Practical trainings, student assistants and theses

Multi-objective optimization of the design and the operation of liquid metal batteries (Id 205)

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

Foto: Study of a liquid metal battery module ©Copyright: Dr. Michael Nimtz, ©Michael NimtzIn contrast to conventional batteries, Liquid Metal Batteries feature all liquid anodes (alkaline or alkaline earth metal), cathodes (transition metal or metal) and electrolytes (molten salts) at a temperature between 400 °C and 600 °C.
The technical design of a liquid metal battery system (elctrodes, electrolyte, current collector, cell container and electrical and mechanical connections) and the operational parameter of such a system are connected in a complex manner and need to fulfil a number of auxiliary conditions.
For such a system, a multi-objective optimization shall be implemented and applied. He goal is to optimize the whole system in terms of energy efficiency, material usage and overall size for arbitrary power ratings/capacities and different load cycles.
Starting point is an existing model of a battery system in Python.

Department: Magnetohydrodynamics

Contact: Dr. Nimtz, Michael, Dr. Weier, Tom

Requirements

Study of mechanical engineering, physics, mathematics or similar
Basic knowledge of engineering principles.
Good knowledge of a programming language, preferably python.

Conditions

Start: October 2018
Duration: 4-6 months

Links:

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Please apply online: english / german

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Analytische und numerische Vorhersage von magnetohydrodynamischen Grenzflächeninstabilitäten in Flüssigmetallbatterien (Id 161)

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 der linearen Wellentheorie vom großen 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

Online application

Please apply online: english / german

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