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„Smart Production“, Industrie 4.0 oder „Future Production“ – die Transformation hin zu mehr Digitalisierung und Flexibilität ist in vollem Gange. Wie lässt sich das in bestehenden Anlagen umsetzen, und welche Möglichkeiten haben KMU, dabei mitzuhalten?

Ulrich König, Projektgruppe Wirtschaftsinformatik des Fraunhofer FIT, betreut gemeinsam mit Prof. Dr. Maximilian Röglinger, Prof. Dr. Nils Urbach, Universität Bayreuth, und Kollegen von der Projektgruppe Regenerative Produktion des Fraunhofer IPA das Forschungsprojekt SmarDe’s@Work .

Was sind die offensichtlichsten Unterschiede zwischen dem, was man sich als „Produktion der Zukunft“ vorstellt und dem, was wir heute schon sehen?

Die Schnelllebigkeit hat in der letzten Zeit extrem zugenommen und der Kundenfokus ist stärker geworden. Automobilzulieferer bekommen wenige Stunden vorab ihre Auftragsplanung und brauchen daher effizientere und flexiblere Prozesse in ihrer Produktion. Darauf fokussieren wir uns im Projekt: Wir möchten die Kommunikation verbessern und wir möchten sicherstellen, dass die Unternehmen für diese Schnelllebigkeit gewappnet sind.

Ein zweiter Aspekt ist die Aus- und Weiterbildung: Gerade in ländlichen Regionen ist es schwer, Personal zu finden. Teilweise gibt es Sprachbarrieren, wenn ausländisches Personal angeworben wird, und es gibt häufige Personalwechsel, so dass immer wieder neue Mitarbeiter angelernt werden müssen. Bei vielen unserer Anwendungsfälle spielen die Aus- und Weiterbildung sowie die Wissensweitergabe deshalb eine wesentliche Rolle. Dafür werden Dokumentationen erstellt, die teils stark grafiklastig sind, und Texte entsprechend gestaltet. Schulungsunterlagen können auch in Form von Videos angeboten werden. Eine weitere Herausforderung ist die Heterogenität der Anlagen mit unterschiedlichsten Digitalisierungsstufen. In der Vergangenheit hat das keine so große Rolle gespielt, weil die Produktionsaufträge und ähnliche Dokumente ohnehin noch als Papier hereinkamen und verarbeitet wurden. Jetzt muss eine durchgängige digitale Kommunikation sichergestellt sein, so dass Maschinen auch automatisch angesteuert werden können.

Was tun Sie in Ihrem Projekt, um den Weg der Unternehmen in die digitale Zukunft zu ebnen?

Ziel unseres Projektes ist, die Kommunikation zwischen Maschinen, Anwendungssystemen und Mitarbeitern über Smart Devices sicherzustellen und damit Produktionsprozesse zu verbessern. Wir entwickeln dafür einen Demonstrator für eine generalisierbare Middleware mit angebundener Client-Applikation, die aus jeder Produktionsanlage und jedem Anwendungssystem Daten erhalten und sie weitergeben kann. Die Fachlogik liegt dabei nicht in der Middleware selbst. Sie enthält nur einfache Operatoren und Gruppendefinitionen, um festzulegen, welches System welche Informationen bekommt. Sie ist mit Excel und XML konfigurierbar und dementsprechend einfach zu warten. Dabei ist die Lösung nicht an eine bestimmte Branche gebunden, sondern übergreifend einsetzbar. Derzeit haben wir im Konsortium Unternehmen aus der Metallverarbeitung, der Stanztechnik und aus dem Kunststoffspritzguss.

Ziel des Forschungsprojekts SmartDe’s@Work ist es, Smart Devices im Produktionsumfeld nutzbringend einzusetzen. Im Vordergrund steht die Vernetzung von Produktionsteilnehmern wie Mensch, Maschine und produktionsnaher IT-Systeme. Die optimale Kombination aus Software- und Hardware-Komponenten soll Produktionsprozesse durch eine interaktive und intuitive Informationsverarbeitung bei der Arbeitsvorbereitung (z. B. Arbeits- und Maschinenpläne, Rüstung von Anlagen) und der Produktion (z. B. Arbeitsanweisungen, Störungen, Echtzeit-Rückmeldung) unterstützen und dadurch Effizienz- und Optimierungspotenziale heben. Das Projekt wird von der Bayerischen Forschungsstiftung gefördert und läuft von Januar 2017 bis Februar 2019. Meht unter http://www.smart-devices.fim-rc.de

Wie sieht der Einsatz in der Praxis aus?

In unserem Projekt konzentrieren wir uns vor allem auf die Middleware und die Client-Applikation. Solange uns eine Anlage auf welche Weise auch immer Daten liefert – das kann sogar das rote Warnlämpchen sein, das sonst dem Mitarbeiter Handlungsbedarf signalisiert –  kann man die Middleware relativ einfach integrieren und die Daten über eine allgemeingültige Schnittstelle erfassen. In der Middleware werden sie weiterverarbeitet und über die Client-Applikation an ein Smart Device oder ein Anwendungssystem (z.B. ein ERP- oder BDE-System) übergeben. Wichtig ist für uns dabei, dass wir uns nicht auf eine Maschine oder einen Ausrüstungsgegenstand spezialisieren, sondern eine allgemeine und möglichst breit einsetzbare Lösung schaffen.

Wie weit ist die Industrie Ihrer Einschätzung nach auf dem Weg zu „4.0“? Ist das bei Großunternehmen nicht längst Alltag?

Große Unternehmen sind schon relativ weit, allerdings auch nicht flächendeckend. Es gibt sicher Werke, die man heute schon als „Industrie 4.0“ bezeichnen kann, aber das ist nur ein kleiner Ausschnitt. Und es gibt nach wie vor viele Insellösungen, etwa mit RFID, die nicht generalisierbar sind, schon gar nicht über Unternehmensgrenzen hinweg. Oft basiert die Industrie-4.0-Kommunikation auf einem homogenen Maschinenpark – die Geräte eines Herstellers können miteinander kommunizieren, aber nicht mit Maschinen anderer Hersteller. Solche Lücken überwinden wir mit unserer Middleware.

Mehr über das Projekt SmartDe’s@Work und viele andere Ansätze zur Digitalisierung und Flexibilisierung erfahren Sie beim PRAXISforum Future Production – werfen Sie einen Blick ins Programm!

Und wo bleiben die KMUs, die keine riesigen Transformationsprogramme stemmen können?

Unser Ansatz eignet sich insbesondere für KMUs. Unser Projekt ist bewusst in einer KMU-geprägten Region angesiedelt. Wir nutzen gängige Geräte, die auf dem Markt einfach erhältlich sind, und erstellen den Middleware-Demonstrator. Die Middleware lässt sich überall einfach integrieren und soll im Laufe des Jahres auch als Open-Source-Lösung angeboten werden. Die meisten Anwendungspartner mussten nur einen zusätzlichen Standard-PC beschaffen und die Anbindung der Maschinen an die Middleware sicherstellen. Die Kosten dafür sind überschaubar und auf jeden Fall günstiger, als im großen Umfang den Maschinenpark zu erneuern. Die meisten ERP-Systeme bieten auch schon Schnittstellen und lassen sich innerhalb weniger Wochen anbinden. Alles ist robust ausgelegt, damit es den Produktionsalltag überlebt, und die Geräte sind leicht zu ersetzen. Wenn etwas zu Schaden kommt, soll alles schnell wieder einsetzbar sein – man nimmt ein Standardgerät, installiert die Client-Applikation, und innerhalb einer Stunde läuft alles wieder.

Am Ende bleibt natürlich immer die Kosten-Nutzen-Frage. Unser Konzept ist aber so gestaltet, dass die Transformation prinzipiell möglich ist. Es gibt andere Ansätze, bei denen zum Beispiel Sensorboxen an Maschinen angeschlossen werden, um Daten zu erfassen und weiterzugeben. Das könnten wir theoretisch auch, die Frage ist nur, welche Daten man dann bekommt. Wir konzentrieren uns vor allem auf transaktionale Kommunikationsdaten: Fällt eine Maschine zum Beispiel in einen Stillstandsmodus, sollen andere Maschinen und Mitarbeiter darüber schnell informiert werden. Die Nutzung von Produktionsdaten für analytische Zwecke haben wir uns für kommende Forschungsprojekte vorgenommen.

Für Rückfragen zum Forschungsprojekt stehen Ihnen Ulrich König (ulrich.matthias.koenig@fit.fraunhofer.de) sowie Prof. Dr. Röglinger (maximilian.roeglinger@fit.fraunhofer.de) Prof. Dr. Urbach (nils.urbach@fit.fraunhofer.de) und Joachim Kleylein-Feuerstein (joachim.kleylein-feuerstein@ipa.fraunhofer.de) gerne zur Verfügung.

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chembio

Jason Chin ist einer der Keynote-Sprecher der Tagung „Advances in Chemical Biology“ am 22. und 23. Januar 2019 in Frankfurt. Informieren Sie sich hier über das vollständige Programm

Die katalytischen Zwischenstufen enzymatischer Reaktionen kann man in manchen Fällen durch strukturanaloge Substrate des Übergangszustands stabilisieren, so dass sie kristallographisch untersucht werden können. Da sich die Analoga meistens vom natürlichen Substrat chemisch sehr unterscheiden, treten zwangsläufig Abweichungen von den tatsächlichen Verhältnissen im Reaktionszentrum auf. Jason Chin (Cambridge, UK) ist jetzt den umgekehrten Weg gegangen: Er tauschte die katalytischen Cystein- oder Serinreste von Enzymen durch Aminogruppen aus, die das natürliche Substrat stabil binden und katalytische Zwischenstufen auf diese Weise fixieren.

Konkret ersetzte er in Thioesterase-Domänen von Nicht-ribosomalen Peptid-Synthasen (NRPS) die Aminosäuren Cystein bzw. Serin der Reaktionszentren über eine Erweiterung des genetischen Codes durch die nicht-kanonische 2,3- Diaminopropionsäure (DAP). Die daraus entstehenden Aminoacyl-Komplexe aus Substrat und katalytischer Aminosäure anstelle der natürlichen  (Thio)esterverbindungen sind chemisch stabil. Im Beispiel der Thioesterase-Domäne der Valinomycin-Synthetase konnte die Biosynthese des Antibiotikums strukturell weiter aufgeklärt werden. Indem die ersten und letzten Zwischenprodukte im katalytischen Zyklus als DAP- Konjugate eingefangen werden konnten, ergaben sich neue Einblicke, wie Konformationsänderungen die Oligomerisierung und Zyklisierung linearer Substrate steuern.

Zur Publikation: https://www.nature.com/articles/d41586-018-07569-6

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hand-3308188_1280Wie werden Sie in 10 Jahren arbeiten? Noch schneller, noch länger, noch öfter von unterwegs? Oder werden Roboter quasi auf Zuruf einen großen Teil dessen übernehmen, was Sie heute als lästige Notwendigkeit Ihrer Arbeitszeit wahrnehmen? Oder – auch das ist schließlich denkbar – sagen die Roboter Ihnen, was Sie als nächstes zu tun haben, geben Ihnen den Arbeitsrhythmus vor und sorgen dafür, dass Sie Ihre Zeit nicht vertrödeln?

Denkbar sind beide Szenarien allemal. Eine Studie von 2013 hat viele aufgeschreckt, die bisher davon ausgegangen waren, dass ihr Arbeitsplatz sicher sei: Danach könnten in Großbritannien 47 % der Jobs der Digitalisierung zum Opfer fallen – und betroffen sind nicht nur einfache Tätigkeiten, sondern auch Aufgaben, die heute von sehr gut ausgebildeten Facharbeitern oder sogar Universitätsabsolventen ausgefüllt werden. Wer testen will, wie groß das Risiko ist, dass zukünftig ein Roboter am eigenen Schreibtisch Platz nimmt, findet bei der BBC Antworten . Demnach ist das Risiko für den „Chemical Scientist“ mit nur 6% zwar überschaubar, aber der Chemiefacharbeiter wird mit einer Wahrscheinlichkeit von 85 % wegrationalisiert werden.

Dabei sind die Hoffnungen, die mit der Digitalisierung verknüpft sind, durchaus groß. Wer hat nicht im Labor geflucht, wenn er die Tausendste Probe pipettiert oder endlose Stunden damit zugebracht hat, Zellkulturen zu sichten? Wer hätte nicht lieber vorausgewertete und grafisch aufbereitete Daten, anstatt sich mit riesigen Tabellen voller Messwerte und Standardabweichungen herumzuschlagen? Keine Frage, auch Biotechnologen, Chemiker und Verfahrensingenieure würden viele dieser Aufgaben lieber heute als morgen Siri oder Alexa überlassen.

Ein Besuch bei Morphosys in München zeigt, wie weit diese Entwicklung schon heute gediehen ist. Das Pipettieren, Picken und Aufbereiten übernehmen hier Hochdurchsatzmaschinen. Das Laborpersonal stellt die reibungslosen Abläufe sicher, überwacht die Roboter – und es bringt den kreativen Touch hinein: Denn wenn es darum geht, einen einmal gefundenen Antikörper zu optimieren, geht derzeit noch keine Künstliche Intelligenz über das Erfahrungswissen eines menschlichen Wissenschaftlers.

Und auch für die weltweite Zusammenarbeit macht man sich die Digitalisierung gerne zunutze. Große Konzerne haben längst Teile ihrer Forschung und Entwicklung an andere Standorte verlagert. Wo die kritische Masse an klugen Köpfen vor Ort nicht mehr erreicht wird, lässt sie sich durch Vernetzung wieder herstellen. Daten können gemeinsam bearbeitet werden, und dank Augmented Reality kann der Ingenieur in Pullach die Anlage in China besichtigen, ohne um die halbe Welt fliegen zu müssen.

Im jüngsten DECHEMA-Papier „Neuer Schub für die Biotechnologie“ skizzieren die Autoren, wohin die Kombination aus Automatisierung, Miniaturisierung und Digitalisierung führen kann. Dank der Kombination aus Hochdurchsatztechnologien, der enormen Beschleunigung beim Generieren von Daten und der Möglichkeit, diese mit Hilfe von Big Data und Künstlicher Intelligenz auszuwerten, kann der Wissenschaftler sich ganz darauf konzentrieren, seine Ideen zu verwirklichen – vom designten Molekül bis zum großindustriellen Produktionsprozess.

teens-629046_1280Doch wer einen Blick in die heutige Arbeitswelt wirft, den mag auch ein leichter Schauder ankommen angesichts der Vorstellung, dass Kollege Computer bald den Takt vorgibt. Schon heute fühlt mancher sich bei allen Vorteilen, die die neuen Kommunikationswege ermöglichen, als Sklave seines E-Mail-Kontos. Von der autonomen Zeitgestaltung bis zur Selbstausbeutung ist es häufig nur ein kleiner Schritt. Und die enorme Beschleunigung der Arbeitsprozesse führt statt zu mehr Raum für kreative Ideen und konzeptionelles Arbeiten eher zum Gegenteil: Hektisches Hinterherrennen hinter Routineaufgaben wird dann zum Standard und der Stapel unerledigter Mails wächst von Woche zu Woche. Gerade die „Digital Natives“, auf die feste Arbeitszeiten und ein stationärer Schreibtisch häufig wirken wie aus Großvaters Erinnerungsalbum, werden Wege finden müssen, mit diesen neuen Anforderungen umzugehen, ohne sich darin zu verlieren. Und bei allem Vertrauen in die Technik werden auch sie ein handwerkliches Grundverständnis brauchen, damit die Anlage nicht zur „Black Box“ für ihren Betreiber wird. Das richtige Maß zwischen Kompetenzvermittlung und praktischer Übung zu finden, ist für die Hochschulen und Personalabteilungen sicher eine der größten Herausforderungen für die nächsten Jahre und Jahrzehnte.

Was die Digitalisierung noch bedeutet für Wissenschaft und Produktion, für Verfahrenstechniker, Biotechnologen und Chemiker, darum geht es in der Podiumsdiskussion „Forschung und Produktion in einer globalen Welt“ am 12. September 2018 im Rahmen der ProcessNet-Jahrestagung und DECHEMA-Jahrestagung der Biotechnologen.  Wie sehen Sie die Zukunft Ihrer Branche? Teilen Sie uns Ihre Meinung mit! Wir freuen uns auf Ihren Beitrag!

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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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Titel Vorbild NaturWelche Chancen bieten Naturstoffe aus Pflanzen, Pilzen oder Mikroorganismen für Pharmazie und Medizin? Wie kann man sie gewinnen oder im Labor herstellen? Unter dem Titel „Vorbild Natur – Naturstoff-Forschung in Deutschland“ beschreiben Experten, wie natürliche Substanzen aus Regenwald, Boden und Meer zu Medikamenten werden. Die App ist kostenfrei für Android und über iTunes verfügbar.

Was haben Kugelfisch, Schlafmohn und Schimmelpilze gemeinsam? Sie produzieren – wie viele andere Tiere, Pflanzen und Mikroorganismen – Naturstoffe, die auf andere Organismen wirken. Das Spektrum reicht von Pheromonen, die als chemische „Sprache“ dienen, über Toxine zur Feindesabwehr bis zu Geschmacks- und Geruchsstoffen. Für die Forschung sind diese Substanzen hoch interessant – am wichtigsten als Quelle für neue Medikamente, aber auch als Nahrungsergänzungsmittel oder zur Schädlingsbekämpfung. In einer App, die ab sofort kostenfrei zum Herunterladen zur Verfügung steht, stellen Experten aus der DECHEMA-Fachgruppe „Niedermolekulare Naturstoffe mit biologischer Wirkung“ die neusten Erkenntnisse aus der Naturstoff-Forschung und die praktischen Anwendungen vor. Die Autoren aus Industrie, Universitäten und Forschungseinrichtungen berichten in 18 Kapiteln über ihre Forschungsgebiete und Naturstoffe aus Regenwald, Meer oder Bodenbakterien. Dabei fehlt ebenso wenig ein Überblick über die Geschichte der Naturstoff-Forschung bis heute wie eine Diskussion über aktuelle wissenschaftliche Methoden, die uns neue Perspektiven eröffnen: Dank neuer Analysetechniken kann die nahezu endlose Zahl chemischer Strukturen viel schneller untersucht und auf ihre biologische Wirksamkeit getestet werden. Die Biotechnologie erlaubt die Herstellung von komplizierten Molekülen in wenigen Schritten. Am Ende der App steht ein Überblick über Forschungsgruppen und Studien- sowie Ausbildungsmöglichkeiten in Deutschland. Studierende der Medizin, Pharmazie und Naturwissenschaften, Schüler, aber auch all jene, die sich für den Einsatz von Naturstoffen in Pharmazie, Lebensmitteln oder anderen Anwendungen interessieren, bekommen einen Einblick in ein faszinierendes Forschungsfeld, das uns unmittelbar berührt und dessen Grenzen noch lange nicht erreicht sind.

https://itunes.apple.com/de/app/naturstoff-forschung/id949970514?mt=8
https://play.google.com/store/apps/details?id=de.mediacologne.dechema.android

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zu Teil 1: Hierarchie der Nutzungsmöglichkeiten

Schlussfolgerung

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Das Energiesystem der Zukunft macht langfristige bzw. saisonale Speicher notwendig, um auch über längere windschwache und sonnenarme Perioden keine Einbußen bei der Versorgungssicherheit hinnehmen zu müssen. Lediglich chemische Energiespeicher (insbesondere Methan, Wasserstoff) sind in der Lage, diese Anforderungen zu erfüllen.
Mechanische Speicher, wie beispielsweise Druckluftspeicher, weisen für diese Anwendung ebenso wie elektrische Speicher zu geringe Energiedichten auf.
Gleichzeitig wird der Umbau des Energiesystems auf erneuerbare Quellen der Primärenergie inhärent den Aufbau von saisonalen und regionalen Überkapazitäten nach sich ziehen. Die Einkopplung dieser Überschüsse in die stoffliche Wertschöpfungskette bietet prinzipiell noch eingehender zu analysierende Optionen.

Bei allen Überlegungen ist zu berücksichtigen, dass die zur Verfügung stehenden Stromüberschüsse erst nach Abschalten der letzten Kernkraftwerke signifikant werden. Für 2032 prognostizieren die Ausbaupläne der Bundesregierung für die Stromnetze und die
Anteile regenerativer Quellen 2,3 TWh an nicht im Netz nutzbarer Energie („dumped energy“, Netzentwicklungsplan der Bundesregierung). Daraus leitet sich ein Aufkommen von ~ 500 Mio. m³ Wasserstoff ab, woraus sich ca. 275.000 Jahrestonnen Methanol herstellen ließen. Da der Überschussstrom nicht zentral anfiele, würde diese Menge in mehreren Kleinanlagen zu produzieren sein, die eine Größenordnung kleiner als heutige Worldscale-Anlagen ausfielen, mit entsprechenden Nachteilen für die Wirtschaftlichkeit. Wirtschaftlich betreibbare
Kleinanlagen würden auch benötigt, wollte man Überschussstrom aus großen Windkraftfeldern vor Ort chemisch speichern. Unter der Annahme von einer Gesamtleistung von 100 MW und 1.000 Stunden Produktion ohne Stromabnahme durch das Netz ergäbe sich für das Methanol eine Anlagengröße von ca. 15.000 t. Für den kontinuierlichen Betrieb dieser Produktionsanlagen würden physikalische Wasserstoffspeicher zur Pufferung benötigt.

Forderungen an Politik, Wirtschaft und Forschung

Die Energiewende ist ein historisch einmaliges Unterfangen. Es birgt technologische Herausforderungen und wirtschaftliche Risiken für den Produktionsstandort, aber auch Chancen im Sinne einer nicht-fossilen und nicht-nuklearen Zukunft für Deutschland selbst und für den Export von Technologien in die Welt.
Um diese Chancen zu nutzen, fordern wir:

  • Die Politik muss verlässliche politische Rahmenbedingungen schaffen.
  • Um die technologischen Hürden zu meistern, muss die Energieforschung gestärkt werden. Dabei sollte ein Fokus auf chemischen Energiespeichern liegen.
  • Die Projektförderung darf sich nicht zu frühzeitig ausschließlich auf eine Technologie-Option verengen.

Die technologischen Hürden können nur durch gemeinsame Anstrengungen von Wirtschaft und Forschung überwunden werden. Dazu fordern wir im Einzelnen:

[Bildquelle: Ulrichulrich via Wikicommons CC BY 3.0]

[Bildquelle: Ulrichulrich via Wikicommons CC BY 3.0]

  • Chemie und Energie müssen konvergieren. Beide Branchen sind gefragt, Möglichkeiten zur engeren Zusammenarbeit auszuloten und integrierte Konzepte zu entwickeln. Für die Chemie ergeben sich neue Möglichkeiten im Rahmen der Energiewende.
  • Die bestehende Gasinfrastruktur ist in dieser Flächenausdehnung einzigartig; es gilt, sie für weitergehende Versorgungsaufgaben auszubauen. Die Wasserstoffgrenzwerte im Erdgassystem sind dem heutigen Kenntnisstand und den heutigen lokalen und regionalen Gegebenheiten anzupassen
  • Planung von Kavernenspeichern für Wasserstoff

Forschungsbedarf besteht insbesondere in folgenden Bereichen:

  • Es werden effizientere Elektrolyseverfahren benötigt: Die Elektrolyse stellt eine wesentlicheSchlüsseltechnologie dar; sie kann heute nur mit einer Effizienz von etwa 70% betrieben werden.
  • Es sollten Konzepte entwickelt werden, die auch die Nutzung des als Koppelprodukt entstehenden Sauerstoffs sowie die Generierung anderer Wertstoffe als Koppelprodukt an der Anode vorsehen.
  • Die energetischen Verluste bei der Methanisierung von Wasserstoff sind signifikant zu verringern.
  • Für die wirtschaftliche Umsetzung von Wasserstoff in Methan, Methanol oder Ameisensäure und entsprechende Folgeprodukte sowie für die Hydrierung von Kohlenwassererstoffen gilt es, durch integrierte Forschung an Katalysatoren und Anlagentechnik neue, z.B. modulare Verfahrenskonzepte zu entwickeln.

Die Erhöhung der Energieeffizienz von Produktionsanlagen ist eine selbstverständliche und selbsterklärliche Forderung.

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Minolta DSCvon Dr. Hans Kral

Die Katalyse hat eine zentrale Bedeutung in der Chemischen Industrie und deshalb auch einen hohen wirtschaftlichen Stellenwert. Dies hat eine Datenflut – Literatur, Patentliteratur, Studien, Kongresse, u. v. m. – zur Folge, was die Orientierung erschwert. Eine Übersicht über die aktuellen Neuigkeiten und Publikationen findet man auf den Seiten der Deutschen Gesellschaft für Katalyse (GeCatS).

Im Jahr 1990 diskutierten vier Katalytiker – zwei aus der Industrie (Dr. Karl Kochloeffl, Süd-Chemie AG, München und Dr. Matthias Schwarzmann, BASF AG, Ludwigshafen) und zwei Hochschulvertreter (Prof. Dr. Manfred Baerns, Ruhr-Universität Bochum und Prof. Dr. Jochen Block, Fritz-Haber Institut der Max Planck-Gesellschaft, Berlin) über den Stand der Technik und die Entwicklung des Fachgebietes (Chemische Industrie“, 1990, 10, Oktober, 43 – 46; hier in vollständiger Länge: Katalyse und Alchemie).

Die damals von Dr. Kral gestellten Fragen haben auch nach 23 Jahren noch Bestand, sie wurden nun erneut von kompetenten Partnern, die paritätisch die industrielle und die nichtindustrielle Forschung repräsentieren, diskutiert und ergeben ein Meinungsbild über Fortschritt, Trends und ungelöste Probleme sowie über die Streitfrage nach dem Realitätsbezug der Grundlagenforschung auf dem Gebiet der Katalyse.

Sie können wie ein Wegweiser in einer unübersichtlichen Landschaft auf die gelösten und anstehenden Probleme hinweisen und außerdem den Fortschritt der letzten 23 Jahre aufzeigen. Diesen Beitrag finden Sie auch in gekürzter Version in der Chemie Ingenieur Technik 12/2013 [DOI: 10.1002/cite.201250750].

Über die Autoren

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Dr. Dirk Demuth
Senior Vice President, Catalysis Research, BASF SE
Prof. Dr. Richard W. Fischer
Koordinator der strategischen Allianz MuniCat an der TU München, vormals Süd-Chemie
Prof. Dr. Hans-Joachim Freund
Direktor der Abteilung Chemische Physik am Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft
Prof. em. Dr. Manfred Baerns
Professor Emeritus und Gast am Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft
Am Anfang des letzten Jahrhunderts hat die Grundlagenforschung den technischen Fortschritt auf dem Gebiet der heterogenen Katalyse bestimmt. Das belegen vier Nobelpreise für katalytische Prozesse. Was hat sich seitdem geändert?
„Auch nach den bahnbrechenden Entwicklungen in der ersten Hälfte des letzten Jahrhunderts hat es grundlegend-spektakuläre Entwicklungen gegeben.“ „Im Verlauf der letzten 25 Jahre ist auch eine Verzahnung der verschiedenen Katalyse-Systeme erfolgt.“ „Die Grundlagenforschung in der Katalyse hat sich in den letzten Jahrzehnten sehr weit fortentwickelt.“ „Die im letzten Interview 1990 von mir gegebene Antwort ist heute noch gültig , obwohl in den letzten 20 – 25 Jahren erhebliche Fortschritte erzielt wurden.“
Die zentrale Bedeutung der Katalyse in der chemischen Industrie ist unbestritten. Trotzdem erfolgen Entwicklung und Optimierung neuer Katalysatoren meist empirisch. Warum?
„Ein System ab initio vollständig zu verstehen, würde bedeuten, dass man alle wichtigen statischen und dynamischen Aspekte quantifizieren kann. Dies ist nur für einen Bruchteil der industriellen katalytischen Prozesse ansatzweise erreicht. „ „Jedes neue Problem bzw. Thema muss daher auch als solches behandelt werden. Aber dies erfolgt nicht immer ausschließlich empirisch!“ „Da das Auffinden von neuen Katalysatoren sowie deren Optimierung ein mehrdimensionales Problem darstellt, wird die Kombination von theoretischem Wissen, bereichert durch die Ergebnisse der „surface science“, mit empirischen Methoden nach wie vor den dominierenden Zugang darstellen.“ „Die Optimierung der Herstellungsverfahren erfolgt mehr oder weniger empirisch, da dieses Erfahrungsgebiet nicht im Fokus der Grundlagenforschung steht. „
Wie kann der oft zitierte „gap“ zwischen der Grundlagenforschung (Modellkatalysatoren) und der technischen Entwicklung realer Systeme überwunden werden?
„Ein Teil des „gaps“ erklärt sich daraus, dass die in der Grundlagenforschung untersuchten Systeme das katalytische Problem nicht „repräsentativ vereinfachen.““ „Eine Möglichkeit diesen oft systemimmanenten Gap deutlich zu verkleinern, ist die entsprechenden Parteien (Akademie und angewandte industrielle Entwicklung) so nahe wie möglich zusammen zu bringen. Code-Word hierfür: Industry on Campus.“ „Insofern kann man optimistisch auf die kommenden Entwicklungen blicken und schließen, dass sich in absehbarer Zeit ein weitergehendes Zusammenspiel von Grundlagen- und angewandter Katalyse-Forschung ergeben wird.“ „Durch theoretische Modellierung der katalytischen Reaktion und durch in-situ-Charakterisierung von Katalysatoren, insbesondere nanostrukturierter katalytischer Materialien, nimmt das Verständnis über heterogen katalysierte Reaktionen stetig zu.“
Das große Ziel, Katalysatoren für neue Prozesse vorherzusagen, ist noch nicht erreicht. Sind aussichtsreiche Methoden erkennbar?
„Ich möchte sogar die These aufstellen, dass es gar keinen Bedarf für diese Art von „Vorhersage“ gibt.“ „Eine „Weltformel“ für die Katalyse ist nicht zu erwarten.“ „Die Entwicklung von Prognosemethoden in Kooperation mit anderen Disziplinen wird erst dann erfolgen, wenn für das Realsystem die entscheidenden Faktoren identifiziert sind.“ „In den letzten zwei Jahrzehnten wurde die Verwendung von in-situ-Charakterisierungs-methoden ausgedehnt; damit können die katalytischen Materialien unter Bedingungen der katalytischen Reaktion, d.h. in Gegenwart der Reaktanden über einen weiten Bereich der experimentellen Bedingungen charakterisiert werden. „
Welche Entwicklungslinien sind erfolgversprechend und sollten deshalb mehr Beachtung finden?
„Last but not least ist es unabdingbar, dass auch in der akademischen Welt verschiedene Disziplinen projektorientiert zusammenfinden, um mit ihren jeweiligen Lösungspotentialen Gesamtprobleme und nicht nur isolierte Ausschnitte eines Problems zu lösen.“ „einige Anregungen:
– Intensive Kooperation der Verfahrenstechnik, der Anlagenbauer und der Katalysatorentwickler,
– Betrachtung des Katalysators als entscheidenden Prozess-Parameter und nicht lediglich nur als Mittel zum Zweck,…
„Die gegenwärtigen ökologischen und energiepolitischen Herausforderungen bestimmen auch die Entwicklungslinien der Katalyse- Forschung“ „Manche Anliegen verlieren nicht ihre Aktualität, wie aus meiner vor 23 Jahren gegebenen Antwort zu entnehmen ist“

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