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Dr. Norbert Weber
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Magnetohydrodynamics
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Abschluss- oder Belegarbeit

Simulation von Flüssigmetallbatterien: Oberflächeninstabilitäten

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 HZDR 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. Dieser erlaubt zukünftig die Analyse sogenannter Oberflächeninstabilitäten. Letztere sind aus der Aluminiumelektrolyse bekannt. Dort schwimmt flüssiges Kryolith auf flüssigem Aluminium. In der Praxis muss die Kryolithschicht eine Mindestdicke einiger Zentimeter aufweisen, da sonst eine umlaufende, schwappende Bewegung einsetzt (Abb. 2).

Im Rahmen einer Projekt- oder Abschlussarbeit soll der vorhandene Mehrphasenlöser validiert werden. Es soll dazu das Auftreten von Oberflächeninstabilitäten in Aluminiumreduktionszellen simuliert und anschließend mit vorhanden Simulationen verglichen werden. Das Simulationsmodell soll auf (3-phasige) Flüssigmetallbatterien übertragen 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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