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Energieversorgung für intensivierte Prozesse - Schlüsselprinzipien und gesamtheitliche Betrachtung

von Bettina Muster

Die Technologieauswahl zur Durchführung industrieller Prozesse ist der Schlüssel für die Auslegung von energieeffzienten Versorgungssystemen (siehe auch Artikel Prozessmodellierung auf Seite 14). Sie bestimmt die Temperaturniveaus und das Lastmanagement und beeinflusst welcher Kessel den Bedarf bestmöglich decken kann oder ob die Integration einer thermischen Solaranlage sinnvoll ist. Auch wenn einige Industriesektoren hauptsächlich traditionelle Technologien einsetzen, gibt es ständige technologische Weiterentwicklungen um die Prozesseffizienz bei höchstmöglicher Produktqualität zu steigern. Eine Vielzahl von Optimierungsansätzen und neuen Lösungen wird derzeit unter dem Begriff „Prozessintensivierung“ subsumiert.

Prozessintensivierung

Wenn wir von Intensivierung von Prozessen sprechen, wollen wir höhere Produktivität mit weniger Ressourceneinsatz erreichen, wobei der Ressourceneinsatz sich nicht nur auf das eingesetzte Material und den Energiebedarf sondern auch auf das Apparatevolumen bezieht. Ein Paradigma der Prozessintensivierung lautet „produce much more with much less“. Diese Erhöhung der Produktausbeute bei gleichbleibendem oder gar geringerem Ressourceneinsatz wird in den meisten Fällen durch eine Erhöhung des Massen- und Wärmetransports erreicht. Oftmals sind diese Phänomene gekoppelt, da in Prozessen, in denen der Wärmetransfer limitierender Faktor ist, auch der Massentransport gesteigert wird, sobald die Limitierung des Wärmetranfers überwunden werden kann. Andererseits kann die Erhöhung des Massentransports durch Änderung des Prozessdesigns (beispielsweise Änderung einer Verdampfung zu einem Membranverfahren) es ermöglichen, dass Prozesse bei anderen Temperaturen ablaufen.

Schlüsselprinzipien der Prozessintensivierung

Die folgenden Ansätze können als wichtigste Prinzipien der Prozessintensivierung genannt werden:

  • Größenminimierung – Kombination von Prozessschritten
  • Überwindung von Limitierungen in Stoff- und Wärmetransport
  • Erhöhung der Prozesskontrolle, Wechsel von Batch zu kontinuierlichen Prozessen (Abbildung 1)

Die Größenminimierung von Apparaten ist eine Charakteristik von Prozessintensivierung. Sie wird erreicht durch eine Erhöhung der Triebkräfte und insbesondere durch die Kombination von unterschiedlichen Prozessfunktionen und –schritten. Ein Beispiel ist die reaktive Destillation, bei welcher Reaktion und Produktauftrennung in einem Apparat stattfinden. Derartige intensivierte Anlagen sind kleiner und kompakter bei gleichbleibender Produktionsrate [4].

Eine weitere Charakteristik ist die Optimierung des Wärme- und Stofftransfers [3, 4]. In jedem chemischen Prozess ist der langsamste Schritt derjenige, der über die Reaktionsgeschwindigkeit entscheidet. Prozessintensivierung versucht diese bestehende Limitierung zu überwinden um schnellere und effizientere Prozesse zu ermöglichen. Es gibt eine Vielzahl an „intensivierten Technologien“ die den Wärme- und Stofftransport durch aktive oder passive Intensivierungsansätze erhöhen [3].

Die Erhöhung der Prozesskontrolle steht in Zusammenhang mit dem Ziel der Prozessintensivierung “jedes Molekül denselben Prozess erfahren zu lassen" [4] um Reaktionsraten möglichst hoch zu halten, die Bildung von Nebenprodukten zu minimieren oder Energieverluste zu vermeiden. Kontinuierliche Prozesse sind in diesem Sinne immer vorteilhaft [1], während in diesem Zusammenhang der Rührkessel meist als schlechtestes Beispiel genannt wird, aufgrund der relativ großen Temperatur- und Verweilzeitverteilung [4].

Abbildung 1: Strömungscharakteristik in Rührkesseln und Rohrreaktoren (Nachdruck (angepasst) mit Erlaubnis von Gerven and Stankiewicz [4]. Copyright (2010) American Chemical Society

Tabelle 1 gibt einen Überblick über einige Intensivierungsbeispiele für Wärmetransferprozesse in der Lebensmittelindustrie.

Tabelle 1: Intensivierungsbeispiele für Wärmetransferprozesse in der Lebensmittelindustrie (Stand der Forschung)

Relevante Aspekte für den Einsatz von Solarthermie

Intensivierungsstrategien, die die Integrationsmöglichkeiten von Solarthermie beeinflussen sind offensichtlich all jene, die den Wärmetransfer betreffen. Diese sind

  • die Vergrößerung der Wärmeübertragungsfläche (z. B. durch kompakte Wärmetauscher),
  • die Vergrößerung des Wärmeübertragungskoeffizienten (z.B. durch Reaktoren mit neuartigen Durchflusscharakteristiken, wie Spinning Disk-Reaktoren – der elektrische Energiebedarf für diese Reaktoren könnte grundsätzlich durch Photovoltaik bereitgestellt werden),
  • die Verringerung von Prozesstemperaturen durch optimierte Prozessdesigns und /oder Änderung der Ausgangsmaterialien (neue Reinigungsmittel ermöglichen Niedertermperaturreinigung), oder
  • der Wechsel der Energieversorgung hin zu Verfahren ohne thermische Gradienten (z.B. Mikrowellen , Ultraschall etc.).

Diese Strategien können zum Teil in bestehende Prozesse integriert werden, teilweise erfordern sie einen Technologiewechsel. Wird das physikalische Grundprinzip einer Grundoperation geändert, ist jedenfalls ein Technologiewechsel nötig. Derartige Strategien, die den Einsatz von Solarthermie betreffen können, sind

  • Erhöhung der Selektivität in Trennverfahren (z.B. Wechsel von atmosphärischer Verdampfung zu Mebran-unterstützten Prozessen)
  • Elektormagnetischer Einfluss auf Moleküle und Mikroorganismen (z.B. Wechsel von thermischer Inaktivierung von Mikroorganismen zu nicht-thermischen Verfahren wie Mikrowellen oder pulisierenden elektrischen Feldern) und
  • neue thermische Speichertechnologien (z.B. für Speicher, die Bedarf und Verfügbarkeit von diskontinuierlichen und kontinuierlichen Prozessen ausgleichen).

Der Wechsel von Batch-Prozessen zu kontinuierlichen Prozessen ist eine sehr wichtige Intensivierungsstrategie, auch hinsichtlich verbesserter Integrationsmöglichkeiten von Solarthermie. Durch den Wegfall von Lastspitzen im Heiz- und Kühlbedarf hat ein kontinuierlicher Prozess wichtige Auswirkungen auf die Energieversorgung und die Auslegung von Anlagen.

Workshop “Energieversorgung für intensivierte Prozesse”

Im Rahmen der Gleisdorf Solar wurde im Juni 2014 ein gemeinsamer Workshop des IEA Task 49 sowie der Arbeitsgruppe Prozessintensivierung der Europäischen Föderation für Chemie-Ingenieur-Wesen (EFCE) zum Thema „Energieversorgung für intensivierte Prozesse“ durchgeführt. Es war das Ziel, Verfahrenstechniker und Solarexperten zusammenzubringen um gemeinsam die möglichen Auswirkungen von neuen Technologietrends auf die Energieversorgung zu diskutieren. Im Rahmen der Forschung zu Prozessintensivierung wird der Energieversorgung der Prozesse bisher kaum Beachtung geschenkt. Nach einer Vortragsreihe folgte eine Gruppenarbeit, bei der die Teilnehmer zu neuen Denkweisen angeregt wurden. Schließlich wurden die Denkanstöße aus dem Treffen in einer Podiumsdiskussion zusammengefasst.

Basierend auf den Diskussionen ist zu erwarten, dass die Energieversorgung sich durch die neuen Technologieentwicklungen langfristig ändern wird. Dieser Effekt wird auf 3 Ebenen sichtbar sein: auf der Ebene der einzelnen Grundoperation, auf der Ebene des Produktionssystems und auf regionaler Ebene durch neue Produktionsansätze. Obwohl insgesamt ein Trend zu elektrischer Energieversorgung erwartet wird, wird die Wärmeversorgung von industriellen Prozessen weiterhin eine wichtige Rolle einnehmen. Ein Trend zu niedrigeren Prozesstemperaturen scheint absehbar, aufgrund von kontinuierlichen Prozessen, neuen Katalysatoren sowie neuen chemischen Reaktionswegen. Auf der Ebene der Produktionsanlage, wird die „Intensivierung von Produktionsanlagen“ als gesamtheitlicher Ansatz immer stärker verfolgt werden, da die Intensivierung eines Einzelprozesses auch oft Auswirkungen auf den gesamten Energiehaushalt der Produktionsanlage hat. Diese gesamtheitliche Optimierung wird zu integrierten Anlagen führen, in denen thermische Energie bestmöglich wiederverwertet wird und Energieumwandlungsverluste minimiert werden. Es wird weiterhin eine Herausforderung bleiben „intensivierte“ Produktionsstätten zu realisieren, in denen höchstmögliche Prozesseffizienz erreicht wird, während der Energiebedarf minimiert wird.

Neben den Auswirkungen der Intensivierung auf den Energiebedarf von Einzeloperationen und Prozessketten wird entscheidend sein, welcher generelle Trend sich (besonders in Schwellenländern) im Aufbau von Produktionsanlagen durchsetzt: Im Gegenzug zu großen Produktionsanlagen wird im Sinne der Prozessintensivierung derzeit der Ansatz von „small scale distributed processing“ verfolgt [2]. Kleine modulare Produktionsanlagen sollen flexibel auf Bedarfsänderungen reagieren und rasche Versorgung des Endkunden sicherstellen können. Solche rasch installierten Produktionsanlagen sind für die Versorgung mit erneuerbarer Energie besser geeignet und können deutlich flexibler auf Änderungen der erneuerbaren Energieversorgung reagieren.

Fazit

Für solare Prozesswärme wurden im Workshop die folgenden Trends diskutiert:

  • Flexible, dezentrale Produktionsanlagen können den Beitrag von Solarer Prozesswärme zur thermischen Energieversorgung erhöhen, da die Prozessführung leichter auf die Verfügbarkeit der Solarwärme abgestimmt werden kann. Zusätzlich besteht das sehr große Potenzial Saisonspeicherung mit neuen Speichertechnologien zu realisieren.
  • Die meisten neuen Energieumwandlungstechnologien auf Basis von Biomasse benötigen einen Trocknungsschritt. Dessen Versorgung mit Solarthermie könnte in vielen Fällen die Effizienz des Umwandlungsverfahrens erhöhen.
  • Die weitere Realisierung von innovativen Wärmerückgewinnungssystemen, die einen großen Teil des Wärmebedarfs im Niedertemperaturbereich abdecken kann, wird den Bedarf für Solarprozesswärme im höheren Temperaturbereich erhöhen und unterstreicht die Wichtigkeit der Kollektorentwicklung im Temperaturbereich von 100-250°C.
  • Der Trend zu elektrisch versorgten Prozessen wird allerdings bestehende Abwärmeströme eliminieren. Studien, die das gesamtheitliche Bild der Anlagenintensivierung mit optimierter Energieversorgung analysieren, werden für die Realisierung von nachhaltigen Produktionsstätten immer wichtiger.

Abbildung 2: Gesamtheitliche Betrachtung bei Intensivierung von Produktionsanlagen

Literatur

  1. Anderson, N.G., Continuous Operations, in Practical Process Research and Development. Elsevier Inc., 2012, p. 397-414.
  2. Bramsiepe, C., et al., Low-cost small scale processing technologies for production applications in various environments—Mass produced factories, Chemical Engineering and Processing: Process Intensification 51, 32-52 (2012).
  3. Reay, D., C. Ramshaw, and A. Harvey, Process Intensification: Engineering for efficiency, sustainability and flexibility, Butterworth-Heinemann, 2013.
  4. Van Gerven, T. and A. Stankiewicz, Structure, Energy, Synergy, Times - The Fundamentals of Process Intensification, Ind. Eng. Chem. Res. 48, 2465–2474 (2009).
  5. http://www.chemanager-online.com/themen/produktion/alfa-laval-technische-revolution-durch-art-plattenreaktor (19.11.2014)
  6. http://www.sulzer.com/de/Products-and-Services/Agitators-Mixers-and-Dispensers/Static-Mixers/Heat-Exchangers-and-Reactors/SMXL-Multitube (19.11.2014)
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AutorInnenbeschreibung

DI Dr. Bettina Muster ist Mitarbeiterein des Bereichs Industrielle Prozesse und Energiesysteme von AEE INTEC ( This e-mail address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it. )

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