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: Dr.-Ing. Dorian Holtz, Rasmus Pötke, Thore Pruss

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: Dr.-Ing. Dorian Holtz, Marouane Barbri, Max Zimmermann

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

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