Energieeffizienz in der chemischen Industrie
Die ENPRO-Initiative lebt von Forschergeist und guter Zusammenarbeit
Die ENPRO-Initiative versammelt aktuell neun laufende Forschungsprojekte im Forschungsfeld chemische Verfahrenstechnik. Sie arbeiten an unterschiedlichsten Themen, um die chemische Produktion zu modularisieren. Mithilfe modularer Anlagen können Prozesse beschleunigt und energieeffizienter werden. Der diesjährige ENPRO-Tag musste aufgrund der anhaltenden Pandemiesituation wieder digital stattfinden. Verteilt auf zwei Vormittage bot die Fachtagung den rund 80 TeilnehmerInnen ein spannendes Programm: Neben vielfältigen Vorträgen gab es zahlreiche Austausch- und Diskussionsmöglichkeiten zu aktuellen Forschungsergebnissen und weiteren Forschungsbedarfen.
Vernetzung ist essenziell und macht die ENPRO-Initiative einmalig
Die Veranstaltung inklusive ihrer abschließenden Diskussionen zeigte deutlich: Vernetzung ist die große Stärke des ENPRO-Forschungsverbundes – und das schon seit vielen Jahren! Hier treffen ExpertInnen unterschiedlicher Fachgebiete zusammen. Im engen Austausch bearbeiten sie komplexe Fragestellungen und treiben ihre Forschungsprojekte gegenseitig voran.
Wie erfolgreich diese übergreifende Kooperation funktioniert, wurde auch durch die Ergebnisse aus dem Doktoranden-Workshop von ENPRO-Connect deutlich. Die Promovierenden haben die Schnittstellen der verschiedenen ENPRO-Projekte identifiziert und damit den Austausch untereinander und die Zusammenarbeit noch einmal verstärkt.
5. ENPRO-Tag: Das Programm kompakt
Bei der Veranstaltung stellten die ProjektkoordinatorInnen von ORCA, TeiA, SkaMPi, ModuLA, HECTOR, MoProLog, VOPA, KoPPonA 2.0 und PreSEDA aktuelle Forschungsergebnisse vor. Die Forschungsprojekte befassen sich mit unterschiedlichen Themen, um zu einer modularisierten Produktion beizutragen. Zudem gaben die beteiligten Unternehmen Siemens, Krohne und Normag einen Einblick darüber, wie Ergebnisse in die Praxis übertragen werden können. Ein zusätzliches Highlight im Programm galt dem Start-Up Semodia, das sich bei der Veranstaltung vorstellte. Semodia ist aus dem ENPRO-Forschungsprojekt ORCA hervorgegangen. Das Technologie-Start-Up bietet Softwarelösungen, um auch modulare Anlagen unterschiedlicher Hersteller miteinander verknüpfen zu können.
Im ENPRO-Verbund arbeiten mehrere deutsche, teils konkurrierende Chemieunternehmen mit Zulieferfirmen und Forschungsinstituten zusammen. Dass die Kommunikation und Zusammenarbeit zwischen ihnen so gut funktioniert, ist einzigartig und für die Forschung in der chemischen Verfahrenstechnik äußerst gewinnbringend.
Prozesse beschleunigen und Energie einsparen
Modulare Anlagen können langfristig zu einer energieeffizienten und nachhaltigen chemischen Industrie beitragen. Sie ermöglichen es, Prozesse kontinuierlich und flexibler zu gestalten. Einzelne Prozessschritte sind dabei besser aufeinander abgestimmt, sodass sich der Gesamtprozess beschleunigt und deutlich energieeffizienter wird. So werden etwa modulare Anlagen nach einer Produktionskampagne wieder demontiert und dadurch Stillstandzeiten von produktspezifisch ausgelegten Kompaktanlagen vermieden. Weiterhin können Unternehmen, die eine neue Produktionslinie planen, Anlagenmodule entsprechend dem herzustellenden Produkt optimal miteinander kombinieren. Die Energieeffizienz ist dabei als ein Auswahlkriterium definiert.
Forschungsbedarf: modularisierte Anlagen in bestehende Prozesse integrieren
Die chemische Industrie will auf kontinuierliche Herstellungs- und Logistikprozesse umstellen und damit effizienter werden. Modularisierte Anlagen sind hier der Schlüssel, müssen jedoch leicht einsetzbar sein. Deshalb entwickeln die ENPRO-Forschungsprojekte ganze Anlagenmodule oder ergänzende Lösungen — etwa, um die Module für Prozesse optimaler auszuwählen, miteinander zu verknüpfen und zu steuern. Die Forschungsprojekte adressieren dabei mehrere Motivationsgründe der chemischen Industrie: Schneller, flexibler sowie kostengünstiger zu produzieren, qualitativ hochwertige Produkte anbieten zu können und gleichzeitig zu mehr Nachhaltigkeit beizutragen.
Es zeichnet sich bereits der Trend ab, dass Unternehmen zunehmend modularisierte Anlagen einsetzen. Dies betrifft jedoch hauptsächlich ganz neu eingerichtete Prozesse. Dementsprechend — so ein Fazit des 5. ENPRO-Tages — besteht noch weiterer Forschungsbedarf: Zukünftig wird zu lösen sein, wie modulare Anlagen in bestehende Prozesse integriert beziehungsweise Bestandsanlagen auf eine modularisierte Produktion umgerüstet werden können. Daneben soll die chemische Verfahrenstechnik weiter digitalisiert werden. Insbesondere künstliche Intelligenz kann dazu beitragen, Prozesse zukünftig nachhaltiger und ressourceneffizienter zu machen. (ln)
Die Forschungsinitiative ENPRO…
…wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert. In der Initiative arbeiten einige der größten Chemiekonzerne Deutschlands mit verschiedenen Unternehmen und Forschungsinstituten zusammen. Ihr Ziel ist es, chemische Herstellungsprozesse effizienter zu machen sowie Durchlaufzeiten zu verkürzen. Damit können neue Produkte schneller aus dem Labor auf den Markt gelangen.
Die Forschungsinitiative teilt sich bisher in zwei Abschnitte: ENPRO — von 2014 bis 2017 mit den Forschungsprojekten ENPRO-Datenintegration, ENPRO-Modularisierung, KoPPonA sowie SMekT — und ENPRO 2.0, seit 2017 mit den Forschungsprojekten HECTOR, KoPPonA 2.0, ModuLA, MoProLog, ORCA, PreSEDA, SkaMPi, TeiA sowie VoPa. Zusätzlich über beide ENPRO-Phasen hinweg wurde das Forschungsprojekt ENPRO-Connect etabliert. Dieses dient als Austauschplattform und zur wissenschaftlichen Kommunikation zwischen den Einzelverbünden der Initiative.
Die Forschungsprojekte in ENPRO 2.0
HECTOR — Hocheffiziente chemische Anlagen mittels Technical Operations Research
Eine Produktion wird mithilfe von standardisierten modularen Anlagen weniger komplex und damit produktiver. Die Anlagenmodule sind universeller einsetzbar, während eine maßgeschneiderte Anlage oftmals nur eine spezielle Anwendung findet. Allerdings sind sie nicht immer energieeffizienter. Das Forschungsprojekt HECTOR will diesen Konflikt lösen: Die WissenschaftlerInnen entwickeln geeignete Methoden, um die Module optimal zu kombinieren und zusammenwirken zu lassen. Zusätzlich arbeiten sie daran, ihren Verschleiß frühzeitig erkennen zu können. Damit können Energieeinsparpotenziale optimal ausgeschöpft werden. Erste Ergebnisse zeigen, dass der standardisierte Anlagenmodulbaukasten mithilfe der Methoden aus HECTOR deutlich effizienter genutzt werden kann.
KoPPonA 2.0 — Kontinuierliche Polymerisation in modularen, intelligenten, gegen Belagsbildung resistenten Reaktoren
Bei der kontinuierlichen Herstellung von Polymeren bilden sich Gelpartikel, die sich in der Anlage ablagern. Die Polymerbeläge verstopfen nach und nach Mischer, Rohrleitungen und Reaktor. Dies behindert den Herstellungsprozess. Ziel des Forschungsprojektes KoPPonA 2.0 ist es, die produktabhängige Belagsbildung genauer zu untersuchen sowie Voraussagemethoden und Gegenmaßnahmen zu entwickelt. An KoPPonA 2.0 sind mit BASF, Covestro und Wacker drei große Chemieunternehmen beteiligt. Sie bringen jeweils ein spezifisches Stoffsystem zur Polymer-Herstellung ein, das von den WissenschaftlerInnen untersucht wird.
ModuLA — Module im Lebenszyklus einer prozesstechnischen Anlage
Die chemische Industrie will modulare Anlagen einfach und erfolgreich einsetzen. Dazu sind ausreichend Informationen zum Lebenszyklus der einzelnen Module zwingend erforderlich. So „altern“ Module unterschiedlich schnell und verändern dadurch ihre prozessphysikalischen Eigenschaften. Im Forschungsprojekt ModuLA erarbeiten WissenschaftlerInnen ein Modell, um Anlagenmodule informationstechnisch miteinander verknüpfen zu können. Zudem ermöglicht das Informationsmodell, neue Produktionsverfahren zu simulieren. Dabei können sie feststellen, ob bereits vorhandene Anlagen für die Produktion geeignet sind. Je mehr Informationen zugänglich sind, desto besser lassen sich Energieeffizienz und Produktqualität steigern.
MoProLog — Modulare Produktionslogistik
Modulare Anlagen sind nicht nur in der chemischen Produktion interessant, sondern auch in der nachgeschalteten Logistik. Derzeitige Logistikanlagen sind hochkomplex und wenig flexibel, um auf aktuelle Marktentwicklungen reagieren zu können. Dies wirkt sich negativ auf eine energieeffiziente Nutzung aus. Das Team hinter MoProLog entwickelt daher Informationsmodelle und Datenschnittstellen für modulare Logistikanlagen. Die erarbeiteten Ergebnisse demonstrieren sie anhand eines modularisierten Lagenpalettierers. Dieser wird mit nötigen Schnittstellen ausgerüstet und mit den vor- und nachgeschalteten Logistikprozessen verknüpft. Unternehmen können auf diese Weise vermeiden, dass es zwischen zwei unterschiedlich schnell ablaufenden Prozessen zu Warte- und damit auch Lagerzeiten, sogenannten Zwischenpuffer-Lagerungen, kommt.
ORCA — Effiziente Orchestrierung modularer Anlagen
Das Team des Forschungsprojektes ORCA entwickelt Methoden und Werkzeuge, um modulare Anlagen intelligent miteinander zu verknüpfen. Damit können Herstellungsprozesse schneller entwickelt, genehmigt, zertifiziert und in Betrieb genommen werden. Erste Ergebnisse von ORCA zeigen, dass dadurch Planungs- und Realisierungsprozesse bis zu 80 Prozent schneller ablaufen. Dies wiederum geht mit einer CO2–Ersparnis von bis zu 30 Prozent einher.
PreSEDA — Anpassung und modulare Integration von Sensorsystemen in den produktionstechnischen Kontext der chemischen Industrie unter Berücksichtigung der Anforderungen einer KI-basierten MSR
Eine erfolgreiche Digitalisierung ist für die chemische Industrie essenziell. Insbesondere bei einer kontinuierlichen Betriebsführung müssen Anlagen durchgehend online überwacht werden. Vorhandene Sensorsysteme sind dieser Anforderung vielfach nicht gewachsen. Zudem sollen Produktionsanlagen zukünftig auch auf künstliche Intelligenz zurückgreifen können. Somit müssen Sensorsysteme entsprechend der gestellten Anforderungen ausgewählt oder angepasst sein. Das Forschungsprojekt PreSEDA beschäftigt sich daher damit, innovative Sensortechnologien für den Praxistransfer vorzubereiten. Sie sollen zukünftig aus dem Labor in die chemische Industrie gebracht werden. Exemplarisch entwickeln die WissenschaftlerInnen von PreSEDA ein Demonstratorsystem, das photoakustisch Spurengase messen kann.
SkaMPi — Skalenübergreifende Methodik zur Planung und Entwicklung ressourceneffizienter Prozesse
Um ein Produkt herzustellen, eignen sich verschiedene Anlagenmodule unterschiedlich gut. Bisher basiert die Auswahl meist auf Erfahrungswerten oder experimentellen Daten. Das Forschungsprojekt SkaMPi hat es sich daher zum Ziel gesetzt, eine Auswahlmethodik zu entwickeln. Unternehmen können mit dieser Methode Anlagen optimal auf das herzustellende Produkt abstimmen. Die Auswahl erfolgt anhand unterschiedlicher Kriterien — so ließen sich etwa besonders energieeffiziente Anlagenmodule identifizieren, die sich für die jeweilige Produktherstellung eignen.
Erste Ergebnisse aus SkaMPi zeigen, dass optimierte Prozesse rund 60 Prozent Energie einsparen. Ebenso reduzieren sich der Lösemittelbedarf sowie die anfallenden Abfallmengen mit bis zu 60 Prozent deutlich.
TeiA — Trennverfahren mit effizienten und intelligenten Apparaten
Im Forschungsprojekt TeiA entwickeln WissenschaftlerInnen eine Toolbox, um Stoffgemische effizient und kontinuierlich zu trennen. Sensoren überwachen dabei, wie ein jeweiliges Stoffgemisch kristallisiert oder extrahiert wird. Damit können Pharma-, Fein- und Spezialchemikalien einfacher und schneller produziert werden. Zudem ergeben sich durch die kontinuierliche Betriebsführung Stoffeinsparungen, die den Prozess deutlich ressourceneffizienter machen.
VoPa — Vollintegrierte Partikelerzeugung, -wachstum und -abscheidung in einer kontinuierlichen Pilotanlage
Im Forschungsprojekt VoPa entwickeln WissenschaftlerInnen eine kompakte kontinuierliche Modulanlage, um Partikel herzustellen. Die Anlage integriert drei Verfahrensschritte: zu Beginn kristallisieren Partikel in einer Flüssigkeit, dann trennt die Anlage Feststoff und Flüssigkeit voneinander und zuletzt trocknet sie die entstandenen kristallinen Partikel. Die modulare Anlage beschleunigt den Herstellungsprozess und kann flexibel und energiesparend eingesetzt werden. Zudem ist sie mit einer intelligenten automatisierten Steuerung ausgestattet, die den Prozess ressourceneffizient gestaltet. Die WissenschaftlerInnen haben bisher eine Laboranlage aufgebaut, die nachweislich funktioniert. Nun übertragen sie die Ergebnisse auf einen industriellen Maßstab.
