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Dr. Norbert Weber
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Abschluss- oder Belegarbeit

Simulation von Flüssigmetallbatterien: Implementierung und Validierung der "level set" Methode in OpenFOAM

Im Rahmen der Energiewende soll der Anteil regenerativer Energien an der Stromproduktion auf 80% steigen. Da Solar- und Windenergie stark fluktuieren, sind Stromspeicher zukünftig essentiell. Ein vielversprechender Kandidat ist die Flüssigmetallbatterie. Sie eignet sich wegen ihrer langen Lebensdauer und des geringen Preises ideal als stationärer Speicher.

Flüssigmetallbatterien bestehen aus zwei flüssigen Metallen (z. B. Na, Bi), welche durch einen ebenso flüssigen Elektrolyten (z. B. NaCl) getrennt sind (Abb. 1). Alle drei Phasen schwimmen übereinander. Beim Entladen gibt das Na ein Elektron ab, diffundiert als Ion durch den Elektrolyten und legiert dort zu NaBi.

Je größer die einzelne Batterie gebaut wird, desto billiger wird der Speicher. Allerdings ist bei großen Zellen mit Strömungen (thermische Konvektion, etc.) zu rechnen, z. B. da sich das Salz stärker als die Metalle erwärmt. Dies kann im Extremfall zum Kurzschluss führen, wenn die Elektrolytschicht durchbrochen wird.

Am Helmholtz-Zentrum Dresden - Rossendorf wurde neben Experimenten an den Zellen ein Simulationsmodell für Flüssigmetallbatterien entwickelt. Zunächst wurde die Strömung in einer einzelnen flüssigen Elektrode untersucht. Die komplette Batterie (Na|Salz|Bi) kann aber nur mit einen Mehrphasen-Löser beschrieben werden. Um die Phasengrenzen Na|Salz und Salz|Bi aufzulösen, wird z. Z. die „volume of fluid“ (VOF) Methode verwendet.

Im Rahmen einer Projekt- oder Abschlussarbeit soll die „level set“ Methode in OpenFOAM implementiert werden. Diese erlaubt im Vergleich zu VOF eine deutlich präzisere Beschreibung der Phasengrenze, was für Flüssigmetallbatterien von großer Bedeutung ist. Die "level set" Methode soll in C++ implementiert, anschließend validiert und mit VOF verglichen werden.

Je nach Interesse des bzw. der Bewerberin sind auch andere Themen im Bereich der Flüssigmetallbatterie denkbar.



Fig. 1: Schematischer Aufbau einer Flüssigmetallbatterie. Fig. 2: Verformung der Grenzschicht in Folge einer Fluidströmung.

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