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Ausschreibender Bereich: IEK-3 - Elektrochemische Verfahrenstechnik
Kennziffer: 2019M-015, Maschinenbau, Energie- und Verfahrenstechnik

Masterarbeit: Analyse von Reaktorkonzepten für die Synthese von Dimethylether (DME) aus H2 und CO2 durch die Entwicklung von CFD-Modellen

Beginn der Arbeit: Flexibel / nach Vereinbarung

Hintergrund
Mit dem Ziel die Auswirkungen des anthropogenen Klimawandels einzudämmen werden im Rahmen der Energiewende zunehmend erneuerbare Energien (EE) für die Bereitstellung von Elektrizität in das Energiesystem integriert. Viele dieser Technologien wie z.B. Windkraftanlagen (WKA) oder Photovoltaikanlagen (PV) zeichnen sich durch ein stark volatiles Einspeiseverhalten aus und stellen die Infrastruktur vor Herausforderungen. Weiterhin stehen oftmals das erzeugte Angebot dieser Anlagen und die Nachfrage in zeitlicher Abweichung, sodass Speichertechnologien mit großer Kapazität für die Ausschöpfung der Potenziale und der Unterstützung der Infrastruktur notwendig werden. Ein vielversprechender Ansatz ist die Speicherung von elektrischer Energie in Form von synthetischen Kraftstoffen durch das „Power-to-Fuel“ (PtF) Konzept. Dieses Konzept basiert auf der regenerativen Erzeugung von Wasserstoff (H2) durch die Elektrolyse von Wasser. Zusammen mit aus der Industrie abgetrennten Kohlendioxid (CO2) können verschiedenste Kraftstoffe basierend auf Alkanen, Alkoholen oder Ethern hergestellt werden. Auf diese Weise hergestellte Kraftstoffe besitzen das Potenzial Treibhausgasemissionen deutlich zu reduzieren, ohne dabei konzeptionelle Änderungen an der bestehenden Infrastruktur vornehmen zu müssen. Am „Institut für Energie- und Klimaforschung: Elektrochemische Verfahrenstechnik (IEK-3)“ wird an einem ganzheitlichen Ansatz gearbeitet PtF-Pfade auf unterschiedlichen Abstraktionsebenen zu untersuchen. Der Ansatz umschließt

  • marktwirtschaftliche Analysen von Einführungsstrategien.
  • verfahrenstechnische Analysen mittels Prozesssimulationen (PS).
  • Reaktorentwicklung mittels „computational fluid dynamics“ (CFD) Simulationen.

Aufgabengebiet
Die aktuelle Diskussion um die Zukunft des Dieselmotors wird auch durch den Einsatz von alternativen Kraftstoffen beeinflusst. Ether besitzen keine direkte C-C-Bindung und erzielen aus diesem Grund exzellente Verbrennungseigenschaften im Dieselmotor. Dimethylether (DME) wird an dieser Stelle ein großes Potenzial zugeschrieben. Die Herstellung aus CO2 und H2 ist ein stark diskutiertes Thema innerhalb der wissenschaftlichen Gemeinschaft. Ihre Aufgabe ist es, basierend auf den bereits entwickelten Reaktormodellen, Reaktormodelle für die Synthese von DME zu entwickeln. Hierzu muss die bestehende Reaktionsmodellierung erweitert werden. Zusätzlich soll der Umfang der Reaktorbibliothek erweitert werden. Das Ziel dieser Arbeit liegt in der Analyse dieser Reaktorkonzepte, welche in eine Entwicklungsempfehlung übergehen soll. Für die Lösung dieser Aufgabe sind u. a. die folgenden Arbeitspakete zu bearbeiten:

  • Literaturrecherche bezüglich der industriell eingesetzten und in der Forschung als innovativ diskutierten Reaktoren (Vorarbeiten verfügbar).
  • Auswahl verschiedener Reaktortypen zur strömungsdynamischen Analyse.
  • Erweiterung von bestehenden Reaktionsmodellen (Methanol) zur vollständigen Beschreibung der DME-Synthese (1 und 2 stufiges Verfahren).
  • Entwicklung von konventionellen und innovativen Reaktormodellen zur strömungsdynamischen Beschreibung.
  • Bewertung der Leistungsfähigkeit der Reaktorkonzepte durch Bewertungsgrößen und der Verknüpfung von Prozesssimulationen (bereits verfügbar) und CFD Simulationen.

Anforderung
Sie absolvieren ein Master-Studium mit dem Fachbereich Maschinenbau, Verfahrens-/ Energietechnik oder vergleichbarer Ausrichtung und erfüllen die folgenden Anforderungen:

  • Eigenständige und wissenschaftliche Arbeitsweise.
  • Einsatzbereitschaft an der Arbeit im interdisziplinären Themengebieten der Energie- und Verfahrenstechnik.
  • Gute Studienleistungen.
  • Sehr gute Deutsch oder Englisch Kenntnisse in Wort und Schrift.

Die folgenden Kenntnisse und Fähigkeiten können sehr gut zu Beginn der Masterarbeit in den erforderlichen Grundlagen erarbeitet werden und werden nicht vorausgesetzt.

  • Kenntnisse im Bereich CAD Software (Inventor oder SpaceClaim).
  • Erfahrungen im Bereich CFD-Simulationen (Ansys Fluent).

Unser Angebot

  • Eine vielseitige, hochmotivierte Arbeitsgruppe internationaler Prägung innerhalb einer der größten Forschungseinrichtungen in Europa.
  • Eine hervorragende wissenschaftliche und technische Infrastruktur.
  • Intensive Betreuung der Arbeit vor Ort.

Ansprechpartner
Stefan Weiske (M. Sc.)
Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK)
IEK-3: Elektrochemische Verfahrenstechnik
Brenngaserzeugung und Systeme - Zukünftige Kraftstoffe
Forschungszentrum Jülich GmbH
52425 Jülich

E-Mail: s.weiske@fz-juelich.de
Tel. 02461 61-85184
http://www.fz-juelich.de/iek/iek-3/DE/Forschung/_Fuel-Processing-and-Systems/_node.html