Smart Process Manufacturing Kein Gegensatz: Warum Prozessindustrie und Nachhaltigkeit zusammen gehören

Von Hans-Jürgen Bittermann

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Was treibt die Verantwortlichen der Prozessindustrie derzeit um? Neben den Sorgen um die Gasversorgung sind das neben dem Dauerbrenner Effizienz vor allem der modulare Anlagenbau und damit verknüpft das integrierte Prozessdesign. Über allem schwebt natürlich die digitale Transformation: Sie verbindet im Grunde alle diese Herausforderungen. Gilt das auch für die Nachhaltigkeit?

Das Yin&Yang-Prinzip gilt auch für die Nachhhaltigkeit in der Prozessindustrie: Das eine ist ohne das andere nicht zu haben.
Das Yin&Yang-Prinzip gilt auch für die Nachhhaltigkeit in der Prozessindustrie: Das eine ist ohne das andere nicht zu haben.
(Bild: © Vadim Cebaniuc, Henry St. John, navintar - stock.abobe.com; [M]VCG)

Die vergangenen Monate haben insbesondere allen Beteiligten der Prozessindustrie – dem Produzenten ebenso wie dem Anlagenbauer und Komponentenanbieter – eindringlich vor Augen geführt, welche Bedeutung die Themen Digitalisierung, Flexibilität und stabile Lieferketten haben. Wie wichtig es ist, Produktionen schnell aufbauen oder anpassen zu können. Wo bisher Kostensenkung und Effizienz im Vordergrund standen, rücken heute verstärkt Flexibilität und Resilienz in den Vordergrund.

Eine überzeugende Lösung dafür sind modulare Anlagen, die aus Plug-and-Play-Komponenten nach Bedarf auf unterschiedliche Prozesse, Produktionsvolumina oder Standorte angepasst werden können.

Ergänzendes zum Thema
Quo vadis, Smart Process Manufacturing?

Auf dem Smart Process Manufacturing-Kongress 2022 waren in den Diskussionsrunden und in den Pausen vielfältige Stimmen und Stimmungen zu vernehmen. Die Redaktion hat einige aufgeschrieben...

(1) Dass in den großen Konzernen mittlerweile überall Digitalisierungsstrategien vorhanden sind, stimmt durchaus optimistisch. Doch es gibt in Deutschland rund 600 meist mittelständische Chemieunternehmen. Wie holt man die alle ins digitale Boot? Und es ist zudem zu beobachten, dass die digitale Transformation auch bei den Konzernen zum Teil Stückwerk bleibt und nicht so schnell vorankommt, wie beim Start der Initiativen gedacht. Ein wichtiger Punkt für den Erfolg der Digitalisierung ist mit Sicherheit die Nutzerfreundlichkeit – warum müssen Industriesoftwarelösungen so viel schwieriger handhabbar sein als unsere Smartphones? Endziel sollte sein, nicht mehr über Digitalisierung nachzudenken, sondern diese als vorhandenes Werkzeug zu begreifen.

(2) Die frühen Jahre der Digitalisierung (der Begriff ‚Industrie 4.0‘ ist gerade einmal knapp über zehn Jahre alt …) waren geprägt durch viele Pilotprojekte, gerne auch Leuchtturmprojekte genannt. Jetzt verzeichnen wir allerorten die praktikablen Projekte mit mehr Sinnhaftigkeit (Stichwort: Nachhaltigkeit). Typische Projekte befassen sich beispielhaft damit, nicht über eine Erweiterung einer bestehenden Produktionsanlage nachzudenken (denn neue Anlagen brauchen Jahre der Planung und Umsetzung), sondern durch Optimierung von Bestandsanlagen mehr Produkt generieren zu können – beispielhaft genannt eine Anlage von Bayer in Bergkamen, um Kontrastmittel zu produzieren.

Darüber hinaus ist es wichtig, IT und OT zu verbinden und durchlässig zu machen. Überall ist vom digitalen Zwilling die Rede. Doch es gibt nicht nur den einen digitalen Zwilling – es gibt je einen digitalen Zwilling für jeweils besondere Gesichtspunkte (wer Nachhaltigkeit im Sinn hat, braucht andere Daten als der Energieeffizienz-Optimierer).

(3) Es macht sich der vernünftige Grundsatz breit, dass es bei aller möglichen Flexibilität durch die Digitalisierung auch gewisse Leitplanken geben muss, damit nicht an jedem Standort individuelle Lösungen installiert werden (‚Governance‘).

Erfahrene Digitalisierer raten dazu, die Tools weitgehend zu standardisieren und individuelle Anpassungen zu limitieren. „Organisiere Prozesse und konzentriere dich nicht auf Technologien!“ Die Erfahrung zeige auch, dass es wichtig ist ehrlich zu kommunizieren, was Vision ist und was der aktuelle Stand der Dinge. „Unterscheide zwischen Fake und Fact!“

Nicht zuletzt scheitern Digitalisierungs-Konzepte an der Komplexität. Schon bei der Beschreibung des eigentlichen Ziels geht es nicht zum Punkt – jeder hat noch ein Detail, das Ganze artet vielfach aus. Ideen gibt es viele, der Unterschied besteht im ‚Machen‘. Und immer wieder wird unterschätzt, dass die Transformation nicht allein eine technische Frage ist – die Mitarbeiter sind Teil des Erfolgs. Digitalisierung ist eine Frage der Motivation.

Module sparen Zeit und Kosten

Es ist aus mehreren Gründen von Vorteil, wenn der Anlagenplaner bevorzugt in Funktionen – sprich: Modulen & Systemlösungen - denkt: Er muss dann nicht immer wieder alle Details von Komponenten neu durchdenken. Wichtiger noch: Modularisierte Baugruppen machen es möglich, fertige und bewährte Lösungen in neuen Projekten wiederzuverwenden; das spart Zeit und Kosten. Aus einzelnen Bausteinen (Prinzip Lego) mit unterschiedlichen Funktionen lassen sich die Anlagen schnell immer wieder neu zusammenstellen, um unterschiedlichste Produktionsverfahren abzubilden. Der später für die Technik verantwortliche Betriebsingenieur schätzt die damit gewonnene Prozesssicherheit und Anlagenverfügbarkeit.

Das modulare Engineering gewinnt an Fahrt

Modulare Anlagen sind insbesondere der Schlüssel, um dem Bedarf nach kleineren Chargen unterschiedlicher Produkte gerecht zu werden. Das erfordert flexible, schnelle und kostengünstige Herstellungsprozesse in der Prozessindustrie.

Die alte Tutzing-Vision der 50-%-Idee (48. Tutzing-Symposion 2009) nimmt deshalb aktuell Fahrt auf – schnell planen und bauen, ohne auf Perfektion und optimale Lösungen zu schauen. Hintergrund der 50-%-Idee war ursprünglich, mit modularen Anlagen die Planungs- und Ausführungsphasen von Investitionsprojekten zu beschleunigen - insbesondere bei Projekten in abgelegenen Regionen mit schwierigen infrastrukturellen oder klimatischen Bedingungen. Vorgefertigte und getestete Fertigungseinheiten sollen an den endgültigen Standort geliefert werden, wo nur noch die Endmontage erfolgt, was den Aufwand für die Inbetriebnahme der Anlage minimiert.

Haben monolithische, proprietäre DCS-Dinosaurier eine Überlebenschance?

Dr. Andreas Bamberg, Merck, hat die Tutzing-Vision konzeptuell weiter entwickelt, wie sein Vortrag auf dem Smart Process Manufacturing-Kongress 2022 zeigte. Seiner Überzeugung nach war es nicht nur folgerichtig, Anlagenmodularität und Skid-Design mit Prozessintensivierung zu kombinieren – nicht minder wichtig war es, Fertigungsmodule konsequent mit eigener Intelligenz auszustatten und damit eine Internet-of-Things-Prozessautomatisierungsarchitektur zu ermöglichen, die eine pyramidale, hierarchische Struktur ersetzt.

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„Die Tinte auf den ersten Konzepten für ‚Modular Type Packages‘, den Kernsoftwaremodulen zur Beschreibung von Diensten modularer Fertigungseinheiten, war noch nicht ganz getrocknet, als der Industrie 4.0- und Digitalisierungs-Hype einen entscheidenden Anstoß zur Realisierung erster Pilotanwendungen gab. Und nun sehen wir erste kommerzielle Systeme in Betrieb und fragen uns, ob monolithische, proprietäre DCS-Dinosaurier in der Life Science-, Pharma- oder Feinchemie-Industrie überhaupt eine Überlebenschance haben.“ Unter anderem gab er diese Erfolgsfaktoren zu bedenken:

  • Denke und plane modulare Anlagen aus ‚best units‘
  • Nutze wieder verwendbare, wandelbare Module. Denke nicht statisch!
  • Perfektionismus wird erschwinglich und kann nachgeliefert werden.
  • Es zahlt sich aus, viel Zeit in die Konfiguration der Module zu investieren.

Bambergs Beitrag zeigt, dass wir uns im Übergang von ‚make to order‘ (Produktion auf Bestellung) zu ‚process to order‘ befinden (aus der Produktbestellung wird ein geeigneter Prozess aus bestehenden Modulen abgeleitet) - nicht nur für Nischenprodukte, sondern möglicherweise für alle wertschöpfungsintensiven oder zeitkritischen Prozesse.

Hohes Einsparpotential: drei Terrawattstunden Energie

Optimistisch stimmt auch die jüngste Veröffentlichung der Initiative Enpro (Energieeffizienz und Prozessbeschleunigung für die Chemische Industrie) im April 2022. Demnach könnten durch den Übergang zu kontinuierlichen Prozessen, Modularisierung und Digitalisierung in der deutschen Spezialchemie bis zu drei Terrawattstunden Energie jährlich eingespart werden.

Die Zahlen gehen auf Schätzungen von Unternehmen der chemischen Industrie zurück, die in der Initiative mitarbeiten. Demnach wären bei deutschlandweiter Umsetzung der Technologien, die in den einzelnen Projekten entwickelt wurden, Einsparungen von 1,3 Terrawattstunden Strom und 1,7 Terrawattstunden Wärme pro Jahr erreichbar. Das entspricht dem jährlichen Energiebedarf einer mittleren Großstadt.

Das war der Smart Process Manufacturing Kongress 2022
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Darüber hinaus werden auch Roh- und Hilfsstoffe eingespart. Für den Anlagenbau bedeutet die Modularisierung eine Reduzierung des Planungsaufwands um geschätzt zehn bis 30 Prozent. Der Aufwand für die Integration von Modulen in Anlagen vor Ort sinkt dank der Standards und des Prinzips ‚Plug-and-Produce‘ um 80 Prozent. Weitere Vorteile betreffen u.a. Verbesserungen bei Qualität, Ausbeute, Einsparungen an Apparate- und Automatisierungskosten, umfangreiche Standardisierungen, verbesserte Methoden für eine optimale Modulauswahl sowie vereinfachte Wartungs- und Folgeprozesse.

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Die Arbeiten von Enpro konzentrieren sich auf drei Schwerpunkte

  • „Batch-to-Conti“: Mit dem Übergang von Einzelchargen zu kontinuierlichen Prozessen lassen sich nicht nur Energie- und Ressourceneffizienz steigern, auch die Produktqualität wird verbessert und Anlagen können schneller und preiswerter gebaut werden.
  • Modularisierung: Der Aufbau von Anlagen aus intelligenten vernetzten Modulen erhöht die Energieeffizienz und senkt gleichzeitig den Engineering-Aufwand.
  • Datenintegration: Werden Anlagen- und Prozessdaten im Lebenszyklus und entlang der Wertschöpfungskette für alle Beteiligten online verfügbar (Digitaler Zwilling), steigt die Anlagen-, Energie- und Ressourcen-Effizienz, während sich Planungszeiten verringern.

Die Betreiberfirmen Merck und Evonik sind bereits dabei, einzelne Ergebnisse für interessante Marktentwicklungen und Investitionen einzusetzen.

Dies betrifft den Aufbau der Modularen Produktion von Spezialchemikalien bei Merck; bei Evonik geht es unter anderem um den Einsatz von Modularisierung in weiten Teilen ihrer Pilotanlagen und bei Implementierungen nachhaltiger Infrastrukturvorhaben.

Instandhaltung profitiert von Trendanalysen

Instandhalter und Wartungsspezialisten haben schon früh die Möglichkeiten der Digitalisierung erkannt und genutzt. Denn die Digitalisierung ermöglicht es – sozusagen wie ein Röntgenbild – Dinge zu erkennen, die zuvor verborgen waren. Das gelingt sehr gut über das langfristige Erfassen von relevanten Daten (Temperaturen, Drücke, Volumenströme) und deren Analyse (Trends, Abweichungen). Kernpunkt ist die Analyse, um aus Big Data aussagekräftige Smart Data zu generieren – dazu bedarf es des Know-hows erfahrener Praktiker.

Hier spielen Sensoren naturgemäß eine zentrale Rolle. Produktionsanlagen der Prozessindustrie, wie man sie z.B. in den Bereichen Chemie, Pharma- oder Lebensmittelproduktion findet, sind ohne Automation und Sensorik heute nicht mehr wirtschaftlich und sicher zu betreiben. Schon heute findet man 5.000 bis 10.000 Prozessoren in einem einzigen Produktionsbetrieb der Prozessindustrie (Quelle: Dechema, 2022).

Zukünftig wird wie beschrieben zunehmend modular mit kleineren und vielseitiger nutzbaren Prozessmodulen für häufig wechselnde Produkte produziert werden. Durch intelligente Funktionen in den Sensoren und zunehmenden Einsatz von maschinengestützten Lernalgorithmen (KI-Methoden) werden Daten zu Information bzw. zu Wissen. Mit dem Übergang zur Industrie 4.0 entwickelt sich die Anbindung von Sensoren aus den bisherigen hierarchischen Strukturen hin zu eigenständig agierenden Cyber-physischen Systemen (CPS).

Warum bleibt der Großteil der Daten aus der Feldebene ungenutzt?

Die Crux ist bis heute, dass smarte Feldgeräte wie Pumpen, Kompressoren und Ventilatoren zwar mit dem zentralen Gebäude- oder Prozessleitsystem kommunizieren, aber die fleißig gesammelten Massendaten aufgrund von Sicherheitsbedenken und wegen technischer Hürden vielfach nur zur nachträglichen Fehleranalyse genutzt werden.

Experten schätzen, dass 97 Prozent der Daten aus der Feldebene ungenutzt bleiben. Die Herausforderung ist, an diese Daten ranzukommen. Heute stehen dazu sehr leistungsfähige Echtzeit-Bus-Systeme wie das Industrial Ethernet und Cloud-Anbindungen bereit. Eine datenbasierte Verzahnung der Bereiche Produktion und Instandhaltung ist somit möglich. Sehr anschaulich sprechen Experten von einem ‚Langzeit-EKG‘.

Hier könnte der Digital Worker von Siemens eine entscheidende Rolle spielen: Er verbindet die virtuelle und die reale Welt über mobile Endgeräte wie Laptops, Tablets, Smartphones oder Datenbrillen. Das intuitiv bedienbare Softwarekonzept ersetzt die zeitaufwendigen analogen Prozesse, die die Arbeitsabläufe im Feld verlangsamen.

Beispielsweise erleichtert der Digital Worker eine Wartungsanforderung, indem er notwendige Daten wie Anweisungen, Checklisten oder technische Dokumentationen bereitstellt. Außerdem kann er das Personal zu den entsprechenden Anlagen vor Ort navigieren und kontextbezogene Informationen wie die Wartungshistorie oder den aktuellen Zustand der Anlage nahezu in Echtzeit bereitstellen.

Ob Inbetriebnahme von Feldgeräten, Qualitätskontrollen oder Wartungsanfragen – der Digital Worker erleichtert nicht nur die Arbeit, sondern bietet auch mehr Datenqualität und Sicherheit. Beispielsweise lassen sich alle Personen, Werkzeuge und Ausrüstungen in der Anlage über GPS tracken, was bei schweren Unfällen sogar Leben retten könnte.

Das Datenmanagement und die Konsolidierung der Informationen übernimmt beim Digital Worker ein Applikationsserver – Cloud­basiert oder vor Ort. Er stellt die aufgabenspezifischen Informationen bereit, deren Ausgabe auf den mobilen Endgeräten ebenfalls an die Aufgaben angepasst ist. Das beinhaltet auch Augmented­Reality­Services, mit deren Hilfe die wirkliche Umgebung mit digitalen Inhalten angereichert wird.

Nachhaltigkeit ist das Ziel, Digitalisierung der Enabler

Was verbindet die Themen ‚Digitalisierung‘ und ‚Nachhaltigkeit‘? Man kann es schlicht so ausdrücken: Ressourcenschonendere Produktion durch effiziente Algorithmen. Nachhaltiger werden und zugleich profitabel produzieren – das geht also.

Nachhaltigkeit ist für Akteure der chemischen Industrie kein neues Streben. Neu ist jedoch die Intensität des Veränderungsdrucks und die vielen Richtungen, aus denen dieser Impuls kommt. Der Verbraucherbedarf nach umweltverträglichen und zukunftsfähigen Produkten hat sich verstärkt. Laut dem Chemical Industry Outlook 2021 von Deloitte legen Kunden zunehmend Wert auf Nachhaltigkeit und priorisieren Produkte auf der Grundlage von Kreislaufwirtschaft und CO2-Fußabdruck. Dies veranlasst Führungskräfte vieler Chemieunternehmen, bestehende Anlagen zu überprüfen, die Recyclingbemühungen zu beschleunigen und die Zirkulation oder Abscheidung von CO2 in Ihren Produkten zu untersuchen.

Das Optimum zwischen Profit und Nachhaltigkeit finden

Es ist keine Frage: Digitalisierung ist notwendig, um nachhaltige Lösungen zu ermöglichen (Energieeffizienz, Flexibilität, Transparenz). Wer Dampfströme und Energie per Digitalisierung optimiert, ist in der Tat nachhaltig. Und die Digitalisierung bietet Daten für eine Lebenszyklusbetrachtung. Früher hieß die Aufgabe: Optimiere den Profit, heute heißt es: finde das Optimum zwischen Profit und Kohlendioxidemissionen.

Forschende des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) arbeiten beispielsweise daran, Produktionsprozesse in verfahrenstechnischen Anlagen mithilfe von Algorithmen effizienter zu gestalten und dadurch Ressourcen einzusparen. Beispielsweise erlaubt das am KIT entwickelte vierstufige Verfahren bioliq (Biomass to Liquid) die Herstellung umweltfreundlicher Kraftstoffe aus Restbiomasse in einem industrienahen Betrieb.

Die EU will mehr Recycling und Einsatz von Recyclaten

Mit der Sustainable Products Initiative (SPI) vom März dieses Jahres will die EU-Kommission Energieeffizienz- und Ressourcenschutzanforderungen an eine Vielzahl von Produktgruppen regeln. Anders als die bisher geltende Ökodesign-Richtlinie soll die neue Verordnung nicht nur für energieverbrauchsrelevante Produkte, sondern für fast alle physischen Produkte gelten.

Die Verordnung soll künftig den rechtlichen Rahmen vorgeben, mit dem Anforderungen für Umwelt- und Ressourcenschutz an Produkte gestellt werden können. Die neue Ökodesign-Verordnung stellt selber keine direkten Anforderungen an Produkte. Sie gibt aber vor, welche Anforderungen in zukünftigen Produktverordnungen gestellt werden sollen und können.

Die Kommission wird einen Zeitplan für die Erarbeitung prioritärer Produktverordnungen vorlegen. Neu ist, dass der gesamte Lebenszyklus der Produkte Beachtung bei neuen Umweltschutzanforderungen finden soll. Die Vorgaben aus der Verordnung sollen zukünftig zu längerer Haltbarkeit, Austauschbarkeit von Einzelteilen und zu mehr Reparierbarkeit führen. Außerdem wird der Einsatz von Recyclaten und damit das Recycling insgesamt gestärkt. So konkret waren die Vorgaben der Ökodesign-Richtlinie bislang nicht.

Praxis-Beispiel für Digitalisierung & Nachhaltigkeit

In der Anlage von Renew ELP – ein in Großbritannien ansässiges Recyclingunternehmen – wird ein Recyclingverfahren mit der Bezeichnung „HydroPRS“ (Hydrothermal Plastic Recycling System) zum Einsatz kommen. Dabei wird überkritischer Wasserdampf (mit hohem Druck und hoher Temperatur) verwendet, um Kunststoffabfälle in die Chemikalien und Öle umzuwandeln, aus denen sie ursprünglich hergestellt wurden. Diese Produkte können anschließend zur Herstellung neuer Kunststoffe und anderer Materialien verwendet werden.

Emerson wird als Hauptvertragspartner hinsichtlich Automatisierung für die Entwicklung einer kompletten Automatisierungs- und Steuerungslösung verantwortlich sein, um den sicheren, effizienten Betrieb des anspruchsvollen Produktionsprozesses mit minimalem Bedienereingriff zu ermöglichen. Die von Emerson entwickelte Project Certainty-Methode zur Digitalisierung der Projektausführung wird dazu beitragen, den Bau der Anlage budget- und termingerecht abzuschließen. Gleichzeitig wird Emersons Operational Certainty ReNew ELP bei der Erzielung einer optimalen Leistung und Rentabilität über die gesamte Nutzungsdauer der Einrichtung hinweg helfen.

Die Inbetriebnahme der Anlage ist für Ende 2022 geplant. In der ersten Phase wird die erste von vier Recyclinglinien betriebsbereit sein, von denen jede 20.000 Tonnent Kunststoffabfälle jährlich verarbeiten kann.

Die Digitale Transformation ist kein Projekt, das irgendwann endet

Digitalisierung ist ein Prozess – der immer weiter verfeinert wird und sich im Wandel befindet. Um die in der Headline gestellte Frage zu beantworten: Prozessindustrie und Nachhaltigkeit sind keinesfalls Gegensätze (Yin & Yang), sondern die zwei Seiten der gleichen Medaille. Sie ergänzen, ja sie bedingen sich vielfach.

Die vergangenen Monate haben insbesondere allen Beteiligten der Prozessindustrie – dem Produzenten ebenso wie dem Anlagenbauer und Komponentenanbieter – eindringlich vor Augen geführt, welche Bedeutung die Themen Digitalisierung, Flexibilität und stabile Lieferketten haben. Wie wichtig es ist, Produktionen schnell aufbauen oder anpassen zu können. Wo bisher Kostensenkung und Effizienz im Vordergrund standen, rücken heute verstärkt Flexibilität und Resilienz in den Vordergrund.

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