Trenntechnik 4.0 POSITIONSPAPIER - Dechema
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POSITIONSPAPIER Trenntechnik 4.0
T RENNT ECHNIK 4.0
IMPRESSUM Inhaltsverzeichnis
Autoren: Motivation 2
Torsten Brinkmann
Christoph Ehlers Chemische Industrie im Wandel - Herausforderungen an die Trenntechnik 3
Marcus Grünewald
Andreas Jupke Schutz der Umwelt und Klimawandel 4
Carsten Knösche
Thomas Runowski Verfügbarkeit von Rohstoff- und Energiequellen 5
Jens-Uwe Repke
Globalisierung und Intensivierung des wirtschaftlichen Wettbewerbs 7
Das vorliegende Positionspapier entstand aus mehreren Diskussionen
im ProcessNet Temporärer Arbeitskreis Separation Units 4.0. Digitalisierung 8
Die Autoren möchten allen beteiligten Kollegen,
die so am Papier mitgewirkt haben, recht herzlich danken. Empfehlungen für Forschung, Entwicklung und Lehre 11
Herausgeber
ProcessNet Temporärer Arbeitskreis Separation Units 4.0
Verantwortlich im Sinne des Presserechts
DECHEMA e.V.
Dr. Andreas Förster
Theodor-Heuss-Allee 25
60486 Frankfurt am Main
Erschienen im Juni 2021
Bildnachweise
Titel: Bayer AG, Leverkusen/D
1
T RENNT ECHNIK 4.0
Motivation Chemische Industrie im Wandel –
Herausforderungen an die Trenntechnik
Heute leben rund 7,7 Milliarden Menschen auf der Erde, Neben der Energie- und Rohstoffwende stellt die Glo-
Vor dem Hintergrund drängender gesellschaftlicher He- deren Bedarf an elektrischer Energie 20000 TWh pro balisierung die Unternehmen vor neue Herausforderun-
rausforderungen sowie technischer Neuentwicklungen Jahr übersteigt und die jährlich über 30 Milliarden Ton- gen. Nationen wie China und Indien sind nicht mehr nur
kann, muss und wird die Trenntechnik von morgen tech- nen Kohlendioxid in die Atmosphäre abgeben. Abgese- Konkurrenten im Massenmarkt, sondern auch ernstzu-
nische Lösungen bereit stellen, die die Ökobilanz und hen davon, dass die natürlichen fossilen Ressourcen nehmende Technologieinnovatoren im Feinchemikali-
die Wirtschaftlichkeit chemischer Prozesse maßgeblich der Erde endlich und damit alternative Rohstoffquellen en- und Pharmabereich. Die sich aus dieser Entwicklung
verbessern. Das vorliegende Positionspapier stellt die- erforderlich sind, führt die derzeitige Ressourcennut- ergebende Intensivierung des wirtschaftlichen Wettbe-
sen Sachverhalt ausführlich dar und gibt Empfehlungen zung zu erheblichen Umweltproblemen, einschließlich werbs erfordert eine Verkürzung von Entwicklungszyklen
für Forschung, Entwicklung und Lehre, wie diesen Her- gravierender Klimaveränderungen. Um Wohlergehen und eine zunehmende Flexibilisierung der Produktion.
ausforderungen begegnet werden kann. Der Text basiert und weitere wirtschaftliche Entwicklung auch zukünftig Das ist wiederum nur mit technologischen Innovationen,
in seiner Struktur auf den wesentlichen Inhalten des 58. sicherzustellen, müssen Lösungen für diese globalen nicht zuletzt im Bereich der Trennverfahren, zu errei-
Tutzing-Symposion Separation Units 4.0 (Sept 2019) Herausforderungen gefunden werden. chen.
und richtet sich an interessierte LeserInnen aus allen
Teilen der Gesellschaft. In der Konsequenz stehen wir vor einer tiefgreifenden Schon heute beeinflussen digitale Technologien alle Be-
Energiewende, die zu einer Diversifizierung unserer reiche der Gesellschaft. Digitale Lösungen versprechen
Energiequellen führen wird. Neben grünem Strom wer- mehr Effizienz aber auch mehr Effektivität. Damit sind
den (bereits vergessene) Energieträger wie Wasserstoff, sie zu einem der wichtigen Innovationstreiber für die
synthetische Kraftstoffe oder sogar Ammoniak inten- Weiterentwicklung der Trenntechnologien geworden. Sie
siv in Wissenschaft und Gesellschaft diskutiert. Aber helfen, Trennoperationen besser zu beschreiben, neue
auch neue Rohstoffquellen und CO2-arme chemische Lösungen zu entwickeln, Apparate effizienter auszule-
Wertschöpfungsketten werden beforscht. Dazu zäh- gen und optimal zu betreiben.
len alle P2X- und CCSU-Technologien (Power to X bzw.
Carbon Capture, Storage and Usage) aber insbeson-
dere auch biotechnologische Herstellungsverfahren.
Die Wirtschaftlichkeit dieser Prozesse wird wesentlich
durch die notwendigen Trennschritte zur Reinigung von
Wertprodukten oder Abströmen und zur Rückführung
von Lösungsmitteln oder unverbrauchten Reaktanten
bestimmt. Effiziente Trennverfahren sind deshalb ein
Schlüssel für nachhaltige und zugleich wirtschaftliche
Prozesse.
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T RENNT ECHNIK 4.0
Schutz der Umwelt und Klimawandel Verfügbarkeit von Rohstoff- und Energiequellen
Nachhaltigkeit ist in der heutigen Zeit nicht nur ein Neben den Auswirkungen des Ausstoßes klimaschäd- Die endliche Verfügbarkeit fossiler Rohstoffe und zuneh- und Verschmelzung unterschiedlicher Trennoperatio-
Schlüsselfaktor für Innovation, sondern auch eine licher Gase auf unser Ökosystem stellen auch andere mende Umweltprobleme erzwingen einen Wandel in der nen und andere Möglichkeiten der Prozessintensivie-
wichtige Forderung unserer Gesellschaft. Die im Pari- umweltschädliche Emissionen ein Problem für unsere Rohstoffbasis und bei der Verwendung von Energiequel- rung im Fokus der technologischen Entwicklung bleiben.
ser Klimaabkommen und in den siebzehn Sustainable Gesellschaft dar, das es zu lösen gilt. End-of-Pipe-Tech- len. Als Konsequenz werden sich Wertschöpfungsketten Bekannte aber bisher weniger genutzte Technologien
Development Goals der Vereinten Nationen definierten nologien zur Reinigung von Abgasen und Abwässern ge- und Energieversorgungskonzepte ändern. Um die Klima- werden zusätzlich an Bedeutung gewinnen. Beispiele
Klima- und Nachhaltigkeitsziele bilden die Basis für winnen daher weiter an Bedeutung. Beispiele dafür sind auswirkungen unserer Produktion zu begrenzen, muss hierfür sind Wärmepumpen und -transformatoren. Wel-
die europäische Nachhaltigkeitsstrategie. Diese wurde die Abtrennung von Salzfrachten aus Abwässern sowie der Ausstoß an Kohlendioxid drastisch beschränkt wer- che Technologien wo zukünftig eingesetzt werden hängt
im Dezember 2019 von der neugewählten Europäische die Abtrennung von Medikamentenresten oder Mikro- den. Das ist auf lange Sicht nur durch einen weitgehen- dabei von den Randbedingungen ab und kann nicht pau-
Kommission vorgestellt. Eine Präzisierung dieser Pläne plastik aus kommunalen Abwasserströmen. den Verzicht auf die Verwendung fossiler Energieträger schal beantwortet werden. Hier werden Auslegungs- und
erfolgte durch den im März 2020 präsentierten „Circu- möglich. An deren Stelle werden zunehmend regenera- Bewertungsmethoden benötigt, um schnell und effizient
lar Economy Action Plan“, als zentrales Element des EU Während in der Vergangenheit der Fokus häufig aus- tive Energiequellen, wie etwa Strom aus Sonnen- oder für alle Phasen des Technologielebenszyklus effektive
Green Deals. schließlich auf der Wirtschaftlichkeit eines Verfahrens Windenergie, treten. Entscheidungen treffen zu können.
lag, spielen Umwelt- und Klimaaspekte zunehmend eine
Eine zirkuläre Wirtschaft setzt auf Wiederverwendung zentrale Rolle bei der Entscheidung, welche Produkte Aufgrund absehbar hoher Energiegestehungskosten Die endliche Verfügbarkeit fossiler Energieträger und
oder Recycling von einmal produzierten Wertprodukten über welche Wege hergestellt werden. Technische Inno- werden auch in der Zukunft Verfahren zur Erhöhung der die zunehmende Bedeutung von regenerativ erzeugtem
zur Reduktion des CO2-Fußabdrucks und Minimierung vationen im Bereich der Trenntechnik sind ein entschei- Energieeffizienz, wie Energieintegration, Kombination Strom für die Energieversorgung unserer Prozesse wirft
des Ressourcenverbrauchs. Neben der thermischen dender Enabler für wirtschaftlich erfolgreiche, industri-
Verwertung sind zwei Wege für die chemische Industrie elle Prozesse mit einer verbesserten Ökobilanz.
dabei von Bedeutung: Die direkte Verwertung von Abfall-
und Nebenproduktströmen innerhalb chemischer Pro- Thesen:
zesse ist schon heute in modernen Verbundstandorten
Stand der Technik. Der andere Weg besteht in der stoff- » Klima- und Nachhaltigkeitsziele erfordern Verfahren
lichen Wiederverwertung von zurückgeführten Abfällen mit verbesserter Ökobilanz
aus Wertprodukten. Um diese als Sekundärrohstoffe
einsetzen zu können, bedarf es robuster Verfahren und » Trenntechnik ist ein entscheidender Enabler für
einer entsprechenden trenntechnischen Aufarbeitung energetisch und stofflich effiziente Verfahren
der zurückgeführten Abfallströme.
Beispiele sind:
Darüber hinaus gelten die Speicherung und Nutzung von
CO2 als Schlüsseltechnologien, um die Ziele des Pariser » End-of-Pipe Lösungen
Klimaabkommens zu erreichen. Eine Herausforderung
ist die energieeffiziente und wirtschaftliche Abtrennung » Speicherung und Nutzung von CO2
von Kohlendioxid aus Abgasströmen. Prinzipiell kom-
men hierbei verschiedene Trennoperationen wie z. B. » Technologien zur Rezyklierung von Hilfsstoffen
Absorption, Adsorption oder Membranverfahren in Fra-
ge. Die herausfordernde Aufgabe im Bereich der Trenn- » Direktverwertung von Abfall- und Nebenprodukt
technik liegt dann in der gleichzeitigen Optimierung der strömen innerhalb der Prozesse
Apparate, ihrer Verschaltung sowie der zur Verwendung
kommenden Hilfsstoffe und Energieströme nach wirt- » Aufbereitung rückgeführter Abfälle als Sekundär
schaftlichen und energetischen Kriterien. rohstoffe
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T RENNT ECHNIK 4.0
die Frage nach einer optimalen Architektur für unsere
Versorgungssysteme auf. Sind zentrale Lösungen, mögli-
des Nährmediums sowie gelöste Salze bzw. Elektrolyte
und weitere Stoffwechselprodukte enthalten. Energie-
Globalisierung und Intensivierung des wirtschaftlichen
cherweise über den Zwischenenergieträger Dampf, oder
dezentrale Lösungen direkt in den Produktionsanlagen
effiziente Trenntechnologien gewinnen deshalb an Be-
deutung und müssen für den Einsatz in biotechnologi-
Wettbewerbs
oder sogar am einzelnen Apparat wirtschaftlich vorzu- schen Prozessen weiterentwickelt werden. Aufgrund der
ziehen? Abhängig von der Beantwortung dieser Frage Temperaturempfindlichkeit vieler auf biologischem Weg
müssen neue Lösungen für die zum Einsatz kommenden hergestellten Produkte sind „kalte“ Verfahren zur Tren-
Trennoperationen geschaffen werden (Power to Heat). nung von Wertstofflösungen erforderlich. Die Bedeutung Die chemische Industrie in Deutschland steht mit allen fig wird für jede Stufe separat bewertet, wo diese pro-
von nicht-destillativen Verfahren in diesem Bereich wird Produkten der Bereiche Grund- bzw. Basischemikalien duziert werden soll: intern/extern, europäische oder asi-
Neben „Power to Heat“- Konzepten bieten elektroche- zunehmen. und Fein-, Spezial- und Pharmachemikalien im interna- atische „Contract Manufacturing Organizations“ (CMO).
mische Trennprinzipien die Möglichkeit, elektrischen tionalen Wettbewerb. Als energieintensive Industrie mit Wettbewerbsfähig werden Produzenten durch hohe
Strom direkt auf stofflicher Ebene wertschöpfend einzu- Nicht alle Wertschöpfungsketten werden durch biologi- hoher Automatisierung ist sie kapitalintensiv, hochgradig Flexibilität und dementsprechend flexibel muss die Pro-
setzen, indem Hilfsstoffe durch elektrochemische Reak- sche Verfahren ersetzt werden können. Alternativen ba- abhängig von lokalen gesetzlichen und politischen Rah- duktion aufgestellt sein. Flexibilisierung geht sicherlich
tionen ersetzt werden. sieren zum Beispiel auf der Synthese von Grundchemi- menbedingungen, der Rohstoff- und Energieversorgung mit Digitalisierung einher – China realisiert das mittels
kalien aus nicht fossilen Bausteinen unter Verwendung im Lande, weiterhin vom Umweltschutz und vom Zugriff „Blue Sky-Initiative“ zentral gesteuert für den gesamten
Auf dem Weg zu einer nachhaltigen, klimaneutralen Wirt- regenerativer Energie. Diese Verfahren werden im Allge- auf den Kapitalmarkt. Laut VCI kommt es am Pharmas- Industriezweig. Aber COVID-19 hat auch die Risiken einer
schaft wird es zu einer zunehmenden Diversifizierung meinen unter dem Begriff Power to X (P2X) zusammenge- tandort Deutschland zu einer „schleichenden Verlage- globalisierten Lieferkette aufgezeigt.
der genutzten Energiequellen kommen (Energiemix). Die fasst. Die Trenntechnologien nach dem Syntheseschritt rung der Forschung“ in Richtung USA und China und „Der
Verfügbarkeit dieser Quellen ist natürlichen Schwan- unterscheiden sich nicht wesentlich von den heutigen Kostendruck führt dazu, dass immer mehr Teilschritte der Sowohl in der Feinchemie als auch bei den Commodities
kungen und großen regionalen Unterschieden (Sonne, Verfahren. Die Gesamtwirtschaftlichkeit derartiger Pro- Produktion nicht mehr wirtschaftlich in Europa durchge- sichert Innovation mit hoher Umsetzungsgeschwindig-
Wind) unterworfen. Deshalb werden Technologien benö- zesse leidet aber oft unter hohen Energiebedarfen und führt werden können.“ (1) Die Ausgangssituationen, die zu keit den Standort – Veränderung ist der neue stationäre
tigt, die einen effizienten Umgang mit Versorgungsfluk- Umwandlungsverlusten. Damit erlangen Maßnahmen zur erwartende Entwicklung und die potentiellen Gegenmaß- Zustand. Informationen aus der Produkt- oder Prozes-
tationen ermöglichen (z.B. neue Speichertechnologien Erhöhung der Energieeffizienz insbesondere in den Auf- nahmen sind aber prinzipiell unterschiedlich, je nachdem sentwicklung, gespeichert in Modellen und Datenban-
oder dynamischer Betrieb von Produktionsanlagen). arbeitungsschritten eine hohe Bedeutung. Dazu zählen ob Commodities oder Produkte der Fein-/Spezialchemie ken, müssen den Produktionsprozessen schon beim
Das stellt neue Anforderungen an den realisierbaren Verfahren zur Wiederverwendung von Wärme (z.B. Brü- (Life Science) betrachtet werden. Start-up zur Verfügung stehen. Und umgekehrt müssen
Lastbereich unserer Trenntechnologien. Weiterhin ist denkompression, Wärmepumpen), Maßnahmen zur Pro- Erkenntnisse aus Produktionsdaten direkt die Entwick-
zu erwarten, dass aus erneuerbarem Strom gewonnener zessintensivierung als auch andere, bisher nicht so häu- Bei Commodities ist der Preis der wichtigste Hebel. Die ler bei der Optimierung unterstützen. Die Innovation
Wasserstoff zunehmend als Rohstoff genutzt wird. Die fig in der chemischen Technik eingesetzte Trennverfahren Vorteile, die sich durch Verfügbarkeit von Rohstoffen und kann dabei in einer umweltfreundlichen Herstellungsart,
Verteilung, z.B. über Co-Transport im Erdgasnetz oder (z.B. Membrantrennungen, Adsorptionsverfahren etc.) Energiequellen ergeben, lassen sich kaum ausgleichen. einem hohen Maß an Rezyklierung, einem toleranten
mit Hilfe von wasserstoffaufnehmenden organischen Zur Reduktion von Herstellkosten werden World-Scale- Produktionsprozess für Edukte aus biotechnologischer
Flüssigkeiten (Liquid Organic Hydrogen Carriers, LOHC) Zusammengefasst ergeben sich folgende Thesen zur Wei- Anlagen gebaut. Diese Anlagen stellen hohe Ansprüche Herstellung oder in der direkten Nutzung elektrischer
schafft neue Anwendungsfälle für Trennverfahren. terentwicklung der Trenntechnik: an die Technologie und die Prozesse und zwar nicht nur Energie liegen. Für die Aufgaben der Trenntechnik heißt
während der Produktionsphase unter Volllast. Hohe Lie- das ganz konkret: aufwändige Experimente zur Prozes-
Auf lange Sicht wird nicht nur die Nutzung fossiler Quel- » Verfahren der Energieintegration werden weiterhin fertreue erfordert auch ein genaues Einhalten der Zeit- sentwicklung oder zum Scale-up werden dank gestiege-
len zur Energiegewinnung abnehmen, sondern auch eine bedeutende Rolle spielen. pläne beim An- und Abfahren (Stillstandsmanagement) ner Rechnerleistung teilweise durch weniger aufwändige
die Verfügbarkeit derselben als Rohstoffe für unsere und die Herstellkosten dürfen auch bei einer Minder- Simulationen ersetzen; die Trennapparate der Prozes-
klassischen Wertschöpfungsketten. Die Verwendung » Lösungen zur Aufwertung von Wärmeströmen zum auslastung bei Markteintritt und zu Krisenzeiten nicht sentwicklung lassen sich leicht zu den Trennapparaten
von erneuerbaren Rohstoffen hängt dabei von solchen Beispiel durch Einsatz von Brüdenverdichtern, Wär- „durch die Decke gehen“. Der Industriestandard befin- der Produktion skalieren und umgekehrt; der Lastbe-
Faktoren wie Wirtschaftlichkeit, neuen Geschäftsmög- mepumpen und -transformatoren gewinnen an Be- det sich hier bereits seit geraumer Zeit auf einem hohen reich der Trennapparate (inklusive Sensorik und Akto-
lichkeiten, Risikominimierung und Nachhaltigkeit ab. deutung. technischen Niveau. Ein Verbleib von World-Scale-An- rik) ermöglicht einen dynamische Anlagenbetrieb, der
Alternative Herstellverfahren beinhalten auch neue He- lagen in Europa (oder in Händen europäischen Firmen) sich mit den Energiespitzen der regenerativen Energien
rausforderungen an die Trenntechnologien. » Flexible Apparate mit großen Lastbereichen sind Vo- wird dennoch nur mittels innovativer Produktionsver- harmonisieren lässt; die Instrumentierung der Trenn-
raussetzung für den dynamischen Betrieb von Pro- fahren (d.h. Produkt- und Prozessinnovation) gelingen, apparate in der Produktion ermöglicht oder vereinfacht
Die zunehmende Bedeutung biotechnologischer Pro- duktionsanlagen bei schwankender Verfügbarkeit welche selbst schnell entwickelt und kostengünstig rea- zukünftig die Auswertung und Analyse von Prozessdaten
zesse erfordert Lösungen, um mit den spezifischen von regenerativen Energien. lisiert werden müssen. mittels Maschine-Learning-Methoden; die höherwertige
Problemen dieser Technologie umzugehen. Während in Energieform Strom ersetzt adäquat genutzt (z.B. Zufuhr
petrochemischen Verfahren überwiegend unpolare fos- » Wirtschaftliche biotechnologische Herstellverfahren Bei der Feinchemie spielt der Preis eine zunehmend von Wärme bei sehr hohen Temperaturen oder mittels
sile Rohstoffe in organischen Lösungsmitteln zu trennen erfordern Technologien zur energieeffizienten Ab- wichtigere Rolle. Die Herstellungskette ist nicht nur bei Brüdenkompression) und in großem Stil Wärmen fossi-
sind, liegen die Produkte aus biotechnologischen Syn- trennung von Wertstoffen aus wässrigen Lösungen der Pharmaindustrie typischerweise vielstufig und häu- len Ursprungs.
thesen meist in verdünnten wässrigen Lösungen vor, die sowie Technologien zur Reduktion von Hilfsstoffen
neben den Mikroorganismen auch Reste des Substrats, zur Vermeidung von Salzemissionen. (1) VCI Position Kompakt, Pharmastandort Deutschland, Stand: 1. September 2020
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Digitalisierung Modelle müssen diese so effizient wie möglich gestaltet wer-
den. Schnittstellen stellen dabei eine der größten Her-
Modelle sind die wohl wichtigsten Werkzeuge des Ver- ausforderungen dar. Wichtige Workflows sind sowohl in
fahrensingenieurs. Sie werden beim Entwurf von Trenn- den Bereichen Forschung und Entwicklung (Erforschung
sequenzen, der Auslegung von Trennapparaten, der Lö- der naturwissenschaftlichen Grundlagen, Entwicklung,
sung von Betriebsproblemen und der Optimierung von Optimierung und Troubleshooting von Prozessen), En-
ganzen Trennprozessen eingesetzt. gineering (Planung, Bau und Wartung von Anlagen) und
Neue Technologien bieten technische Antworten für be- Kostenersparnisse und Effizienzsteigerungen im Res- Produktions- und Supply-Chain-Planung als auch in der
stehende und kommende Herausforderungen. Dies gilt sourceneinsatz erzielt werden? Mit Blick auf die Digitalisierung lassen sich folgende Ent- Anlagen- und Arbeitssicherheit zu finden.
ebenfalls für die Digitalisierung, die Einzug in die che- wicklungstendenzen identifizieren:
mische Industrie und damit auch in die Fluidverfahrens- In der Diskussion kristallisieren sich zunehmend drei Von der Digitalisierung wird sich ein erheblicher Effi-
technik hält. Themenbereiche heraus, die durch die Digitalisierung » Modelle werden immer komplexer. zienzgewinn in den Arbeitsabläufen erwartet. Gründe
grundlegend beeinflusst werden: hierfür sind:
Nach vielen plakativen Veröffentlichungen der letzten » Datengetriebene Modelle komplettieren zunehmend
Jahre zu den Möglichkeiten der Digitalisierung drängen » Digitale Modelle – hierunter fällt auch der oft ange- die bisherigen physikalisch fundierten Modelle oder » Schlecht oder nur lose verknüpfte Anwendungen mit
sich nun verstärkt Fragen nach greifbaren Anwendungs- führte „Digital Twin“ dienen als Brücke zwischen mechanistischen Model- ineffizienten Schnittstellen lassen sich nahezu naht-
szenarien auf: Was genau soll durch eine verstärkte len verschiedener Skalen in Zeit und Raum. Darüber los miteinander verbinden.
Digitalisierung in der Verfahrenstechnik erreicht wer- » Digitale Workflows und automatisierter Datenaus- hinaus wird die Verflechtung von datengetriebenen
den? Welche bislang nicht gelösten Herausforderungen tausch und physikalisch fundierten Modellen enger, so dass » Es kann digital sichergestellt werden, dass alle Sta-
können durch Digitalisierung angegangen werden? In sich enorm leistungsfähige virtuelle Abbilder ergeben. keholder mit den gleichen Daten und Informationen
welcher Größenordnung können durch Digitalisierung » Intelligenter Betrieb von Apparaten und Prozessen arbeiten (single point of truth).
» Die Menge an verfügbaren Daten aus Experimenten
und Prozessen steigt stetig und erfordert intelligente » Darüber hinaus lassen sich Datenübergaben auto-
Methoden der effizienten Aufbereitung und -nutzung matisieren, so dass neben einer Effizienzsteigerung
wie zum Beispiel zur Ableitung von Modellen aus die- auch eine geringe Fehleranfälligkeit erreicht werden
sen Daten. kann.
» Modellgestützte Optimierung (on- und off-line) ge- » Digitale Werkzeuge erlauben das gleichzeitige Arbei-
winnt weiter an Bedeutung. ten mehrerer Personen an Aufgaben (co-working).
» Das Aufstellen und die Nutzung von Modellen in Si- Gleichzeitig definieren diese Punkte auch die Entwick-
mulationen erfordert immer mehr Rechenleistung. lungsfelder für die Zukunft. So ist es eine zentrale He-
Cloud-Computing und die Nutzung von High Perfor- rausforderung, wie der Datenaustausch zwischen den
mance Computern nimmt deshalb zu. an einem Projekt beteiligten Unternehmen und Dienst-
leistern effizient gestaltet werden kann. Zurzeit kommen
» Modelle wandeln sich von einem individuellen Werk- dafür auf Grund der heterogenen Softwarelandschaft
zeug eines einzelnen Ingenieurs zu einem Teil des größtenteils „schwachdigitale“ Formate wie PDF, CSV-
Technologiepakets. Sie werden zunehmend nicht nur Dateien und Listen im Textformat zum Einsatz. Durch die
von Experten, sondern auch von anderen Stakehol- hiermit verbundene manuelle Datenübertragung geht
dern genutzt. viel Zeit verloren, entstehen unnötige Fehlerquellen und
Investitionshürden durch teures Engineering. Die Wei-
» Die Formulierung, die Parametrierung und die Pflege terentwicklung von Standards wie DEXPI und die Ver-
von Modellen erfordern erhebliche Ressourcen. Dazu knüpfung mit weiteren Datenformaten jenseits der Ver-
werden Managementsysteme zum Verwalten, Warten fahrenstechnik ist ein entscheidender Baustein, um hier
und Weiterentwickeln von Modellen gebraucht. wesentliche Kostenersparnisse zu erzielen. Dies betrifft
natürlich auch den Übergang vom Bau in den Betrieb
Workflows und Datenaustausch: und das Pflegen der Anlagendaten über den gesamten
Lebenszyklus hinweg. In der BIM-Welt (Building Infor-
In unserer arbeitsteiligen und interdisziplinären Arbeits- mation Modeling) sind hierzu in den letzten Jahren gro-
welt sind Workflows von grundlegender Bedeutung. Um ße Fortschritte zu Anwendungsfällen, Datenformaten,
wirtschaftliche Wettbewerbsfähigkeit zu garantieren, Datenpflege und Lebenszyklus erzielt worden. Hieraus
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zu lernen ist eine wesentliche Aufgabe für die weitere
Digitalisierung in der Verfahrenstechnik.
Wie in allen wichtigen Industriezweigen spielt die Digi-
talisierung auch in der Trenntechnik eine dominierende
Empfehlungen für Forschung, Entwicklung und Lehre
Rolle und kann durch inhärente Ressourcen- und Ener-
Viel Energie fließt derzeit in die Entwicklung von digita- gieeffizienz zu den Zielen der Nachhaltigkeit beitragen.
len Zwillingen (Digital Twin). Häufig gemeint sind hierbei Die Trenntechnik der Zukunft wird verschiedenste As-
monolithische Datenkonglomerate, in denen alle Infor- pekte beinhalten, wie etwa modellgesteuerten Betrieb,
mationen, Funktionen, Modelle einer Anlage hinterlegt Modularisierung sowie ggfs. das Erstarken technolo-
sind. Währenddessen wird in der Automobilindustrie gisch neuerer und nicht-thermischer Trennungen und Folgt man den Ausführungen der Roadmap „Che- versitäten, Hochschulen und Forschungsinstitutionen
und der Produktionstechnik der „Digital Thread“ – der der damit verbundene Bedarf an prädiktiven Modellen mie2050“, einer Studie aus 2019 von DECHEMA und erforscht und letztlich auch gelehrt werden. Nicht zuletzt
digitale Faden, der alle digitalen Zwillinge oder digita- zur Beschreibung des Trennverhaltens, z.B. in Membra- FutureCamp für den VCI, dann müssen neben den bis- die heute ausgebildeten Ingenieure, sind die Forscher,
len Datenrepositorien miteinander zu einer dezentralen nen, Extraktions-, Adsorptions- oder Kristallisationsap- her schon laufenden Anstrengungen auf dem Pfad der Entwickler und Betreiber von morgen und übermorgen.
Struktur verwebt – diskutiert. Die chemische Industrie paraten. Die Flexibilisierung und Modularisierung kann Effizienzsteigerungsmaßnahmen zwangsläufig große
wird hier noch viel Energie in Methoden, Formate und dazu beisteuern, die Prozess- und Produktentwicklung Schritte, wenn nicht sogar Sprünge auf dem sogenann- Lehre
Werkzeuge fließen lassen müssen. für Spezial- und Agrochemikalien und Pharmazeutika zu ten „Technologiepfad“ beschritten werden. Die damit
beschleunigen und damit zum nachhaltigen Erfolg der avisierten und oben vielgenannten „neuen Technologi- In Bezug auf die Lehre besteht in der Welt der Verfah-
Betrieb von Trennapparaten und -prozessen Industrie beisteuern. en und Methoden“ müssen entwickelt und am Ende im- renstechnik wohl fast einheitlich die Meinung, dass
plementiert und betrieben werden. Zum einen ist dies die Grundausbildung in den Bachelor- und Masterstu-
Die Wirtschaftlichkeit von Produktionsprozessen wird hinsichtlich konkreter technischer Anwendungen sicher- diengängen schon heute die wesentlichen Fähigkeiten
nicht zuletzt vom Grad der Beherrschung der Anlagen lich die originäre Aufgabe der Forschung- und Entwick- vermittelt, die neuen Verfahrens- und Prozessvarianten
durch das Bedienpersonal bestimmt. Dazu zählen nicht lungsabteilungen in den Unternehmen der chemischen verfahrenstechnisch fundiert entwickeln zu können.
nur die Automatisierung des Normalbetriebs, sondern Industrie, zum anderen müssen die entsprechenden Gleichwohl ergibt sich auf der Grundlage der oben ge-
auch die Optimierung von Anfahr- und Abfahrprozessen, Grundlagen bzw. grundlegenden Methoden an den Uni- nannten Veränderungsprozesse die Notwendigkeit ein-
die vorausschauende Planung von Wartungsmaßnah-
men und die kontinuierliche Anpassung des Betriebs an
sich ändernde Rahmenbedingungen wie Rohstoffpreise
und Eduktqualitäten.
Sich schon heute deutlich abzeichnende digitale Ent-
wicklungsfelder für die Zukunft sind:
» Monitoring von Apparaten und Prozessen ggf. kom-
biniert mit Online-Optimierung (datengetrieben oder
modellgetrieben)
» Kontinuierliche Zustandsbewertung von Apparaten
und Maschinen (datengetriebene Modelle, Predicti-
ve Maintenance)
» Ausstattung von Apparaten und Maschinen mit
smarten Sensoren
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zelne Elemente der Curricula bzw. den Fokus einzelner wie Forschendes Lernen und Projektarbeiten in interdis- Reaktivdestillationen, der Integration von Membran- Eine Brückenfunktion zwischen mehr grundlegender und
Module zu verändern. In diesem Zusammenhang sind ziplinären Gruppen genannt. So ausgebildete Ingenieu- verfahren in Destillations- und Reaktionsprozesse und anwendungsbezogener Forschung in der Industrie kann
folgende Themenschwerpunkte zu nennen: re werden sich mit Sicherheit auch im oben skizzierten, gasführende Apparate (Multifunktionale Reaktoren und hier die außeruniversitäre Forschung durch den Betrieb
verschärften globalen Wettbewerb weiterhin behaupten Katalysatoren). In der Regel standen dabei Prozesse großskaliger Infrastrukturen bieten. Beispiele hierfür
» Digitalisierung der Übungs- und Praktikumseinheiten können. der großtonnagigen Synthesen im Vordergrund. Mit der sind Demonstrationsanlagen, Großgeräte für die Materi-
Veränderung der Portfolios hin zu klein- und mittelvolu- alforschung oder auch rechentechnische Einrichtungen
» Methoden des Datenmanagement und der Datenaus- Forschung & Entwicklung: migen Produkten, aber auch mit der Biologisierung der (High Performance Computing).
wertung (KI, Machine Learning, etc.) Syntheserouten, werden zunehmend Lösungsansätze
Hinsichtlich der oben geforderten Sprunginnovationen für kleinere und flexiblere Apparatekonzepte benötigt. Zusammengefasst wird deshalb empfohlen auf den fol-
» Modellierungs-, Simulations- und Bewertungsmetho- lassen sich jeweils prozess- bzw. produktbezogen eine genden Forschungsthemen von Industrie und Academia
den Vielzahl relevanter unternehmensspezifischer Entwick- Um eine Modellierung der technologisch neueren Ver- breit getragene Forschungsinitiativen zu initiieren:
lungsziele benennen. An dieser Stelle soll jedoch nur fahren mit derselben prädiktiven Qualität wie für die
» Prozesse und Apparate für klein- bis mitteltonnagige auf die Forschungsfelder eingegangen werden, in denen etablierteren Trenntechnologien sicherzustellen, sind » Entwicklung von Methoden für eine validierte mehr-
Produkte es im Bereich der Fluiddynamik und Trenntechnik einer zusätzliche Forschungsarbeiten z.B. zum Stofftransport phasige Strömungssimulation und für die Abbildung
gemeinsamen Anstrengung von Industrie und Akademia und der Thermodynamik in Membranen, Adsorbenzien von Phasenbildungsvorgängen zur Auslegung von
» Regenerative Energie- und Rohstoffquellen (Verfüg- bedarf: oder Flüssig-Flüssig-Systemen für weite Temperatur-, Stofftrennungen
barkeiten, Volatilitäten, etc.) Druck und Konzentrationsbereiche notwendig.
Als eine der wichtigsten Herausforderungen ist mit Si- » Entwicklung mehrskaliger Modellansätze zur (experi-
» Aufbereitung biotechnologisch hergestellter Produkte cherheit die bereits benannte Verkürzung der Entwick- Nicht zuletzt sei auch die zukünftig sich stark verändern- mentell) validierten Simulation großvolumiger Appa-
lungszeiten für neue Produkte, Prozesse und Apparate de Energieversorgung der Prozesse adressiert. Im Ener- ratevolumina
Eine nicht unerhebliche Fragestellung ist dabei die Ent- auf der Grundlage voll digitalisierter Entwicklungs- und giesystem der Zukunft wird in Mitteleuropa Nutzenergie
scheidung zwischen der Aufnahme komplett neuer Mo- Auslegungsmethoden zu nennen. Im Bereich der Trenn- vorrangig als Strom aus Windkraft und Photovoltaik zur » Entwicklung von für die Chemische Industrie passfä-
dule und der Integration neuer Inhalte in bestehende technik sind dabei insbesondere die Methoden einer Verfügung stehen. Damit werden strombasierte Herstel- higen Energieeintrags- und Energieverwertungskon-
Veranstaltungsformate. Ein gangbarer Mittelweg könnte validierten mehrphasigen Strömungssimulation und der lungsverfahren attraktiv und die Prozessindustrie wird zepten (Elektrifizierung)
aber auch die Bildung von neuen Vertiefungsbereichen Modellierung und Simulation von Phasenbildungsvor- insgesamt zunehmend elektrifiziert werden. Für die ther-
oder empfohlenen Entwicklungspfaden für zukünftige gängen notwendige Voraussetzung. In diesem Zusam- mische Trenntechnik ist die Bereitstellung von Prozess- » Entwicklung hybrider bzw. integrierter Apparatekon-
Reakkreditierungsverfahren sein. In jedem Fall sinnvoll menhang sei auf die oben beschriebenen zu erwarten- wärme für thermische Trennverfahren essenziell. Dafür zepte insbesondere kleinere und flexiblere Anlagen-
ist die Aufnahme der oben genannten Themenschwer- den Veränderungsprozesse im Bereich der Chemischen sind passfähige Power-to-Heat-Konzepte zu entwickeln. konzepte
punkte in die Grundlagenfächer Mathematik, Informatik, Industrie hingewiesen, mit denen sich maßgeblich auch Diese müssen intelligent ausgelegt sein, um Wärme be-
Physik, Bio(techno)logie und Chemie, da so schon in ei- die zu prozessierenden Edukt- und Produktportfolios hin darfsgerecht bereitzustellen, Wärmeverluste zu mini- » Entwicklung dynamischer Simulationsmethoden (in-
ner frühen Phase des Studiums eine fundierte Basis ge- zu größeren Molekülen verändern. Zudem müssen ther- mieren und die betriebliche Flexibilität nicht zu stark ein- klusive von Optimierungsverfahren) und deren Über-
legt werden kann. modynamische Modelle für elektrolythaltige Lösungen zuschränken. Darüber hinaus ergeben sich im Rahmen tragung und Anwendung auf reale Probleme
weiterentwickelt werden. Die Klasse der Gas-Flüssig- der Elektrifizierung von Trennapparaten Möglichkeiten,
Ein zweiter Gesichtspunkt hinsichtlich der verfahrens- Reaktionen wird zunehmend an Bedeutung gewinnen. neue Ansätze zur Prozessintensivierung umzusetzen.
technischen Ausbildung ergibt sich aus der oben be- Demnach wird es nur mit einer (experimentell) validier-
schriebenen Veränderung hin zu interdisziplinären ten Simulation großer Apparatevolumina, in denen Vor- Das Verständnis und die bewusste Ausnutzung der Pro-
bzw. hybriden Lösungsansätzen für neue Prozesse und gänge auf Mikro- bzw. Meso-Skala ablaufen, gelingen, zessdynamik werden zunehmend eine wichtige Rolle
Apparate. Die Studierenden müssen diesbezüglich zu- Phänomene wie zum Beispiel die Rinnsalbildung auf Pa- spielen. Sei es bei der Intensivierung von Stofftrans-
sätzliches Rüstzeug für ihr zukünftiges Berufsleben im ckungs- bzw. Katalysatoroberflächen, die Belagsbildung portvorgängen im Sekundenbereich, bei der Integration
Rahmen der akademischen Ausbildung erwerben: Zu in Reaktions- und Trennapparaten, die Feststoffbildung von stoff- und wärmespeichernden Funktionalitäten in
verstehen, wie energietechnische und verfahrenstechni- in Kristallisationsprozessen oder die Blasendynamik in periodisch betriebenen hybriden bzw. multifunktionalen
sche Prozesse miteinander wechselwirken (können), wie Bodenkolonnen und Blasensäulen so zu berücksichti- Apparaten im Minuten- und Stundenbereich oder für Pro-
elektrotechnische Neuentwicklungen auf dem Gebiet gen, dass eine direkte Übertragung vom Labor- in den zesse, die im Stunden- bis Tagebereich flexibel betrie-
der Sensoren sinnvoll in chemischen Produktionsanla- Produktionsmaßstab sicher gelingt. ben werden; in zunehmenden Maße werden instationäre
gen eingesetzt werden können oder wie sich neue fle- Betriebsmodi mithilfe von dynamischen Simulationen
xible Produktionskonzepte aus der Supply-Chain eines Ein weiteres Forschungsfeld mit hohem Innovationspo- zu beschreiben und auszulegen sein. Von daher sollten
Produktes ableiten lassen, erfordert nicht zusätzliches tential stellen hybride bzw. integrierte Apparatekonzep- Forschungsvorhaben gezielt zur robusten Entwicklung
fachliches Wissen, sondern vielmehr ein Verständnis für te dar. Die Kombination mehrerer trennender und re- dynamischer Simulationsmethoden und darauf anwend-
die Sprache der anderen Disziplin. Neue Veranstaltungs- agierender Funktionalitäten in einem Apparatevolumen baren Optimierungsmethoden vorangetrieben werden.
formate sind deshalb zwingend in die Curricula zu inte- wurde in den beiden letzten Jahrzehnten zwar schon
grieren. Insbesondere seien an dieser Stelle Methoden intensiv untersucht, allerdings lag der Fokus dabei auf
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