Ökosystem für die Innovation Enpro als Innovationsökosystem für die deutsche Prozessindustrie

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Kürzere Planungs- und Bauzeiten, schnellere und energieeffizientere Prozesse: Die Enpro-Initiative will die Prozessindustrie neu erfinden. Der Schwerpunkt liegt auf Konti-Verfahren in modularen Anlagen, die Digitalisierung ist ein wesentlicher Treiber.

Ausgangspunkt für die Initiative Enpro war das Tutzing-Symposion „Die 50 %- Idee“, das die Processnet-Fachgemeinschaft „Prozess-, Apparate- und Anlagentechnik“ im Frühjahr 2009 veranstaltete. Die Beteiligten suchten damals Wege, um die für Planung und Bau von Anlagen erforderlichen Prozesse drastisch zu verkürzen. Bei den Diskussionen darüber, wie die Ideen konkret in Aktivitäten und Projekte umgesetzt werden könnten, wurde die Initiative Enpro für „Energieeffizienz und Prozessbeschleunigung für die Chemische Industrie“ geboren.

Die Zukunft neu gestalten

Die Beteiligten verfolgen mit Enpro das Ziel, Entwicklungs-, Planungs- und Produktionsprozesse der Prozessindustrie für die Zukunft neu zu denken und Lösungsangebote zu gestalten, also ein Innovationsökosystem zu schaffen, um möglichst viele Protagonisten der gesamten Wertschöpfungskette zu vereinen. Die von Betreiber- und Zulieferfirmen sowie Universitäten entwickelten Vorhaben werden seit 2014 vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie unter der Regie des Projektträgers Jülich gefördert und von der Dechema koordiniert. Die Vorhaben sind angesiedelt im Forschungsfeld „Chemische Verfahrenstechnik“ des sechsten Energieforschungsprogrammes der Deutschen Bundesregierung. Inzwischen ist Enpro ein echtes Erfolgsmodell mit zahlreichen Umsetzungsbeispielen.

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Welche Ziele verfolgt Enpro?

Ziel der Projekte ist es, die Energieeffizienz chemischer Herstellprozesse zu steigern, indem die Partner neue, noch nicht am Markt etablierte Technologien entwickeln und gleichzeitig die Durchlaufzeiten von Innovationsprojekten steigern. Daher haben sich die Arbeiten der Initiative Enpro 1.0 seit 2014 auf drei Schwerpunkte konzentriert:

• Batch to Conti: die verstärkte Nutzung von mathematischen Modellen und skalierbaren Miniplant-Anlagen mit kontinuierlicher Prozessführung sowie Komponenten zur schnelleren Verfahrensentwicklung (Projektkürzel Koppona, Smekt),

• Modularisierung: die Minimierung von Planungs-, Bau- und Inbetriebnahmezeiten durch intelligente Modularisierung (Projekt Modularisierung) sowie

• Datenintegration: die simultane bzw. stark überlappende Be­arbeitung von Entwicklung, Planung und Anlagenbau durch Nutzung integrierter Informa­tionen (Projekt Datenintegration).

Inzwischen wurden Projekte mit den Zielen „kürzere Entwicklungszeiten“ sowie „effizientere Herstellung bei gleichzeitig hoher Energieeffizienz“ durchgeführt, u.a. zu Smart Miniplants und Modularisierung, in denen die Beteiligten nachgewiesen haben: Technologisch sind die genannten Ziele realisierbar.

Mehr Teilnehmer bei Enpro 2

Dank dieser erfolgreichen Arbeit engagieren sich seit 2017, zusätzlich zu den Gründungsmitgliedern BASF, Bayer und Evonik, weitere Unternehmen, wie Merck, Covestro und Wacker, um diese Arbeiten in der Initiative Enpro 2.0 weiterzuführen. Auch hier arbeiten die Beteiligten entlang der Wertschöpfungskette mit Anwendern, Zulieferfirmen, Universitäten (u.a. in Aachen, Dortmund und Karlsruhe) und Forschungseinrichtungen (z.B. Aixcape) zusammen. Neben den Entwicklungs- und Planungsphasen soll mit Enpro 2.0 der gesamte Anlagen-Lifecycle, einschließlich Anlagenbetrieb und -erweiterung betrachtet werden. Folgende Arbeitsbereiche wurden definiert:

• neue Apparate und Smart Analytik,

• intelligente Module, Prozesse und Betrieb,

• Systemorchestrierung,

• Logistik und Datenintegration.

In Enpro 2.0 werden, neben der Apparateebene sowie den Wärme- und Stofftransport- und Reaktionsprozessen, auch die übergeordneten Produktions- und Logistikabläufe in die Gesamtoptimierung mit einbe­zogen. Deshalb werden die in Enpro 1.0 gewonnenen Ergebnisse zur kontinuierlichen Prozessführung in kompakten Modulen für Polymerisation (Koppona) bzw. Kühlungskristallisation (Smekt) auf intelligente Gesamtsysteme und andere Trennverfahren (z.B. Ex­traktion) erweitert.

Mit intelligenten und vernetzten Sensorik-Modulen sollen z.B. kritische Betriebszustände frühzeitig erkannt und vermieden werden. Zusammen mit Ergebnissen aus dem Enpro 1.0-Vorhaben „Modularisierung“ sollen diese Vorhaben zur Entwicklung eines modularen Baukastens mit Apparaten für thermische Trennverfahren beitragen.

Alles hängt zusammen

Der Aspekt der Vernetzung intelligenter Module ist für den Erfolg der Modularisierung essenziell und wird in dem Enpro 2.0-Vorhaben „Orchestrierung modularer Anlagen“ (Orca) adressiert. Damit sollen in Enpro 1.0 erkannte offene Fragen beantwortet werden:

• Wie sollen die Module ausgestattet sein?

• Wie erfolgt die Absicherung von Anlagenkonzepten inklusive der Genehmigungsprozesse?

• Wie wirken intelligente Module als Anlagensystem an Demonstratoren zusammen?

• Wie sehen virtuelle, modulare Inbetriebnahmekonzepte aus?

In Orca wird außerdem an einer kontinuierlich betriebenen Destillationskolonne im Labormaßstab eine modulare Steuerungs- und Regelungstechnik erprobt. Diese soll auch Daten für den Apparatebaukasten des Projektes „Trennverfahren mit effizienten und intelligenten Apparaten“ (Teia) liefern. Die gesammelten Erfahrungen werden weiterhin für die Modularisierung einer CO₂-Absorptionsanlage angewendet, um einen intelligenten, flexibel anpassbaren und skalierbaren Aufreinigungsprozess, beispielsweise für Biogas­anlagen, zu realisieren. Die in Orca entwickelten technischen Lösungen werden in den Enpro 2.0-Vorhaben Teia, Koppona 2.0 und Moprolog (Modulare Produktionslogistik) aufgegriffen und an Pilotanlagen demonstriert. Aus diesen Anwendungen fließen wichtige Erkenntnisse zur Optimierung der Konzepte und Methoden nach Orca zurück.

Pumpen und Intelligenten Module

Das Vorhaben Hector „Hocheffiziente modulare chemische Anlagen mittels Technical Operations Research“ widmet sich Pumpensystemen, die mit einem Anteil von etwa 20 % besonders relevant sind für den elektrischen Strombedarf der chemischen Industrie.

Die im Schwerpunkt „Intelligente Module“ untersuchten Funktionsmodule (z.B. Destillation- oder Pumpensysteme) setzen neuartige Sensortechniken (z.B. Körperschallsensoren, Softsensoren etc.) ein und nutzen die Orchestrierungsmethodik aus Orca.

Das Vorhaben Moprolog widmet sich der modularen Produktionslogistik zur Ver- und Entsorgung und der Produktlogistik. Die Entwicklung entsprechender zur modularen Produktion passenden Planungs- und Hardware-­Module erfolgt zusammen mit Lieferfirmen.

Die Ergebnisse des Enpro 1.0- Vorhabens „Datenintegration“ wer­den im Enpro 2.0-Vorhaben „Module im Lebenszyklus einer prozesstechnischen Anlage“ (Modula) erweitert. Ziel ist es, bessere und schnellere Entscheidungen zu ermöglichen: von der Prozessentwicklung und Anlagenplanung über die Automatisierung und Logistik bis hin zum Anlagenbetrieb. Abgebildet werden sollen Informationen zu modularen Prozesseinheiten (PEAs) im gesamten Lebenszyklus einer chemischen Produktionsanlage.

Das Vorhaben „Skalenübergreifende Methodik zur Planung ressourceneffizienter Prozesse“ (Skampi) entwickelt auf Basis prozesstechnischer Anforderungen und innovativer Apparatemodule eine Methodik für optimale Technologie- und Modulauswahl. Wichtig ist die wechselseitige Rückkopplung von Ergebnissen in die Vorhaben Koppona 2.0, Teia und Moprolog. Das soll zur Optimierung und zum Erreichen der Anwendungsreife der Methode beitragen.

Welche Erfolge gab es bisher?

• Im Projekt Smekt wurde sehr schnell eine kontinuierliche Kristallisation und Fest-Flüssig-­Trennung vom Labor bis zur durchgängigen Skalierung in den Pilotbetrieb entwickelt. Im Vergleich zur konventionellen Batchfahrweise der Kristallisation (Beispiel L-Prolin) konnte der Gesamtenergiebedarf um 3 bis 5 % gesenkt werden. Batch-to-Conti-­Prozesse werden derzeit in unterschiedlichen Prozessen des beteiligten Industriepartners Evonik umgesetzt.

• Erkenntnisse aus der Enpro-Projektarbeit fließen außerdem in die Standardisierungsrichtlinien des VDI, sowohl für die Automatisierungstechnik (VDI/VDE/­Namur 2658) als auch die Verfahrenstechnik (VDI 2776) ein. Der Fortschritt der Standards fördert damit die weitere Entwicklung marktfähiger, automatisierungstechnischer Produkte, die für einen robusten industriellen Einsatz notwendig sind.

• Im Projekt Koppona wurde ein energie- und ressourcensparendes Konzept entwickelt, das die Produkt- und Prozessentwicklung für Polymerspezialitäten beschleunigt und durch die Nutzung von skalierbaren Apparaten eine direkte Maßstabsvergrößerung vom Labor- in den Produktionsmaßstab erlaubt. Neben der Polymerisation gehören dazu auch die entsprechenden Aufarbeitungsschritte. Zusätzlich werden die Erkenntnisse durch die Spezialpolymerhersteller Wacker, Covestro und BASF auf verschiedene Polymerisationsmechanismen und -verfahren ausgeweitet. Als Ergebnis der Standardisierungsaktivitäten wurden modulare Prozess­einheiten (PEA) in einer indus- triellen Großanlage mittels modularer Automation (MTP-Konzept „Plug-and-Produce“) bereits erfolgreich implementiert.

• Im Vorhaben Orca erfolgten prototypische Implementierungen und die Demonstration unterschiedlicher Orchestrierungssysteme im Labor- und Technikumsumfeld der beteiligten Industriepartner. Als Wegbereiter für die Genehmigung modularer Anlagen wurde ein Planspiel mit Vertretern unterschiedlicher Behörden durchgeführt, das künftige Genehmigungsverfahren erleichtern soll.

• In Hector wird die Technical Operations Research (TOR) Methode auch für die modulare Anlagenplanung eingesetzt. Erste Ergebnisse weisen auf Einsparpotenziale in Höhe von voraussichtlich 10 bis 20 % gegenüber konventionellen Methoden hin. Gleichzeitig kann der modulare Pumpenbaukasten signifikant verkleinert werden.

• Kern des Projektes Moprolog ist die Vernetzung einer modularen Produktion mit einer modularen Logistik. Durch angepasste dynamische Fahrweisen kann der Energie- und Ressourcenverbrauch deutlich gesenkt werden.

• Ein Baustein bei der Durchführung von Energieeffizienzprojekten ist die im Projekt Skampi entwickelte Methodik zur skalenübergreifenden Prozessentwicklung, die schnellere und bessere Entscheidungen ermöglichen soll.

• Dank der in diesem Vorhaben erarbeiteten Methoden sind Produzenten künftig in der Lage, neue energie- und ressourcenschonende Produktionskonzepte mit deutlich geringerem Aufwand als bisher zu entwickeln.

• Die Enpro-Vorhaben Datenintegration und Modula sind Schlüsselprojekte, um die Digitalisierung von der Planung bis hin zum Betrieb von Anlagen voranzutreiben. Schon jetzt nutzt Evonik die erarbeiteten Datenmodelle und -strukturen für den Aufbau seines Asset-Lifecycle-­Datenmodelles.

Ausblick

Das Forschungsfeld chemische Verfahrenstechnik ist langfristig angelegt und die Umsetzung der Ergebnisse erfordert weitere Entwicklungen. Zu beachten ist: Der Einsatz kontinuierlicher Anlagen und neu entwickelter Technologien kann meist nicht der Nachrüstung (Retrofit) bestehender Batch-­Anlagen dienen, sondern zielt auf die Planung und den Betrieb neuer Produktionsanlagen über den gesamten Anlagenlebenszyklus und erfordert erhebliche Anlageninvestitionen. Damit die Forschungsergebnisse den Weg in die Produktion finden, wurde die dafür wichtige Zusammenarbeit zwischen Betreibern und Zulieferern innerhalb der Projekte etabliert.

Der weitere Ausbau des Modulbaukastens für verfahrenstechnische Grundoperationen erschließt weitere Reaktionen. Die Verbindung der Verfahrens- und Reaktionstechnik mit Methoden der Künstlichen Intelligenz ermöglicht beispielsweise sich selbst­optimierende Reaktoren, die Notwendigkeit des 24/7-Betriebes erfordert verstärkte Modellbetrachtung und Prozessuntersuchung in smarten Anlagen, zunehmende Bedeutung prozessspezifischer Inline-Analytik bedingt die Kopplung von Sensorik, Digitalisierung und Produktionsanlagen. Eine zügige Umsetzung der vorliegenden Projektkon-zepte erfordert noch viel Entwicklungsarbeit, auch in Zusammenarbeit mit weiteren F&E-Initiativen.

* * A. Bazzanella und R. Handl sind Mitarbeiter der Dechema e.V., Frankfurt; J. Orantek ist Marketingleiterin, W. Welscher Geschäftsführer der X-Visual Technologies GmbH, Berlin. Kontakt: Tel.+49-69-7564-343

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