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Früher wollte ich die Sonne fangen. Heute bin ich Forscherin beim DLR
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Promotion

Solarwärmeunterstützter Betrieb eines Hochtemperatur-Elektrolyseurs

Beginn

1. September 2020

Dauer

zunächst befristet auf 3 Jahre

Vergütung

bis Entgeltgruppe 13 TVöD

Beschäftigungsgrad

Teilzeit

"Spitzenforschung braucht auf allen Ebenen exzellente Köpfe - besonders noch mehr weibliche! Starten Sie bei uns, wir freuen uns auf Ihre Bewerbung" Ihre Prof. Dr. Pascale Ehrenfreund - Vorsitzende des Vorstands

Die Dissertation ist Teil eines Projekt, in dem ein DLR-Team von Ingenieur*innen und Expert*innen für die Auslegung der Komponenten, für Prozessmodellierung und techno-ökonomische Untersuchungen zusammenarbeitet. Sie entwickeln dabei geeignete Solarreaktoren und andere Schlüsselkomponenten, bewerten und optimieren sie auf Systemebene und übertragen die Ergebnisse auf größere, industrienahe Größenordnungen. Die Kandidatin/der Kandidat hat auch Zugang zu einer breiten Infrastruktur einschließlich großer Solaranlagen. Der Doktortitel wird von der Technischen Universität Dresden (TUD) Deutschland im Rahmen einer von DLR und TUD gemeinsam eingerichteten Professur für Solare Brennstofferzeugung an der dortigen Fakultät für Maschinenwesen verliehen.

Die Doktorarbeit untersucht die Kopplung einer Hochtemperatur-Elektrolysezelle (SOEC) mit einer solarthermischen Anlage zur Herstellung von Solarwasserstoff und wird verschiedene Bereiche des Prozesses abdecken. Die Einkopplung von solarthermischer Energie in eine SOEC hat nämlich das Potenzial, Wasserstoff oder Synthesegas mit einem hohen thermodynamischen Wirkungsgrad auf einer Multi-MW-Skala zu erzeugen. Ein vorangegangenes Projekt hat sich im Labormaßstab (1 kWel) bereits mit den ersten Stufen der Entwicklung beschäftigt. In dieser Doktorarbeit soll der Weg zu einer Anlage im MegaWatt-Maßstab vorbereitet werden. Dies geschieht durch die Entwicklung und Untersuchung eines Prozesskonzepts, bei denen die Teilsysteme miteinander gekoppelt und integriert werden. Dies soll im numerischen Modell und gleichzeitig experimentell untersucht und an einem realen System mit einer Kopplung von 50 kWel demonstriert werden. Für den kontinuierlichen Betrieb einer solarthermisch unterstützten Elektrolyse ist die Speicherung von thermischer Energie notwendig. Daher ist die Untersuchung des transienten Betriebsverhaltens notwendig. Die Wärmespeicherung kann entweder sensibel mittels Flüssigsalz- oder Feststoffspeicher oder mittels thermochemischer Speicher erfolgen. Letztere haben den Vorteil, dass sie die gespeicherte Wärme bei konstanter Temperatur abgeben können, so dass der Elektrolyseur immer unter optimalen Bedingungen betrieben werden kann. Metalloxid-Redox-Systeme eignen z.B. sich für den Temperaturbereich um 800 °C. Die Schlüsselkomponenten sind sowohl der Solarreceiver als auch der Speicher. Ihr Design wird basierend auf den Erfahrungen eines früheren Projekts verfeinert. Die größte Herausforderung ist es, den Receivers so an die SOEC und den Speicher zu koppeln, dass gleichzeitig die Anforderungen des Elektrolyseurs an einen stabilen Betrieb erfüllt und der Gesamtwirkungsgrad der Anlage verbessert wird.

In diesem Kontext sind die Hauptziele und Aufgaben der Dissertation:

  • Entwicklung und Untersuchung von Anlagenkonzepten zur Wasserstofferzeugung durch solare Hochtemperaturelektrolyse.
  • Auslegung und Simulationen einer Versuchsanlage sowie einer Großanlage (ca. 100 MW), um den Weg zur Kommerzialisierung vorzubereiten. Prozessanlagensimulation unterstützt die Entwicklung eines Anlagenkonzepts und die Planung der Betriebsbedingungen für die geplanten Experimente einer 50 kWel-Testanlage im DLR-Solarsimulator Synlight.
  • Simulation von transienten Betriebszuständen (Anfahren, Abfahren, Wolkendurchgänge).
  • Untersuchung des Energieübertragungswegs von der Solarstahlung bis zum endothermen Betrieb der SOEC.
  • Ermittlung und Bewertung eines Speicherkonzepts, das einen kontinuierlichen Betrieb des Prozesses ermöglicht.
  • Validierung der Simulationen durch den Testbetrieb des solaren Dampferzeugers, einschließlich experimenteller Studien zur solaren Verdampfung von Wasser für ein 50 kWel-SOEC-Modul sowie an einem vorhandenen Dampfspeicher.

Ihre Qualifikation:

  • Universitätsabschluss (MSc / Meng) in Chemieingenieurwesen, Verfahrenstechnik, Maschinenbau oder ähnliches
  • unabhängige und strukturierte Arbeitsweise
  • gute mündliche und schriftliche Kommunikationsfähigkeiten
  • fließende englische und deutsche Sprachkenntnisse
  • Erfahrung mit EDV-gestütztem Design: CAD(Autodesk Inventor 2010) von Vorteil
  • Erfahrung mit Simulationswerkzeugen (besonders CFD und Prozess-Simulation) wünschenswert
  • idealerweise Vertrautheit mit elektronischer Datenerfassung und Signalverarbeitung (z.B. Labview)
  • Erfahrung in der Modellierung sowie mit experimenteller Arbeit von Vorteil
  • Erfahrungen zu Wasserstofftechnologien- und/oder Solarenergie wünschenswert

Ihr Start:

Freuen Sie sich auf einen Arbeitgeber, der Ihr Engagement zu schätzen weiß und Ihre Entwicklung durch vielfältige Qualifizierungs- und Weiterbildungsmöglichkeiten fördert. Unser einzigartiges Arbeitsumfeld bietet Ihnen Gestaltungsfreiräume und eine unvergleichbare Infrastruktur, in der Sie Ihre Mission verwirklichen können. Vereinbarkeit von Privatleben, Familie und Beruf sowie Chancengleichheit von Personen aller Geschlechter (m/w/d) sind wichtiger Bestandteil unserer Personalpolitik. Bewerbungen schwerbehinderter Menschen bevorzugen wir bei fachlicher Eignung.

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Fachliche/r Ansprechpartner/in

Dr.rer.nat. Martin Roeb
Institut für Solarforschung

Tel.: +49 2203 601-2673

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Nathalie Monnerie
Institut für Solarforschung

Tel.: +49 2203 601-2337

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