Wir bieten laufend Themenstellungen für alle Arten studentischer Arbeiten an. Der einfachste Weg besteht in einer direkten Kontaktaufnahme mit einem unserer Mitarbeiter, dessen Forschungsgebiete Sie interessieren!

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Aktuelle Ausschreibungen

Entwicklung und Implementierung eines mitbewegten Koordinatensystems für die Simulation von Schiffssystemen in EnergyPlus

Projekt Maschinenbau oder Bachelorarbeit

Die Simulation von Schiffssystemen zur Bewertung ihrer energetischen Leistungsfähigkeit und ihres thermischen Verhaltens ist von entscheidender Bedeutung im Bereich des maritimen Ingenieurwesens. EnergyPlus ist als anerkanntes Werkzeug für die energetische Gebäudesimulation eine robuste Grundlage für solche Untersuchungen. Ein weiteres Tool zur Modellierung von unterschiedlichsten Systemen ist die Modelliersprache Modelica. Die Modelica Bibliothek „Buildings“ ermöglicht für energetische Untersuchungen an Gebäude das Koppeln beider Tools mittels FMU-Standards. Um diese Anwendungen auf Schiffsysteme anzupassen, erfordert es die Implementierung eines mitbewegten Koordinatensystems, um die örtliche Veränderung des Schiffes präzise zu berücksichtigen.

Das Hauptziel dieser Arbeit besteht darin, eine Erweiterung für EnergyPlus zu entwickeln, die eine umfassende Simulation von Schiffssystemen ermöglicht. Dabei soll ein mitbewegtes Koordinatensystem implementiert werden, das die Bewegung des Schiffs präzise erfasst und somit eine realistische Analyse der thermischen Leistungsfähigkeit ermöglicht. Diese Erweiterung kann in Form einer Schnittstelle bzw. einer Anpassung des Quellcodes in Energy Plus oder in Dymola/Modelica ausgeführt werde.

Mögliche Arbeitspakete:

  • Literaturrecherche zur Anwendung von EnergyPlus und zu bereits umgesetzter Anwendung in der Schiffssimulation.
  • Analyse der Anforderungen an das mitbewegte Koordinatensystem für die Schiffssimulation.
  • Entwicklung eines Konzepts für die Implementierung des mitbewegten Koordinatensystems in EnergyPlus oder in Modelica.
  • Umsetzung des entwickelten Konzepts in Form von Programmcode.

Betreuer des Lehrstuhls: Max Zimmermann


Entwicklung und Untersuchung eines Aggregationsverfahren von Raumvolumen

Projekt Maschinenbau, Bachelor- oder Studienarbeit

Passagierschiffe sind komplexe Systeme die neben dem eigentlichen Schiffsbetrieb auch die Bedürfnisse der Passagiere erfüllen müssen. Dazu zählt unter anderem auch die Bereitstellung von Wärme um die Raumluft auf Komforttemperatur einstellen zu können.

Die präzise Simulation von Schiffssystemen, insbesondere von Schiffskabinen, ist von essentieller Bedeutung für die maritime Industrie, um die energetische Leistungsfähigkeit und das thermische Verhalten von Schiffen zu verstehen und zu optimieren. Die Verwendung fortschrittlicher Modellierungstechniken, wie sie in Modelica zur Verfügung stehen, bietet dabei eine leistungsfähige Möglichkeit, komplexe Systeme zu beschreiben und zu simulieren. Eine der aktuellen Herausforderungen besteht darin, die Balance zwischen der detaillierten Modellierung von Schiffskabinen und der Effizienz der Simulation zu finden. Insbesondere die Notwendigkeit, jede einzelne Kabine im Modell separat zu modellieren, führt oft zu langen Simulationszeiten und einem hohen Rechenaufwand.

In dieser Arbeit soll untersucht werden, ob eine Aggregation von Volumen in Modelica eine praktikable Lösung bietet, um die Modellier- und Rechenzeit zu reduzieren, ohne die Genauigkeit der Simulation zu beeinträchtigen. Dieser Ansatz verspricht nicht nur eine verbesserte Effizienz bei der Modellierung von Schiffssystemen, sondern auch eine präzise Abbildung des thermischen Verhaltens in unterschiedlichen Betriebsszenarien. Durch eine umfassende Analyse und Simulation soll ein tieferes Verständnis für die Auswirkungen von Volumenaggregation auf die Simulation von Schiffskabinen in Modelica erlangt und damit ein Beitrag zur Optimierung von Simulationsprozessen in der maritimen Industrie geleistet werden.

Mögliche Arbeitspakete:

  • Literaturrecherche zu Aggregationsverfahren.
  • Entwicklungsprozess für ein Aggregationsverfahren entwerfen und planen.
  • Implementierung des Aggregationsverfahrens in Modelica.
  • Durchführung von Simulationen mit verschiedenen Aggregationsstufen und Analyse der Ergebnisse.
  • Bewertung der Simulationsergebnisse hinsichtlich Rechenzeit und Genauigkeit.

Betreuer des Lehrstuhls: Max Zimmermann


Effektiver Betrieb von Bestands-Konvektivheizkörpern mit Luft-Wasser-Wärmepumpen

Projekt Maschinenbau, Bachelor-, Studien- oder Masterarbeit

Die effiziente Integration von Luft-Wasser-Wärmepumpen in bestehende Heizungssysteme ist ein bedeutender Aspekt in der Energiewende. Insbesondere die Herausforderungen bei der Nutzung herkömmlicher konvektiver Wasserheizkörper im Zusammenhang mit Luft-Wasser-Wärmepumpen sind von zentraler Bedeutung. Diese Heizkörper erfordern standardmäßig eine höhere Vorlauftemperatur im Vergleich zu Fußboden- oder Wandheizungen. Die daraus resultierende Problematik liegt darin, dass die Effizienz von Wärmepumpen bei höheren Vorlauftemperaturen abnimmt.

Das Ziel dieser Arbeit besteht darin, Möglichkeiten zur Optimierung des Betriebs von Luft-Wasser-Wärmepumpen in Verbindung mit konvektiven Wasserheizkörpern zu erforschen. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf einfachen Nachrüstlösungen mittels Lüftern, um die benötigte Heizleistung der bestehenden Heizkörper bei niedrigen Vorlauftemperaturen zu gewährleisten. Die Implementierung solcher Lüftersysteme eröffnet die Chance, den Energieverbrauch zu senken und gleichzeitig die Betriebskosten zu reduzieren, ohne umfassende Umbaumaßnahmen durchführen zu müssen.

Diese Arbeit bietet die Möglichkeit, innovative Lösungsansätze zu entwickeln, um die Effizienz von Luft-Wasser-Wärmepumpen in Verbindung mit konvektiven Wasserheizkörpern zu optimieren. Dabei können Aspekte wie technische Machbarkeit, Energieeinsparungen und ökonomische Rentabilität analysiert sowie Empfehlungen für die praktische Umsetzung in bestehenden Wohngebäuden erarbeitet werden.

Mögliche Arbeitspakete:

  • CFD-Simulationen mithilfe von Ansys oder ähnlichen Programmen.
  • Abschätzung des Effekts mittels empirischer Nusselt-Korrelationen für freie und erzwungene Konvektion.
  • Literaturrecherche zu experimenteller Forschung auf diesem Gebiet.

Betreuer des Lehrstuhls: Rasmus Pötke, Moritz Müller, Marcel Pfeifer


Produktion und Nutzung von Wasserstoff als Energieträger in Kommunen

Projekt Maschinenbau, Bachelor-, Studien- oder Masterarbeit

Cat scientist creating hydrogen, digital art (DALL·E 2)

Mit dem Beschluss der nationalen Wasserstoffstrategie im Juni 2020 hat die Bundesregierung beschlossen, vermehrt auf den flexibel einsetzbaren und leicht transportierbaren Energieträger Wasserstoff als Ersatz für Erdgas, Öl und Kohle zu setzen. Die Bundesregierung geht davon aus, dass Wasserstoff zukünftig eine Schlüsselrolle bei der Energieversorgung Deutschlands einnehmen wird. In einem solchen Energiesystem werden die Kosten für Produktion und Nutzung von Wasserstoff aufgrund technologischen Fortschritts und größeren Marktanteils voraussichtlich sinken. 

Unter einer solchen Annahme erscheint die Anwendung von Wasserstofftechnologien zur Energieversorgung von Kommunen denkbar. Reversible Brennstoffzellen bieten in Kombination mit einem Wasserstoffspeicher die Möglichkeit, Wasserstoff bei einem Überangebot von erneuerbarem Strom zu erzeugen. Dieser Wasserstoff kann zu einem späteren Zeitpunkt mithilfe des gleichen Systems bei hohem Strombedarf (oder hohen Strompreisen) wieder umgewandelt werden. Die bei beiden Vorgängen anfallende Abwärme könnte zudem in einem kommunalen Fernwärmenetz genutzt werden. In Kombination mit Photovoltaik- und Windkraftanlagenparks sowie einer intelligenten Nutzung des variabel bepreisten Netzstrom könnte eine klimaneutrale Strom- und Wärmeversorgung für Kommunen daher rentabel werden.

In dieser Arbeit soll ein Konzept für die Energieversorgung einer Kommune mithilfe einer reversiblen Brennstoffzelle entworfen werden. Neben der Deckung der Strom- und Wärmelast kann dabei auch die Einbindung von kommunalen Erzeugungsanlagen (PV und Windanlage) und Energiespeichern berücksichtigt werden. Wirtschaftliche Betrachtungen (Amortisationszeit, CapEx, OpEx) können ebenfalls Teil der Arbeit sein.

Arbeitsinhalte

  • Konzeptionierung eines wasserstoffbasierten Energieversorgungssystems für Kommunen (Leistungsklasse, Speicherkapazität, CapEx, OpEx)
  • Simulationen zur Klimaneutralität und Betriebskosten der energetischen/stofflichen Umwandlung unter Verwendung von Wetter-, Strompreis- und Strommixdaten
  • Literaturrecherche zu Speicherkonzepten (Wasserstoffspeicherung, Batterie und Wärmespeicher)

Betreuer des Lehrstuhls: Rasmus Pötke, Thore Pruss

 


Energieoptimierung an Board von Kreuzfahrtschiffen

Projekt Maschinenbau, Bachelor- oder Studienarbeit

Kreuzfahrtschiffe sind heutzutage für einen wichtigen Anteil der gesamten Schadstoffemissionen verantwortlich (CO2, NOx…). Daher hat die internationale maritime Organisation (IMO) neue Strategien eingeführt, um die Treibhausgasemissionen des Schifffahrtsektors bis 2050 um mindestens 50% im Vergleich zu 2008 zu reduzieren.

Ein großer Schritt zur Dekarbonisierung des Schifffahrtsektors besteht in die Nutzung von kohlenstofffreien Treibstoffen. Ein weiteres Optimierungspotenzial liegt in der Entwicklung neuer Konzepte zur Energieerzeugung bzw. Speicherung sowie der effizienten Kopplung der einzelnen komplexen Schiffsysteme. Insbesondere Kreuzfahrtschiffe sind komplexe Systeme diverser energetischer Erzeuger und bieten ein erhebliches Potential zur Gesamtsystemoptimierung.

Mögliche Themenbereiche:

  • Motorprozessmodelliereung
  • Batterie-Konzepte und Batteriemanagementsysteme
  • Brennstoffzellen
  • Klimatisierung

Arbeitsinhalte

  • Untersuchung verschiedener Motorkonzepte
  • Prozesssimulation des stationären sowie des dynamischen Motorbetrieb zum Beispiel beim Manövrieren während der Hafeneinfahrt
  • Analyse verschiedener Batterie-Konzepte
  • Optimierung des Batteriemanagementsystems
  • Modellierung verschiedener Brennstoffzellensysteme
  • Untersuchung des thermischen Speicherpotetials der klimatisierten Räume

Betreuer des Lehrstuhls: Marouane Barbri, Max Zimmermann

 


Entwicklung eines dynamischen Niedrigenergiehausmodells

Projekt Maschinenbau, Bachelor- oder Studienarbeit

Durch die aktuellen Engpässe und dadurch bedingten Preisanstiege bei der Gasversorgung ist bei vielen Verbraucher*innen ein neues Interesse an nachhaltiger Energieversorgung entstanden. In naher Zukunft sind finanzielle Unterstützungen zum Austausch fossil betriebener Heizungssysteme vorgesehen, um die hohen Anschaffungskosten erneuerbarer Heizungssysteme zu kompensieren. Das wird viele der 78 % fossil heizenden Verbraucher*innen in Deutschland dazu bewegen, demnächst mit Wärmepumpen ihren Wärmebedarf zu decken.

Wärmepumpen nutzen Umweltwärme aus der Luft, dem Boden oder Gewässern und Strom, um Wärme auf einem Temperaturniveau von 30-80 °C bereitzustellen. Durch die Nutzung der Umweltwärme sind Wärmepumpen, auch wenn Sie mit fossilem Strom versorgt werden, klimafreundlicher als Gas- oder Ölheizungen. Die zunehmende Elektrifizierung des Wärmesektors bringt viele Herausforderungen mit sich. Viele Stromerzeuger bieten inzwischen günstigeren Wärmepumpenstrom an. Dieser kann durch den Stromerzeuger zu Spitzenlastzeiten kurzfristig abgeschaltet werden. So wurde bereits ein erster Schritt umgesetzt eine Überlastung durch Wärmepumpen zu verhindern. Weiterhin kann das Netz durch kleine, lokale Photovoltaik-Wärmepumpensysteme entlastet werden. Im Idealfall wird die Wärmepumpe nur durch den lokal produzierten Solarstrom betrieben, ohne dass Strom aus dem Netz benötigt wird. Um auch abends, nachts und frühmorgens den Heiz- und Warmwasserbedarf decken zu können, sind sogenannte „Pufferspeicher“ notwendig.

Im Rahmen dieser Arbeit soll ein Simulationsmodell eines thermischen Speichers in Kombination mit einer Solarstrombetriebenen Wärmepumpe entwickelt und validiert werden. Mit dem Modell soll überprüft werden, ob eine autarke Wärmeversorgung für ein Einfamilienhaus möglich ist und welche Wärme- und Stromspeicherkonzepte dafür in Frage kommen

Arbeitsinhalte

  • Literaturrecherche zu Speicherkonzepten und Wärmepumpen und deren Modellierung und Simulation
  • Gegenüberstellung verschiedener Speichertemperaturniveaus und Größen
  • Erstellung eines Modells in Modelica/Dymola

Betreuer des Lehrstuhls: Rasmus Pötke, Max Zimmermann

 


Wirtschaftlichkeitsanalyse für Ammoniakterminal

Bachelor-, Studien- oder Masterarbeit

Um die Energiewende voranzutreiben werden Speichermedien für erneuerbare Energie benötigt. Eines dieser Speichermedien ist Wasserstoff. Wasserstoff ist jedoch aufwendig und energieintensiv in der Handhabung. Durch die chemische Bindung des Wasserstoffs in grünem Ammoniak wird die Handhabung und der Transport deutlich erleichtert, dies ermöglicht eine Langzeitspeicherung und eine weltweite Verteilung von erneuerbaren Energien. Diese Speichermöglichkeit eröffnet einen neuen Markt, um mit erneuerbaren Energien zu handeln. Besonders interessant sind dabei der Import und Export über Schiffsrouten. Für die Be- und Entladung der Energieträger wird in diesem Fall ein landseitiges Ammoniakterminal benötig.

Das Ziel der Arbeite ist es für ein solches Terminal eine Wirtschaftlichkeitsanalyse durchzuführen.

Arbeitspakete

  • Einarbeitung in das Ammoniakterminalkonzept
  • Recherche zur Wirtschaftlichkeitsanalyseverfahren
  • Wirtschaftlichkeitsanalyse
  • Dokumentation

Betreuer des Lehrstuhls

M.Sc. Marcel Pfeifer



Recherche zu Auslegungsverfahren einer Kältemaschine

Bachelor-, Studien- oder Masterarbeit

Für die Kühlung von kaltverflüssigtem grünem Ammoniak wird eine Kältemaschine benötigt. Diese kann für verschiedene Kältemittel ausgelegt werden. Das Kältemittel sollte jedoch so gewählt werden, dass die Kältemaschine energieeffizient ausgelegt werden kann.

Ziel der Arbeit es ein Auslegungsverfahren für Kompressionskältemaschinen zu entwickeln. Dieses soll die geltenden Normen und Richtlinien für Kältemaschinen berücksichtigen.

Arbeitspakete

  • Recherche zu Kompressionskältemaschinen
  • Recherche zu Auslegungsmethoden für Kältemaschinen
  • Recherche zu Normen und Richtlinien
  • Verfahrensentwicklung
  • Beispielauslegung
  • Dokumentation

Betreuer des Lehrstuhls

M.Sc. Marcel Pfeifer


Recherche zu Verdampfungs- und Kondensationsmodellen in ANSYS Fluent

Bachelor-, Studien- oder Masterarbeit

Um die Temperaturverteilung und Strömungen in einem kryogenen Tank simulieren zu können werden Kondensations- und Verdampfungsmodelle benötigt.

Ziel der Arbeit es eine Aufstellung der vorhanden Kondensations- und Verdampfungsmodelle in ANSYS Fluent zu erstellen und deren Kompatibilität zu prüfen. Aus den Annahmen der einzelnen Modelle sollen die Anwendungsgebiete abgeleitet und beschrieben werden. Abschließend soll für einen einfachen Testfall eine Simulation in ANSYS Fluent aufgesetzt werden.

Arbeitspakete

  • Recherche zu Verdampfungs- und Kondensationsmodellen in ANSYS Fluent
  • Aufsetzen eines Testfalls
  • Einsatzgebiet der Modelle festlegen
  • Dokumentation

M.Sc. Marcel Pfeifer


Wirtschaftlichkeitsanalyse für Ammoniaknutzungspfade

Bachelor-, Studien- oder Masterarbeit

Um die Energiewende voranzutreiben werden Speichermedien für erneuerbare Energie benötigt. Eines dieser Speichermedien ist Wasserstoff. Wasserstoff ist jedoch aufwendig und energieintensiv in der Handhabung. Durch die chemische Bindung des Wasserstoffs in grünem Ammoniak wird die Handhabung und der Transport deutlich erleichtert, dies ermöglicht eine Langzeitspeicherung und eine weltweite Verteilung von erneuerbaren Energien. Dadurch treten mehrere Nutzungspfade für grünen Wasserstoff und grünes Ammoniak zur Energieversorgung in den Vordergrund. Um die Wirtschaftlichkeit der einzelnen Nutzungspfade bemessen zu können wird eine Wirtschaftlichkeitsanalyse der einzelnen Prozessschritte benötigt.

Das Ziel der Arbeite ist es ausgewählte Nutzungspfade für die Erzeugung und Nutzung von grünem Ammoniak zu analysieren und zu bepreisen. Anschließend sollen die Kostentreiber der Nutzungspfade ermittelt werden.

Arbeitspakete

  • Literaturrecherche zur grünem Ammoniak Erzeugung und Nutzung
  • Recherche zur Wirtschaftlichkeitsanalyseverfahren
  • Festlegen von Nutzungspfaden
  • Bestimmung der Kosten für die einzelnen Teilschritte
  • Wirtschaftlichkeitsanalyse
  • Dokumentation

Betreuer des Lehrstuhls

M.Sc. Marcel Pfeifer


Recherche und Beispielrechnungen zu Kühlsystemen für grünen Ammoniak

Bachelor-, Studien- oder Masterarbeit

Um Ammoniak bei Standarddruck verflüssigt speichern zu können werden Temperaturen von unter -33°C benötigt. Um diese Temperatur über eine aktive Kühlung sicherzustellen, sollen im Rahmen dieser Arbeit verschiedene Kühlsysteme untersucht werden. Es sind die Vor- und Nachteile der einzelnen Kühlsysteme auszuarbeiten und zu jedem dieser Kühlsysteme ist eine Beispielrechnung auf der Grundlage von grünem Ammoniak anzufertigen. Die Beispielrechnungen sind anschließend in Excel und MATLAB so anzulegen, dass sie Parametrisiert ausgeführt werden können.

Arbeitsinhalte

  • Literaturrecherche zu verschiedenen Kühlsystem
  • Vergleich der Kühlsysteme
  • Anlegen einer Stoffdatenbank für Ammoniak aus Werten des VDI Wärmeatlas in Excel (VBA) und MATLAB
  • Beispielrechnungen/Simulator zu jedem Kühlsystem mit Bezug auf das zu kühlende Medium Ammoniak

Betreuer des Lehrstuhls: M.Sc. Marcel Pfeifer

 


Literaturrecherche: Ammoniak-Zersetzungseinheit - Von der Modellierung und Simulation bis zur technischen Umsetzung

Bachelor- oder Studienarbeit

Im Rahmen der Energiewende werden Technologien benötigt, um Strom aus erneuerbaren Energiequellen zu speichern. Eine Möglichkeit stellt die Verwendung von Ammoniak als Wasserstoffträger da. Voraussetzung für die klimaneutrale Anwendung von Ammoniak sind zum einen Herstellungsverfahren für Ammoniak, welche ohne fossile Brennstoffe auskommen, und zum anderen neue Technologien, welche die Nutzung von Ammoniak als Energieträger ermöglichen.

Ein möglicher Nutzungspfad wird durch die Zersetzung von Ammoniak zu Wasserstoff und Stickstoff und die anschließende Verwendung des reinen Wasserstoffs beschrieben. Der Wasserstoff lässt sich dann z.B. in Brennstoffzellen für die Erzeugung von Strom nutzen. Ein anderes Konzept sieht vor einen Ammoniak Gasmotor zu entwickeln, in dem ein Teil des Ammoniaks zersetzt wird, um die Zündeigenschaften des Brennstoffs zu verbessern.

Im Rahmen der Arbeit soll eine ausführliche Literaturrecherche mit mehreren Schwerpunkten durchgeführt werden. Dazu gehört die Betrachtung von bestehenden Systemen, welche eine Ammoniak-Zersetzungseinheit verwenden. Von Interesse ist dabei, wie die Energie für die Zersetzung zur Verfügung gestellt wird. Außerdem sind verschiedene Konzepte von Zersetzungseinheiten interessant. Darüber hinaus sollen geeignete Ansätze zur Modellierung und Simulation der Zersetzungseinheit identifiziert werden.

Arbeitsinhalte

  • Literaturrecherche zu Ammoniak-Zersetzungseinheiten

  • Literaturstudium zu geeigneten Modellen für die Berechnung und Auslegung von Ammoniak-Zersetzungseinheiten

  • Anwendung der Berechnung auf ein Beispiel

  • Aufsetzen eines einfachen Testfalls in Dymola/Modelica (optional)

Betreuer des Lehrstuhls: M.Sc. Moritz Müller