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Neue Studie stellt die Flexibilitätsoptionen in der Grundstoffindustrie vor

Slider FlexibilitätsoptionenDie Prozesse der Grundstoffindustrie sind verantwortlich für einen Großteil des industriellen Energie- und Strombedarfs in Deutschland. Welche technischen Möglichkeiten bieten sich in diesen Prozessen, um auf Flexibilitätsanforderungen des Stromsystems zu reagieren?

Das vom BMBF geförderte Kopernikus-Projekt SynErgie untersucht die Flexibilität von Industrieprozessen. Aus dem Projekt heraus wurde nun eine umfassende Studie zu den Flexibilitätsoptionen in den Prozessen der Grundstoffindustrie veröffentlicht.

Übergreifende Ergebnisse:

  • Die untersuchten Prozesse können prinzipiell für kurze Zeiträume (15 min) positive Flexibilität und eingeschränkt negative Flexibilität anbieten.
  • Für mittlere und lange Zeiträume (Stunden bis Tage) ist positive Flexibilität nur in wenigen Prozessen möglich, da dies mit einem Produktionsausfall einhergeht.
  • Priorität vor einem Anbieten von Flexibilität hat die Belieferung der Kunden mit den Produkten.
  • Flexibilität und Effizienz verhalten sich gegenläufig, d.h. eine erhöhte Flexibilität senkt die Effizienz des Prozesses.
  • Veränderungen der Betriebsweise führen in der Regel zu Veränderungen der Produktqualität.
  • Die aktuellen Regeln des Stromsystems begünstigen einen kontinuierlich (nicht-flexiblen) Betrieb der Anlagen.

In enger Zusammenarbeit haben die Forschungseinrichtungen der Branchen und die akademischen Partner eine Methodik entwickelt, um konsistent Potenziale, Perspektiven und Hemmnisse der untersuchten industriellen Prozesse bei typischen Anforderungsprofilen zu analysieren.

Die untersuchten Prozesse wurden nach ihrem elektrischen Energiebedarf und der Bedeutung in ihrer jeweiligen Branche ausgewählt:

  • Stahl: Elektrostahlherstellung (Elektrolichtbogenofen)
  • Glas: Behälterglasherstellung (Elektrische Zusatzheizung)
  • Zement: Roh- und Zementmahlung (Roh- und Zementmühlen)
  • Chemie: Chlor-Herstellung (Chlor-Alkali Elektrolyse)
  • Feuerfest: Herstellung von Schmelzkorund (Rohstoffschmelzanlage)

Für diese Prozesse werden die technischen Potenziale und die zukünftigen Perspektiven ausgewiesen und auf Deutschland hochgerechnet. Des Weiteren werden die Hemmnisse, die einer Ausnutzung der Potenziale im Wege stehen für die einzelnen Prozesse dargestellt und im Kontext der Rahmen¬bedingungen der Grundstoffindustrie eingeordnet. Durch die enge Einbindung der branchen¬spezi¬fischen Expertennetzwerke wurden die Ergebnisse innerhalb der Branchen diskutiert und validiert.

Die Studie kann auf den Internetseiten der beteiligten Partner und des SynErgie-Projektes kostenfrei heruntergeladen werden: dechema.de/Flexibilitaetsoptionen

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Follow us to the year 2040…

It’s harvesting time. After delivering the wheat to the silo, the harvesting machine delivers the straw to the plant that has been temporarily placed next to the farm. After biotechnical and chemical processing, the bio-based plastic granulate is filled and ready for shipment; over the next couple of days, it will be sold via regional shops to the consumers who use it as feed for their 3D printers at home and produce their own goods as required.

Meanwhile, at the industrial site close by, the chemical plant has switched from producing ingredients for the sun-tan lotion to synthesizing anti-freeze agents. Decoupling one module and replacing the downstream processing unit has been a matter of hours. The central software has calculated the required formulations and production parameters, and the individual components have already started to fine-tune their settings in bilateral communications.

F3 Factory Container_kleinVision, forecast or mumbo jumbo? As far-fetched as the scenario may seem, the technological foundations are being laid today: Modularisation and automation are not only taking the process industry to new levels of efficiency, but they will fundamentally change the business models of the chemical and pharmaceutical industry.

The key to the future lies in the combination of automation and modularization. Experts envision different ways on how these two developments interact: Herman Bottenberg, Zeton, is convinced that “for true flexible manufacturing for multi purpose products and when applying the modular approach both hardware and automation has to become 100% modular!” Axel Haller, ABB, says: “Modular and system independent automation is possible. The market will decide if this will be the next step into the future”.

At first sight, the performance improvements that are enabled within existing processes seem more evolutionary than revolutionary. Marc Richter, Renishaw points out the quality improvements by new techniques and the speed-up development cycles of pharmaceuticals. And Marin Valek, GE, adds: “Companies use less than 10% of the information available to be better in operations. Winners will use IIoT technology and data science to get the competitive advantage of having high predictable performance.”

The technological progress opens up two different pathways: One leads from today’s batch-based production to continuous flows. This is more than a change in process – it calls for a different conceptual approach. Alessandra Vizza, Corning: “Mindset change is required to understand that continuous flow processes are no more a new system to test but the tool to be used for cost reduction; safety; environmental impact and innovation. An appropriate solution to fine-tune chemical production needs with world behaviour and epoch constraints.”

On the other hand, modular plants offer high flexibility and the opportunity for customized or even personalized products in small volumes. This entails a fundamental change in business models. Says Mario Bott, Fraunhofer IPA: “Monolith organizational approaches in process industries will struggle to manage the challenges of mass personalization.” Yet, the chances of the necessary transformation are often underestimated.  Mark Talford, BRITEST, says that “much has been done to develop practical modular continuous production technologies, but there is still a challenge to convince decision-makers to invest. As well as new business models, we need tools and guidance to help decision-makers overcome their perceived fears.” The adaptation will certainly be worth it. Dirk Kirschneck, Microinnova, summarizes the opportunities a successful transformation offers: “Industry 4.0 delivers the bridge between the production flexibility and knowledge-based process performance. Industry 4.0 will transform the chemical industry and will lead to a new efficiency level in terms of speed, quality and resources. Radical new business models will push the chemical industry to a new performance level.”

And what is your opinion? Give us your view and discuss with the expert’s quotes and many others at the PRAXISforum “Future of Chemical and Pharmaceutical Production”…

PF Future Production 2017

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Print„New records in renewable electricity generation“ – „Wind and solar yesterday covered lion’s share of energy demand” – media and the internet are not short of success messages on renewable energy generation. Peaks in energy supply are so high that up to 5 billion kWh of renewable electricity have to be cut off per year because the grid cannot accommodate it.

At the same time, Germany struggles with meeting its climate goals due to the ongoing emissions from coal power plants that are needed in order to ensure the energy supply on windless nights.

The existing storage capacities such as pumping plants and reservoirs are limited and in Germany almost exhausted. Battery technology is being pushed, but scalability is restricted and the consumer uptake of electric mobility is slow. Moreover, in order to level out summer/winter fluctuation in renewable energy generation, long-term storage is required.

Therefore, researchers and industry are looking for alternatives. “Power-to-X” is one of the hot topics of the day – a vision moving towards application. The basic idea: Unused electricity is used to produce chemicals that can be stored without significant loss and can either be reconverted to energy or used as a basic resource for the chemical industry. This is more than just a technological innovation – it will change businesses and value chains fundamentally, as Jonas Aichinger, Mainzer Stadtwerke AG, explains: „Convergence of previously separated sectors like electricity, gas, mobility and industry link these markets and can be realized through Power-to-X technologies“

The “traditional” conversion path of electricity to energy-rich substances is the electrolysis of water. Hydrogen has multiple potential uses, making it a flexible and versatile energy store, especially as it can – at least to a certain limit – be coupled with existing gas infrastructures. So far, however, the technology is not competitive. Projects such as HYPOS – Hydrogen Power Storage & Solutions East Germany e.V. are taking up the challenge to find the most cost-efficient pathway and create a showcase by combining technological innovations and existing networks and infrastructure.

“The energy conversion will only succeed with hydrogen”, says Dr. Bernd Pitschak, Hydrogenics GmbH – and hydrogen will play a key role in the ongoing transformation of the energy system. But current “Power-to-X” concepts take the approach one step further: They use renewable electricity to produce not only hydrogen, but by drawing on CO2 as an additional readily available resource, they synthesize methanol or more complex molecules such as synthetic fuels. This could provide the opportunity to kill two birds with one stone: By producing carbon-neutral fuels, greenhouse gas emissions from the mobility sector could be drastically reduced long before the onset of the era of electric mobility.

Even if all passenger cars should one day rely on batteries, there still remains the challenge of heavy-duty vehicles and aviation. Says Benedikt Stefánsson, Carbon Recycling International in Iceland: “Transport presents the most difficult challenge in decarbonization as only certain segments of urban mobility can be electrified with batteries, leaving long-distance driving, heavy goods transport, marine and aviation dependent on liquid transport fuels.“ And Patrick Schmidt, Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH, adds: “There is a real risk that any efficiency improvements in aviation will be overcompensated by aviation’s growth. For long-term greenhouse gas emission mitigation in aviation the use of sustainable carbon-neutral fuels is indispensable. […] For a robust strategy to manage energy transition in the transport sector a dual approach is required: the electrification of drivetrain/propulsion systems, and the electrification of the primary energy basis of fuels.”

What sounds so easy in theory, however, poses big technological challenges: The conversion of CO2 requires a lot of energy and/or highly sophisticated catalysts. Many chemical companies such as Covestro or BASF are putting a lot of effort in the development of these catalysts – and with success. MicroEnergy follows a different approach, using hydrogen as “feed” for methane-producing microorganisms. Methane, like hydrogen, can be fed into the existing natural gas grid. As Thomas Heller, MicrobEnergy, describes: „Renewable electricity turns into primary energy and has to be integrated into all other energy sectors in order to fulfil decarbonisation targets. This does not consequently lead to an all-electric society, but rather to a high demand of storage systems and sector coupling applications like Power-to-Methane is.“

If these technologies become successful – and experts certainly expect this to happen – an unexpected challenge might arise: So far, CO2 conversion technologies depend on punctual sources. One day, if CO2 conversion is a standard addition to any CO2 emitting plant, CO2 might actually become a scarce resource. The Swiss company Climeworks is setting forth to address this problem: They have developed a technology to capture CO2 from air and are aiming at capturing 1 % of global CO2 emissions from the air by 2025, says Dr. Jan Wurzbacher, Managing Director.

But is the success of Power to X technologies up to engineers and scientists alone? No, say experts almost unequivocally. Dr. Ralph-Uwe Dietrich, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V., warns: „Without strong political authority the market introduction of power-to-X will not start.“ And Dr. Max Peiffer, AssmannPeiffer Attorneys, adds: „The current energy legislation does not provide a proper framework for Power-to-X-systems. The legislator needs to implement changes.“ Marcus Newborough,
Development Director, ITM Power plc., points out „the urgent need to place a value on having ‘renewable gas’ in the gas grid and for policymakers to establish a framework that enables the roll out of power-to-gas systems“

Power-to-X technologies require the cooperation of different sectors. The PRAXISforum Power-to-X  brings them together. Be part of this exciting story and join the PRAXISforum Power-to-X (18-19 October 2017, Frankfurt)

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Nachdem im 1. Teil des Interviews die aktuellen und zukünftigen Märkte im Fokus standen und im 2. Teil vor allem die energetische Nutzung diskutiert wurde, geht es im 3. Teil des Gesprächs mit Dr. Peter Ripplinger um den internationalen Kontext.  Und natürlich geht es um den Bundesalgenstammtisch, der in diesem Jahr sein 10. Jubiläum feiert.

Wie steht die deutsche Algenbiotechnologie im internationalen Vergleich da?

Gerade wir als Anlagenbauer nehmen natürlich war, dass „German Engineering“ international sehr anerkannt ist. Als Technologieanbieter steht Deutschland mit einer Reihe von Firmen recht gut da: Astaxa und bbi-biotech entwickelt die Rohrreaktoren weiter, Phytolutions und Novagreen vermarkten Reaktoren auf Folienbasis, wir bei Subitec bieten Flatpanelreaktoren an. Was Deutschland von den USA oder Südeuropa unterscheidet ist, dass wir im Land keine Anwendung für die Technologie im industriellen Maßstab haben. Die Entwicklung in den USA waren außerdem geprägt durch eine deutlich höhere Verfügbarkeit von Venture Capital: Die Volumina pro Runde betrugen zum Teil das Zehnfache von dem, was ein deutsches Unternehmen einwerben kann. Dazu kamen massive Förderprogramme im Bereich Biofuels.

Spanien, Portugal oder Frankreich haben mit Fisch- oder Austernzucht traditionelle Abnehmer für Algen. Dieser direkte Marktzugang erleichtert die  Weiterentwicklung und Anwendung. Deutschland hat dagegen nur den relativ kleinen Markt von Nahrungsergänzungsmitteln und Kosmetik.

Dazu kommt, dass aufgrund der klimatischen Verhältnisse in Deutschland die industrielle Produktion nur in eingeschränktem Maßstab denkbar ist. Wenn wir über Winter produzieren wollen, brauchen wir ein Gewächshaus mit Nutzung von Restwärme von Biogasanlagen oder ähnliches. Für hochpreisige Algenbiomasse mag das sinnvoll sein, aber bei Futtermitteln für die Aquakultur brauchen Sie hektargroße Anlagen und die werden in frostfreien Gebieten stehen, also rund ums Mittelmeer, vielleicht auch in Saudi-Arabien. Eine Zusammenarbeit mit anderen Ländern im Bereich der industriellen Massenproduktion, bei der sich Deutschland in der Rolle des Technologieanbieters bewegt, ist daher absolut notwendig. Interessante Nischen im Inland sind hochpreisige Produkte und geschlossene Aquakultur-Systeme, beispielsweise für die Shrimps- oder Edelfischzucht.

Wie ist es um die Forschungsförderung bestellt?

Grundsätzlich müsste die Algenbiotechnologie in Deutschland stärker gefördert werden. Vor einigen Jahren gab es mehrere Förderinitiativen durch die FNR, DBU und staatliche Förderprogramme , aber mir sind derzeit keine Folgeprojekte in dieser Richtung bekannt. Als KMU haben wir deshalb keine Möglichkeit, uns mit nationalen Fördermitteln weiter zu entwickeln. Auf EU-Ebene gibt es einige Projekte für die stoffliche Nutzung von Mikroalgen, beispielsweise im Rahmen der Biobased Industries Initiative; auf nationaler Ebene würden wir uns mehr Unterstützung wünschen.

Bei der Entwicklung einer Technologie für den industriellen Maßstab müssen wir ein ganzes Bündel von Fragestellungen bearbeiten – beginnend bei der Biologie: Wir haben nach wie vor sehr wenige gut erforschte Algenstämme – hier besteht noch großes Optimierungspotenzial. Bei Omega-3-Fettsäuren beispielsweise unterscheidet sich die Produktivität der einzelnen Stämme gewaltig. Dieser Forschungsbereich muss weiter gefördert werden, um die vorhandenen Algenstammsammlungen gezielt auf bestimmte Produkte hin zu screenen, um herauszufinden, ob man die Produktivität aus der Biologie des Systems heraus erhöhen kann. Dazu kommt der mögliche Einsatz gentechnisch optimierter Stämme; das ist eine politische Frage, die beispielsweise in den USA anders beantwortet wird als in Deutschland.

Auch bei der Weiterentwicklung und Optimierung der bestehenden Produktionssysteme sind wir zwar ein großes Stück vorangekommen, aber noch lange nicht am Ziel.

Was ist das Besondere am Bundesalgenstammtisch?

Wir hatten uns von Anfang an vorgenommen,  nicht in Konkurrenz zur wachsenden Zahl internationaler Algenkonferenzen zu treten, sondern ganz gezielt die deutschsprachige Community zu vernetzen und alle Player von der interessierten Industrie über aktive KMUs bis hin zu den Forschergruppen an einen Tisch zu bringen. Das ist uns gut gelungen. Wir haben es zudem immer geschafft, auch ein aktives Algenprojekt zu präsentieren. Es sieht ganz so aus, als sei der Bundesalgenstammtisch eine gesetzte Veranstaltung für alle, die im deutschsprachigen Bereich mit Algen zu tun haben, und ich nehme mit Stolz wahr, dass er bisher jedes Jahr gewachsen ist. Momentan knüpfen wir verstärkt Kontakte in die Schweiz und nach Österreich, um die Vernetzung zwischen den drei Ländern zu verstärken.

Was für mich den Bundesalgenstammtisch ausmacht: Der „Stammtisch“; man trifft gute alte Bekannte, kann gerne auch mal etwas intensiver diskutieren, und spätestens beim Get-Together kann man sich mit dem Stammpublikum und allen Interessierten in Ruhe austauschen.

Weitere Informationen und die Anmeldung zum 10. Bundesalgenstammtisch am 11. und 12. September 2017 in Merseburg unter http://dechema.de/algen2017.html

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Im ersten Teil des Interviews mit Dr. Peter Ripplinger ging es um aktuelle und zukünftige Märkte für Produkte aus Mikroalgen. Im zweiten Teil steht die energetische Nutzung im Mittelpunkt.

Wie sehen Sie die Zukunft der energetischen Nutzung?

Nach wie vor gibt es sicher langfristig Konzepte, bei denen man die energetische Nutzung mit der stofflichen Nutzung koppeln kann. Biofuels werden nur im Kontext einer Bioraffinerie und der Nutzung des Proteinanteils für Futtermittel oder ähnliches umzusetzen sein. Die finanzielle Förderung der EU war dennoch gut angelegtes Geld: Die Unterstützung zur Entwicklung von  Biofuels hat sehr geholfen, die Technologie zu skalieren und dadurch  viele Fragestellungen zur Absenkung der Investitionskosten und –Betriebskosten zu klären. Ich erinnere nur an die mögliche Nutzung von Rauchgasen; wir haben in mehreren Projekten gezeigt, dass das ein gangbarer Weg ist, um die Produktionskosten auch für Futtermittel für die Aquakultur oder andere Anwendungen maßgeblich abzusenken, und das hatte ursprünglich die Biofuel-Produktion zum Ziel.

Besonders die Flüge mit Algenkerosin haben viel öffentliche Aufmerksamkeit erregt. Wie bewerten Sie diese Technologie?

Wenn ich das gesamte Optimierungspotenzial summiere, das sowohl im biologischen- und  Produktionssystem als auch in der Aufarbeitung liegt, kann es Wege dahin geben. Das heißt, dass ich die biologische Optimierung konsequent umsetzen und durch gentechnische Maßnahmen die Photosynthese-Effizienz und ggf. auch den Lipidgehalt optimieren muss. Dazu kommt die Frage der Aufarbeitung. Es könnte sein, dass die Nutzung der gesamten Algenbiomasse über Hydrothermal Liquefaction im HTL-Verfahren einen gangbaren Weg darstellt – immer unter der Voraussetzung, dass auch der Ölpreis gewaltig ansteigt und die Schere sich schließt. Ich will das nicht ausschließen, aber es ist sicherlich ein langer Weg.

Lesen Sie im 3. Teil des Interviews, wie die deutsche Algenbiotechnologie im internationalen Vergleich dasteht.

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RipplingerAm 11. und 12. September 2017 findet der 10. Bundesalgenstammtisch statt. Das zehnjährige Jubiläum gibt Anlass für einen Rück- und Ausblick im Interview mit Dr. Peter Ripplinger, stellvertretender Vorsitzender der DECHEMA-Fachgruppe Algenbiotechnologie und Geschäftsführer der Subitec GmbH.

 

Wie hat sich die Algenbiotechnologie in den letzten zehn Jahren entwickelt?

In den letzten zehn Jahren hat eine gewisse Skalierung stattgefunden: Raus aus dem Labor, hin zu Pilotanlagen und dort, wo schon Märkte existieren, auch in die Produktion.

Ein ganz großer Trend ging weg von der energetischen und hin zur stofflichen Nutzung. Vor zehn Jahren stand das Thema Biofuels national und international noch ganz weit oben auf der Agenda. Auch die europäische Community hat sich zuerst mit mehreren großen EU-Projekten und dem nationalen Projekt AUFWIND auf dieses Thema konzentriert. Dadurch entstanden unter anderem in Portugal und Spanien große Anlagen, und man konnte die Möglichkeiten der Skalierung für verschiedene Systeme vom geschlossenen Reaktor bis zum Open Pond austesten. Dazu hat man wichtige Aufgabenstellungen wie Medienrecycling, Rauchgasnutzung, eine Erhöhung des Automatisierungsgrades bearbeitet; man lernte in der Prozessführung dazu und ebenso beim Umgang mit Kontaminationen – alles zusammen führt dazu, dass sich die Technik enorm weiterentwickelt, und das ist wichtig für die Senkung der Produktionskosten – und damit auch für die Erschließung neuer Anwendungsfelder.

Was sind heute und in naher Zukunft die wichtigsten Märkte?

Es gibt ganz klar einen existierenden Markt im Bereich der Nahrungsergänzungsmittel, ob Astaxanthin, Omega-3-Fettsäuren oder „Ganzalgen“ – also Spirulina oder die neue ökozertifizierte Chlorella. Dieser Markt entwickelt sich sehr positiv – diese Entwicklung wird in jüngster Zeit auch – durch die Normungsaktivitäten von CEN und DINunterstützt. Es zeichnet sich zudem ab, dass durch die Überarbeitung der Novel-Food-Verordnung die Zulassung von Algen als Nahrungsergänzungsmittel erleichtert wird. Bisher war das eine hohe Hürde, denn die Firmen im Algenbereich sind meist klein; die Zulassung ist mit hohen Kosten verbunden und der mangelnde Schutz vor Nachahmern führt zu einer starken Unsicherheit.

Ein weiterer Markt, der beständig wächst und in dem sich Algen schon gut etabliert haben, ist die Aquakultur. Bisher nicht industriell genutzte Mikroalgen werden zunehmend in der Larvenaufzucht bei neuen Fischarten eingesetzt. Synthetisches Astaxanthin, das bisher in der Lachszucht für die Rotfärbung sorgt, kann nun auch aus der Mikroalge Hämatococcus pluvialis auf natürliche Weise gewonnen werden um die Märkte für Biofisch zu erschließen. Evonik und DSM haben im März 2017 ein Joint Venture zur heterotrophen Produktion von Algenöl gegründet, um das knapper werdende Fischöl in der Lachszucht zu ersetzen. Viele Algenfirmen, gerade aus dem ehemaligen Biofuel-Sektor,  arbeiten auch an der photoautotrophen Produktion von Algen als Futtermittel.

Der dritte Bereich sind Nischen im Bereich der Kosmetik und vielleicht mittelfristig auch im Pharmabereich. Die Proteinproduktion in Algen hat wegen der Glykosilierungsmuster Vorteile gegenüber tierischen Zellen; diese Arbeiten sind aber noch im Entwicklungsstadium.

Lesen Sie im zweiten Teil des Interviews, welche Perspektiven für die energetische Nutzung von Mikroalgen bestehen.

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