Anlagenbau & Prozesstechnik

Ressourcen-Effizienz und -Optimierung

Automatisierungstechnik und digitale Zwillinge spielen bei der Nachhaltigkeit eine wichtige Rolle

08.12.2021 - Immer mehr Industrieunternehmen verpflichten sich zu ambitionierten Dekarbonisierungs- und Nachhaltigkeitsstrategien – was trägt Automatisierung dazu bei?

Die Notwendigkeit zu einem Strategiewechsel hin zu nachhaltiger Produktion ist groß: Hersteller müssen Treibhausgasemissionen reduzieren und strengere Umweltvorgaben erfüllen. Wirtschaftliche Strategien zugunsten eines niedrigen CO2-Ausstoßes werden forciert; immer mehr Industrieunternehmen verpflichten sich zu ambitionierten Dekarbonisierungs- und Nachhaltigkeitsstrategien.

Die Dekarbonisierung von Energiequellen durch den vermehrten Einsatz von Stromquellen und Brennstoffen mit geringem CO2-Ausstoß wird wichtig sein, jedoch kommt es auf die Rolle aller Stromerzeuger, Schwerindustrien und Produzenten an. Dies erfordert eine vermehrte Verwendung und Speicherung von Kohlenstoffabscheidungen, Elektrifizierung, Optimierung der Energieversorgung, -speicherung und -effizienz sowie eine optimierte Abfallentsorgung. Die Automatisierungstechnik wird für das Erreichen dieser Ziele extrem wichtig sein.

Wasserstofftechnologie

Biobrennstoffe und grüner Wasserstoff sind kohlenstoffarme Energiealternativen, um die Dekarbonisierungsziele zu erreichen. Wasserstoff hat sich schnell als Brennstoff der Zukunft etabliert, da er einen hohen Brennwert und eine hohe Energiedichte hat sowie auf verschiedene Arten transportiert und gelagert werden kann. „Blauer“ Wasserstoff kann einen wichtigen Beitrag zur Dekarbonisierung leisten, insbesondere in Teilen der Welt mit großen Erdgasressourcen. In Raffinerien wird man wahrscheinlich bei der Wasserstofferzeugung von bestehenden Herstellungsverfahren zur Dampfmethanreformierung und anschließenden Kohlenstoffabscheidung nach der Verbrennung übergehen.

Um diese erhöhte Nachfrage zu decken, ist eine neue Infrastruktur erforderlich, einschließlich großer Elektrolyseanlagen, die erneuerbare oder kohlenstoffarme Energiequellen nutzen. Anbieter von Elektrolysetechnologien suchen Wege, um ihre Entwicklungen zu skalieren und zu verbessern, da sie größere Stromdichten bewältigen und eine höhere Effizienz über eine längere Lebensdauer bieten müssen. Technologieanbieter müssen ihre Entwicklungen zudem auf die Herstellung innerhalb der Produktionskette ausrichten, wodurch die Kosten pro Kilogramm Wasserstoff gesenkt werden.

Steuerungs- und Betriebsstrategien für Anlagen sind von enormer Bedeutung. Betriebliche Sollwerte müssen aufgestellt und sogenannte Balance-of-Plant-Komponenten und Untersysteme entwickelt, integriert und optimiert werden. In dieser Hinsicht ist die Technologie des digitalen Zwillings eine bahnbrechende Lösung.

Digitale Zwillinge

Ein digitaler Zwilling ist eine software-basierte, virtuelle Nachbildung aller physikalischen Anlagenteile einer Produktionsanlage, einschließlich Prozessanlagen, Instrumentierung und Steuerung, sowie der Produktionsprozesse. Anhand dieser Nachbildung wird der Betrieb dieser Anlagenteile nachgeahmt und über die gesamte Lebensdauer simuliert. Ein typischer digitaler Zwilling ist in der Regel die Nachbildung des Leitsystems, der Bedienanzeigen und Alarme neben einer Prozessmodellierung und Ausführungs- und Integrationslösung in Echtzeit für die Automatisierungssysteme. Digitale Zwillinge werden anhand von Informationen zur Prozessauslegung erstellt, einschließlich Rohrleitungs- und Instrumentierungsdiagrammen, Prozessablaufdiagrammen und anderen Daten, die den Prozess lenken. Diese Informationen werden dann konvertiert, und eine software-basierte Darstellung des Prozesses wird mit einer Simulations-Software erstellt. Da diese Software eine große Auswahl von vorkonfigurierten Objekten enthält, können Modelle effizient erstellt werden, um eine hochgenaue Darstellung des Verhaltens und der Dynamik des entsprechenden Prozesses zu erhalten. Der digitale Zwilling ist von unschätzbarem Wert für die Analyse verschiedener „Was-wäre-wenn-Szenarien“, wie z. B. die Verwendung anderer Gleichrichter oder Wasserreinigungssysteme, Ideen zur Verbesserung des Balance-of-Plant-Designs u. v. m. Mit einem digitalen Zwilling können auch optimierte Steuerungs- und Sicherheitsschemata validiert werden - einschließlich erweiterter Steuerungsmodelle sowie Start-/Stopp-Verfahren.

Wenn die Anlage läuft, kann der digitale Zwilling Daten und Einblicke in den Anlagen- und Systemzustand geben, wodurch die Betriebsleitung vorbeugende Wartungsverfahren optimieren und teure ungeplante Stillstände vermeiden kann. Die Genauigkeit des digitalen Zwillings kann mit Daten direkt aus dem Prozess kontinuierlich erhöht werden, sobald diese zur Verfügung stehen. Werden viele Wasserstoffelektrolyseprojekte stufenweise umgesetzt, so kann der digitale Zwilling die nahtlose Einbindung jeder Stufe erleichtern.

 

„Die Verbesserung der Energieeffizienz und Reduzierung von Verbrauch und nachfolgenden Emissionen ist ein Hauptfokus der Prozessindustrie.“

 

Elektrifizierung und Systemintegration

Die Elektrifizierung ist wichtig für die Dekarbonisierung. Da die Stromerzeuger ihre Treibhausgasemissionen deutlich reduzieren, richtet sich das Augenmerk auf die Elektrifizierung der Endanwendungen, um sowohl den zunehmenden Anteil an erneuerbarer Energie als auch die höhere Effizienz von Technologien, die auf Elektrizität basieren, zu nutzen. Dies wird die Ausweitung der Netzwerke für die Übertragung und Verteilung elektrischer Energie sowie neue „Endanwendungstechnologien“ - z.B. für Prozessheizungen - erfordern.

Emerson arbeitet derzeit beispielsweise mit Hydro Quebec, einem großen Energieversorgungsunternehmen im Osten von Kanada, an einer Lösung, die unsere Industriekompressoren mit unserem Mess- und Steuerungs-Knowhow verknüpft, um eine neue, nachhaltige Wärmepumpentechnologie anbieten zu können. Diese Wärmepumpe wird große Mengen an Heiz-, Kühl- und Warmwasser an Geschäftshäuser liefern, wobei Hydro Quebec Energie aus erneuerbaren Ressourcen liefert. Letztendlich wird diese Technologie in Gebäuden genutzt und Eigentümern bei der Senkung von Betriebskosten sowie der Reduzierung von CO2-Emissionen zur Seite stehen.

Anbieter von Automatisierungstechnik wie Emerson unterstützen zudem die Transformation und Digitalisierung von Betrieben, um erneuerbare Energiequellen nahtloser einzubinden und die Energieeffizienz sowie Zuverlässigkeit zu verbessern. Die Betriebstechnologie-Software von Emerson dient der Verwaltung von Erzeugung, Übertragung, Verteilung und Betriebsunterbrechungen, indem sie die Echtzeitüberwachung sowie Steuerungs- und Ressourcen-Optimierung im gesamten Unternehmen des Stromerzeugers ermöglicht. Ein Beispiel dafür ist das Unternehmen MainPower in Neuseeland, das sich bei der Anschaffung eines neuen erweiterten Verteilungsmanagementsystems zugunsten eines zuverlässigeren, widerstandsfähigeren, flexibleren und effizienteren Stromverteilungsnetzwerks für Emerson entschieden hat.

Emissionsüberwachung und Regelung

Emissionen entstehen in der Regel an Dampfkesseln, Gasturbinen, Dieselmotoren und Gasfackeln, aber auch durch die kontinuierliche Leckage von Prozessmedien aus Rohrleitungen, Tanks oder Geräten. Die Prozessindustrie verfügt über eines der größten Potenziale zur Steigerung der Energieeffizienz und Reduzierung von Emissionen in der Verbesserung der Verbrennungsregelung von befeuerten Erhitzern und Kesseln. Aufgrund von Schwankungen der Prozesssteuerung und der Zusammensetzung des Brenngases sowie Sicherheitsrisiken arbeitet die Ausrüstung mit einem hohen Maß an Luftüberschuss. Während der Luftüberschuss die vollständige Verbrennung und eine sicherere Betriebsmarge sicherstellt, muss man im Gegenzug überschüssige NOx-Emissionen sowie höhere Brennstoff- und Energiekosten in Kauf nehmen. Mit Lösungen zur Verbrennungsmessung kann die Verbrennungsregelung optimiert werden, indem der Bedarf an Brennstoff und Luftüberschuss minimiert wird. Dies kann zu einer größeren Brennstoffeffizienz, weniger Treibhausgasemissionen und erheblichen betrieblichen Einsparungen führen.

Methan ist eines der schädlichsten Treibhausgase und trägt erheblich zum globalen Klimawandel bei. Methan ist der Hauptbestandteil von Erdgas und wird während der Produktion, Verarbeitung, Lagerung, dem Transport und der Verteilung von Erdgas und Rohöl an die Atmosphäre abgegeben. Methanemissionen können grob in zwei Kategorien eingeteilt werden – Emissionen durch den normalen Betrieb und flüchtige Emissionen durch Lecks in der Ausrüstung.

Flüchtige Emissionen entstehen normalerweise an Pumpen, Ventilen, Anschlüssen, Kompressoren und Überdrucksicherungen. Abgenutzte oder beschädigte Dichtungen, Ventilpackungen, O-Ringe und Scheiben können allesamt zu Leckagen führen. Leckagen, die aufgrund von falscher Bemessung, Konfiguration, Installation und Wartung entstehen, können wegen der Umgebungsbedingungen und großer Bereiche, in denen sehr kleine Mengen überwacht werden, sehr schwierig festzustellen sein, aber zusammengenommen den größten Faktor bei den Gesamtemissionen darstellen. Ohne regelmäßige Überwachung oder Überprüfung können diese Leckagen oft über längere Zeit unerkannt bleiben, bis sie problematisch oder sogar gefährlich werden.

Die präzise Verfolgung und Aufzeichnung von Emissionsdaten sind unerlässliche erste Schritte, um geforderte Reduzierungen zu erreichen.  Die Feststellung problematischer Anlagen und die anschließende Durchführung von Abhilfemaßnahmen wird zu einer verbesserten Leistung führen. Smarte Technologien wie intelligente Stellungsregler und akustische Wireless-Sensoren ermöglichen die Überwachung und Meldung kurzzeitiger Störungen, die zu kleinen bzw. unbemerkten Emissionen führen können. Anlagenweite Netzwerke, die die Gerätediagnose und Zustandsüberwachung unterstützen, können nicht nur zur frühen Feststellung von Problemen sondern auch zur Reduzierung von Emissionen beitragen.

Abfackelung

Gasfackeln bei Betreibern von Öl- und Gaserzeugungsanlagen tragen erheblich zu flüchtigen Emissionen bei. Entweder verarbeiten heutzutage viele Betreiber das Gas oder sie nutzen es zum erneuten Einspeisen in den Behälter, das Abfackeln wird jedoch nach wie vor als Entlüftungssystem eingesetzt, um den Druckaufbau im Prozess zu vermeiden. Der Schutz vor einem Druckaufbau erfolgt im Wesentlichen durch herkömmliche Überdruck- und Ausblasventile, die Gase und Flüssigkeiten an die Gasfackel abgeben, wenn der Nenndruck des Prozesses überschritten wird.  Mit HIPPS (High-Integrity Pressure Protection System) können Betreiber flüchtige Emissionen durch den Druckschutz reduzieren. HIPPS sind Teil eines sicherheitstechnischen Systems (SIS) und auf die Vermeidung eines Überdrucks ausgelegt, indem die Quelle abgestellt und der Druck auf der Einlaufseite des Systems aufgenommen wird, wodurch eine Barriere zwischen der Hoch- und der Niederdruckseite der Prozessanlage geschaffen wird. Die dichte Absperrung verhindert ungewolltes Auslaufen und flüchtige Emissionen.

Unternehmen können zunächst einen soliden Gasfackel-Managementplan durch den Einsatz von Überwachungslösungen mit Überdruckventilen aufstellen, die die Quelle der Freisetzung im Gasfackelsystem schnell erkennen sowie Informationen für die Einhaltung von Vorschriften liefern können. Zusätzlich wird es Raffinerien mit effizienten Gasanalysegeräten, die eine schnelle, einminütige Energie-Messung zur präzisen Kontrolle von Gasfackeln liefern, ermöglicht, neue strengere Vorschriften hinsichtlich des Überwachungsintervalls von Bestandteilen der Gasfackel zu erfüllen.

Zustandsüberwachung

Die Abfackelung kann durch unregelmäßiges Abfackeln aufgrund mangelnder Zuverlässigkeit von Vorrichtungen wie Regelventilen oder Kompressoren verstärkt werden. Zur Vermeidung können Unternehmen vorausschauende Wartungsstrategien und Zustandsüberwachungslösungen umsetzen, die unerwartete Ausfälle verhindern. Zunehmende Schwingungen deuten auf Probleme mit Blättern, Lagern, Wellen oder Kupplungen hin, die zum Ausfall des Kompressors und einer möglichen Abschaltung der Einheit führen können. Online-Lösungen zur Zustandsüberwachung von Kompressoren liefern Frühwarnalarme bei übermäßigen Schwingungen und Lagerverschleiß, wodurch es Technikern möglich ist, geplante Reparaturen oder Einstellungen zur Vermeidung unerwarteter Ausfälle vorzunehmen, die zu übermäßigem Abfackeln führen würden.

Diese Lösungen werden durch Wireless-Sensoren und -Netzwerke ermöglicht, die die wichtigsten Anlagenzustandsdaten sofort interpretieren, wobei vordefinierte Analysefunktionen dem Bedienpersonal die Informationen liefern, die es für schnelle und fundierte Entscheidungen benötigt. Ebenso dienen Werkzeuge wie die Industrieanalyselösung Plantweb Insight von Emerson dazu, Vermutungen bei der Überwachung von Druckentlastungsventilen abzuschaffen. Diese Anwendung liefert Hinweise auf Druckentlastungen einschließlich Beginn und Ende sowie Produktions- und Emissionsverlust. Diese kontinuierliche Überwachung kann außerplanmäßige Abschaltungen reduzieren, die die Produktion beeinflussen, das Abfackeln im Notfall minimieren und Emissionen reduzieren.

Die Plantweb Insight Steam Trap App bestimmt den Online-Zustand der Kondensatabscheider und unterstützt die Reduzierung des Dampfverlusts und der Energieverschwendung, während die Heat Exchanger App eine umfassende Überwachung von Rohrbündelwärmetauschern durch die Analyse von Anlagensensordaten und die Lieferung vorausschauender Diagnoseinformationen bietet, mit denen das Bedienpersonal die optimale Leistung und Energieeffizienz aufrechterhalten kann.

Diese Analyse-Tools erstrecken sich auf die Korrosions- und Erosionsüberwachung in Rohrleitungen, wobei nicht intrusive Online-Anwendungen die Metallstärke überwachen, die ein wesentlicher Faktor bei der Bestimmung des Rohrzustands ist. Veränderungen werden innerhalb von Minuten erkannt, wodurch Korrekturmaßnahmen vor dem Eintritt von Schäden ergriffen werden können, die ansonsten den Anlagenzustand beeinflussen und möglicherweise zu Emissionen aufgrund von Leckagen führen würden.

„Gasfackeln bei Betreibern von Öl- und Gaserzeugungsanlagen tragen erheblich zu flüchtigen Emissionen bei.“

 

Lecksuche

Die Früherkennung von Leckagen ist ein weiterer Bereich, in dem erhebliche Verbesserungen möglich sind. Die Größe vieler verarbeitender Anlagen stellt eine ständige Herausforderung für die Erkennung von Gaslecks und flüchtigen Emissionen dar. Experten können bei der Identifizierung von Problembereichen unterstützen und Lösungen vorschlagen, um Emissionen besser kontrollieren und reduzieren zu können. Mit dem Zugriff auf eine umfassende Auswahl an automatisierten Lösungen und Ressourcen, die die Ursachen von Emissionen beseitigen, können Unternehmen ein individuelles Emissionskontrollprogramm einführen und sicher sein, dass ihre Anlage die Umweltvorgaben erfüllen wird.

Fortschrittliche Technologien stehen für genaue Messungen der Durchflussrate und die optimierte computerbasierte Rohrleitungsüberwachung zur Verfügung, um die Zuverlässigkeit der Rohrleitungen sicherzustellen. Ultraschall-Gasleckagedetektoren ermöglichen die schnelle Erkennung von Gasleckagen in Prozessen mit hohen Drücken wie z. B. bei der Rohrleitungsüberwachung oder in Gasverdichterstationen. Diese innovativen Lösungen verwenden Akustiksensoren zur Feststellung von Schwankungen beim Rauschen, die für das menschliche Gehör in einer Prozessumgebung nicht wahrnehmbar sind. Anders als bei herkömmlichen Gasdetektoren, die angesammeltes Gas messen, „hören“ Ultraschall-Gasdetektoren die Leckage und lösen ein Frühwarnsystem aus. Diese Lösungen erlauben schnelle Reaktionszeiten und können für luftgekühlte Wärmetauscher, Verdichterstationen, Generatoren, Gasmessanlagen, Bohrlochbuchtbereiche und Abscheider eingesetzt werden.

Energieeffizienz und Optimierung

Die Verbesserung der Energieeffizienz und Reduzierung von Verbrauch und nachfolgenden Emissionen ist ein Hauptfokus der Prozessindustrie. Große Verbesserungen der Energieeffizienz können mit geringen Anschaffungskosten durch die Optimierung der Leistung von Prozessregelkreisen erreicht werden. Regelungsschemata werden grundsätzlich erstellt, um den Prozess stabil zu halten und Schwankungen zu minimieren, was in vielen Fällen allerdings nicht geschieht. In einer typischen Anlage bringen fast zwei Drittel der Regelkreise aufgrund einer schlechten Ventilleistung, fehlerhaften Regelkreiseinstellung und ungeeigneten Regelungsstrategie nicht die geforderte Leistung. In der Folge werden große Mengen Energie vergeudet.

Eine schlechte Abstimmung hat größere Prozessschwankungen zur Folge. Dies führt wiederum dazu, dass das Bedienpersonal die Anlage für eine größere Fehlermarge außerhalb der effizientesten Bereiche betreibt, die normalerweise an der Betriebsgrenze (z.B. Grenzwerte für die Qualität) liegen. Dennoch verfügen viele Werke über keinen formellen, konsistenten Ansatz zur Störungsbeseitigung, und die Problemursachen bleiben somit wochen-, monate- oder sogar jahrelang unentdeckt.

Emerson geht dieses Problem an, indem es eine Reihe von Tools und Services anbietet, mit denen eine wesentlich bessere Regelungsleistung erzielt werden kann. Dazu gehört der DeltaV Loop Service, der auf die Optimierung der Zuverlässigkeit und Leistung des Systems ausgelegt ist. Die Leistung eines jeden Regelkreises wird gemessen, und ein Leistungswert gibt an, wie viele Regelkreise eine eingeschränkte Regelung, hohe Abweichungen und unsichere Eingänge aufweisen bzw. sich nicht in der normalen Betriebsart befinden.

Regelungsexperten liefern aus der Ferne monatliche Überprüfungen der Regelungsleistung, erkennen Probleme, geben Empfehlungen für Korrekturmaßnahmen und erstellen einen Leistungsplan, in dem die Regelkreise priorisiert werden, die die größten Auswirkungen auf das Ergebnis haben. Ziel ist die Maximierung der Anzahl der automatischen und leistungsfähigen Regelkreise, was wiederum zu einer besseren Produktqualität und einem höheren Durchsatz, weniger Bedienereingriffen vor Ort und einer erhöhten Energieeffizienz führt.

Bei Problemen, die mehr als eine PID-Regelung erfordern, bietet Emerson erweiterte Regelungstechnologien, die Prozessinteraktionen und schwierige Prozessdynamiken automatisch berücksichtigen und Probleme wie eine übermäßige Totzeit und Loop-Interaktionen auf einfache Weise beheben. Mit dem Einsatz dieser fortschrittlichen Regelungstechnologien wird die Produktqualität verbessert, indem wesentliche Prozessabweichungen erheblich reduziert werden, die Rentabilität gesteigert, indem der Prozess näher an seinen Grenzen betrieben wird, sowie die Energieeffizienz weiter erhöht.

Autorin:

„Die Verbesserung der Energie- und Ressourceneffizienz ist ein Hauptfokus der Prozessindustrie."

 

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