Prozessanalysentechnik (PAT) setzt sich langsam durch

Der Grundsatz: „Was nicht gemessen wurde, kann man nicht regeln“, gilt in der Prozessautomatisierung immer noch. Sensoren bilden die Basis der Automatisierungstechnik. „Allerdings basieren in der Prozessindustrie derzeit rund 98% der Regelkreise auf einer stoffunspezifischen Größe wie Druck, Temperatur, Füllstand oder Durchfluss. Die eigentlich qualitätsrelevanten Größen der Produktspezifikation, wie Zusammensetzung, Farbe, Reinheit, etc. werden immer noch meist im Produktionslabor offline bestimmt“, beschreibt Dr. Michael Kloska, Leiter des Fachzentrums Prozessanalysentechnik (PAT) bei der BASF in Ludwigshafen, die aktuelle Situation in der Prozessindustrie. Er hat an der Erstellung der Roadmap Prozess-Sensoren 2015+ von Namur und VDI/VDE mitgewirkt, deren wichtigste Ergebnisse in der vorliegenden Ausgabe der CHEMIE TECHNIK ab Seite 44 zusammengefasst sind.

Trotz der bislang wenigen Messstellen sind sich die Experten einig, dass Anlagenbetreiber in mehrfacher Hinsicht vom Einsatz von PAT profitieren können. „Im Kern geht es dabei um eine optimierte Prozessführung und geringere Kosten durch mehr Qualität, Sicherheit und Effizienz sowie kürzere Produktionszeiten“, fasst Dr. Frank Dinger, Geschäftsführer von MAT Mess- und Analysentechnik, einem Dienstleister für Komplettlösungen in der PAT, zusammen. „Durch eine kontinuierliche stoffspezifische Überwachung von Prozessen kann man den Prozess besser verstehen und die Ausbeute des Zielproduktes optimieren. Dadurch entstehen weniger Nebenprodukte, die Effizienz steigt und die Umwelt wird weniger belastet. Optimierte Prozessführung bedeutet typischerweise einen verringerten Energieeinsatz und geringere Kosten für den Betreiber“, verdeutlicht Dr. Dirk Steinmüller den Nutzen für die Anwender. Steinmüller ist Marketing- und Vertriebsleiter bei Knick elektronische Messgeräte und im Vorstand des Arbeitskreises Prozessanalytik der GDCh und der Dechema.
Neben der höheren Effizienz bestehender Anlagen sind aber auch neue Produktionsprozesse möglich. Ein besonderes Verbesserungspotenzial sieht Kloska außerdem für die Chargenzeiten von Batch-Prozessen. Durch qualitätsbestimmte Weiterschaltbedingungen statt fester Zeitschritte ließe sich die Anlagenkapazität steigern, ohne in Apparate investieren zu müssen.

Es gibt nichts Gutes, außer man tut es

Doch trotz des hohen Kostendruckes in der Prozessindustrie sind Anlagenbetreiber beim Einsatz von PAT immer noch sehr zurückhaltend. „Während bei der Messung der Temperatur, des Druckes oder Durchflusses die Möglichkeiten nahezu ausgeschöpft sind, besteht bei der Messung der Zusammensetzung von Stoffgemischen und deren Konzentration nach wie vor großer Nachholbedarf. Der Anteil prozessanalytischer Messstellen liegt immer noch unter 5%. Ein Grund dafür ist, dass die Betreiber die Kosten oft überschätzen und den Nutzen unterschätzten“, bemängelt Dinger.

Auch Steinmüller sieht den Hauptgrund in einer kurzsichtigen Betrachtung der Kosten: „Bei komplexer Prozessanalytik können die Initialkosten hoch sein. Leider wird immer noch in vielen Fällen keine konsequente Life-Cycle-Cost-Rechnung durchgeführt, obwohl diese ergeben würde, dass die Investition sich nach zwei oder drei Jahren rechnet. Auch die Roadmap fordert hier die vermehrte Betrachtung der Total-cost-of-ownership. Allerdings wirkt der Marktdruck oft eher kontraproduktiv und Investitionen werden verschoben oder nicht getätigt.“
Neben den Kosten spielt ein weiterer Aspekt eine wichtige Rolle: mangelndes Wissen über den Prozess oder eine nicht ausgereifte Prozessführungsstrategie. Vor dem Einsatz von PAT sind viele Fragen zu beantworten: „Welche Parameter bestimmen den Prozess? Welche Größen müssen gemessen werden und mit welchen Messverfahren? Welches sind die richtigen Stellgrößen, um den Prozess zu beeinflussen? Die Prozessanalysentechnik ist eine komplexe Technologie. Zur Applikationserstellung und zur Systemintegration sind Experten erforderlich, die oft nicht zur Verfügung stehen“, verdeutlicht Kloska das Problem. Das ist eine Erfahrung, die auch Dienstleister Dinger bei seiner Arbeit immer wieder macht: „Im Grunde müssen viel mehr qualifizierte Dienstleister her, die Entscheidungshilfen geben und Applikationsleistungen erbringen. Wo diese Dienstleister angesiedelt sind – beim Anwender, beim Gerätehersteller oder in einem eigenen Dienstleistungsbereich – ist zweitrangig.“

Es fehlt am Mittel zum Zweck

Die Zurückhaltung bei den Anlagenbetreibern ist die eine Seite. „Auf der anderen Seite fehlen aber auch geeignete Verfahren und Geräte sowie die Intelligenz, die vorhandenen Verfahren und Geräte an den jeweiligen Prozess anzupassen – sozusagen „smart metering“ in der PAT“, bemängelt Dinger. Hier könnte die Technologie-Roadmap Prozess-Sensoren 2015+ Fortschritte bringen, die praktisch einen großen Wunschzettel der Betreiber darstellt. Das hofft zumindest Dr. Michael Kloska von der BASF, der an der Roadmap mitgearbeitet hat:„Es wäre ein großer Erfolg, wenn die Ergebnisse der Roadmap von den Sensor- und Geräteherstellern aktiv aufgegriffen würden. Dann bekämen die Anlagenbetreiber die Sensorik und die Prozessmessgeräte, die sie am dringendsten benötigen.“

Nur wenige Hersteller für Labor-Analysengeräte entwickeln auch prozesstaugliche Geräte. Kloska sieht das Hauptproblem in den großen Unterschieden zwischen Labor- und Prozessanalytik:„Oft herrscht die irrtümliche Annahme, man müsse ein Laborgerät nur in ein stabiles Gehäuse packen und erhielte damit ein vollwertiges Prozessgerät. Die Anforderungen an Labor- und Prozessgeräte unterscheiden sich aber in zahlreichen Punkten. Viele der Anforderungen, die an Prozessgeräte gestellt werden müssen, sind bei den Herstellern von Laborgeräten weniger bekannt, weil sie im Labor keine Rolle spielen. Ich denke hierbei speziell an Explosionsschutz, Sicherheit (SIL), erhöhte EMV-Verträglichkeit, standardisierte Schnittstellen zur Datenübertragung an Prozessleitsysteme,Bedienkonzept, Robustheit, Langzeitstabilität und Verfügbarkeit.“ Eine stetige Herausforderung sei außerdem die Prozessanbindung und Probenahme, ergänzt Steinmüller: „PAT heißt alles im Blick zu haben, nicht nur das Gerät. Diesen Aufwand scheuen die meist großen Laborhersteller. Nebenbei gesagt: Der Labormarkt ist als Gerätemarkt mindestens 10 mal größer, da überlässt man die Prozessanalytik gerne den Spezialisten.“

Entwicklungspotenzial in- und online

Für die Probenahme bei der Online-Analytik sieht Kloska auf jeden Fall noch Entwicklungspotenzial. So müsse die Probe repräsentativ sein und dürfe nicht durch die Probenahme verfälscht werden. Die Probenmenge sollte, wenn sie nicht zurück geführt werden könne, aus Kostengründen möglichst klein sein, insbesondere bei teure Produkten oder bei kleinen Mengen wie in Forschungsanlagen. Bei Gas- und Flüssigproben sei bereits ein guter technologischer Stand erreicht. Aber es gebe auch noch viel zu tun, führt Kloska aus:„Derzeit wird bei der Systemintegration leider oftmals immer wieder das Rad neu erfunden. Eine Standardisierung der Systeme zur Probenaufbereitung könnte weiteren wirtschaftlichen Nutzen bringen. Das Komponentensystem NESSI (New Sensor Sampling Initiative) eignet sich sicher für manche Anwendungen in der Forschung, stellt aus meiner Sicht jedoch keine breit nutzbare Alternative dar. Zur Feststoffprobenahme existieren Einzellösungen, hier besteht Entwicklungspotenzial.“

Fortschritte sind auch bei der Inline-Analytik nötig. Hier stellen die Kalibrierung und Wartung noch ein Problem dar, denn die Produktionsanlage kann nicht jedes Mal abgeschaltet werden. Dies Problem wird auch in der Roadmap beschrieben. „Neben Lösungen für elektrochemische Sensoren gibt es erste Lösungen dafür auch in Kombination mit faseroptischen Sonden, die dann ein ganzes Spektrum von Anwendungen zulassen werden“, beschreibt Steinmüller mögliche Lösungswege. Für Kloska sind Wechselarmaturen ein erfolgreicher Ansatz.

Teils widersprüchliche Erwartungen

Ob inline oder online, in Zukunft werden beide Verfahren ihre Existenzberechtigung haben; auch wenn es dort, wo es möglich ist, einen Trend zur Inline-Analytik geben werde, erwartet Steinmüller. Für widersprüchlich hält er dagegen die Trends in den einzelnen Branchen: „Einerseits gibt es in der Bioverfahrenstechnik einen Trend für „Wegwerfsensoren“, andererseits werden bei Konti-Verfahren immer zuverlässigere, langlebigere und empfindlichere Sensoren gefordert. Die Forderung nach immer preiswerteren Sensoren und gleichzeitig spezifischer werdenden Methoden und damit komplexer Technologie sehe ich vorerst als nicht aufzulösenden Widerspruch.“

Damit aus Visionen, wie sie in der Roadmap beschrieben sind, praktikable Analysenmethoden werden, wünscht sich Steinmüller, dass neben Anwendern und Geräteherstellern künftig auch die Hochschulen in die Diskussion mit einbezogen werden. Nötig wäre auch eine veränderte Einstellung der Unternehmen:„Die Prozessautomation ist eine eher konservative Branche, in der Bewährtes oft stärker zählt als Innovation. Immer stärker gesetzlich regulierte Auflagen tragen zu diesem Blick stark bei“, beschreibt Steinmüller die Situation in der Prozessindustrie.

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