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Ausschreibender Bereich: IEK-3 - Techno-ökonomische Systemanalyse
Kennziffer: 2019M-055, Energietechnik, Verfahrenstechnik, Maschinenbau, Wirtschaftsingenieurwesen

Masterarbeit: Einsatz von alternativen Energieträgern im Verkehrssektor von Nordrhein-Westfalen

Beginn der Arbeit: Ab sofort / nach Vereinbarung

Hintergrund
Im Rahmen der Klimapolitik sind die Ziele der Bundesregierung unter anderem den Energiebedarf als auch die resultierenden Emissionen in allen Sektoren zu reduzieren. Der Energiesektor ist mit 38% der gesamten Emissionen der größte Emittent für Treibhausgasemissionen in Deutschland. Danach folgen der Industriesektor mit 21% und der Verkehrssektor mit 18%.

Der Verkehrssektor steht vor hauptsächlich drei großen Herausforderungen: Die Reduzierung der klimaschädlichen Emissionen, die Reduzierung von gesundheitsschädlichen Emissionen in Ballungsräumen und die Umstellung auf erdölunabhängige Energieträger.

Energieträger im Verkehrssektor werden unterteilt in fossile Kraftstoffe, biomassebasierte Kraftstoffe und strombasierte Kraftstoffe. Strombasierte Kraftstoffe können über das Power-to-Fuel (PtF) Konzept produziert werden. Im Rahmen dieses Konzepts werden aus regenerativ erzeugtem Wasserstoff und aus der Industrie abgetrennten CO2 synthetische Kraftstoffe, wie zum Beispiel Methanol und Fischer-Tropsch-Kraftstoff, hergestellt. Der regenerativ hergestellte Wasserstoff kann auch direkt als Kraftstoff in Brennstoffzellenfahrzeugen verwendet werden. Um die Treibhausgasemissionen im Energiesektor zu reduzieren, werden im Rahmen der Energiewende zunehmend erneuerbare Energien zur Erzeugung von elektrischer Energie verwendet. Die Energieerzeugung von Erneuerbare-Energien-Technologien, wie z.B. Wind- und Photovoltaikanlagen, ist stark volatil und kann deshalb zu Versorgungsunsicherheit auf Verbraucherseite führen. Das PtF-Konzept bietet die Möglichkeit, die überschüssige volatil produzierte Energie aus den Erneuerbare-Energien-Technologien in chemischer Form als Kraftstoff zu speichern. Des Weiteren werden durch die Bindung von CO2 bei der Herstellung der Kraftstoffe die klimaschädlichen Emissionen in Abhängigkeit des Strommixes bilanziell reduziert. Diese Kopplung von Energie- und Verkehrssektor wird als Sektorkopplung bezeichnet. Biomassebasierte Kraftstoffe reduzieren, ähnlich wie PtF-Kraftstoffe, durch den Verbrauch von CO2 bei der Photosynthese der Ausgangspflanzen bilanziell die CO2-Emissionen. Beide Herstellungspfade, strombasiert und biomassebasiert, bieten zudem eine Möglichkeit der erdölunabhängigen Produktion von Kraftstoffen.

Neben der Reduzierung der anthropogenen Treibhausgase ist eine weitere aktuelle Herausforderung im Verkehrssektor die Reduzierung von gesundheitsschädlichen Emissionen (CO, NOx, Feinstaub) in Ballungsräumen. Synthetische Kraftstoffe, so wie alternative Energieträger generell, haben das Potential, diese gesundheitsschädlichen Emissionen im Verkehrssektor zu reduzieren.

Am „Institut für Energie- und Klimaforschung: Elektrochemische Verfahrenstechnik" (IEK-3) werden alternative Kraftstoffe wissenschaftlich auf unterschiedlichen Ebenen untersucht. Der Ansatz umschließt die marktwirtschaftliche Analyse von Einführungsstrategien, die verfahrenstechnische Analyse mit Prozesssimulationen, die Reaktorentwicklung und die Analyse des Emissionsreduktionspotentials der synthetischen Kraftstoffe.


Aufgabenbeschreibung
Im Rahmen der Analyse des Emissionsreduktionspotentials von alternativen Energieträgern ist Nordrhein-Westfalen als Case Study besonders interessant, da 20 % der gesamten Emissionen des Verkehrssektors in Nordrhein-Westfalen versursacht werden und Nordrhein-Westfalen nach den Stadtstaaten die höchsten spezifischen CO2-Emissionen pro Fläche emittiert.
 
Im Rahmen dieser Arbeit soll ein Verkehrsmodell von NRW weiterentwickelt werden, mit welchem unter anderem die Emissionen des Verkehrssektors (Straßenverkehr, Binnenschifffahrt, Schienenverkehr und Flugverkehr) für den heutigen Kraftstoffmix und für zukünftige Szenarien (2030, 2050) räumlich hochaufgelöst dargestellt werden können.
 
Hierzu sind u. a. folgende Arbeitspakete zu bearbeiten:

  • Literaturrecherche zu Verkehrsleistungen und Emissionsfaktoren der unterschiedlichen Verkehrsarten.
  • Literaturrecherche und anschließende Analyse zum Einsatz von alternativen Energieträgern/Kraftstoffen im Verkehrssektor
  • Einarbeitung in Python und QGIS.
  • Weiterentwicklung/modulare Erweiterung des bestehenden Modells.
  • Berechnung von zukünftigen Verkehrsszenarien für 2030/2050 mit unterschiedlichen Kraftstoffen und Vergleich mit dem Basisfall 2018 als Referenz

Anforderung

  • Gute Leistungen in Ihrem Studium der Energietechnik, Verfahrenstechnik, Computational Engineering Science, des Maschinenbaus, des Wirtschaftsingenieurwesens oder eines vergleichbaren Studiengangs.
  • Selbstständige und analytische Arbeitsweise.
  • Sehr gute Deutsch- und Englisch-Kenntnisse in Wort und Schrift.
  • Vorkenntnisse in Python oder anderen Programmiersprachen sind hilfreich.

Unser Angebot

  • Eine hochmotivierte Arbeitsgruppe in einer der größten Forschungseinrichtungen in Europa.
  • Hervorragende wissenschaftliche und technische Infrastruktur.
  • Intensive Betreuung der Arbeit vor Ort.

Ansprechpartner
Janos L. Breuer (M. Sc.)
Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK)
IEK-3: Elektrochemische Verfahrenstechnik
Brenngaserzeugung und Systeme - Zukünftige Kraftstoffe
Forschungszentrum Jülich GmbH
52425 Jülich

E-Mail: ja.breuer@fz-juelich.de
Tel.: 0 2461 61-96984
http://www.fz-juelich.de/iek/iek-3/DE/Forschung/_Fuel-Processing-and-Systems/_node.html
Wir freuen uns auf Ihre Bewerbung!