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Archive for the ‘Verfahrenstechnik’ Category

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In der Logistik ist der Einsatz von Drohnen längst ein öffentlich diskutiertes Thema – von der Essenslieferung bis zum Versandhandel sollen autonome Transportdrohnen statt Pizza- oder Postbote die Bestellungen zur Haustür bringen. Auch in der Intralogistik von Unternehmen oder beim schnellen Transport von Blutproben laufen Versuche zum Drohneneinsatz. Nun sollen die fliegenden Helfer auch das Labor erobern.

Und sie klopfen schon an die Tür: Bei ThyssenKrupp Steel haben autonome Drohnen bereits die ersten Tests bestanden. Anstelle eines Werksmitarbeiters, der zweimal täglich mit dem PKW übers Werksgelände fährt, liefert eine autonom fliegende Drohne 

In einem Pilotversuch die Rohstoffproben zur zentralen Qualitätskontrolle und senkt dabei die Lieferzeiten um bis zu 70%.

Doch auch innerhalb des Labors könnten Drohnen wichtige Aufgaben übernehmen. Der Laborausrüster Hudson Robotics gab im April 2019 eine Entwicklungspartnerschaft mit Physical Sciences Inc (PSI) bekannt. Die beiden Unternehmen wollen gemeinsam neue Technologien für das Probenhandling entwickeln. Dabei sollen die Drohnen Proben innerhalb des Labors transportieren. Sie werden zudem an die Laborautomations-Software angebunden: So sollen die Drohnen zum richtigen Gerät dirigiert werden, wo sie ihre Proben abladen. Die Software startet die Messung; nach erledigter Arbeit holt die Drohne die Proben wieder am Messgerät ab.

Der Hersteller Scentroid sieht eine wesentliche Chance für den Einsatz von Drohnen auch bei der Probennahme und in-situ-Messung: In schwer zugänglichen Bereichen z.B. über Industrieanlagen können die Geräte nach Angaben der Firma bis zu 30 Chemikalien messen und schicken die Werte zusammen mit ihrer genauen Position an die Bodenstation.

Werden Drohnen das Labor der Zukunft prägen? Oder sind ganz andere Technologien ausschlaggebend für effizientere Workflows und bessere Integration in Prozessentwicklung und Produktion? Diskutieren Sie mit beim PRAXISforum Lab of the Future am 3. und 4. September 2019. Erfahren Sie von Herstellern und Anwendern, was heute schon „state of the art“ ist, und entwickeln Sie gemeinsam neue Ideen im Creativity Lab. Programm und Anmeldung unter https://dechema.de/FutureLab.html

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Welche Rolle könnte Methanol als Energieträger und Plattformchemikalie der Zukunft spielen? Diese Frage hat Hans Jürgen Wernicke durch seine gesamte Berufslaufbahn begleitet – und auch beim DECHEMA-Kolloquium anlässlich seines 70. Geburtstages ist der Blick nicht nur auf den aktuellen Stand der Technik, gerichtet, sondern darüber hinaus auf die Einsatzmöglichkeiten von Methanol in der nahen und mittleren Zukunft. Wir sprachen mit dem früheren DECHEMA-Vorsitzenden darüber, was ihn an Methanol so fasziniert:

Dr. Hans Jürgen Wernicke

Herr Dr. Wernicke, welche Rolle hat Methanol in Ihrer Laufbahn gespielt?
Methanol hat mich über meine gesamte Berufslaufbahn begleitet. Bei Linde haben wir einen Reaktor entwickelt, der unter anderem für die stark exotherme Synthese von Methanol dient, bei der Süd-Chemie (heute Clariant) waren und sind  Methanolkatalysatoren ein wichtiger Teil des Geschäfts und wurden kontinuierlich verbessert  – ich war also immer in der einen oder anderen Weise mit Methanol befasst.

Wo sehen Sie die größten Potenziale für den Einsatz von Methanol in der nahen und in der mittleren Zukunft?
Das größte Potenzial sehe ich darin, CO2 zu recyceln und mit „grünem“ Elektrolysewasserstoff zu nachhaltigem Methanol umzusetzen. Methanol lässt sich vielseitig einsetzen, z.B. als hochoktaniger  Kraftstoffzusatz oder weiterverarbeitet  als Benzin oder Diesel. Über die in großem Maßstab realisierte  Herstellung von Olefinen aus Methanol lässt sich  die gesamte petrochemische Prozesskette  abbilden. Methanol könnte so wesentlich zum  Ersatz fossiler Rohstoffe beitragen. Die Handhabung von Methanol ist Stand der Technik, es  ist ein flüssiger Energieträger, für den, anders als z.B. bei  Wasserstoff oder den Ladestationen für Batterien, nicht in eine neue Infrastruktur investiert werden müsste. .

Warum werden diese Potenziale bisher nicht genutzt – welche technischen oder sonstigen Hürden stehen dem im Wege?
Da gibt es mehrere Gründe: Der zur CO2-Hydrierung benötigte Elektrolysewasserstoff –  insbesondere  aus regenerativen Energiequellen –  ist noch zu teuer. CO2 ist dagegen leicht abzutrennen und in großer Menge verfügbar, vor allem aus industriellen Quellen. Die zweite Hürde ist die generelle  Akzeptanz: Wenn die Öffentlichkeit überhaupt etwas über Methanol hört, dann als Giftstoff im Zusammenhang mit Schwarzbrennerei. Deshalb bestehen dort Vorbehalte. Technische Hürden sehe ich eigentlich nicht. In Island läuft seit 2012 eine Anlage, die „grünes“ Methanol aus CO2 und Wasserstoff produziert, der über Geothermie gewonnen wird. Seit 2015 produziert die Anlage 4000 t Methanol im Jahr, das als Benzinzusatz genutzt wird. Darüber hinaus laufen vielfältige Projekte im Rahmen von Kopernikus oder Carbon2Chem, um die technische Skalierbarkeit nachzuweisen und die Wirtschaftlichkeit zu verbessern.

Mehr zum Thema Methanol, seiner Herstellung und seinen Einsatzmöglichkeiten beim DECHEMA-Kolloquium am 4. Juli 2019 – melden Sie sich jetzt kostenfrei an!

Hans Jürgen Wernicke wurde 1949 geboren und trat nach dem Studium der Chemie und der Promotion an der Christian-Albrechts-Universität Kiel zunächst in die Linde Group ein, für die er acht Jahre lang in München und Südafrika tätig war. 1985 wechselte er zum Süd-Chemie Konzern, für den er unter anderem als Projektleiter in Südafrika und als Geschäftsbereichsleiter in den USA und in Deutschland arbeitete. Im Jahr 1997 wurde er in den Vorstand berufen und war von 2007 bis 2011 stellvertretender Vorstandsvorsitzender der Süd-Chemie AG. Seit 2011 ist Hans Jürgen Wernicke beratend tätig und u.a. in mehreren Aufsichtsräten vertreten. Neben zahlreichen ehrenamtlichen Aufgaben war er von 2009 bis 2012 Vorsitzender des DECHEMA e.V. und ist aktuell Vorsitzender des Stiftungsrates des DECHEMA-Forschungsinstituts. 2016 verlieh die DECHEMA ihm die Ehrenmitgliedschaft.

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Digitalisierung und Modularisierung treiben die Prozessindustrie um und waren auch ganz große Themen der ACHEMA 2018. Wo stehen wir ein Jahr später? In einem im März 2019 veröffentlichten aktualisierten Statusbericht zeigen sich ProcessNet, NAMUR und ZVEI optimistisch, dass modulare Systeme kurz vor der Markteinführung stehen, ja, mit ersten Umsetzungsprojekten noch in diesem Jahr zu rechnen sei. Wir sprachen mit Reda Mostafa, Business Development Director bei PTC, über Datenmodelle hinter den Modulen, die Rolle von Technologieplattformen und neue Geschäftsmodelle für die Prozessindustrie.

Reda Mostafa, Business Development Director bei PTC

Eines lässt sich von Vornherein festhalten: Digitalisierung und Modularisierung sind 2019 genauso weit oben auf der Agenda wie zuvor. „Dass es um etwas wirklich Wichtiges geht, zeigt sich schon daran, wie viele Firmen und Player sich beteiligen“, meint Reda Mostafa mit Blick auf die zahlreichen Initiativen und Akteure, die verschiedenste Branchen zusammenführen. Das ist auch notwendig, denn bei der Digitalisierung der Prozessindustrie greifen viele Stufen ineinander. Das lässt sich an einem typischen Entwicklungsprozess zeigen: Man hat eine grundsätzliche Idee oder eine marktspezifische Anforderung, erforscht diese im Labor und übergibt sie dann ins Process Engineering, das daraus ein industrielles Verfahren entwickelt. Im Anschluss  kommt das Engineering Procurement and Construction (EPC) ins Spiel. Für die Erfüllung dieser komplexen Aufgabe gibt es sehr unterschiedliche Modelle, von der Nutzung  des  internen Anlagenbaus bis zur kompletten Übergabe an externe Anbieter (vorwiegend chinesische EPCs). Wenn der EPC vom Front End Engineering und Design bis zur Errichtung  seine Schritte abgeschlossen hat, folgt die Übergabe an den Owner / Operator, also das Chemieunternehmen, zur Produktivschaltung. Gleichzeitig werden die Bestandteile der Anlage als Assets in die Asset-Management-Software aufgenommen. Das ist der Standardprozess aus der „Innensicht“. Dazu gehört aber noch ein weiterer wichtiger Teil, nämlich die OEMs – die Lieferanten von Komponenten und Equipment. Sie liefern zum einen ans EPC, zum anderen aber auch direkt ans Werk. Und auch die Daten dieser konkreten Komponenten müssen ins System gelangen und dort gepflegt werden.

Interoperabilität als gemeinsame Herausforderung

„Es gibt also eine Vielzahl von Systemen und Datentöpfen (Silos), die die Anlage beschreiben und kontinuierlich abgeglichen werden müssen“, fasst Reda Mostafa zusammen. „Wenn man sich damit beschäftigt, erkennt man ganz klar die Problemstellung der Interoperabilität in der Industrie und damit  die Notwendigkeit zur Standardisierung.“ Denn nur mit einheitlichen Standards lassen sich Daten zwischen den Systemen austauschen oder in einer einheitlichen Plattform darstellen, um Datenverluste zu vermeiden und später schnell auf alle Informationen zugreifen zu können. Die Namur, Initiativen wie DEXPI und Projekte wie MTP haben sich der Entwicklung und Abstimmung gemeinsamer Datenstandards verschrieben. Die Namur nähert sich dem Interoperabilitätsproblem von Seiten der Automatisierer, während DEXPI Stakeholder aus allen Bereichen zusammengeführt hat, um zunächst das zentrale Dokument, das P&ID, zu standardisieren. Das MTP-Konzept (Module Type Package) nimmt vor allem die Anforderungen aus der Modularisierung in den Blick. Dazu kommt noch das  CFiHOS (Capital Facilities Information HandOver Specification), das für den Digital Handover (Process engineering und EPC) entwickelt wurde.

Das P&ID ist das zentrale Dokument einer Prozessanlage (Von Ub – Eigenes Werk, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4847698)

In der Prozessindustrie gilt: „Ein Werk wird konzipiert, gebaut, und danach muss es funktionieren, hochverfügbar, zuverlässig und sicher“, sagt Reda Mostafa, aber genau wie das System müssen auch die Daten und Informationen hochverfügbar sein. Und auch, wenn dabei jedes Unternehmen am Ende für seine individuellen Einsatzfelder arbeitet, ist eine solche Standardisierung nur durch Zusammenarbeit aller Akteure erreichbar.

Verknüpfung von IT und OT

 „Der EPC hat die erste digitale Version des Werkes. Bei der Auslieferung gibt es aber selten ein vollständiges sauberes „Digital Handover“, stellt Reda Mostafa fest. Ein Grund für Lücken: Die führende Informationsbasis in der Prozessindustrie ist meist das P&ID. Darin ist das Verfahren mit allen Instrumenten, Komponenten und Stoffflüssen abgebildet. Es gibt auch die Spezifikationen der Komponenten hinsichtlich der Leitungsanforderungen wieder – doch welche Komponenten von welchem Hersteller eingebaut wurde, sucht man vergeblich, wenn man ein Ersatzteil bestellen will.

Sein Unternehmen PTC konzentriert sich vor allem darauf, Informationen aus dem Process Engineering in der Produktion verfügbar zu machen. Aber auch die Produktion selbst steht im Fokus: Anlagen müssen laufen, der Anlagenservice muss geplant und durchgeführt werden, und dabei sollen die Laufzeiten möglichst hoch sein.

Das ist eines der Themen, für die Verknüpfung von IT und OT, also von IT-Systemen wie ERP und Co. und Produktions-Hardware/Software, notwendig ist. „Wir sind das Bindeglied in die IT/OT-Welt“, erklärt Reda Mostafa. „Wir können über 150 verschiedene Steuerungssysteme lesen. Das heißt, wir können beispielsweise alle Informationen über eine Pumpe abrufen, und zwar sowohl die Eigenschaften der Pumpe wie etwa die Schwellenwerte als auch die Echtzeitinformationen, was die Pumpe gerade macht, mit welcher Drehzahl sie läuft und was sie befördert. Wir können aber nicht nur den unteren Level der Automatisierungspyramide abbilden, sondern auch von oben schauen: Für welchen Auftrag aus dem ERP-System arbeitet die Pumpe gerade.“ Das sei besonders wichtig, um im Nachhinein mögliche Probleme bei der Auftragsbearbeitung bzw. auch um eventuelle Qualitätsschwankungen besser untersuchen zu können; dann lässt sich bis in die Maschinensettings hinein nachvollziehen, wie die Produktion verlaufen ist.

Digitalisierung ist mehr als nur Datenerfassung

Und was ist mit der oft gehörten Aussage, die Prozessindustrie mit ihrer umfangreichen Datenerfassung und Dokumentation sei doch längst digitalisiert? „Wenn Digitalisierung das Erfassen, Speichern und auch das Monitoring von Daten in starren Prozess-Leitsystemen ist, dann ist die Chemieindustrie digitalisiert“, sagt Reda Mostafa. „Für mich ist Digitalisierung aber eher das Add-On: Was kann ich aus den Daten über ein reines Monitoring hinaus herausholen?“ Mit Hilfe einer umfassenden Analyse lassen sich Anomalien und Optimierungspotenziale erkennen, aber auch vorausschauende Aussagen zu Komponenten treffen, wie sie für Predictive Maintenance genutzt werden. „Die Daten sind da, aber bisher standen solche Auswertungen nicht im Fokus, und es fehlten auch die Tools dafür“, mein Reda Mostafa. Werden Engineering Daten verfügbar gemacht und in den Kontext von täglichen Routinearbeiten eingespielt, kommt es zu erheblichen Effizienzsteigerungen. Die Vorhersage, was im Werk passiert, kann zu den betrieblichen Zielen Hochverfügbarkeit und Zuverlässigkeit einen entscheidenden Beitrag leisten.

Darin liegen seiner Ansicht nach auch die größten Chancen für neue Geschäftsmodelle. „Es ist in der Regel nicht so sehr die Anlage, die Probleme bereitet, sondern eher die Integration der Supply Chain“, fasst er seine Erfahrungen zusammen. Mit durchgängigen Datenmodellen wäre es möglich, nicht nur im einzelnen Verfahrensschritt, sondern von der Verfahrensentwicklung bzw. auch von der Qualität von Rohstoffen oder Vorprodukten her Optimierungspotenziale zu erkennen. „Die Frage ist dann nicht so sehr, welche Verfügbarkeit die Produktion in einem Unternehmen derzeit erreicht und ob sie sich von 96 auf 97 % steigern lässt, sondern eher, wie effizient die Supply chain mit eingebunden wird, meint Mostafa. Umfassende Datenmodelle bieten aber noch weitere Vorteile: Kombiniert mit Augmented Reality können Dienstleister und neue Mitarbeiter schnell mit Anlagen vertraut gemacht werden – darin sieht Reda Mostafa „ein Riesenpotenzial“.

An der Schwelle zur Markteinführung

Es gibt ein paar wenige Beispiele flexibler modularer Einheiten in der Prozessindustrie, insgesamt ist die Modularisierung jedoch noch nicht in die Praxis eingezogen. Noch fehlt unter anderem die vollständige Beschreibung des MTP-Standards, auch wenn Experten sehr optimistisch sind, dass dies bald abgeschlossen sein wird. Unternehmen wie Evonik betreiben bereits Pilotanlagen und kooperieren dabei eng mit Automationsanbietern wie Siemens oder Yokogawa, um sich auf den Schritt in die Produktion vorzubereiten. Die PTC begleitet solche Initiativen teilweise mit hohen Investitionsaufwänden, um die Stärken der Plattform unter Beweis zu stellen bzw. zu Erproben. Für die Chemieindustrie müssen solche Anwendungsbeispiele noch entwickelt werden. Dabei kommt den Unternehmen, die an den Schnittstellen bzw. als Plattformanbieter arbeiten, eine besondere Rolle zu. Daten orchestrieren und im richtigen Moment zu informieren, zu warnen oder zu agieren: „Wir treten auf wie ein Startup“, beschreibt Reda Mostafa seine Rolle. „Wir müssen viel erklären und Beispiele finden, die für die Industrie auch relevant sind – am besten aus der gleichen Branche.“ Nur dann sei es möglich, auch die Mitarbeiter einzubinden und vom Mehrwert der neuen Technologien zu überzeugen.

Mehr zum Thema Digitalisierung und Modularisierung der Prozessindustrie erfahren Sie unter anderem auf der Themenseite Chemie

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Kaum eine Woche vergeht ohne Nachrichten über die fortschreitende Digitalisierung der Prozessindustrie. Zentren für Big-Data-Analysen werden eingerichtet, neue Positionen geschaffen und unternehmensweite Programme ins Leben gerufen, um Digitalisierungskonzepte einzuführen, die weit über die Automatisierung der Produktion hinausreichen. Dem Verband der Chemischen Industrie zufolge plant die chemische Industrie in den nächsten Jahren Investitionen von mehr als 1 Milliarde Euro für Digitalisierungskonzepte und neue nachhaltige Geschäftsmodelle.

Die erwarteten Gewinne scheinen diese Investitionen zu rechtfertigen: „Laut einer Studie von Fraunhofer IAO und dem IT-Verband BITCOM könnte die Vernetzung von Produktentwicklung, Produktion, Logistik und Kunden der chemischen Industrie zu einem Anstieg der Wertschöpfung um 30 % bis 2025 führen. Mit anderen Worten: Wem es gelingt, seine Daten entlang der gesamten Wertschöpfungskette nutzbar zu machen, kann sich einen gewaltigen Wettbewerbsvorteil sichern“, erklärt Mirko Hardtke, Business Development Manager bei der Data Virtuality GmbH.

Keuin Wunder, dass ein enormes Interesse an der Entwicklung von Werkzeugen besteht, mit denen sich der versteckte Schatz in Big Data heben lässt. Große wie kleine Unternehmen und Startups beteiligen sich an diesem neuen Goldrausch: „Für die steigende Prozesskomplexität und den schnelle Anstieg der Datenmengen braucht man neue Technologien zum Umgang mit Daten, vor allem dort, wo Abhängigkeiten zwischen Datensilos bestehen“, sagt Sebastian Dörr, Vice President Sales bei der Conweaver GmbH. Sein Unternehmen hat eine Technologie entwickelt, die die automatische Verknüpfung von Daten aus verschiedenen Quellen ermöglicht und so kontextuales Wissen für Datenowner und -nutzer zugänglich macht. Gleichzeitig dient die Plattform als Grundlage für Big Data Analytics.

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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_2016_004DECHEMA: 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.

 

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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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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.

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.

PF Electrolysis AnzeigeUm 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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Durch die Energiewende und den steigenden Anteil an erneuerbaren Energien mit volatiler Verfügbarkeit gewinnt die Kopplung von Energie- zu Chemiesektor neuen Schwung – und die Elektrolyse an Bedeutung. Denn die Elektrolyse ist der Schlüssel bei vielen hochaktuellen Prozessen und die entscheidende Schnittstelle zwischen Strom- und Chemiesektor.

Unter dem Stichwort „Sektorkopplung“ geht es dabei darum, Strom für die Herstellung von Kraftstoffen oder Chemikalien zu nutzen. In fast allen Verfahren spielt die Elektrolyse eine Schlüsselrolle. Dabei bildet die Wasserelektrolyse einen Schwerpunkt. Der durch die Aufspaltung von Wasser gewonnene Wasserstoff kann entweder als Energieträger beispielsweise für Brennstoffzellen eingesetzt oder in die Produktion von Chemikalien eingespeist werden. Dementsprechend vielfältig ist die Zahl der Projekte: Fast täglich wird über neue Bauvorhaben berichtet, von der lokalen Wasserstoff-KWK-Anlage bis zu Megaprojekten wie die geplanten 10- und 20-MW-Projekte, die AkzoNobel bzw. Shell Anfang 2018 angekündigt haben. Gleichzeitig schreitet die Entwicklung der Elektrolysezellen voran: Neue Elektrodenmaterialien oder Entwicklungen wie die PEM-Elektrolysezellen sorgen dafür, dass die Verfahren immer effizienter und je nach weiterer Nutzung des Wasserstoffs auch wirtschaftlich wettbewerbsfähig werden. In einem Bericht von April 2018 an das BMWi weisen Wuppertal Institut und Fraunhofer ISI jedoch darauf hin, dass die verfügbaren Elektrolyseure keine Serienprodukte sind und ein notwendiger Scale-Up schnell erfolgen muss. Daraus ergäben sich auch Chancen für den Exportmarkt.

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Und längst richtet sich das Augenmerk nicht mehr nur auf die Wasserstoffproduktion. Auch die Co-Elektrolyse von Wasser und Kohlendioxid zu Synthesegas wird derzeit genauer untersucht. Im Forschungsprojekt Rhetikus streben Siemens und Evonik ein Verfahren zur Umwandlung von Kohlendioxid zu Butanol und Hexanol mit Hilfe von regenerativem Strom und Mikroorganismen an. Siemens liefert die Elektrolysetechnik und entwickelt dabei den ersten Gas-Gas-Elektrolyseur im industriellen Maßstab.

Auch, wenn dabei die Erzeugung werthaltiger Chemikalien im Mittelpunkt steht, bringt das Verfahren noch einen zweiten Aspekt mit, der es für die Kopplung an erneuerbare Energieträger besonders interessant macht: Es lässt sich innerhalb eines gewissen Rahmens hoch- und runterregeln und könnte damit je nach Stromangebot mehr oder weniger Energie pro Zeiteinheit nutzen.

Das gilt nur in sehr geringem Umfang für den Klassiker unter den Elektrolyseverfahren, die Chlor-Alkali-Elektrolyse. Denn das gebildete Chlor ist der Ausgangspunkt für viele weitere Chemikalien, und die Produktionsmengen können nicht ohne weiteres heruntergefahren werden. Doch selbst in diesem vermeintlich lang ausgereiften Prozess verbergen sich noch Innovationspotenziale: So konnte durch den Einsatz von Sauerstoffverzehrkathoden der Energieverbrauch bei Covestro für die Chlorherstellung um bis zu 30 % gesenkt werden.

Welche Anwendungen in der Elektrolyse aktuell auf der Tagesordnung stehen und wie sich ihre Potenziale noch besser nutzen lassen, diskutieren Anwender und Anbieter beim PRAXISforum Electrolysis in Industry am 22. und 23. November 2018 im DECHEMA-Haus, Frankfurt. Die Anmeldung für Aussteller und Teilnehmer ist geöffnet; mehr unter http://www.dechema.de/Electrolysis

 

 

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