Masterarbeit

Wasserstoff gilt als zentraler Baustein für eine nachhaltige Energiewende. Eine besondere Herausforderung liegt dabei in der zuverlässigen Speicherung des Wasserstoffs. Herkömmliche Speicherverfahren, wie Hochdruck- oder Flüssigspeicher, stellen hohe Anforderungen an Sicherheit, Effizienz und Wirtschaftlichkeit. Alternative Technologien, wie beispielsweise Metallhydridspeicher, eröffnen interessante Perspektiven für eine sichere und kompakte Wasserstoffspeicherung.

Ziel und Inhalt der Arbeit

In dieser Masterarbeit soll ein innovatives Anlagenkonzept zur Speicherung von Wasserstoff entwickelt werden. Die Zuverlässigkeit des Konzepts wird dabei mithilfe etablierter Methoden der Zuverlässigkeitsberechnung bewertet und gezielt optimiert. Im Mittelpunkt der Untersuchung steht die Frage, wie Wasserstoff effektiv, sicher und zuverlässig gespeichert sowie ein- und ausgespeichert werden kann. Dabei sollen insbesondere Synergien berücksichtigt werden, etwa hinsichtlich der erforderlichen Wärmeströme bei Metallhydridspeichern. Ziel der Arbeit ist es, entscheidende Einflussgrößen auf die Zuverlässigkeit der Anlage zu identifizieren, potenzielle Schwachstellen frühzeitig zu erkennen und Optimierungspotenziale hinsichtlich Zuverlässigkeit und Energieeffizienz aufzuzeigen.

Mögliche Arbeitspakete

• Entwurf und detaillierte Beschreibung eines geeigneten Anlagenkonzepts
• Recherche und strukturierte Aufbereitung relevanter Zuverlässigkeitsdaten
• Aneignung und praktische Anwendung von Methoden der Zuverlässigkeitsberechnung (z. B. FMEA, FTA, MTBF, Ausfallraten)
• Durchführung einer systematischen Zuverlässigkeitsanalyse
• Energetische Betrachtung und Analyse potenzieller Synergien (insbesondere bei Metallhydridspeichern)
• Identifikation und Bewertung von Optimierungspotenzialen hinsichtlich Zuverlässigkeit und Energieeffizienz

Bedeutung der Arbeit

Diese Masterarbeit trägt wesentlich zur Entwicklung und Optimierung zuverlässiger und energieeffizienter Wasserstoffspeicherlösungen bei. Sie liefert einen wichtigen Beitrag, um die Nutzung nachhaltiger Energiesysteme weiter voranzutreiben und deren Umsetzung in der Praxis zu fördern.

Betreuer des Lehrstuhls:  M.Sc. Finn Börje Wesemeyer
                                                                                   

Welche Technologie wird sich langfristig (2040ff) zur Wasserstoffspeicherung in mobilen Anwendungen (Schwerpunkt Langstrecken LKW) durchsetzen?

Die Masterarbeit analysiert das globale Wasserstoff-Ökosystem entlang der gesamten Wertschöpfungskette – von der Erzeugung über die Verteilung bis hin zur Nutzung durch Endverbraucher. Dabei erfolgt eine marktwirtschaftliche und technische Bewertung der bestehenden und zukünftigen Strukturen unter besonderer Berücksichtigung von Tanksystemen für mobile Anwendungen im Nutzfahrzeug- (CV, Commercial Vehicles) und Off-Road-Bereich. Im Fokus stehen die Effizienz, Wirtschaftlichkeit und technologische Entwicklung von Wasserstoffspeichern, einschließlich ihrer Anpassungsfähigkeit an unterschiedliche Einsatzbedingungen. Zudem werden regulatorische Rahmenbedingungen, Infrastrukturherausforderungen und Innovationspotenziale betrachtet, um zukünftige Trends und Optimierungsmöglichkeiten für eine nachhaltige und wettbewerbsfähige Wasserstoffmobilität zu identifizieren.

Mögliche Arbeitspakete:

• Erstellen einer Liste möglicher Technologien
• Ermittlung der Energiebedarfe der Technologien
• Analyse technoökonomischer Faktoren
• Bewertung und Gegenüberstellung der Ansätze

^{Wissenschaftliche Arbeit in Zusammenarbeit mit der Robert Bosch GmbH}

Ansprechpartner: Prof. Karsten Müller

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

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