Effizienz und Optimierung für Druckluft-Equipment: Viel Luft nach oben

Die Lebenszykluskosten für Druckluft-Anlagen liegen bei knapp 30 Prozent des Investitionsaufwands – die restlichen 70 Prozent müssen für die zum Betrieb erforderliche Energie ausgegeben werden. Unternehmen sind daher gut beraten, alle Möglichkeiten der Optimierung zu nutzen. Verschiedene Projekte Anfang der 2000’er Jahre machten deutlich, dass es kein einheitliches Rezept für die Effizient-Steigerung solcher System gibt. Der einfache Grund: Kein Unternehmen gleicht dem anderen.

Die Firma Xervon in Köln hat jetzt wieder ein Ansatz gemacht, schreibt Hans-Jürgen Bittermann, Autor der Fachzeitschrift „PROCESS“. Das von Xervon betreute Kompressorenhaus im Chemiepark Köln-Merkenich zur Druckluft-Versorgung von drei Chemie-Unternehmen wurde gemeinsam mit einem Energieversorgungs-Unternehmen modernisiert. Kern der Umbauarbeiten war die Investition in neue Kompressoren (zwei Turbokompressoren und drei Schraubenkompressoren). Die redundant ausgelegten Verdichter wurden dabei über eine Ringleitung miteinander verbunden.

Die umfangreiche Sensorik wurde als ein Echtzeit-Monitoring aller relevanten Messgrößen ausgelegt, um daraus eine optimale Regelung abzuleiten. Durchgehend digital erfasst werden unter anderem Druck, Abnahmemenge, Luftfeuchte, Umgebungstemperatur und Stromverbrauch. Die Regelung basiert auf manuell einprogrammierten Vorlagen, die festlegen, welche Kompressoren unter welchen Rahmenbedingungen laufen sollen.

Vorgehensweisen und Challenges bei der Optimierung

Ziel ist ein optimierter Betrieb der Anlage, der insgesamt aber auf den Erfahrungswerten aus der Vergangenheit basiert. Dazu sollen die erfassten Betriebsdaten mit modernen Algorithmen aus dem Bereich Machine-Learning analysiert werden, um Korrelationen tiefgehend zu verstehen und daraus eine perfekte Steuerung abzuleiten.

Konkret werden diese Erkenntnisse im Bereich Data-Science/Machine-Learning mit den Anlagenkenntnissen der Fachleute von Xervon kombiniert. So entsteht ein Gesamtsystem aus Kompressoren unterschiedlicher Hersteller, die zusätzlich noch stark von standortbezogenen Einflussfaktoren abhängen. Um das Potenzial zu bewerten, wurden zwei unabhängige Strategien untersucht: Bei der ersten wurde der aktuelle Betrieb mit Hilfe eines idealen Prozesses bewertet, und damit seine Effizienz bestimmt. 

Im zweiten Modell wurde ein Ersatzentwurf auf Basis der von dem Unternehmen entwickelten Verdichtermodelle an die Daten angepasst.

Ein spezieller Optimierungs-Algorithmus hat dann die Regelparameter mit dem niedrigsten Stromverbrauch gesucht. Mit diesen Strategien konnte eine Reduzierung des Stromverbrauchs von immerhin gut vier Prozent gezeigt werden.

Künstliche Intelligenz verstärkt den Digitalisierungs-Trend

Ein Team aus Forschern der TU Dortmund, bedient sich bei dieser Optimierungs-Challenge aktueller Algorithmen, die bereits für die Optimierung verwandter Disziplinen erprobt wurden.

Diese Vorgehensweise hat sich im Bereich der Instandhaltung bereits bewährt: In einem vergangenen Projekt entwickelte der Dienstleister Xervon mit Hilfe von Künstlicher Intelligenz ein Assistenzsystem, das den Betrieb der betreuten Kühltürme in Köln-Merkenich erleichtert. Das im Rahmen des Projektes entwickelte Tool erzeugt mit diesen Daten und einem Regressionsmodell eine Zukunftsprognose zum energetisch optimalen Betrieb der Kühltürme.

Erkennbar ist dabei ganz klar, dass digitale, datengesteuerte  und -getriebene Dienste und Serviceleistungen ihren Marktanteil deutlich ausbauen werden.

Foto:  weerapong

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Grüner Wasserstoff: Herausforderung bei der Sicherheitstechnik

Im Zuge der Energiewende wird Wasserstoff immer wichtiger werden – allem voran der per Elektrolyse mit erneuerbarem Strom hergestellte ,,grüne“ Wasserstoff. Gegenwärtig ist der globale Anteil von Elektrolyse-Wasserstoff mit weniger als fünf Prozent noch sehr gering, was insbesondere auf die hohen Produktionskosten zurückzuführen ist. Diese werden aber in Zukunft deutlich sinken.

Der Einstieg in eine ,,Wasserstoff-Wirtschaft‘ ist in vollem Gange. Obwohl die Chemie-Industrie seit Jahrzehnten im Umgang mit Wasserstoff geübt ist, ergeben sich gerade im Bereich der Sicherheitstechnik daraus auch neue Herausforderungen.  Sicherheitstechnisch wichtig ist unter anderem der außergewöhnlich die niedrige Mindest-Zündenergie. Auch wegen der extrem hohen Flammengeschwindigkeit, die etwa achtmal höher ist als die einer Methanflamme, ist ein Wasserstoff-Luft-Gemisch außergewöhnlich herausfordernd.

Zur Explosionsgefahr kommt noch die Tatsache, dass Wasserstoffmoleküle sehr klein sind und eine hohe Diffusionsfähigkeit, auch durch metallische Werkstoffe hindurch besitzen. Daher bestehen an die Dichtheit von Wasserstoffapparaturen besondere Herausforderungen, die aber technisch durchaus beherrschbar sind.

Sicherheitsnormen für Wasserstoff

International existiert etliche von Normen, die die sicherheitsrelevanten Belange der
wichtigsten Elemente in der
Wasserstoff-Wertschöpfungskette – darunter die Elektrolyse –
abdecken.


Maßnahmen des primären Explosionsschutzes sollen dabei insbesondere das Freisetzen von Wasserstoff durch ausreichend dichte Anlagenteile verhindern. Ab- gesichert wird dies durch eine Überwachung der unmittelbaren Umgebung mittels Gasmessgeräten. Die Dichtheit stellt einen bestimmenden Aspekt der meisten Sicherheitskonzepte von Wasserstoffanlagen dar.

In Deutschland sind die beiden Kategorien ,,technisch dicht“ und ,,dauerhaft technisch dicht“ seit vielen Jahren bewährt. Auf europäischer Ebene wurde dieser Notwendigkeit in der neuesten Ausgabe EN 1127-1 Rechnung getragen. Allerdings sind die EN hinsichtlich der Konzepte und einiger Details deutlich von den deutschen Normen abweichend.

Transport und Speicherung

Auch bei der Speicherung, dem Transport und der Rückverstromung von Wasserstoff sind die Anforderungen an die Sicherheitstechnik hoch. Wie bei der Herstellung bestehen jedoch international heute noch keine wirklich ausreichenden Normen und Standards in allen Prozessen.

Die Sicherheitsanforderungen für den Betrieb einer umfassenden Wasserstoff-Infrastruktur sind zwar nicht höher als man sie von den fossilen Energieträgern kennt, aber eben auch nicht geringer – zumindest auf die Explosionsgefahren bezogen. Sicherheitstechnisch günstigere Eigenschaften wie die hohe Flüchtigkeit aufgrund der geringen Dichte stehen ungünstigere Eigenschaften wie die extrem niedrige Mindestzündenergie und der hohe Diffusionskoeffizient entgegen.

Wasserstoff wird zukünftig nicht nur in gut von der Öffentlichkeit abgeschotteten, von geschultem Personal betriebenen Anlagen gehandhabt, sondern viele neue Anwendungen werden dezentral betrieben. So werden Elektrolyseanlagen in der Nähe von Windparks errichtet, umfangreiche Wasserstoff-Belieferungs- und Betankungsnetze entstehen.

Es ist daher sehr zu begrüßen, dass ISO und IEC viele wichtige Aspekte der Sicherheitstechnik entlang der Wasserstoffketten in internationalen Standards behandeln, schreibt Prof Dr.
Thorsten Arnold in der Fachzeitschrift „Chemie Technik“.

Foto: Negro Elkha

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Die Chemieindustrie befindet sich im digitalen Umbruch

„Geschwindigkeit wird zum Wettbewerbsvorteil“ so titelt ein Interview des Fachmagazins Chemie Technik im April 2022 mit Tobias Gehlhaar, Geschäftsführer des Bereichs Chemie, Grundstoffe und Versorgungswirtschaft bei Accenture zu einer von ihnen erstellten Studie zur Zukunft der Chemiebranche.

Die Chemie gehört zweifellos zu den großen Leitindustrien in Deutschland. Da geht es wirklich um Schwerindustrie und dementsprechend sind auch die Herausforderungen ähnlich. „Das Spannende für mich ist hier besonders, wie sich die Unternehmen aus diesem Bereich nun verstärkt Themen wie Digitalisierung und KI nähern und neue Technologien adaptieren“, so Gehlhaar und ergänzt: „Ich glaube, dass es für Unternehmen in der aktuellen Phase des Umbruchs notwendig ist, die eine oder andere ‚Wette’ auf die Zukunft zu setzen.“

Ein Problem sieht er beim Thema Brennstoffbeschaffung und Energieeffizienz und glaubt, dass wir in Zukunft viel mehr Kooperationen zwischen beiden Bereichen sehen werden. Ein Hemmschuh sei hier, dass gerade deutsche Industrieunternehmen sehr zurückhaltend sind, was Partnerschaften auf Augenhöhe angeht. Die Überlegung, dass man alleine die Wertschöpfung bestimmen muss, ist teilweise sehr tief in den Unternehmenskulturen verankert.

Wo geht es in Zukunft hin?

Es gäbe in der jüngeren Wirtschaftsgeschichte durchaus Beispiele, die uns zeigten, wo die Reise hingehen könnte, argumentiert Thomas Gehlhaar: „In der Finanzbranche etwa haben wir gesehen, dass einige Innovationen in diesem Bereich nicht bei den großen Playern, sondern bei kleinen Startups, den sogenannten Fintechs, stattgefunden haben“.

So eine Entwicklung sei auch in der Chemie möglich, gerade vor dem Hintergrund der sich abzeichnenden Verwerfungen im Energiebereich. Die Vorstellung, dass Assets ein Unternehmen langfristig schützen, sei falsch. Sobald sich Innovationen durchsetzen, gäbe es zwei Möglichkeiten: Entweder die Innovatoren schaffen es nicht selbst zu skalieren, dann schwappen die Innovationen zu etablierten Unternehmen hinüber und diese können sie nutzen, beziehungsweise vermarkten. Oder aber, es erwachsen neue Player – wie beispielsweise in der Telekommunikation und Technologie – die den großen Playern dann einen substanziellen Teil ihrer Margen ,,stehlen“.

Wie sich Chemie neu aufstellen sollte

Durch neue Verordnungen und Regeln, die beispielsweise im Bereich Energiewende in den nächsten Jahren kommen werden, wird Geschwindigkeit und Bereitschaft zum Wandel zum Wettbewerbsvorteil werden. Wenn es dann bald nicht mehr vor allem um Produktionskapazitäten und Qualität geht – alles Dinge: in denen die deutsche Industrie traditionell stark ist – dann wird das zum Problem, meint Experte Gehlhaar.

Am Ende geht es um die Frage: Wie schnell ist ein Unternehmen in der Lage, von einer Idee zur Umsetzung zu kommen. Sie sollten sich selbstkritisch mit der Frage auseinandersetzen ‚wo stehen wir da’? Dabei geht es dann um verschiedene Freigabestufen, Hierarchien im Unternehmen und so weiter. Eine ehrliche Bestandsaufnahme ist hier eine sehr hilfreiche Maßnahme, betont Gehlhaar.

Wenn Unternehmen nur in ihren eigenen Produktlinien denken und diese inkrementell weiterentwickeln, wird dabei nicht die nächste Disruption entstehen, die den Markt komplett umkrempelt. Und das heißt unter Umständen Investitionen in einem Bereich zu tätigen, für den aktuell noch gar kein Markt da ist.

Quelle und Zitate: Fachzeitschrift Chemie Technik – das Original-Interview führte Jona Göbelbecker

Foto: Yellow Boat

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Produktion von Chemiefasern: Speziell angepasste Wasseraufbereitungsanlagen zur Vollentsalzung

Über die Spinnerei bis hin zur Kabelproduktion und zum Faserzuschnitt: Bei all diesen Arbeitsstufen wird vollentsalztes Wasser (VE-Wasser) benötigt – ein nahezu reines Wasser, das weitgehend elektrolytfrei ist  und eine geringe Leitfähigkeit aufweist. Etwa 70 Prozent des Wassers wird für die Produktion von Polyester-Erzeugnissen eingesetzt. Um gewünschte chemische Reaktionen hervorzurufen bzw. diese nicht zu stören, muss das Wasser möglichst salzfrei sein. Individuell angepasste Wasseraufbereitungssysteme können für einen deutlich geringeren Wartungsaufwand und eine höhere Wirtschaftlichkeit sorgen.

Durch vollentsalztes Wasser vermeiden Faserhersteller unter anderem Ablagerungen im Dampfkessel, die oft zu Korrosionsschäden und im schlimmsten Fall auch zum Bersten eines Kessels führen könnten. Alle weiteren Behältnisse, Leitungen und Armaturen, mit denen das Wasser auf seinem Weg zu den Fertigungsstufen in Kontakt kommt, werden durch vollentsalztes Wasser gleichfalls geschont, sofern sie aus geeigneten Werkstoffen bestehen.

Zuverlässigkeit und reduzierte Logistik

Individuell angepasste Wasseraufbereitungsanlagen sollten das gewünschte reine Wasser in höchster Qualität liefern, ohne den Einsatz von Gefahrstoffen auskommen, und zudem die Wartung vereinfachen sowie rund um die Uhr verfügbar sein. Tatsächlich würde ein Ausfall unter Umständen mehrere hunderttausend Euro am Tag kosten. Daher ist die Zuverlässigkeit einer solchen Anlage ein extrem wichtiges Kriterium.

Allein die Zuarbeit für den beginnenden Entsalzungsvorgang war früher viel aufwändiger. So mussten beispielsweise täglich rund 300 kg Regeneriersalz aus 25-kg-Säcken händisch in Salzbehälter gefüllt werden. Diesen hohen logistischen Aufwand spart man sich durch die neue Lösungen, bei dem große Salzsole-Bunker entstehen (in der fürs Unternehmen benötigen Größe), in denen kontinuierlich Sole gebildet wird und damit die Solezumessgefäße der Enthärtungsanlagen gespeist. In dieser Konstellation wird lediglich alle 1,5 Monate das dazu nötige Salz im Silo-LKW angeliefert.

Zweite Reinheitsstufe durch Umkehrosmose

In Umkehrosmose-Anlagen werden semipermeable Membranen eingesetzt, die ausschließlich wasser-, nicht aber salzdurchlässig sind. In dieser Stufe entsteht dann endgültig eine Vollentsalzung und das gewünschte „reine Wasser“. Alle Anlagenteile, mit denen es in Kontakt kommt, eine haben längere Lebenszeit und müssen nur sehr selten gewartet oder gereinigt werden. Und das trifft auch auf das zentrale Element der Dampferzeugung, den Dampfkessel, zu. Möglicherweise vorhandene Restmengen an Salzen müssen unter Umständen trotzdem mehrfach am Tag durch Ablass-Entspanner entfernt werden.

Das über 200° C warme Kesselwasser wird dazu auf 40° C heruntergekühlt, um so ins Abwassersystem eingeleitet werden zu können. Dazu dient vorhandenes weiches Wasser, das direkt aus der Enthärtungsanlage kommt und im Ablass-Entspanner vorgelagert wird.

Foto: chinnawat

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Social Media

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