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Die Verfahrenstechnik gliedert sich in verschiedene Grundoperationen: Die mechanische Verfahrenstechnik umfasst beispielsweise Schritte wie das Mischen oder Zerkleinern. Zur thermischen Verfahrenstechnik gehören wichtige Prozesse wie die Destillation oder die Rektifikation, aber auch Membrantechnologien. Die chemische Verfahrenstechnik deckt chemische Operationen wie Oxidation oder Hydrierung, also die eigentlichen Stoffumwandlungsvorgänge, ab.

Großvolumige, kontinuierlich betriebene Anlagen der Basischemie arbeiten schon heute nahe am Effizienzmaximum. Im Bereich der Spezialchemie, mit üblicherweise deutlich kleineren Produktionsvolumina, werden aufgrund der Flexibilitätsanforderungen allerdings vielfach Prozesse in Mehrproduktanlagen eingesetzt, die im Batchbetrieb arbeiten, also eine Charge nach der anderen produzieren. Sie weisen hinsichtlich der Energieeffizienz großes Optimierungspotential auf. Im Forschungsfeld Chemische Verfahrenstechnik werden neue Reaktorkonzepte entwickelt, die auch in diesem Bereich eine kontinuierliche und energieeffiziente Betriebsweise ermöglichen. Ein wichtiger Baustein hierbei ist die skalenübergreifende Einsetzbarkeit der entwickelten Techniken, um einen schnellen und konsistenten Übergang von der Prozessentwicklung in die Produktion zu ermöglichen.

Effizienz ist ein entscheidender Faktor in der chemischen Industrie, um sich im globalen Wettbewerb zu behaupten. Dies betrifft die zeitliche Effizienz der Produktentwicklung bis zur Produkteinführung (time to market) genauso wie eine effiziente Reaktionsführung hinsichtlich Ausbeute und Nebenproduktvermeidung sowie einen energieeffizienten Anlagenbetrieb bei steigenden Energiepreisen. Daher ist eine hohe Anlagenflexibilität bei gleichzeitiger Steigerung der Energie- und Ressourceneffizienz nötig. Diese Ziele werden u.a. mit den Projekten innerhalb der ENPRO-Initiative verfolgt, wobei es drei Ansatzpunkte als Grundlage für die Umsetzung gibt.

Batch-to-Conti
Kontinuierlich betriebene Prozesse gehören im Bereich der Produktion von Massenchemikalien zum Stand der Technik und bieten zahlreiche Vorteile hinsichtlich der Energieeffizienz, konstanter Produktqualität und sicherer Handhabung. Im kleinen Entwicklungsmaßstab wird aber zumeist in Batchansätzen gearbeitet, da aufgrund aufwendiger Prozessentwicklung Reaktor- und Produktaufarbeitungskonzepte für eine kontinuierliche Fahrweise in diesem Maßstab fehlen. Die Folge ist, dass neuentwickelte Batchprozesse schwierig hochskalierbar sind. Für die Prozessführung in großen Ansätzen sind also mehrere Entwicklungsschritte zur Parameteranpassung nötig, da große Sprünge in der Skalierung aus Sicherheitsgründen und um die Produktqualität sicherzustellen zu vermeiden sind. Außerdem haben Batchprozesse oft deswegen eine schlechte Energieeffizienz, weil die diskontinuierliche Fahrweise eine exakte Regelung der Kinetik und eine Energierückgewinnung schwierig macht. Eine kontinuierliche Reaktionsführung lässt sich hingegen deutlich leichter und flexibler skalieren, wodurch Zwischenschritte im Entwicklungsprozess bei der Vergrößerung des Durchsatzes wegfallen. Kontinuierlich betriebene Reaktoren und Trennapparate im Entwicklungsmaßstab können bei verfahrenstechnischer Ähnlichkeit direkt in den Produktionsmaßstab übertragen werden.

Modularisierung
Der Einsatz modularer Anlagen ermöglicht flexiblere Produktionsabläufe und erlaubt eine schnelle Integration neuer Prozesse. Durch die Aufteilung der Anlagen in einzelne Module mit standardisierten Schnittstellen kann eine Anlage auf einen anderen Prozess umgestellt werden, ohne das gesamte Ensemble neu zu planen und zu bauen. Mit einer Moduldatenbank können für einen Prozess die besten Module ausgewählt werden, und die Module aus vorangegangenen Projekten können kosten- und zeiteffizient weiterverwendet werden. Dies verkürzt die Planungs- und Einführungszeit neuer Prozesse erheblich und damit die Zeit von der Entwicklung bis zur Produktherstellung.

Datenintegration
Bei der Entwicklung und Planung neuer Prozesse sind in jedem Schritt andere Daten für die Bearbeitung nötig und die Prozesse werden in unterschiedlicher Weise aufgeteilt. Dies führt bisher dazu, dass von der Prozessentwicklung über die Anlagenplanung bis zum Betrieb jeweils eigene Datensätze geführt werden. Eine automatisierte Übertragung von einem in den nächsten Schritt findet nicht statt, da jeweils unterschiedliche Datenmodelle zum Einsatz kommen. Durch die Datenintegration in ein konsistentes und durchgängiges Modell können Daten über den kompletten Lebenszyklus eines Prozesses geführt werden, wodurch Daten aus der Entwicklung später auch im Produktionsbetrieb zur Verfügung stehen.

Einen Schwerpunkt der Aktivitäten im Forschungsfeld Chemischen Verfahrenstechnik bildet die Initiative „Energieeffizienz und Prozessbeschleunigung für die Chemische Industrie“ (ENPRO). Auf Basis der erfolgreichen ersten Förderphase von 2014 bis 2017 engagieren sich nun zahlreiche Partner aus Industrie und Wissenschaft, um die bisherigen Arbeiten in einer zweiten Phase ENPRO 2.0 weiterzuführen. Dabei arbeitet die Großchemie als Anwender der neuen Technologien mit Zulieferfirmen (Anlagenbauer, Systemlieferanten etc.) sowie Universitäten und Forschungseinrichtungen entlang der gesamten Wertschöpfungskette zusammen. In der Initiative ENPRO 2.0 wird somit der gesamte Anlagen-Lebenszyklus beginnend bei den Entwicklungs- und Planungsphasen über den Anlagenbetrieb und eine ggf. notwendige Anlagenanpassung bis zur Stilllegung und dem Rückbau betrachtet. Die Projekte der zweiten Phase gliedern sich dabei in vier Schwerpunkte.

  1. Neue Apparate und Smarte Analytik
    Neue Reaktorkonzepte zur Herstellung von Polymerspezialtäten in energie- und ressourceneffizienter, kontinuierlicher Prozessführung werden im Projekt KoPPonA2 (Kontinuierliche Polymerisation) entwickelt. Um Anlagen zur vollkontinuierlichen Partikelerzeugung geht es im Projekt VoPa. Das große Energieeinsparpotential von Trennverfahren wird im Projekt TeiA (Trennverfahren mit effizienten, intelligenten Anlagen) genutzt, wo diverse Kristallisations- und Extraktionsapparate untersucht, charakterisiert und für unterschiedliche Stoffsysteme getestet werden. Ein wichtiger Aspekt ist hierbei auch eine intelligente Sensorik, um eine Automation der Prozessführung zu ermöglichen.
  2. Intelligente Module, Prozesse und Betrieb
    Im Projekt SkaMPi wird eine skalenübergreifende Methodik zur Planung und Entwicklung ressourceneffizienter Prozesse entwickelt. Dabei werden prozesstechnische Anforderungen und innovative Apparatemodule in einer Methodik zur optimalen Modulauswahl zusammengeführt.
    Neuartige Sensortechniken werden im Projekt HECTOR (hocheffiziente modulare chemische Anlagen mittels Technical Operation Research) untersucht. Damit können u.a. die Betriebszustände von Funktionsmodulen schnell und automatisiert ermittelt und charakterisiert werden und eine Schadensfrüherkennung wird möglich.
  3. Systemorchestrierung
    In dem Projekt ORCA (Effiziente Orchestrierung effizienter Anlagen) arbeiten Anlagenbetreiber, Modulhersteller, Automatisierer, Systemintegratoren, Behörden und Hochschulen zusammen, um Konzepte für modular aufbaubare, intelligente und flexibel zu gestaltende Produktionsanlagen abzuleiten, die Verfahrenstechnik, Sicherheitstechnik und Automatisierungstechnik integrieren. Von Beginn an werden auch genehmigungsrechtliche Anlagenaspekte adressiert, damit die Forschungsergebnisse auch in die praktische Umsetzung gelangen können.
  4. Logistik und Datenintegration
    Die Verknüpfung aller Daten aus Planungs- und Betriebsphase einer Anlage erfordert ein durchgängiges und konsistentes Informationsmodell im gesamten Lebenszyklus. Im Projekt ModuLA (Module im Lebenszyklus) werden die Spezifikationen für ein solches Modell erarbeitet. Die Ergebnisse dieses Projekts sind die Grundlage, um intelligente Module informationstechnisch miteinander zu verknüpfen.
    Ziel des Vorhabens MoProLog (Modulare Produktionslogistik) ist die Entwicklung entsprechender zur modularen Produktion passender Planungs- und Hardware-Module zusammen mit Lieferfirmen.

Mit ENPRO-Connect gibt es zusätzlich zu den Schwerpunktprojekten eine wissenschaftliche Begleitmaßnahme, die die Ergebnisse der einzelnen Projekte zusammenführt und evaluiert und den Austausch zwischen den Projektpartnern fördert. Dies bildet die Voraussetzung für eine verbundübergreifende Ergebniszusammenfassung und eine umfassende Verbreitung der gewonnenen Erkenntnisse.

Modulare Anlagen werden eine deutliche Beschleunigung der Planungs- und Bauzeit von Anlagen für neue Prozesse ermöglichen. Die kontinuierliche Prozessführung auch kleinskaliger Verfahren verbessert außerdem die Energieeffizienz deutlich.
In der nächsten Stufe der Aktivitäten im Forschungsfeld Chemische Verfahrenstechnik werden modulare Pilotanlagen zur Demonstration der entwickelten Konzepte aufgebaut. Für einen schnellen Übergang der Technologie in die Produktion beschäftigen sich bereits diverse Gremien mit der Standardisierung und Abstimmung modularer Anlagen und deren Steuerung. Damit das Konzept der modularen Anlagen wirtschaftlich erfolgreich wird, ist eine einheitliche Datenstruktur unerlässlich, um eine Kommunikation zwischen den Modulen und eine Dokumentation über den gesamten Lebenszyklus einer modularen Anlage zu ermöglichen.

Eine große Rolle in der zukünftigen Entwicklung werden mit fortschreitender Digitalisierung auch Methoden der künstlichen Intelligenz spielen. Von der automatischen Planung der Modulkonfiguration über die Prozessoptimierung bis hin zur automatisierten Dokumentation bietet die Einbindung von KI-Methoden an vielen Stellen großes Entwicklungspotential. Im Zusammenspiel mit intelligenter Sensorik ist auch eine frühzeitige Fehlererkennung und damit einen komponentenspezifische Wartung möglich. So können Ausfallzeiten reduziert und Wartungsintervalle optimiert werden.
Für einen flächendeckenden Einsatz der Technologie müssen modulare Anlagen in bestehende Prozessleitsysteme und in Verbundstandorte integriert werden (Brown-Field). Die Grundlage für diese Einbindung wird durch die standardisierte Kommunikationsstruktur geschaffen.

Die Effizienzvorteile der Digitalisierung industrieller Prozesse können aber nur erschlossen werden, wenn die Sensorelemente auch richtige und valide Daten liefern. Dies geschieht zum einen auf direktem Weg durch Messung relevanter physikalischer Größen mit z.T. neuen Sensortechnologien, zum anderen durch Erfassung sekundärer Produkt-, Prozess- und Anlagengrößen, die einer intelligenten multimodalen Sensordatenverarbeitung (Softsensorik) zugeführt werden sollen.

Zertifizierungs- und Genehmigungsverfahren sind Themen, die bereits in den laufenden Projekten berücksichtigt werden, jedoch eine langfristig angelegte Bearbeitungsstrategie erfordern. Da modulare und flexible Anlagen in den relevanten Gesetzen und Verordnungen heute noch nicht vollumfänglich vorgesehen sind, geht es hier zunächst um die Erarbeitung von Verfahrensweisen innerhalb der bestehenden Regeln für genehmigungsfähige Anträge, bei denen die Flexibilität erhalten bleibt. Durch die Forschung werden die technischen Voraussetzungen geschaffen, um das Konzept modularer Anlagen später in den entsprechenden Verordnungen zu verankern und so die neuen energieeffizienten Anlagen zum anerkannten Stand der Technik zu erklären.

DECHEMA e.V.
Dr. Andreas Förster
andreas.foerster@dechema.de

Projektträger Jülich
Dr. Michael Gahr
m.gahr@fz-juelich.de