Grundsätzlich lässt sich jede Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle auch als Elektrolyseur nutzen und umgekehrt. Die Vereinigung von beiden Systemen spart Kosten, Platz und Gewicht. Die Umkehrung der Reaktion war bis zum jetzigen Zeitpunkt allerdings immer mit hohen Effizienzverlusten für einen der Betriebsmodi sowie mit Materialschädigungen in der reversiblen Brennstoffzelle verbunden. Viele der Probleme lassen sich dabei darauf zurückführen, dass der pH-Wert der Brennstoffzelle meist nur für einen der Betriebsmodi optimal ist.

Eine neu entwickelte Bipolarmembran ermöglicht unterschiedliche pH-Werte an Anode und Kathode, wodurch ein effizienter reversibler Betrieb möglich wird. Erste Experimente zeigen dabei, dass die Technologie es im Hinblick auf die erreichbare Stromstärke durchaus mit den etablierten Elektrolyse- und Brennstoffzellensystemen aufnehmen kann.

Aber wäre ein solches reversibles System auch wirtschaftlich? Und wie hoch wäre die Wahrscheinlichkeit, dass ein solches System ausfällt? Die Beantwortung dieser Fragen ist das Hauptziel der ausgeschriebenen Arbeit. 

Mögliche Arbeitspakete umfassen:

• Literaturrecherche zur Wirtschaftlichkeit reversibler Brennstoffzellensysteme
• Literaturrecherche zur Ausfallwahrscheinlichkeit einer reversiblen Brennstoffzelle
• Evaluierung der Technologie unter Aspekten der Wirtschaftlichkeit
• Wirtschaftlichkeit im Kontext der Zuverlässigkeit
• Störfallfolgenanalyse (S-P-Matrix)

Betreuer des Lehrstuhls: Thore Pruss

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

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

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

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