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Ausschreibender Bereich: IEK-14 - Elektrochemische Verfahrenstechnik
Kennziffer: 2020M-015, Energietechnik, Verfahrenstechnik, Maschinenbau, Wirtschaftsingenieurwesen

Masterarbeit: Prozessmodellierung und Bewertung der direkten CO2-Abtrennung aus der Luft zur Verwendung im Power-to-Fuel-Konzept

Beginn der Arbeit: Flexibel / nach Vereinbarung

Hintergrund
Der Primärenergiebedarf in Deutschland und der EU wird aktuell zu etwa zwei Drittel durch Importe gedeckt, im Verkehrssektor können sogar nur 13 % der benötigten Energie durch eigene Produktion bereitgestellt werden. Durch den weiteren Ausbau erneuerbarer Stromproduktion, Energieeinsparungen im Gebäudesektor und den beginnenden Übergang zu elektrifizierten Antriebssystemen wird die Abhängigkeit von Energieimporten zurückgehen, von einer Energieautarkie kann allerdings nicht ausgegangen werden. Zur Erreichung der verbindlichen Klimaziele 2030 und 2050 scheinen demnach CO2-neutrale Energieimporte unumgänglich. Die Basischemikalie Methanol bietet sich hier als attraktives Power-to-X-Zwischenprodukt an, da es bereits heute aus Wasserstoff und CO2 direkt synthetisiert werden kann. Wasserstoff kann hierbei nachhaltig über regenerativ erzeugten Strom mithilfe einer Wasserelektrolyse hergestellt werden. Für die Bereitstellung von CO2 sind mehrere Optionen denkbar. Neben prozessbedingten Emissionen aus der Industrie und CO2 aus der Biomasseverwertung, stellt die Abtrennung des Kohlendioxids aus der Umgebungsluft die dritte Möglichkeit dar. Diese bietet den klaren Vorteil einer standortunabhängigen CO2-Bereitstellung und ermöglicht somit die Produktion von synthetischen Kraftstoffen dort, wo gute Bedingungen für eine regenerative Stromproduktion aus Wind, Solar oder Wasserkraft vorherrschen. Dem gegenüber steht die Herausforderung der geringen Konzentration des CO2 in der Luft und dem damit verbundenen hohen Aufwand der Abtrennung.

Am „Institut für Energie- und Klimaforschung: Elektrochemische Verfahrenstechnik" (IEK-14) werden alternative Kraftstoffe wissenschaftlich auf unterschiedlichen Ebenen untersucht. Der Ansatz umschließt die marktwirtschaftliche Analyse von Einführungsstrategien, die verfahrenstechnische Analyse mit Prozesssimulationen, die Reaktorentwicklung und die Analyse des Emissionsreduktionspotentials der synthetischen Kraftstoffe.

Aufgabengebiet
Die Abtrennung von CO2 aus der Umgebungsluft ist ein in der wissenschaftlichen Literatur aktuell intensiv diskutiertes Themengebiet. Neben einem Strombedarf zum Transport der benötigten Luftmassenströme, weisen alle Konzepte einen Wärmebedarf zur Regeneration des Ab- oder Adsorptionsmaterial auf. Dieser könnte bei einer lokal betriebenen Power-to-Fuel (PTF) Anlage entweder durch die Abwärme einer Elektrolyse oder der Methanolsynthese gedeckt werden, was die Gesamteffizienz des Verfahrens deutlich verbessern könnte. Ziel der Arbeit ist der Aufbau eines Simulationsmodells, welches die Abtrennung des CO2 aus der Luft in Kopplung mit einer PTF-Anlage abbildet und somit zur Bewertung dieses Konzepts beiträgt.

Hierfür sind u.a. folgende Arbeiten durchzuführen:

  • Literaturrecherche zu den aktuell vorhandenen Technologien zur Abtrennung von CO2 aus der Luft
  • Auswahl der aus der Literaturrecherche resultierenden Verfahren gemäß der Eignung für das PTF-Konzept
  • Implementierung des ausgewählten Verfahrens in Aspen Plus oder Matlab Simulink: Hierbei kann der Fokus entweder auf die detaillierte Abbildung des Abtrennmechanismus (Aspen Plus, bzw. Aspen Adsorption) oder auf die dynamische Verschaltung des Prozesses mit einer Kraftstoffsynthese (Matlab Simulink) gelegt werden.
  • Wissenschaftliche Auswertung der produzierten Ergebnisse

Anforderungen

  • Eigenständige und wissenschaftliche Arbeitsweise
  • Motivation und Einsatzbereitschaft an der Arbeit in einem interdisziplinären Themengebiet der Energie- und Verfahrenstechnik
  • Gute Leistungen in Ihrem Studium der Energietechnik, Verfahrenstechnik, des Maschinenbaus, des Wirtschaftsingenieurwesens oder eines vergleichbaren Studiengangs
  • Vorkenntnisse in der verfahrenstechnischen Prozessanalyse wünschenswert
  • Sehr gute Deutsch- und Englisch-Kenntnisse in Wort und Schrift

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
Felix Schorn (M. Sc.)
Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK)
IEK-14: Elektrochemische Verfahrenstechnik
Brenngaserzeugung und Systeme - Zukünftige Kraftstoffe
Forschungszentrum Jülich GmbH
52425 Jülich

E-Mail: f.schorn@fz-juelich.de
Tel. 02461 61-4394