17 Mio. EUR für die künstliche Intelligenz in der Prozessindustrie

Die Innovationsplattform „KEEN – Künstliche-Intelligenz-Inkubator-Labore in der Prozessindustrie“ ist am 19. September 2019 im KI-Innovationswettbewerb des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) ausgezeichnet worden. Der Wettbewerb prämiert durchsetzungsstarke Leuchtturmprojekte, die die künstliche Intelligenz (KI) als Treiber für volkswirtschaftlich relevante Ökosysteme einsetzen wollen. Ab April 2020 wird das BMWi das KEEN-Konsortium voraussichtlich mit 10 Mio. EUR fördern. Zum gesamten Projektvolumen kommen noch 7,5 Mio. EUR von den Industriepartnern.

KEEN wird von der TU Dresden koordiniert und verbindet 25 Industrie- und Wissenschaftseinrichtungen, darunter die DECHEMA, mit dem Ziel, die Technologien und Methoden der künstlichen Intelligenz in der Prozessindustrie einzuführen. Diese umfasst u.a. die chemisch-pharmazeutische Industrie und ist die drittgrößte Industriebranche Deutschlands. Damit sie im internationalen Wettbewerb weiterhin konkurrenzfähig bleibt, muss die Produktion vorausschauender werden. Immer kürzere Produktlebenszyklen einerseits und der hohe Bedarf an Nachhaltigkeit und dem verantwortungsbewussten Umgang mit den Ressourcen anderseits bilden ein Spannungsfeld, dem die traditionelle Anlagenplanung und Prozessführung nicht mehr gewachsen sind. Künstliche Intelligenz hat das Potenzial, diesen spezifischen Herausforderungen zu begegnen. Denn sie kann große Datenmengen erfassen, verstehen und analysieren und damit komplexe Prozesse besser prognostizieren. „Wenn die Komplexität von Produkten, Prozessen und Anlagen steigt, brauchen Ingenieure einen ‚kognitiven Verstärker‘, um flexibler und schneller die neuen Lösungen zu erarbeiten“, so der KEEN-Projektkoordinator Prof. Leon Urbas, Professor für Prozessleittechnik an der TU Dresden. „Die künstliche Intelligenz kann einen gut ausgebildeten Ingenieur nicht ersetzen, aber ein nützliches Werkzeug für ihn sein.“

Das KEEN-Konsortium forscht an der Implementierung von KI-Verfahren in drei Themenbereichen: der Modellierung von Prozessen, Produkteigenschaften und Anlagen, dem Engineering (besonders der Unterstützung komplexer Planungsprozesse und Sicherheitsengineering) sowie der Realisierung selbstoptimierender Anlagen. „Die Einbeziehung verschiedener Aktivitäten im gesamten Feld der chemischen und biotechnologischen Industrie erlaubt uns, die Möglichkeiten der Digitalisierung sehr breit zu erkunden“, ist Prof. Norbert Kockmann von der Technischen Universität Dortmund überzeugt. Die künstliche Intelligenz kann Muster komplexer Prozesse erkennen und helfen, Ähnlichkeiten, statistische Auffälligkeiten und Simulationen einzubinden und Entscheidungsempfehlungen abzuleiten. „Für die Prozessindustrie ist es wichtig, dass die KI nicht nur Handlungsempfehlungen liefert, sondern auch Erklärungen, auf welcher Grundlage diese Empfehlungen erstellt wurden“, erklärt Prof. Urbas. „Der Entscheidungsprozess muss transparent sein. Nur so können die Ingenieure eine bewusste Auswahl treffen“.  

„Wir wollen KI-basierte Lösungen erarbeiten, die am Ende einen echten Mehrwert für die Unternehmen darstellen. Durch die starke, breit aufgestellte industrielle Beteiligung, von Startups bis hin zu großen Konzernen, bietet das Projekt die Möglichkeit, die KI-Innovationen direkt in die Anwendung zu überführen“, so Dr. Michael Bortz, Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM. Die Forschungsarbeit im KEEN-Projekt soll bis 2023 laufen. Bis 2025 sollen die ersten kommerziellen KI-Produkte für die Prozessindustrie verfügbar sein.

Quelle: TU Dresden, weitere Informationen: https://tu-dresden.de/tu-dresden/newsportal/news/die-innovationsplattform-keen-an-der-tu-dresden-ist-unter-gewinnern-des-ki-innovationswettbewerbs-des-bmwi

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Gelungene Auftaktveranstaltung der BMBF-Fördermaßnahme „Ressourceneffiziente Stadtquartiere für die Zukunft – RES:Z“

Wie lassen sich Stadtquartiere ressourceneffizienter gestalten? Darüber diskutierten rund 130 Teilnehmerinnen und Teilnehmer aus Wissenschaft, Wirtschaft und Kommunen bei der Auftaktveranstaltung der Fördermaßnahme „Ressourceneffiziente Stadtquartiere für die Zukunft – RES:Z“ am 5. und 6. Juni in Frankfurt am Main. Ansätze gibt es viele, von der Begrünung bis zur Erstellung urbaner Gebäude-Material-Kataster und der Erarbeitung von Planungstools. In den kommenden 3 Jahren sollen sie in 11 Projekten weiterentwickelt werden.

Bereits heute lebt mehr als die Hälfte der Weltbevölkerung in Städten. Diese sind für bis zu 70% des weltweiten Ressourcenverbrauchs verantwortlich. Vor dem Hintergrund der Deutschen Nachhaltigkeitsstrategie und der Umsetzung der Sustainable Development Goals müssen Städte energie- und rohstoffeffizient sowie klimaangepasst weiter entwickelt werden.

Hier setzt die Fördermaßnahme „Ressourceneffiziente Stadtquartiere für die Zukunft – RES:Z“ des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) an. Die 11 inter- und transdisziplinären Projekte entwickeln unter aktiver Einbindung von über 20 Modellkommunen umsetzungsorientierte Konzepte für Wasserwirtschaft, Flächennutzung und Stoffstrommanagement auf der Ebene des Stadtquartiers und erproben diese in der Realität, um so einen Beitrag zur nachhaltigen Gestaltung von Städten zu leisten.

Zur Auftaktveranstaltung der Fördermaßnahme RES:Z wurden am 5. und 6. Juni 2019 rund 130 Teilnehmerinnen und Teilnehmer aus Wissenschaft, Wirtschaft und Kommunen im DECHEMA-Haus in Frankfurt am Main begrüßt. In Form von Tandemvorträgen der meist wissenschaftlichen Projektleitung und Vertreterinnen und Vertretern der involvierten Kommunen wurden die geplanten Arbeiten der Projekte sowie die spezifischen Ziele der jeweiligen Kommunen anschaulich vorgestellt, was zu einem regen und interessierten Austausch beitrug. Diskutiert wurden Aspekte zur Entwicklung von übergreifenden Planungsinstrumenten für die integrative Stadtentwicklung und zur Gestaltung des Straßenraums vor dem Hintergrund unterschiedlicher Anforderungen der Nutzung (z.B. Mobilität, Wasserwirtschaft, Stadtplanung) und den Herausforderungen des Klimawandels (Hitze, Starkregenereignisse). Weitere Themen waren die Bedeutung sowie die ökologischen und sozialen Leistungen von urbanen Grünflächen und Möglichkeiten der Begrünung von Fassaden und Hausdächern für eine Verbesserung des städtischen Mikroklimas. Vorgestellt wurden darüber hinaus Ansätze für eine optimierte Nutzung von Wohnraum, um Flächenversiegelung zu vermeiden und zur Schließung von Stoffkreisläufen durch die Erstellung von Gebäude-Material-Katastern und von Konzepten zur Nutzung von Sekundärrohstoffen aus dem Rückbau von Gebäuden.

Zwei Impulsvorträge zur urbanen Transformation sowie – als Blick über den Tellerrand – zu Städten der Zukunft in Asien mit Beispielen zu aktuellen Entwicklungen in Korea. ergänztentenn die Präsentationen der RES:Z-Projekte. z

Die Veranstaltung wurde von der DECHEMA Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie e.V. organisiert, die das wissenschaftliche Querschnittsprojekt ReQ+ zur Fördermaßnahme RES:Z koordiniert. Projektpartner sind das Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT und StadtLand GmbH. Aufgaben von ReQ+ ist die inhaltliche Vernetzung der RES:Z-Projekte und die Unterstützung des Ergebnistransfers in die kommunale Praxis.

Weitere Informationen finden Sie unter: www.bmbf.ressourceneffiziente-stadtquartiere.de 

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„Jetzt ist eine gute Zeit, sich um mehr Energieeffizienz zu kümmern“

Wer Energie spart, spart auch CO₂ und Kosten. Das liegt auf der Hand. Kompliziert wird es aber bei der Umsetzung, denn hier spielen viele Faktoren eine Rolle. Für industrielle Wasserkreisläufe gibt es jetzt eine Plattform, die Unternehmen auf dem Weg zu mehr Energieeffizienz unterstützt. An ihrer Entwicklung war auch die DECHEMA im EU-Projekt WaterWatt beteiligt. Im Interview erklärt Dr. Jochen Michels, wissenschaftlicher Koordinator des Projekts, wie die Plattform eingesetzt werden kann und welche Einsparungen möglich sind.

Was ist die E³-Plattform?

E³ steht für Energie, Effizienz, Evaluation. Auf dieser internetbasierten Plattform kann man sich über Energieeffizienz in industriellen Wasserkreisläufen informieren und seine eigenen Kreisläufe evaluieren. Man kann also einmal durchprüfen, wie energieeffizient sie im Vergleich zu Wasserkreisläufen, die wir als Beispiele hinterlegt haben, schon sind. Man kann Verbesserungsvorschläge nachlesen oder im Simulator durchtesten.

Startseite der E³-Plattform

An wen richtet sich die E³-Plattform?

Wir gingen erst davon aus, dass sie sich direkt an die Unternehmen richtet, an große Unternehmen, die industrielle Wasserkreisläufe einer bestimmten Dimension betreiben. Das sind in der Regel Großindustrien, die auch eigene Energieteams haben, die sich um die Energieeffizienz in den Anlagen kümmern. Das ist aber nur eine relativ kleine Gruppe, die aber auch durchaus interessiert ist. Allerdings muss man sagen, dass die alle schon Lösungen haben, weil sie vom Gesetz her verpflichtet sind, sich alle drei Jahre in Bezug auf Energieeffizienz evaluieren zu lassen. Das ist eine gesetzliche Vorgabe der EU.

Deswegen muss man sagen, dass wir uns mit diesem WaterWatt-Projekt eher an kleine und mittelständische Unternehmen wenden, die zwar nicht gesetzlich verpflichtet sind, Energieeffizienzmaßnahmen zu ergreifen, aber wo die EU es sehr unterstützt, wenn sie es tun. Es lohnt sich für diese Unternehmen auch erst, wenn sie eine bestimmte Mitarbeitergröße haben, weil Energieeffizienzevaluation immer auch bedeutet, dass mindestens ein Mitarbeiter, wenn nicht gar ein Team, für diese Aufgabe zuständig sein muss.

Interessant ist die Plattform auch für Berater. Die waren, wenn wir das Projekt vorgestellt haben, immer sehr interessiert, weil sie die Plattform nutzen können, um ihren Kunden Energieeffizienzmaßnahmen zu erklären. Ein Consultant kann sich mit diesem doch recht komplizierten Simulator auseinandersetzen, kann die Kreisläufe dort abbilden und seinen Kunden gleich zeigen, wie viel Energie im Jahr gespart werden kann, wenn er Pumpe X und Filter Y durch etwas anderes ersetzt. Solche Tools gibt es eigentlich nicht auf dem freien Markt oder zumindest nicht kostenlos und sie sind auch relativ kompliziert. D.h. es lohnt sich eigentlich weniger für Unternehmen, sich einmalig dort einzuarbeiten, aber es lohnt sich für einen Berater, der viele Kunden hat, bei denen er das Tool regelmäßig einsetzen kann.

Wie kann die Plattform eingesetzt werden? Welche Vorteile hat sie?

Die Situation vor drei Jahren, als wir mit dem Projekt angefangen haben, war, dass es eigentlich gar kein Bewusstsein für diese Nebenkreisläufe in der Industrie gab. Für ein Unternehmen ist wichtig, dass der Prozess läuft. Und der Prozess an sich, was auch immer produziert wird, muss energieeffizient sein. Das ist schon richtig. Aber in der Regel hängt bei vielen Unternehmen der Prozess auch daran, dass der industrielle Wasserkreislauf funktioniert. Nehmen wir als Beispiel ein Walzwerk, das Walzstahl herstellt. Die Maschinen, die den Stahl walzen, werden permanent mit Wasser gekühlt, damit sie durch den geschmolzenen Stahl nicht selber angegriffen werden. Wenn da die Kühlung ausfällt, steht der ganze Prozess still. Und deswegen ist es ihnen eher egal, wie viel Wasser sie dort verbrauchen, Hauptsache die Kühlung funktioniert. Ein Stahlwerk braucht natürlich viel mehr Energie, um den Stahl aufzuschmelzen. Da muss also auch ein Umdenken stattfinden, weil es auch hier in der Summe um sehr viel Energie geht und damit auch sehr viel CO₂, das bei der Energieproduktion anfällt. Man geht davon aus, dass es um die 10.000 Gigawattstunden für die gesamte EU sind, die eingespart werden können.

Abhängig von den kontextabhängigen Faktoren werden natürlich nicht alle Unternehmen die Maßnahmen umsetzen. Eine Checkliste mit den kontextabhängigen Faktoren, die Unternehmen bei der Berechnung berücksichtigen sollten, findet sich im Informationsteil der Plattform. Dort gibt es auch E-Learning-Module und weitere Infos. Jeder muss für sich selbst bestimmen, welche Faktoren auf die eigene Situation zutreffen. Es reicht z.B. nicht zu sagen, dass man eine neue Pumpe kauft. Man muss schauen, ob man nicht Fördergelder dafür bekommen kann. Muss ich meine Mitarbeiter für diese neue Pumpe schulen, habe ich Mehrkosten. So geht es rauf und runter und das muss man alles berücksichtigen, wenn man so eine Investitionsentscheidung trifft. Für die Entscheidung reicht es nicht zu sagen, dass eine neue Pumpe so und so viel Wasser und Energie spart. Auch die Frage nach der maximal tragbaren Amortisationszeit, die für jedes Unternehmen unterschiedlich ist, spielt eine Rolle. So etwas kann der Unternehmer nur selber entscheiden. Dafür geben wir dem Unternehmen oder Berater die Tools an die Hand. Wir bieten eine riesige Datenbank auf der Website die von vielen Anbietern Pumpen, Filter und Kühltürme sowie andere Teile enthält, die in einem industriellen Wasserkreislauf verwendet werden. Deren Kenndaten, die für die Energieeffizienz sprechen, haben wir auf einen gemeinsamen Nenner gebracht, so dass wir in einer großen Tabelle darstellen können, wie energieeffizient bestimmte Komponenten sind, so dass man sie auch untereinander vergleichen kann.

Neben den Infos bieten wir auf der Plattform im Moment zwei Möglichkeiten zur Evaluierung an: Das eine ist die Selbstevaluierung. Man kann also die ganzen Tools, einen kurzen Fragebogen und den Simulator nutzen. Oder man füllt einen umfangreicheren Fragebogen aus, der an unsere Partner im Projekt geschickt wird, und kann dort eine kostenpflichtige Beratungsleistung anfordern. Das Projekt ist jetzt zu Ende, aber die Finanzierung für die Plattform ist in der Form noch für ein Jahr gesichert. Die Idee ist, dass zwei unserer Partner daraus ein Unternehmen gründen und mit dem Tool einerseits an Unternehmen herangehen, andererseits Berater schulen. Dieses Spin-off soll die Plattform dann weiter kostenlos anbieten. Darüber hinaus wird die geplante Firma auch kostenpflichtige Beratungen anbieten.

Konzept des Projekts WaterWatt

Wie sollte ein Unternehmen vorgehen, wenn es sein Einsparpotenzial auf der Website berechnen möchte?

Sinnvoll ist, sich erst mal mit der Website vertraut zu machen und einen Überblick über die Tools zu bekommen, z.B. mit unserer Broschüre. Wenn es dann an die Simulation geht, kann man natürlich alle Komponenten im Simulator darstellen. Dahinter verbergen sich noch jede Menge Eingabefelder mit notwendigen Daten, damit die Simulation am Ende läuft. Das ist ein iterativer Prozess. Man kann auch jeden Zwischenstand speichern, wenn z.B. noch Daten fehlen, und dann an der Stelle weitermachen. Das ist auch nützlich, wenn man einen Energieaudit durchführt und die Zwischenschritte mit dem Auditor bespricht.

Jetzt ist eine gute Zeit, sich um die Energieeffizienz zu kümmern, weil es viele Fördermittel gibt. Die EU hat eine eigene Energieeffizienz-Richtlinie herausgegeben, die aktuell zwar nur die Großunternehmen verpflichtet, Energieaudits zu machen und regelmäßig zu dokumentieren, wie sie energieeffizienter werden. Für kleine und mittelständische Unternehmen gilt das nicht. Aber es gibt sehr viele Programme, um sie auch zum Audit zu bewegen und sie dabei zu unterstützen, energieeffizienter zu werden. Je energieeffizienter ein Unternehmen, desto wirtschaftlicher. Es lohnt sich also auch für kleinere Unternehmen mal zu schauen, wo man etwas einsparen kann.

Dashboard des Simulators

Welche Einsparungen sind möglich?

Für die Marktanalyse haben wir sehr viele Berichte von ähnlich gelagerten Fällen gelesen. Da wurden schon Case Studies gemacht, die versucht haben, das Einsparpotenzial zu erfassen. Und es lag immer zwischen fünf und zehn Prozent des Energieverbrauchs des Kreislaufes eines Unternehmens.

Vielen Dank für das Gespräch, Herr Dr. Michels.

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Was ist ein CEN Workshop Agreement?

Standardisierung und Normung sind mittlerweile ein wichtiger Aspekt in vielen Branchen, damit der Handel auf dem europäischen Binnenmarkt und die Zusammenarbeit von Akteuren aus unterschiedlichen Ländern und Industrien reibungslos verlaufen. Häufig entstehen dabei, wie etwa im EU-Projekt SHAREBOX, sogenannte CEN Workshop Agreements (CWAs). Aber was ist ein CWA eigentlich und wozu ist es gut?

In den drei europäischen Organisationen CEN, CENELEC und ETSI arbeiten die nationalen Normungsorganisationen europäischer Länder, z.B. die DIN für Deutschland, an einheitlichen Regelungen für verschiedene Industrie- und Dienstleistungsbereiche. Die Themenfelder reichen dabei von der Chemie, Nanotechnologie und dem Transportwesen bis zur Nahrungsmittelindustrie, Konsumgütern und Smart Living, um nur einige zu nennen. Im CEN (European Committee for Standardization) entstehen beispielsweise europäische Normen, die den Handel erleichtern, die Qualität und Sicherheit von Produkten steigern und die Kosten senken, weil keine Produktanpassungen an abweichende Regeln im Absatzland nötig sind.

Eine weitere Möglichkeit sind CEN Workshop Agreements (CWAs), die als offizielle Einigung beispielsweise Best Practices, technische Spezifikationen und Anleitungen enthalten. Wie Normen können sie für viele verschiedene Fachgebiete aufgestellt werden. Sie haben nicht den gleichen Stellenwert wie eine europäische Norm, haben z.B. keine nationale Verbindlichkeit und ihre Anwendung ist freiwillig, können aber eine Vorstufe auf dem Weg zu einer Norm sein.

Der Vorteil ist, dass CWAs schneller erstellt werden können und kostengünstiger sind. So kann ein CWA in fünf bis 18 Monaten entwickelt und beschlossen werden, wogegen die Erarbeitung einer Norm Jahre braucht. Auch der Prozess ist flexibler und die Abläufe im Vergleich zum Entstehen einer Norm vereinfacht. Teilnehmen können alle Akteure aus Unternehmen, Vereinigungen, Regierungen und Akademia, die ein berechtigtes Interesse an dem Thema haben, also auch aus angrenzenden Industrien. Dabei gibt es keine lokale Beschränkung, so dass Beteiligte aus Ländern außerhalb Europas mitwirken dürfen. Der Großteil der Arbeit läuft elektronisch ab, was Zeit und Kosten für persönliche Treffen spart. Ähnlich einer Norm werden die Entwürfe online zur Verfügung gestellt, so dass die Öffentlichkeit diese kommentieren und wichtigen Input liefern kann. Gleichzeitig bringen CWAs viele Stärken der Normen mit und halten beispielsweise einheitliche Definitionen, Regelungen und Rahmenbedingungen, technische Anforderungen oder die Beschreibung von Datenbanken offiziell fest, an denen sich Stakeholder aus Industrie, Öffentlichkeit und Politik orientieren können. Die Dokumente sind über CEN und die nationalen CEN-Mitglieder erhältlich und werden teilweise kostenfrei zur Verfügung gestellt.

Ein Beispiel: Um Ressourcen nachhaltiger und effizienter zu nutzen, schafft die industrielle Symbiose Verbindungen zwischen Unternehmen, die als Nebenprodukt oder „Abfall“ (z.B. Chemikalien, Abwärme oder Industriewasser) das produzieren, was andere Betriebe als Rohstoff einsetzen. Ein europaweit einheitlicher Rahmen fehlte bisher. Im EU-Projekt SHAREBOX, an dem auch die DECHEMA beteiligt ist, entstand nun in Zusammenarbeit mit drei weiteren EU-Projekten ein CWA, das einen Konsens zu den Kernelementen der industriellen Symbiose liefert und Ansätze für bewährte Verfahren aufzeigt. Das Dokument soll eine leichtere Identifizierung der Industriellen Symbiose ermöglichen. Akteure aus der Industrie und Kommunen können sich informieren und auf gemeinsame Elemente und Ansätze zurückgreifen, was die Etablierung von industriellen Symbiosen erleichtert und eine Grundlage für Politik, Empfehlungen und eine umfassende Umsetzung bildet.

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KETBIO – Der Biotech-Booster, der aus Forschung Business macht

Neuer Service ermittelt das Marktpotenzial von Biotech-Forschungsprojekten

KETBIO, eine Initiative, um Forschungsergebnisse in den Markt zu bringen, hat ein neues Online-Portal für Biotechnologie als Schlüsselforschung aufgesetzt. Die interaktive Plattform ermöglicht der Biotech-Community nicht nur, sich online zu vernetzen und auszutauschen, sie eröffnet auch die Möglichkeit, sich auf den Markteintritt vorzubereiten: Das wichtigste Angebot von KETBIO ist die Evaluierung des Marktpotenzials von vielversprechenden Biotechnologie-Projekten.

Die Plattform steht allen Industrieexperten und Wissenschaftlern auf den verschiedenen Gebieten der Biotechnologie offen. Mit der kostenfreien Registrierung erhalten sie Zugang zu einer großen Bandbreite an Angeboten – Networking mit Experten und Gleichgesinnten, die Vorstellung von Projektprofilen, Suchen und Finden von Technologien, Marktdaten, Webinare und Kontakt zu Firmen. Hochrangige Vertreter der Biotech-Industrie sind eingeladen, dem Commercial Committee von KETBIO beizutreten, Projektergebnisse zu bewerten und Empfehlungen für die Kommerzialisierung zu geben. Durch die zusätzliche Bewerbung und mehr Sichtbarkeit für vielversprechende Projekte, die auf Industrieveranstaltugnen präsentiert werden, durch Beratung oder Unterstützung bei Lizenzfragen helfen die KETBIO-Technologietransfer-Experten dabei, Forschungsergebnisse schneller in den Markt zu bringen.

KETBIO ist eine EU-finanzierte Coordination Action im Forschungsprogramm HORIZON 2020 für Forschung in Schlüsseltechnologien. Die Initiative soll die europäische Innovationsfähigkeit fördern. Biotechnologie-Forschung ist einer der wesentlichen Treiber für die Kreislaufwirtschaft und bietet Technologie für verschiedene Gebiete wie Bioraffinerien, Meeres- und Süßwassertechnologien, Energie- und Abfallverwertung, Lebensmittel-, Futtermittel- und Textilproduktion, Landwirtschaft und vieles mehr.

Insgesamt umfassen die Schlüsseltechnologien (Key Enabling Technologies, KET) sechs Technologien: Mikro- und Nanoelektronik, Nanotechnologie, Industrielle Biotechnologie, Advanced Materials, Photonik, und fortschrittliche Produktionstechnologien. Die Initiative „Leadership in Enabling and Industrial Technologies (LEIT)“, die die industriellen Fähigkeiten in Europa weiterentwickeln soll, ist Teil des Programms HORIZON 2020. Sie unterstützt die Entwicklung von Technologien, die Innovationen in einer ganzen Reihe von Branchen ermöglichen. Das 2017 begonnene KETBIO-Projekt gehört zur Implementierungsphase. Das Konsortium unter Leitung der DECHEMA vereint Kenner der chemischen Industrie, Wissenschaftler, Innovations- und Technologie-Transferexperten und Kommunikationsfachleute aus sechs europäischen Ländern.

Registrieren Sie sich jetzt auf www.ketbio.eu und gestalten Sie mit! Oder folgen Sie uns auf Twitter: @ketbio_biotech

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BMBF-Forschungsprojekt untersucht Digitalisierung im industriellen Wassermanagement

Acht Partner aus Industrie und Forschung beschäftigen sich erstmals mit den wissenschaftlichen, technischen und wirtschaftlichen Potenzialen, die mit einer Digitalisierung im industriellen Wassermanagement verbunden sind. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert das kürzlich angelaufene Verbundprojekt DynaWater 4.0 über einen Zeitraum von drei Jahren mit mehr als 1,5 Mio. Euro.

Während die Digitalisierung in der industriellen Produktion und der Prozessindustrie schnell fortschreitet, hat der Digitalisierungsgrad in der Wasserwirtschaft noch kein vergleichbares Niveau erreicht. Vor allem im industriellen Bereich ist die Wassertechnik durch die enge Verbindung mit der Produktion gefordert. Hierfür muss die Wasserwirtschaft flexibler und vernetzter werden; wie dies genau aussehen kann, haben Branchenexperten 2018 im Positionspapier „IndustrieWasser 4.0“ der DECHEMA Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie e.V. detailliert dargestellt.

Ziel von DynaWater 4.0 ist es, auf der Grundlage des Konzepts „IndustrieWasser 4.0“ Modelle und Cyber-physische Systeme (CPS), Sensornetze, Datenplattformen sowie Komponenten von industriellem Wassermanagement und industrieller Produktion miteinander zu vernetzen. Dies wird an konkreten Beispielen der Branchen Chemie, Stahl und Kosmetik demonstriert und bewertet. Dabei reicht der Grad der Vernetzung von der digitalen Verknüpfung von Prozessen innerhalb eines Unternehmens über den Standort bis zur Einbindung der kommunalen (Ab)Wasserwirtschaft. Zusätzlich wollen die Projektpartner zeigen, wie auch andere Branchen diese Ergebnisse verwerten können. So lässt sich die digitale Zusammenarbeit zwischen industriellem Wassermanagement und Produktion auf unterschiedlichen Ebenen beispielhaft darstellen. Außerdem sollen die entstehenden Optimierungspotentiale abgeschätzt werden.

Unter der Koordination der DECHEMA und Leitung von Dr. Thomas Track arbeiten acht Partner an dem Projekt: DECHEMA e.V., VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH, Deutsche Edelstahlwerke Specialty Steel GmbH & Co. KG, Fraunhofer Institut für Offene Kommunikationssysteme, Institut für Automation und Kommunikation e.V., Evonik Technology & Infrastructure GmbH, Technische Universität Berlin und die EnviroChemie GmbH. Die DECHEMA ist darüber hinaus für die Bewertung der Effizienzpotentiale aus den Demonstrationsergebnissen, die Erarbeitung einer Roadmap zur Weiterentwicklung des Themas für die Anwendung sowie den Dialog mit der Fachöffentlichkeit verantwortlich.

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) unterstützt das Verbundprojekt „DynaWater4.0 – Dynamische Wertschöpfungsnetzwerke durch digitale Kollaboration zwischen industriellem Wassermanagement und Produktion“ als Teil der Fördermaßnahme „Industrie 4.0-Kollaborationen in dynamischen Wertschöpfungsnetzwerken (InKoWe)“ im Cluster Wasser.

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Mindestanforderungen an eine Wasserwiederverwendung

Hinweise aus Sicht der WavE-Forschungsprojekte des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF)
gwf-Wasser | Abwasser 12 | 2018, S. 58 bis 67

Die EU-Kommission hat im Mai 2018 den Entwurf einer Verordnung veröffentlicht, der erstmalig einheitliche Mindestanforderungen für die Praxis einer Wasserwiederverwendung für die landwirtschaftliche Bewässerung in Europa formuliert. Der Vorschlag hat in Deutschland eine kontroverse Diskussion ausgelöst. Diese reicht von der Hinterfragung der Notwendigkeit einer Wiederverwendung überhaupt bis zur grundsätzlichen Zustimmung zu dieser Initiative. Dieser Beitrag verfolgt das Ziel, die laufende Diskussion und anstehende politische Debatte des Entwurfs einer Verordnung zur Wasserwiederverwendung einzuordnen. Darüber hinaus adressiert die Einordnung generelle Anforderungen an eine sichere Wasserwiederverwendung sowie deren Notwendigkeit für Deutschland aus der Sicht laufender Forschungsvorhaben im Rahmen der Fördermaßnahme des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) „Zukunftsfähige Technologien und Konzepte zur Erhöhung der Wasserverfügbarkeit durch Wasserwiederverwendung und Entsalzung – WavE“.

Zum Artikel: https://www.gwf-wasser.de/aktuell/publikationen/18-01-2019-gwf-wasserabwasser-exklusiv-zum-download/

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„Wie definiere ich eigentlich ein Modul?“

Können sich Anlagenplaner und Betreiber dank Digitalisierung bald gemütlich zurücklehnen und der Steuerung im digitalen Zwilling die Arbeit überlassen? Nein, denn es bleibt noch viel zu tun. Das zeigt unter anderem der Zwischenstand des Projektes ENPRO. Mit dem Betreuer Linus Schulz haben wir über neue Erkenntnisse und den Ausblick auf Phase 2 gesprochen.

DECHEMA: Die erste Projektphase ist beendet, die zweite Phase hat begonnen. Wenn Sie jetzt eine Zwischenbilanz ziehen müssten, was hat Sie am meisten überrascht?

Linus Schulz, ENPRO-Projekt: Aus einer naiven Sicht hat es mich überrascht, wie schwierig das Zusammenspiel von automatisierten Komponenten ist. Auch die unterschiedlichen Moduldefinitionen, das war überraschend, wie schwierig das ist. Wir haben das Projekt „Modularisierung“; da kam, auch erstaunlich für die ganzen Projektbeteiligten, die Frage auf „Wie definiere ich eigentlich ein Modul?“.

DECHEMA: Welche Konsequenzen hatte das für die Diskussionen im Projekt?

Schulz: Wir haben ganz lange über diese Frage diskutieren müssen, weil die einzelnen Charaktere in der Thematik das jeweils anders gesehen haben. Ein Großanlagenbauer sieht das anders als ein Apparatehersteller. Für viele Firmen ist es ein Modul, wenn die sagen, wir setzen etwas in einen 20-Fuß-Container. Das ist aber ein völlig individualisierter 20-Fuß-Container. Für jemanden, der sich mit Automatisierung beschäftigt, ist das eine individualisierte Kleinanlage.

DECHEMA: Wie weit ist denn die Standardisierung in dem Bereich gekommen?

Schulz: Bei der Automatisierungstechnik sind die ersten Weißdrucke an VDI-Richtlinien raus, bei den verfahrenstechnischen Schnittstellen und Auslegungen soll Ende des Jahres der erste Gründruck herauskommen. Wir befinden uns derzeit aktiv in der Standardisierung. Beim MTP, also beim Modul Type Package im NAMUR-Projekt, gibt es eine erste standardisierte Beschreibung eines Moduls. Das ist noch nicht in der Anwendung, aber die ersten Firmen bauen es mittlerweile in ihre Software ein.

 

Mehr zu ENPRO und zur Digitalisierung in der Anlagen- und Prozesstechnik erfahren Sie beim Jahrestreffen – melden Sie sich jetzt an unter www.dechema.de/paat2018

 

 

DECHEMA: Gibt es in der zweiten Phase des Projekts, die jetzt läuft, etwas, bei dem Sie sagen, das finde ich besonders spannend?

Schulz: Da bin ich beim Projekt ORCA. Was ich da das Spannende finde ist, dass sie mit dem Regierungspräsidium in Darmstadt zusammenarbeiten, um die Genehmigung von modularen Anlagen zu besprechen. und auch schon zu einem sehr frühen Zeitpunkt die Genehmigungsverfahren vielleicht anzupassen. Also, dass nicht nur reine Projektarbeit getan wird, sondern dass da schon während der Projektlaufzeit auch die Regularien angeschaut und eventuell auch Lösungsvorschläge erarbeitet werden. Das ist etwas, was ich so aus ganz wenigen Forschungsprojekten kenne. Also hier ist es so, dass erkannt wurde, dass eine der großen Herausforderungen sein wird, eine modulare Anlage nicht nur technisch zu lösen, sondern auch von den Regularien her. Weil wenn die Regularien nicht stimmen, muss ich eine modulare Anlage, wenn ich sie wieder umbaue, wieder komplett neu genehmigen lassen.

DECHEMA: Wie geht es weiter bei ENPRO? Warum lohnt sich das Mitmachen?

Schulz: Wir haben Projekte, die noch nicht genehmigt, aber in der Vorbereitung sind. Da geht es zum Beispiel um Logistik, um Auswahlverfahren für Module und Apparate, um eine weitere und  bessere Datenintegration. Also es ist ein ganz großer Blumenstrauß an verschiedenen Themen, die aber alle die Idee der Prozessbeschleunigung und Energieeffizienz in sich tragen. Und es lohnt sich mitzumachen, weil die Einzelprojekte eine relativ große Freiheit haben, wie sie ihre Forschung selbst organisieren und gleichzeitig  den Mehrwert eines sehr intensiven Austauschs mit Gleichgesinnten bieten.

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Gas-/Gas-Elektrolyse – ein neues Verfahren mit großem Potenzial

In der Regel werden bei Elektrolysen Flüssigkeiten wie Wasser oder in Flüssigkeiten gelöste Ionen, z.B. zu Metallen oder Chlor, umgesetzt. Was aber, wenn ein Gas elektrolytisch gespalten werden soll? Dieser Herausforderung stellen sich Wissenschaftler von Siemens im Forschungsprojekt „Rheticus“. Dabei soll mit Hilfe von Strom aus regenerativen Quellen Kohlendioxid zu Kohlenmonoxid umgesetzt werden. Bei der Entwicklung kam den Forschern der Zufall zu Hilfe, erzählt Günter Schmid, Principal Key Expert Research Scientist bei Siemens: „Kollegen von Covestro und ich habe vor einiger Zeit entdeckt, dass Sauerstoffverzehr-Kathoden aus der Chloralkalielektrolyse auch in der Lage sind, CO₂ zu reduzieren. Natürlich ist einiges an Nachentwicklung notwendig, aber wir konnten in einer gemeinsamen Veröffentlichung von Evonik, Covestro und Siemens bereits eine Lebensdauer von 1200 Stunden nachweisen.“ Im Kopernikus-Satellitenprojekt Rheticus arbeiten die Unternehmen jetzt daran, diese Elektrolyse in den industriellen Maßstab zu bringen. Das gebildete CO dient dann als Grundlage für einen fermentativen Prozess, in dem Butanol und Hexanol erzeugt werden.

Quelle: http://www.siemens.com/presse

Der kontinuierliche Betrieb sei am Anfang die größere Herausforderung gewesen, erzählt Schmid: Die Elektrolysezelle basiert auf zwei Kreisläufen: Auf der Anodenseite wird Wasser oxidiert. An der Kathode wird CO₂ zu CO reduziert. Eine der Herausforderungen: Die Löslichkeit von CO₂ in Wasser. „In einer Limoflasche sind maximal 2 g CO₂ pro Liter gelöst. Das ist nicht viel, Stromdichten von mehreren 100 mA pro cm² kann man damit nicht erreichen“, erklärt Schmid. „Deshalb setzt man die sogenannte Gasdiffusionselektrode ein.“ Deren Kern bildet ein Metall- oder Kunststoffgitter, in das ein Katalysator eingepresst wird. Dabei muss die Porengröße so bemessen sein, dass der Elektrolyt nicht hindurchläuft, aber Gas eindringen kann. Dass das CO₂ den Wettbewerb um Elektronen gegen das umgebende Wasser gewinnt, obwohl an der Elektrodengrenzfläche die Relation 2 Gramm CO₂ pro kg Wasser beträgt, liegt an der hohen Überspannung des Silbers gegenüber Wasserstoff – stimmt hier ein Parameter nicht, entsteht anstelle des CO vor allem Wasserstoff. „Wie man diese Faraday-Effizienz richtig „tuned“, haben wir im Projekt gelernt“, sagt Günter Schmid. Bei Design und Optimierung solcher Gasdiffusionselektroden sind zahlreiche Faktoren zu beachten – Leitfähigkeit, Morphologie, chemische Zusammensetzung, Porosität und Durchdringdruck, bei dem das Gas eindringt, aber nicht „durchblubbert“. Und natürlich spielen sie auch beim Scale-up eine entscheidende Rolle.

Um den Stromkreis zu schließen und einen kontinuierlichen Betrieb zu gewährleisten, müssen Ladungsträger zwischen Wasser und CO₂ hin und her bewegt werden. „Im einfachsten Fall sollten die Protonen, die an der Anode entstehen, das Hydroxid an der Kathode neutralisierten und so hätten wir unseren Stromkreis geschlossen“, erklärt Schmid. Der Teufel liegt im Detail, denn je nachdem, welche der vorhandenen Ionen für den Ladungsausgleich sorgen, kommt es zu unerwünschten Nebenreaktionen. Über die Konzentration des Elektrolyten und die Auswahl der Membran lässt sich zwar steuern, welche Ionen zwischen den Zellen wandern. Aber die Ionen nehmen beim Durchtreten der Membran immer auch Wassermoleküle mit, und damit kommt es im Laufe des Betriebs zu Verdünnungs- und Konzentrationseffekten in den Teilzellen. Deshalb haben die Forscher ein System entwickelt, bei dem in einem externen Mischgefäß für einen Ausgleich gesorgt wird. Zudem wurde die Anode direkt auf die Membran aufgebracht, um mit einer „Zero-Gap-Anordnung“ möglichst wenig Elektrolytwiderstand zu erreichen. „Wenn das ausbalanciert ist, läuft es – auch nach 1250 Stunden war die Versuchsanordnung stabil“, erklärt Schmid.

Da es sich bei der Elektrolyse um eine Flächentechnologie handelt, steht dann als nächster Schritt für die Skalierung ins Volumen die Verschaltung mehrerer Zellen zu einem Stack an. Durch das Hintereinanderschalten der Einzelzellen mit 3-5 Volt Betriebsspannung wird der Elektrolyseur auch kompatibel zu den deutlich höheren Spannungen, die das Netz bereitstellt.

Im Rahmen des Projektes ist es gelungen, ohne Akkumulation von Nebenprodukten Stromdichten von 300 mA/cm² zu erreichen. „Damit hatten wir eine Schwelle überschritten, wo man sich sagt: Wir sollten weitermachen“, sagt Schmid. Aktuell geht es nun darum, die Plattengrößen auf 300 cm² zu erhöhen; der Wunsch der Wissenschaftler wäre eine 3 m²-Elektrode wie in der Chloralkalielektrolyse, in der allerdings 120 Jahre Entwicklung stecken. Doch Günter Schmid ist optimistisch; im Dezember 2019 soll die erste Anlage in den Testbetrieb gehen und aus erneuerbarer Energie Chemikalien erzeugen.

Wenn Sie mehr über neue Technologien und Anwendungen für Elektrolyse hören wollen, registrieren Sie sich jetzt für das PRAXISforum „Electrolysis in Industry“ am 22. und 23. November 2018 in Frankfurt.

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„Bakterienfutter“ aus der Elektrolyse: Industriekooperation geht in die nächste Phase

Dass Forschungsprojekte erfolgreich sind, ist glücklicherweise keine Seltenheit. Dass sie  allerdings so erfolgreich sind, dass zwei Großunternehmen nach einem Projektjahr den Bau einer Kleinanlage ins Auge fassen, ist dann doch eher selten. Grund genug, einmal nachzufragen – bei Dr. Günter Schmid, Principal Key Expert Research Scientist bei Siemens:

Herr Schmid, herzlichen Glückwunsch an Sie und Ihren Projektpartner Dr. Thomas Haas von Evonik – Sie sind quasi von Ihrem Erfolg überrollt worden.

Ja, das kann man sagen. Unser Projekt ist im ersten Jahr so erfolgreich gelaufen, dass wir uns entschieden haben, den nächsten Schritt zu gehen und in Richtung einer vollständig automatisierten Kleinanlage zu skalieren. Derzeit planen wir, im Dezember 2019 unsere Einzelprozesse zu verkoppeln.

Worum geht es im Projekt von Siemens und Evonik genau?

Unser Projekt heißt Rheticus und ist ein Satellitenprojekt der Kopernikus-Initiative. Wir wollen aus erneuerbaren Rohstoffen Spezialchemikalien herstellen. Die „Rohstoffe“ sind Elektronen aus erneuerbarer Energie, CO₂ und Wasser. Die Energie bringen wir über eine Elektrolyse in das System: Wir elektrolysieren CO₂ zu Kohlenmonoxid, Wasser zu Wasserstoff, und das verfüttern wir dann an die Bakterien.

Warum setzen Sie ausgerechnet auf ein biotechnologisches Verfahren?

Wir arbeiten mit anaeroben Bakterien, wie sie beispielsweise an „Black Smokern“ in der Tiefsee vorkommen. Wir benutzen zwei Bakterienstämme, bei denen einer der Stämme  ein Gasgemisch aus Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid zu Acetat und Ethanol umsetzt. Ein zweiter Stamm produziert aus diesen Intermediaten anschließend Butanol und Hexanol.

Die Biotechnologie bietet zwei Vorteile: Sie arbeitet sehr selektiv und effizient in der CO₂ Nutzung, und sie lässt sich dezentral einsetzen, auch unabhängig von einem integrierten Chemiestandort. Wir können solche Anlagen dort aufbauen, wo auch die erneuerbaren Energien anfallen.

 

http://www.dechema.de/electrolysis

 

Wie sind Sie bei der Auswahl der Zielprodukte vorgegangen?

An dieser Frage haben wir ziemlich lang gearbeitet. Bei fossil basierten Produkten bezahlt man nur für Prozess, Transport und Förderung, aber nicht für den Energieinhalt. Bei Produkten auf Basis erneuerbarer Energie ist der Energieinhalt einer der größten Kostentreiber. Wir brauchen also Produkte, bei denen der Anteil der Energie an den Kosten möglichst gering ist, und das ist bei der Spezialchemie der Fall. Außerdem können wir mit kleineren Anlagen starten, bevor wir dann in den Bereich der Bulkchemikalien oder der Kraftstoffe eintreten.

 

Wie sauber muss das CO₂ sein, das Sie einsetzen?

Die Ansprüche an das CO₂ sind vergleichsweise gering. So stören viele Schwefelverbindungen oder Sauerstoff den Prozess nicht, nur Metalle, die als Katalysatorgifte wirken, müssen vorab aus dem Rauchgas entfernt werden. Wir gehen aber trotzdem davon aus, dass wir das CO₂ vorher aufreinigen, denn das können wir leicht aus Luft abtrennen, während Kohlenmonoxid sehr schwer von Stickstoff und Sauerstoff zu befreien ist.

 Wo liegt die größte technische Hürde?

Im Moment sind wir in der Fermentation im 2-Liter-Maßstab und wir wollen in den Kubikmeter-Maßstab kommen. Wir müssen also sowohl die Elektrolyse als auch die Bioreaktoren scalieren. Bisher hat noch niemand einen Gas-/Gas-Elektrolyseur gebaut, schon gar nicht in diesen Größenordnungen.

Inwieweit ist die Technologie auch dazu geeignet, Schwankungen in der Stromerzeugung abzupuffern?

Die Technologie ist sehr flexibel. Wir haben Betriebsmodi entwickelt, bei denen man die Leistung rauf- und runterfahren kann. Die untere Grenze bildet ein Standby-Modus; das ist auch für die Fermentation anwendbar.

Was ist Ihr nächstes Ziel?

Bis jetzt entwickeln wir die Einzelkomponenten aus dem Labormaßstab von 10 cm² auf 300 cm² – das ist ein Riesensprung. Für die weitere Skalierung bauen wir dann mehrere Zellen – ein Stack aus etwa zehn Zellen wäre ein Zwischenschritt, mit dem man erst einmal alles demonstrieren kann, was man so braucht. Wir haben im Rahmen von Kopernikus einen kontinuierlichen Betriebsmodus entwickelt, und in 2019 wird die erste echte Kopplung mit allen Anlagen stattfinden. Ziel ist eine automatisierte Kleinanlage, die eine kleine zweistellige Tonnage pro Jahr produzieren kann. Das heißt, wir sprechen von Elektrolyseuren im Kilowattbereich und Fermentern von im Bereich von 1 m³ Größe.

Wer mehr zu den vielen Einsatzmöglichkeiten der Elektrolyse und den aktuellesten technischen Entwicklungen erfahren und sich mit anderen Experten austauschen möchte, hat dazu Gelegenheit beim PRAXISforum Electrolysis in Industry am 22. und 23. November 2018 in Frankfurt – jetzt Programm ansehen und anmelden!

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