Experimentelle Modellierung von magnetfeldinduzierten Grenzflächeninstabilitäten in Schmelzflusselektrolyse-Zellen und Flüssigmetallbatterien

• Antragsteller: Dr.-Ing. Gerrit Maik Horstmann
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 512131026

Es besteht heute große Einigkeit, dass den Herausforderungen des Klimawandels nur mit ganzheitlichen und integrativen Lösungsstrategien begegnet werden kann. Dabei sind der Ausbau erneuerbarer Energien sowie die Ausschöpfung von Energieeffizienzpotenzialen zwei der wichtigsten Stellschrauben. Magnetfeldinduzierte Grenzflächeninstabilitäten sind für gleich zwei in diesem Zusammenhang wichtige Technologien von großer Bedeutung: Schmelzflusselektrolyse-Zellen (SFEZ), welche im äußerst energieintensiven Hall-Héroult-Prozess (~ 3 % des weltweit erzeugten Stroms) zur Gewinnung von Aluminium eingesetzt werden, sowie Flüssigmetallbatterien (FMB), die zurzeit als kostengünstige Energiespeicher für den Ausbau volatiler erneuerbarer Energien diskutiert werden. In beiden Technologien, welche strömungsmechanisch als Mehrschichtsysteme beschrieben werden können, treten im Betrieb hohe elektrische Ströme auf, welche in Wechselwirkung mit induzierten oder externen magnetischen Feldern die flüssig-flüssig Grenzflächen destabilisieren und rotierende Wellenbewegungen hervorrufen können. In SFEZ sind solche Rotationswellen grundsätzlich unerwünscht und begrenzen die Energieeffizienz. In FMB hingegen können zu starke Wellenschläge zwar auch gefährlich werden und im schlimmsten Fall Kurzschlüsse provozieren, sanfte und kontrollierte Rotationsbewegungen haben aber auch das Potenzial die Durchmischung und damit den Wirkungsgrad zu verbessern. Aus diesen Gründen werden solche Wellenbewegungen schon seit den 70er Jahren intensiv erforscht. Allerdings besteht heute ein großes Missverhältnis zwischen einer Vielzahl von verfügbaren Simulationsumgebungen und analytischen Modellen, jedoch noch kaum vorhandenen Experimenten. Aufgrund der hohen Betriebstemperaturen sowie der chemischen Aggressivität der Aktivmaterialien waren Laborexperimente bisher nur schwer umzusetzen. An genau dieser Stelle will das Projekt ansetzen. Ziel ist es, ein neuartiges, leicht zu handhabendes Modellexperiment zu realisieren, welches mit nur einer Schicht GaInSn auskommt und daher bei Raumtemperatur betrieben werden kann. Mittels einer Rückkopplungsschleife zwischen eingespeistem Strom und in Echtzeit gemessener Wellenauslenkung wird es möglich, sowohl die Hydrodynamik der Wellenbewegungen als auch den Instabilitätsmechanismus vollumfänglich im Labormaßstab abzubilden. Das Experiment soll daher nicht nur als Validierungsgrundlage für verschiedene theoretische Modelle dienen, sondern auch neue Einblicke in bisher noch weitgehend unverstandene Teilmechanismen, z.B. den genauen Einfluss von magnetischer Dämpfung oder des Aspektverhältnisses, gewähren. Zudem ist ein solches Experiment hervorragend geeignet um jüngst entwickelte Stabilisierungsverfahren zur Unterdrückung der Wellenbewegung zu testen, welche auf einer geschickten Modulation des Zellstrom beruhen. Schon durch kleine Effizienzsteigerungen im Hall-Héroult-Prozess könnte ein erheblicher Beitrag zur globalen Energieeinsparung geleistet werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen