Practical trainings, student assistants and theses

Analytische und numerische Vorhersage von magnetohydrodynamischen Grenzflächeninstabilitäten in Flüssigmetallbatterien

Master theses / Diploma theses / Research Assistant

Foto: Simulierte Grenzflächenwellen in der Flüssigmetallbatterie ©Copyright: Gerrit Maik HorstmannDer vermehrte Ausbau erneuerbarer Energien in Deutschland erfordert mit zunehmender Wichtigkeit die Integration effizienter stationärer Netzspeicher, da Solar- und Windenergie wetterbedingt stark fluktuieren. Adäquate Netzspeicher sollten in der Lage sein, möglichst kostengünstig überschüssige Energie punktuell zu speichern und nach Bedarf wieder in das Stromnetz zu speisen. Ein vielversprechender Kandidat für diese Anforderungen sind Flüssigmetallbatterien. Flüssigmetallbatterien bestehen aus zwei flüssigen Metallen (z. B. Na, Bi), welche durch einen ebenso flüssigen Elektrolyten (z. B. NaCl) getrennt sind. Alle drei Phasen schwimmen übereinander. Beim Entladen gibt das Na ein Elektron ab, wandert als Ion durch den Elektrolyten und legiert mit dem unteren Metall zu NaBi.
Um Flüssigmetallbatterien kostengünstig betreiben zu können, müssen sie möglichst groß gebaut werden. Dadurch werden sie jedoch anfällig für diverse Strömungsinstabilitäten wie thermischer Konvektion oder Elektrowirbelströmungen, welche den sicheren Batteriebetrieb gefährden und im schlimmsten Fall zum Aufreißen des Elektrolyten (Kurzschluss) führen können.
Als besonders signifikant haben sich in den letzten Jahren Grenzflächeninstabilitäten in den Elektrolyt-Metall Grenzflächen herauskristallisiert, welche von magnetohydrodynamischen Wechselwirkungen getrieben werden und rotierende Grenzflächenwellen in der Batterie anregen (siehe Abbildung).
Im Rahmen dieser Master- oder Diplomarbeit sollen die einzelnen destabilisierenden Mechanismen, je nach Neigung des Bewerbers, analytisch und/oder numerisch erfasst und quantifiziert werden, um Stabilitätskriterien zur Gewährleistung der Betriebssicherheit von Flüssigmetallbatterien abzuleiten. Dafür sollen mathematische Werkzeuge der linearen Stabilitätsanalyse sowie störungstheoretische Methoden zum Einsatz kommen.
Konkret können eine oder mehrere der folgenden Aufgaben in Angriff genommen werden:
- Durchführung linearer Stabilitätsanalysen auf bereits bekannte Differentialgleichungen formuliert in verschiedenen Näherungen
- Entwicklung oder Weiterentwicklung neuer analytischer Modelle zur effizienten Beschreibung von Grenzflächeninstabilitäten
- Analytische Beschreibung der Grenzflächenkopplung in mechanisch angeregten drei-Schicht-Systemen zum experimentellen Vergleich (Ansatz bereits vorhanden)
- Optimierung der elektrischen Randbedingungen zur Stabilisierung der Batterie unter Verwendung von Variationsrechnungen oder Simulationen
- Durchführung numerischer Parameterstudien

Department: Magnetohydrodynamics

Contact: Horstmann, Gerrit Maik, Dr. Weier, Tom

Requirements

- Studium im Bereich Physik, Mathematik oder Maschinenbau mit theoretischem Hintergrund und guten bis sehr guten Noten
- Kenntnisse der (theoretischen) Strömungsmechanik und idealerweise Grundkenntnisse der Elektrodynamik
- Ausgeprägte analytische Fähigkeiten und Spaß an komplexen Aufgabenstellungen
- Vertrauter Umgang mit der Vektoranalysis
- Programmierkenntnisse (Python, Matlab, C++, etc.)
- Kenntnisse von Lösungsmethoden elliptischer und hyperbolischer Differentialgleichungen von großem Vorteil
Erfahrungen in einem der folgenden Bereiche wünschenswert, jedoch keine Voraussetzung:
- Methoden der linearen Stabilitätsanalyse
- Potentialtheorie
- Flachwassertheorie
- Euler-Lagrange Optimierungen (analytische Mechanik)

Conditions

Beginn: ab sofort
Dauer: >= 6 Monate
- Gute Betreuung von der intensiven Einarbeitung bis hin zur Verfassung der Abschlussarbeit
- Vergütung
- Angenehmes kollegiales Umfeld

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Experimentelle Untersuchung der hydrodynamischen Kopplung von Grenzflächenwellen in einem 3-Fluid System zur Analyse von Grenzflächeninstabilitäten in Flüssigmetallbatterien

Master theses / Diploma theses / Research Assistant

Foto: Experimenteller Aufbau zur Untersuchung gekoppelter Grenzflächenwellen ©Copyright: Gerrit Maik HorstmannDer vermehrte Ausbau erneuerbarer Energien in Deutschland erfordert mit zunehmender Wichtigkeit die Integration effizienter stationärer Netzspeicher, da Solar- und Windenergie wetterbedingt stark fluktuieren. Adäquate Netzspeicher sollten in der Lage sein, möglichst kostengünstig überschüssige Energie punktuell zu speichern und nach Bedarf wieder in das Stromnetz zu speisen. Ein vielversprechender Kandidat für diese Anforderungen sind Flüssigmetallbatterien. Flüssigmetallbatterien bestehen aus zwei flüssigen Metallen (z. B. Na, Bi), welche durch einen ebenso flüssigen Elektrolyten (z. B. NaCl) getrennt sind. Alle drei Phasen schwimmen übereinander. Beim Entladen gibt das Na ein Elektron ab, wandert als Ion durch den Elektrolyten und legiert mit dem unteren Metall zu NaBi.
Um Flüssigmetallbatterien kostengünstig betreiben zu können, müssen sie möglichst groß gebaut werden. Dadurch werden sie jedoch anfällig für diverse Strömungsinstabilitäten wie thermischer Konvektion oder Elektrowirbelströmungen, welche den sicheren Batteriebetrieb gefährden und im schlimmsten Fall zum Aufreißen des Elektrolyten (Kurzschluss) führen können.
Als besonders signifikant haben sich in den letzten Jahren Grenzflächeninstabilitäten in den Elektrolyt-Metall Grenzflächen herauskristallisiert, welche von elektromagnetischen Wechselwirkungen in der Batterie getrieben werden. Dieses Phänomen ist weitläufig bekannt aus Aluminium-Reduktionszellen, welche aus zwei flüssigen Phasen (Kryolith und Aluminium) bestehen. In Flüssigmetallbatterien sind jedoch zwei Grenzflächen (drei Phasen) vorhanden, welche stark gekoppelt sein können und dann miteinander wechselwirken. Diese Wechselwirkungen können schließlich weitreichenden Einfluss auf die Systemstabilität haben.
Im Rahmen dieser Master- oder Diplomarbeit soll speziell diese hydrodynamische Wechselwirkung gekoppelter Grenzflächenwellen experimentell, unter Verwendung eines rein mechanischen Batteriemodells, untersucht werden.
Ein experimenteller Aufbau ist bereits vorhanden, bestehend aus einem optisch zugänglichen Plexiglaszylinder, der mit drei nicht mischbaren Flüssigkeiten befüllt wird, um ein stabiles drei-Schicht-System auszubilden. Unter Verwendung eines Schütteltischs (siehe Abbildung), welcher kontrollierbare Kreisbewegungen ausführt, können eben jene Grenzflächenwellen angeregt werden, die auch in Flüssigmetallbatterien entstehen. Ultrasonic Doppler Velocimetry (UDV) Sensoren wurden integriert und dienen zur präzisen Vermessung von Auslenkung und Geschwindigkeit beider Grenzflächen.
Konkret beinhaltet diese Arbeit folgende Aufgaben:
- Vermessung der Amplitudenverhältnisse, Kreisfrequenzen sowie Abklingraten der gekoppelten Grenzflächenwellen mittels UDV in Abhängigkeit diverser Systemparameter
- Entwicklung von Auswertungsverfahren zur verbesserten Rekonstruktion der Grenzflächenwellen
- Weiterentwicklung des Experiments

Department: Magnetohydrodynamics

Contact: Horstmann, Gerrit Maik, Dr. Weier, Tom

Requirements

- Studium im Bereich Physik, Maschinenbau, Verfahrenstechnik oder ähnlicher fachlicher Ausrichtung
- Experimentelles Geschick und Spaß am experimentellen Arbeiten
- Erste Erfahrungen mit gängigen Programmiersprachen wie Python, Matlab o. ä.
- Idealerweise Vorkenntnisse der Ultrasonic Doppler Velocimetry
- Kenntnisse der Strömungsmechanik oder im Speziellen der Wellentheorie von Vorteil

Conditions

Beginn: ab sofort
Dauer: >= 6 Monate
- Gute Betreuung von der Einarbeitung bis hin zur Verfassung der Abschlussarbeit
- Vergütung
- Angenehmes kollegiales Umfeld

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Design and Built of an Online Sensor for Thermo Physical Properties of Water

Student practical training / Bachelor theses / Master theses / Diploma theses / Student Assistant / Holiday job / compulsory internship / volunteer internship / Research Assistant

To improve large scale process cooling systems (300kW and 1MW) an online sensor for the thermophysical properties of the coolant is needed to improve the stability of outflow temperature. Here the fluid parameters influence the precision of the power balance at the heat exchanger. The remaining misfit is compensated with a classic PID-controller. A precise knowledge of coolants properties would decrease the fraction of PID and increase the validity of set point calculation. The task would be to develop the present design further to an integrated prototype and to validate the measurement principles (direct measurement, transient hot wire, 3Omega).

The complexity of the problem will be adjusted to the abilities of the student!

Department: Magnetohydrodynamics

Contact: Dr. Seilmayer, Martin

Requirements

• subscription in to electronics, physics, process engineering or similar
• programming languages C/C++, R, Phyton
• experience in DIY soldering, schematic and PCB layouting

Conditions

• Einarbeiten in Messverfahren zu thermophysikalischen Eigenschaften von Fluiden (3\omega-Methode, Temperaturfeldmessung, )

• Entwicklung und Konstruktion eines Sensors zur hydraulischen Integration in die bestehenden Anlagen

• Schaltungsentwicklung der Messtechnik

• Microcontroller-Programmierung

• Validieren des Messverfahrens

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Convection in liquid metal batteries

Student practical training / Bachelor theses / Master theses / Diploma theses

Foto: Convection in liquid metal batteries ©Copyright: Dr. Norbert WeberLiquid metal batteries (LMBs) consist of a stable density stratification of two liquid metals, separated by a liquid salt electrolyte. They are a strong candidate for stationary energy storage in the electric grid. In order to build large cells, fluid dynamics in LMBs must be known. In frame of project work or a master thesis, an already available solver has to be validated. Especially the natural convection due to the strong heating of the electrolyte layer shall be investigated.

Depending on the interest of the candidate, other work on liquid metal batteries is possible, too. Please send your application directly via email to ensure a fast answer.

Department: Magnetohydrodynamics

Contact: Dr. Weber, Norbert

Requirements

• studies of informatics, chemistry, mechanical engineering, physics or similar
• good marks
• helpful: knowledge of C++, Linux, simulations (FVM)

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