fo schenden wi d insbesonde e die le z e Ka ego ie sel en in
den gesam en P ozess des Sys emdesigns mi einbezogen. Du ch eine ganzhei liche
Be ach ung soll mi dem neuen Fo schungsschwe punk e such we den, auch an
diese S elle Möglichkei en ü P oduk inno a ionen zu scha en.
Die g undsä zliche Idee des Fo schungsschwe punk s besch eib die olgende
Abb. 1.
Die in de Abbildung da ges ell e zen ale Cloud en s eh im Rahmen des Fo -
schungsp ojek s und s ell auch lang is ig eine gemeinsame Pla o m zwischen den
Fachbe eichen Maschinenbau und Elek o echnik da . Zum einen we den hie übe
e schiedene So wa emodelle di e se Ene giekomponen en e knüp . Diese exis-
ie en z.B. in Fo m on Ma lab-Simulink, Py hon, Modelica ode auch Top-Ene gy.
Zum ande en we den, eben alls übe die Cloud, Labo e de Fachbe eiche sowie
in e ne und ex e ne Real-Labo e in das geplan e Ene giene z eingebunden. Dies
e möglich einen p äzisen Da enaus ausch sowie die zen ale S eue ung on Expe-
imen en einzelne Labo e in Ech zei . Schlussendlich e möglich diese Pla o m
eine gesam hei liche Be ach ung des hiesigen Ene giene zes bzw. de Ene giewel .
Abb. 1 Die gemeinsame Fo schungspla o m Cloud-Ene gy-Lab de Fachbe eiche Elek o echnik und
Maschinenbau
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996 L. O. Spei h e al.
3 Be eilig e Labo e
Gemäß de Vo habensbesch eibung des Fo schungsp ojek s sollen zunächs ie La-
bo e am S ando de Fachhochschule eingebunden we den. Dabei wi d jedes Labo
on einem de be eilig en P o esso en gelei e . Somi is siche ges ell , dass jede
eilnehmende P o esso im Rahmen des P ojek s inne halb seines indi iduellen Fo -
schungs- und Tä igkei sgebie s o schen und a bei en kann. Wie be ei s e wähn ,
kann das Fo schungsp ojek somi auch mi de Leh e an de Fachhochschule e -
bunden we den. Da aus esul ie zum einen ein Meh we ü S udie ende, die
eigens ändig ein p axisnahes und o schungso ien ie es Thema im Rahmen des P o-
jek s bea bei en können. Zum ande en p o i ie auch das P ojek da on, da genau
de inie e A bei en ex e n e geben we den können und somi eine En las ung de
eilnehmenden P o esso en und Mi a bei e s a inde .
De Fachbe eich Elek o echnik is mi den P o esso en Füg und Kiel am Fo -
schungsp ojek be eilig .
P o esso D . To s en Füg leh und o sch au dem Gebie de Ene giewi scha
und beschä ig sich zudem mi wi scha lich- echnische In es i ions echnung und
so wa eges ü z e Op imie ung on Ene giesys emen. E is Lei e des Labo s ü
elek ische Ene giewi scha , das e auch ü di e se Leh e ans al ungen nu z . Im
Rahmen des Bachelo s udiums leh e zum Beispiel die „G undlagen de Ene gie-
wi scha “ ode „Indus ielles Ene giemanagemen “. Im Mas e s udium bie e e die
Ve ans al ung „Wi scha dezen ale Ene giesys eme“ an.
P o esso D .-Ing. Ma in Kiel ha sein Tä igkei sgebie im Be eich hyb ide Ene -
giesys eme. Als Lei e des Labo s ü egene a i e Ene giequellen s ell e einige
dezen ale Ene gie-Komponen en zu Ve ügung, die im Rahmen des Fo schungs-
p ojek s nich nu digi al sonde n auch au Ha dwa e-Ebene in das Real-Labo einge-
bunden we den. Dazu zähl zum Beispiel ein Pho o ol aik-P ü s and und ein Ba e-
iespeiche sys em. Fü Bachelo s uden en bie e e die Ve ans al ung „Regene a i e
Ene giequellen“ an. Im Rahmen des Mas e s udiums leh e die Ve ans al ungen
„Elek ische Ene giespeiche sys eme“ sowie „Ene gieeinspeise- und Speiche sys e-
me“.
Die P o esso en Rajamani, Rose o und Thoben sind eben alls be eilig und
e e en den Fachbe eich Machinenbau im Fo schungsp ojek .
P o esso D .-Ing. Vinod Rajamani is be u en ü das Fachgebie „Fah zeugdy-
namik und -Kons uk ion“. Im Rahmen de „Fah zeugkons uk ion“ o sch e eben-
alls an inno a i en An iebskonzep en ü ah zeugspezi ische Anwendungen. Fü
das P ojek be ass e sich mi de Modellbildung und Op imie ung on Anlagen de
Wasse s o e zeugung. Zunächs wi d e ein skalie ba es Modell eines Elek oly-
seu s zu Ve ügung s ellen, das digi al au Cloud-Ebene in das P ojek eingebunden
wi d.
P o esso D .-Ing. Y es Rose o is ä ig als P o esso ü Fah zeugan iebe und
leh im Bachelo s udium neben „Ve b ennungsmo o en 1 und 2“ auch „The mo-
dynamik“ als G undlagen e ans al ung. Im Mas e s udium häl e die semina is i-
schen Ve ans al ungen „Fahzeugan iebe“ und „Ene giewandlung“. Im Rahmen de
„Ene giewandlung“ ha e sich au den Einsa z on Wasse s o als Ene gie äge
spezialisie . Zudem un e häl e einen P ü s and ü B enns o zellen echnologie.
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De Fo schungsschwe punk Cloud-basie e Ene giene ze 997
Diese P ü s and wi d ha d- als auch so wa esei ig in das Real-Labo einebunden
und zusä zlich modellie da ges ell .
P o esso D .-Ing. Ma kus Thoben ha die Lei ung des Labo s ü „elek ische
An iebe und Leis ungselek onik“ am Fachbe eich Maschinenbau inne. E häl so-
wohl im Bachelo - als auch im Mas e s udium Leh e ans al ungen zu elek ischen
An iebs echnik und Leis ungselek onik mi Fokus au Anwendung in K a ah -
zeugen. En sp echend seinem Leh - und Fo schungsgebie be eib e das Labo ü
elek ische An iebssys eme und Leis ungselek onik. Im Rahmen des Fo schungs-
p ojek s wi d de Leis ungsp ü s and ü Fah zeugan iebssy eme au de Cloud- und
de Real-Labo -Ebene in das Gesam sys em eingebunden.
P o esso D .-Ing. Sönke Gößling un e s ü z das P ojek als assoziie es Mi -
glied. Im Bachelo s udium leh e „B enns o zellen“ bzw. „B enns o zellensys e-
me“ wobei en sp echende Simula ionen on den S udie enden en wickel we den.
Im Mas e s udium we den in „Ene gie und Umwel echnik“ Simula ionen zum deu -
schen S omne z e s ell und in einem Mas e p ojek ein ene gieau a ke Anhänge
en wickel .
4Zei plan
Das P ojek is in d ei ineinande übe gehende Haup phasen gegliede und ha eine
geplan e Lau zei on zwei Jah en. Zu Beginn s eh hie bei die sogenann e in e -
disziplinä e An o de ungsanalyse. In diese Phase a bei en alle P ojek be eilig en
zusammen, um ein G undkons uk als Ausgangsbasis ü das P ojek zu scha -
en. Es we den Ideen gesammel und hinsich lich ih e Machba kei gep ü . Im
Anschluss we den e s e Konzep e zu Umse zung e a bei e und es e olgen o be-
ei ende Maßnahmen ü die zwei e Phase.
Die zwei e Phase besch eib den Au bau de In as uk u . Hie un e äll jegliche
Ume zung de Cloud und des Reallabo s. Zum Beispiel wi d ein Se e ü den Da-
enaus ausch au gese z , de die Basis ü die Ve ne zung mi els de Cloud bilde .
Wei e hin we den auch die Schni s ellena bei en zu Anbindung einzelne Kom-
ponen en an Se e und Real-Labo umgese z . Ha dwa esei ig bedeu e dies den
Au bau eine physischen In as uk u zu Kommunika ion zwischen den einzelnen
Komponen en und de Cloud ia MQTT-P o okoll.
Abb. 2 Zei plan des P ojek s Cloud-basie e Ene giene ze
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998 L. O. Spei h e al.
Die d i e Haup phase besch eib die E p obungsphase des Fo schungsp ojek s.
Sie e o de eine oll unk ional umgese z e In as uk u . In diese d i en Phase
e olg dann neben de E p obung auch die Anpassung, Skalie ung und Va iie ung
de Modelle und Da ensä ze als Be echnungsg undlage. Planmäßig wi d diese Phase
gegen Ende des d i en Qua als 2024 s a en.
Die Abb. 2zeig die Au eilung de d ei Haup phasen übe de P ojek lau zei .
5 Umse zung
De zei be inde sich das P ojek noch in de Phase de An o de ungsanalyse. Den-
noch wi d be ei s an de Umse zung de Cloud-S uk u gea bei e . Die geplan e
Cloud wi d dabei meh e e Teile beinhal en, wie Abb. 3 e anschaulich .
Die Cloud wi d dabei meh e e Teile nach Themen und Funk ionsgebie en bein-
hal en. Ve ö en lichungen und Dokumen e de P ojek o ganisa ion we den in eine
Sciebo-P ojek box abgeleg . Sciebo is ein ü Hochschulen en wickel e Cloud-
Speiche , de das Zusammen agen, Bea bei en und den Aus ausch gemeinsame
Da en e möglich (Sciebo 2024). Au diesen Se e haben alle P ojek mi a bei e
Zug i . Die Fachhochschule Do mund e üg ü das P ojek übe eine speziel-
le Koope a ion zu Da ensiche ung mi den Hochschulen in Aachen. Hie bei wi d
das Sciebo-Ablage e zeichnis einmal äglich au einen in Aachen s ehenden Se e
gespiegel , um maximale Da ensiche hei zu ga an ie en.
Fü die en wickel en Modelle de einzelnen E zeugungs- und Ve b auchskompo-
nen en wu de ein GITLab-Reposi o y angeleg . Dieses Sys em e möglich die Ve -
sionie ung on So wa e und Da enmodellen, sowie die Da ensiche ung. GITLab is
ein p o essionelles We kzeug, das es e möglich mi meh e en Pe sonen pa allel am
gleichen Modellcode zu a bei en (Gi Lab 2024).
Um die ealen Messda en de einzelnen Sys eme au zunehmen, wu de eine Da-
enbank de Messda en au einem hochschuleigenen Se e einge ich e . Diese is
aus de gesam en Hochschule zu e eichen, sodass alle am S ando e eil en Sys-
Abb. 3 Schema ische Da s ellung de geplan en Cloud-S uk u
K
