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Ausschreibender Bereich: IEK-3 - Techno-ökonomische Systemanalyse
Kennziffer: 2019M-084, Maschinenbau, Verfahrens-/ Energietechnik

Masterarbeit: Entwicklung von CFD-Modellen zur Beschreibung von Mehrphasenreaktoren für die Herstellung von synthetischen Kraftstoffen

Beginn der Arbeit: Flexibel

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 im Hintergrund beschriebene nachhaltige Produktionskette für synthetische Kraftstoffe wird in der Wissenschaft vordergründlich durch Prozessanalysen beschrieben. Eine Synthese von Kraftstoffen aus CO2 birgt allerdings auch für die eingesetzten chemischen Reaktoren viele Herausforderungen wie z.B. träge Reaktionskinetiken und erhöhte Wasserbildung. Daher ist es ebenfalls wichtig einen genauen Blick in die Auslegung der für diese Synthesen benötigten Reaktoren zu werfen. In der wissenschaftlichen Gemeinschaft gelten Mehrphasenreaktoren in diesem Anwendungsbereich als besonders innovativ. Im Rahmen dieser Masterarbeit soll ein Modell eines solchen Mehrphasenreaktors entwickelt werden, in dem bereits abgeschlossenen Vorarbeiten zur Modellierung von chemischen Reaktionen und Mehrphasenströmungen zusammengeführt werden. Abschließend sollen dann die verschiedenen Prozessvarianten und Reaktorkonzepte miteinander verglichen werden. Für die Bearbeitung der Masterarbeit sind u.a. die folgenden Arbeitspakete zu erfüllen:

  • Einarbeitung und Literaturrecherche in das Themenfeld der Masterarbeit (Vorarbeiten) und die Simulationssoftware ANSYS FLuent.
  • Implementierung eines vollständigen Reaktormodells zur Beschreibung von Kraftstoffsynthesen. Hierfür können kinetische Modelle zur Methanol –und Dimethylethersynthese genutzt werden, welche bereits durch Vorarbeiten verfügbar sind. Ebenfalls nutzbar sind Modelle zur strömungsdynamischen Beschreibung von Blasensäulenreaktoren (SBCR).
  • Analyse und Optimierung der entwickelten Reaktormodelle, sowie deren Vergleich.

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

Wir freuen uns auf Ihre Bewerbung!