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: Dr.-Ing. Dorian Holtz, Rasmus Pötke, Max Zimmermann

Innerhalb der letzten Jahre finden für die Strom- und Wärmeproduktion ein konsequentes Umdenken und eine Neubewertung der typischen Energieversorgungsquellen statt. Das betrifft Kohle, Gas, Kernkraft aber auch Biomasse-Kraftwerke ebenso wie regenerative Energiequellen (z.B. Solar-, Wind- oder Wasserkraftwerke). Dabei rückt vermehrt die ganzheitliche Bilanzierung der jeweiligen Systemlösungen in den Vordergrund. Um einen quantitativen Vergleich der unterschiedlichen Anlagenkonzepte bezüglich ihres Umwelteinflusses zu ermöglichen, werden der Ausstoß von Treibhausgasen und Luftschadstoffen bei der Strom bzw. Wärmeproduktion erfasst.

In Ihrer Arbeit werden Sie, basierend auf Literaturstudien, eigenständig eine CO₂-Bilan­zierung eines Kraftwerks Ihrer Wahl durchführen und die resultierenden CO₂-Intensitäten der Energieerzeugung gegenüber Literaturangaben vergleichen. Sie werden dabei typische Life-Cycle Assessments durchführen, wobei die betrachteten Systemgrenzen in Absprache mit Ihrem Betreuer vorab festgelegt werden. Dabei sollen neben den direkt anfallenden Emissionen aus dem Betrieb ebenfalls Emissionen aus der Produktion und der Versorgung bzw. der benötigten Infrastruktur des gewählten Energieträgers in der Bilanzierung berücksichtigt werden. Abhängig von der Art der Abschlussarbeit kann Ihre Gegenüberstellung durch die Berücksichtigung der resultierenden energiespezifischen Kosten des Energieträgers ergänzt werden.

Schwerpunkte

• Literaturstudie zur Funktionsweise und der Prozessführung des Kraftwerks
• Aufbau und Dokumentation eines Datensatzes der gewählten Randbedingungen und Systemgrenzen der Bilanzierung
• Erfassung der benötigten Energieträger Infrastruktur
• Bewertung der Produktion hinsichtlich des Emissionseinflusses
• Zusammenfassung der Modellannahmen und Ergebnisabgleich mit Literaturstudien

Betreuer des Lehrstuhls: M.Sc. Alexander Dottei, Dr.-Ing. Dorian Holtz

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

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

Im Rahmen der Energiewende im Wärmesektor – der sogenannten Wärmewende – wird die Ablösung konventioneller, mit fossilen Brennstoffen gefeuerter Erzeugungsanlagen angestrebt. An ihre Stelle sollen zunehmen erneuerbare Erzeugungstechnologien treten, deren Wärmebereitstellung jedoch volatil und intermittierend erfolgen kann und daher nicht vollständig disponibel ist. Dies trifft insbesondere auf Solarthermieanlagen zu. Zum Ausgleich des Dargebots erneuerbarer Energien und des Wärmebedarfs der Verbraucher, gewinnen thermische Energiespeicher zunehmend an Bedeutung. Infolgedessen besteht gesteigertes Interesse an modellbasieren Untersuchungen thermischer Energiespeicher.

Neben der Analyse der physikalischen Vorgänge innerhalb von Speichern bei verschiedenen Betriebsmodi, für die sich die 3D-CFD Simulation anbietet, ist insbesondere die Einbindung von Speichermodellen als Teilkomponente in großskalige Energiesystemmodelle, die in der Regel null- oder eindimensional diskretisiert sind, interessant, da diese die Möglichkeit der Untersuchung des instationären Betriebsverhaltens ganzer Wärmenetze ermöglichen. Hinsichtlich der Modellierung von Speichern als Teilkomponenten umfangreicher Gesamtsystemmodelle besteht allerdings ein Zielkonflikt zwischen der Berücksichtigung aller relevanten physikalischen Effekte und der Komplexität respektive der Rechenzeit der Modelle.

In diesem Zusammenhang soll im Rahmen der ausgeschriebenen Arbeit ein 3D-CFD-Modell eines Warmwasserspeichers erstellt werden, anhand dessen die Einflüsse des transienten Betriebs auf die wesentlichen Zustands- und Prozessgrößen untersucht werden sollen. Aus den Ergebnissen sollen anschließend Kennlinien – beispielsweise der Abhängigkeit der Ein- und Ausspeicherleistung von der Speicherbeladung – abgeleitet werden, die zur Erstellung eines mathematischen Ersatzmodells des Speichers für die Implementation in 0D/1D-Modelle genutzt werden können.

Arbeitsinhalte

• Literaturrecherche zu Ansätzen der Modellierung von Warmwasserspeicher (Skalierbarkeit)
• Aufbau des 3D-CFD-Simulationsmodells
• Analyse des dynamischen Verhaltens des thermischen Energiespeichers in verschiedenen Betriebsmodi
• Ableitung von mathematischen Kennlinien und Zusammenhängen zur Nutzung in großskaligen Simulationsmodellen

Betreuer des Lehrstuhls

M.Sc. Raphael Wittenburg

Im Rahmen der Energiewende wird eine zunehmende Klimaneutralität der Energieversorgung angestrebt, wobei der Begriff der Energiewende in erster Linie mit dem Stromsektor in Verbindung gebracht wird. Tatsächlich wird aber rund die Hälfte der Endenergie in Deutschland in Form von Wärme verbraucht, weswegen in diesem Sektor großes Potenzial zur Reduzierung von CO₂-Emissionen vorhanden ist. Da die Wärmeversorgung urbaner Ballungsgebiete historisch bedingt in der Regel mittels Wärmenetz erfolgt, lassen sich erneuerbare Energien durch die Nutzung der vorhandenen, leitungsgebundenen Infrastruktur besonders effizient in die Wärmeversorgung großer Stadtgebiete einbinden. Die daraus folgende sukzessive Umstellung der Wärmeversorgung hin zur vermehrten Nutzung erneuerbarer Energien, geht mit grundlegenden Veränderungen in der Einsatzplanung und dem Netzbetrieb einher und ist an eine Vielzahl von Randbedingungen geknüpft. Zur Begleitung dieser Transition, wurde ein Simulationsmodell eines Fernwärmenetzes erstellt, das zur Untersuchung der Auswirkungen der Integration erneuerbarer Energien auf das Netz sowie zur Entwicklung operativer Betriebskonzepte genutzt wurde.

Das übergeordnete Ziel der ausgeschriebenen Arbeit ist die Verbesserung des dynamischen Betriebes des Fernwärmenetzes durch Nutzung des vorhandenen Simulationsmodells. Im Fokus steht dabei die Erprobung von Strategien zur Flexibilisierung des Netzbetriebes durch Nutzung von internen Speichereffekten, um möglichst hohe erneuerbare Deckungsanteile zu erreichen.

Arbeitsinhalte

• Literaturrecherche zur Flexibilisierung von Wärmenetzen
• Ertüchtigung des vorhandenen Netzmodells hinsichtlich Druckverlusten, thermischer Trägheiten und Wärmeverluste
• Dynamische Untersuchungen zu inhärenten Speichereffekten im Wärmenetz
• Untersuchung zur Möglichkeit der Nutzung des Netzes als Energiespeicher (Glättung von Lastspitzen etc.)
• Ermittlung des Speicherpotenzials zur Vorbereitung exergetischer Analysen

Betreuer des Lehrstuhls: M.Sc. Raphael Wittenburg

Nur wenige Themen wurden im Bereich der Biomasse in letzter Zeit so kontrovers diskutiert wie die energetische Verwertung von Klärschlamm. Nachdem bisherige Maßnahmen wie die Einlagerung in Deponien immer strenger reglementiert oder gar untersagt werden, rücken verstärkt Alternativen wie die Verbrennung der anfallenden Kläranlagen Rückstände in den Fokus der Kommunen. Einige Herausforderungen wie in etwa der hohe Wasseranteil im zugeführten Brennstoff erschweren dabei die Gewährleistung einer kontinuierlichen Prozessführung.
Mit Ihrer Arbeit unterstützen Sie die aktuellen Ansätze zur Optimierung von dezentralen thermischen Klärschlammverwertungsverfahren, die mit Hilfe von modernen 3D-CFD-Methoden durchgeführt werden. Zu Ihren Zielen gehört dabei die Modellierung des Umsatzverhaltens eines vorgegebenen Biomassebrennstoffs als Vorbereitung für numerische Analysen, die die effizientere Verwertung dieses Energieträgers ermöglichen soll.

Schwerpunkte

• Literaturstudie und Vergleich von aktuellen thermischen Verwertungsverfahren
• Numerische Methoden zur Abbildung des Verbrennungsprozesses
• Recherche und Analyse unterschiedlicher Modelle für den thermischen und chemischen Brennstoffumsatz
• Prüfung und Bewertung der Methodik im Rahmen eines vorgegebenen Referenzfalls
• Implementierung des Modells in die Softwareumgebung Ansys

Betreuer des Lehrstuhls: M.Sc. Alexander Dottei, Dr.-Ing. Dorian Holtz

In den vergangenen Jahren hat sich die Gesetzgebung zur Emission schädlicher Verbindungen im maritimen Sektor wesentlich verschärft. Aufgrund dieser Entwicklung gewinnen Abgasschwefelwäscher (Scrubber) bei Neubauten und Retrofits an immer größerer Beliebtheit. Mit ihnen werden umweltschädliche Schwefeloxide und Feinstaub aus dem Motorenabgas entfernt. In einem aktuellen Forschungsvorhaben sollen auf Basis numerischer und experimenteller Methoden sowohl die SO_X- als auch die Partikelabscheideleistung eines Nasswäschers optimiert werden.
In diesem Rahmen sind zwei studentische Arbeiten ausgeschrieben.

Literaturstudie bezüglich Partikel-Tropfen-Interaktionen und Identifikation geeigneter Modelle zur Berechnung der Partikelabscheidung in einem maritimen Wäschersystem

In der folgenden Arbeit soll ein Modell erarbeitet werden, welches in eine numerische Simulation eingebunden wird, um eine Aussage über die Partikel-Abscheideeffizienz eines Scrubbers zu treffen.

Inhalte:

• Literaturrecherche zu Partikel-Tropfen-Interaktionen und dabei dominierenden Transportmechanismen
• Literaturstudium zu geeigneten Modellen für die Behandlung der Partikel-Tropfen-Interaktion
• Identifikation eines geeigneten Abscheidemodells im Kontext des bestehenden Wäschermodells
• Aufsetzen eines einfachen Testfalls in ANSYS Fluent und Implementierung des Modells (optional)

Numerische Simulation der Strömungs- und Wärmeübergangsprozesse an typischen Füllkörpern eines Nasswäschers

Zur Intensivierung der Mischungsprozesse zwischen dem Abgas und dem Waschwasser (Meerwasser) sowie zur Ausdehnung der Verweilzeit des Gases enthalten Wäscher häufig Füllkörper. Füllkörper sind Einbauten in verfahrenstechnischen Anlagen, die es ermöglichen, die Effizienz des betrachteten chemischen Prozesses zu erhöhen. In der ausgeschriebenen Arbeit soll der Stoff- und Wärmeübergang in einer repräsentativen Füllkörperschüttung mit Hilfe des 3D-CFD-Simulationstools ANSYS Fluent simuliert werden.

Inhalte:

• Erstellung eines 3D-CAD-Modells einer repräsentativen Füllkörperschüttung
• Erstellung des Rechengitters
• Numerische Simulation der Füllkörperumströmung und Wärmeübertragung in der Packung

Betreuer des Lehrstuhls: Dr.-Ing. Dorian Holtz, M.Sc. Niklas Gierenz

Durch den wachsenden Energiebedarf ist das Interesse an der Effizienzsteigerung thermischer Anlagen und ihrer Betriebsoptimierung ungebrochen. Gegenwärtig werden die meisten Kraftwerke nach dem energetischen Leistungskriterium ausgelegt, das auf dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik basiert. Oftmals reicht die Energiebilanz des Systems jedoch nicht aus, um Optimierungspotenziale im System zu finden. Zur Bewertung komplexer thermodynamischer Prozesse hat sich hierbei insbesondere die Exergie etabliert. Sie ordnet den verschiedenen Energieformen eine Wertigkeit in Abhängigkeit ihres Zustands zu. Sie ist daher ein leistungsfähiges Werkzeug zur Messung der Energiequalität und ermöglicht es dadurch, komplexe, thermodynamische Systeme effizienter zu machen. Es gibt eine Vielzahl von Analysemethoden, die sich auf die Anwendung des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik bzw. der Exergie stützen. Beispielhaft zu nennen sind Second Law Analysis, Exergy Analysis, Advanced Exergy Analysis, Combined Pinch and Exergy Analysis, Exergoeconomic Analysis und Exergoenvironmental Analysis.
Im Rahmen der Arbeit soll eine Übersicht der existierenden, exergiebasierten Analysekonzepte für thermische Prozesse erstellt werden und die unterschiedlichen Methoden hinsichtlich ihrer Gemeinsamkeiten, Unterschiede, Anwendungsgebiete und Einsatzmöglichkeiten sowie –grenzen eingeordnet und untersucht werden. Den Kern der Arbeit bildet ein Systematic Literature Review (systematische Übersichtsarbeit) nach Kitchenham und die Erstellung einer Kozeptmatrix.
Exergetische Untersuchungen werden im Allgemeinen nicht auf transiente Prozesse angewendet, da für diesen Fall die zeitliche Änderung des Exergieinhaltes des betrachteten Systems in die Rechnung einbezogen werden müsste. Daher soll in dieser Arbeit ein besonderes Augenmerk auf die Exergieanalyse instationärer Prozesse bzw. transienter Betriebsweisen thermischer Anlagen gelegt werden.

• Entwicklung eines Suchstrings für Literaturdatenbanken (Scopus, Google Scholar etc.)
• Auswertung der Datenbanksuchergebnisse (Zeitskala der Veröffentlichungen zu einem Thema lässt Rückschlüsse auf dessen Relevanz zu)
• Erstellung einer Konzeptmatrix
• Umfassender Vergleich der unterschiedlichen Konzepte
• Prüfung der Anwendbarkeit der exergiebasierten Analysekonzepte auf instationäre Prozesse
• Zukünftige Entwicklungen bewerten

Betreuer des Lehrstuhls: M.Sc. Raphael Wittenburg

Die Prozessrechnung ist ein leistungsstarkes Werkzeug zur Analyse der Abläufe in einem technischen System. Mit Hilfe von System- bzw. Prozessmodellen und ihrer Nutzung für Simulationsberechnungen können die dabei zugrundeliegenden Vorgänge je nach Detaillierungsgrad abstrahiert und veranschaulicht werden.

Somit können sowohl bereits in der Entwicklungsphase viele mit dem System oder Prozess im Zusammenhang stehende Fragestellungen beantwortet werden sowie darüber hinaus fortwährend Optimierungspotentiale aufgezeigt und zur Weiterentwicklung genutzt werden. Eine besondere Herausforderung aktueller Prozessmodelle besteht darin, das reale Systemverhalten im dynamischen Betrieb - bei sich ändernden Randbedingungen - wiederzugeben.

So zeigt sich beispielsweise für einen Motorprozess bei einem Lastwechsel je nach Lastgradient ein kurzzeitiger Mehrverbrauch und erhöhte Emissionen.

Die benötigte Leistung eines Heizungssystems wird je nach Heizlast und Umgebungsbedingungen variieren und somit eine hierfür eingesetzte Wärmepumpe in unterschiedlichen Betriebspunkten betrieben werden müssen.

Eine Photovoltaikanlage wird je nach aktuellem Sonnenstand eine unterschiedliche Leistung liefern können, wobei sich daraus außerdem je nach Umgebung eine wechselnde Verschattung ergeben kann.

Aktuell angebotene Themenbereiche:

• Motorprozessmodellierung: bspw. Berücksichtigung weiterer Medienkreisläufe für Kühlwasser und Schmieröl inkl. thermischer Netzwerke (in einem bereits bestehenden Gesamtmodell)
• Wärmepumpe: Vergleich von Kennfeldmodellen und detaillierten Prozessmodellen
• Photovoltaik und Solarthermie: bspw. dynamische Verschattungsberechnung

Arbeitsinhalte:

• Erstellung/Optimierung lauffähiger Modelle zur Prozesssimulation
• Validierung des Modells anhand von detaillierten, hochaufgelösten Messdaten (falls verfügbar)
• Durchführung eigener experimenteller Versuche zur Messdatengenerierung (nach Absprache)
• Implementierung in ein bestehendes Gesamtmodell (falls benötigt)
• Verwendete Software: Dymola/Modelica (objektorientiertes Programmieren), Matlab

Betreuer des Lehrstuhls: M.Sc. Felix Dahms

Hybridisierung? Brennstoffzelle?
Bachelor-, Studien- oder Masterarbeit

Wie sehen die Konzepte der Zukunft für die Energieversorgung an Bord von Schiffen aus? Welche Rolle nehmen die etablierten Schiffsdieselmotoren ein?  Welche im Kontext des maritimen Sektors neuen Technologien zur Energiebereitstellung und Energiespeicherung sind geeignet?
• Brennstoffzellentechnologie
• Elektro-chemische Energiespeicherung mittels Akkumulatoren
• Thermische Energiespeicher

Arbeitsinhalte:
• Literaturstudie zu Konzepten der energetischen Versorgung an Bord von Schiffen
• Modellerstellung von ausgewählten Konzepten in einer Simulationsumgebung
• Simulationsgestützte Bewertung anhand zu definierender Kriterien und Szenarien

Wie sieht die CO₂-Bilanz meiner Urlaubsreise aus?
Projekt-, Bachelor- oder Studienarbeit

Kreuzfahrten, Flugreisen… welchen CO2-Fußabdruck bringen die verschiedene Möglichkeiten zur Gestaltung unserer Urlaubsreise tatsächlich mit sich?

Arbeitsinhalte:
• Methodenentwicklung zur Berechnung der CO2-Bilanz von Urlaubsreisen
• Erarbeitung von Bewertungskriterien zum Vergleich verschiedener Reisemodelle
• Modellgestützte Aus- und Bewertung anhand dieser Kriterien

Betreuer des Lehrstuhls: M.Sc. Felix Dahms