- Rechnet sich der Einsatz eines im Labor erfolgreich entwickelten, neuen Verfahrens auch im großen Maßstab? Mithilfe einer Prozess-Simulation lässt sich das überprüfen und die Anlage kann direkt optimiert werden.
- Die Simulation spart den Anwender Kosten und Zeit, indem er den Prozess virtuell auf Verbesserungen untersuchen kann, bevor die praktische Umsetzung beginnt.
- Die berechneten Werte aus der Simulation und die darauf aufbauenden Kostenrechnungen kann ein Anlagenbetreiber anschließend auf seinen realen Prozess anwenden.
Von der Idee zur Marktreife
Deutlich werden die Vorteile einer Simulation am Beispiel einer Biogasanlage. Das Unternehmen Maxbiogas hat im Labormaßstab ein Verfahren entwickelt, das ermöglicht, den Wirkungsgrad bei der Biogaserzeugung von derzeit bestenfalls rund 50% auf bis zu 100% zu erhöhen. Es nutzt auch Pflanzenbestandteile, die bisher für die Gaserzeugung nicht aufgeschlossen werden konnten. Dadurch ließe sich Biogas in Zukunft wirtschaftlich genug erzeugen, um mit Energieträgern wie Erdöl, Erdgas, Kohle oder auch Kernkraft im globalen Rahmen konkurrieren zu können. Im Labor war der Aufschluss erfolgreich. Mit der Prozess-Simulations-Software Inosim Professional konnte das Unternehmen prüfen, ob sich das Verfahren mithilfe eines Zusatzmoduls an der Anlage auch in großem Maßstab umsetzen lässt – und vor allem: ob es sich auch wirtschaftlich rechnet.
Ausprobieren in virtuellen Prozessen
Um die Prozess-Struktur darzustellen, lässt sich per Simulation ein virtuelles Modell des Laborprozesses gestalten – im Falle der Biogas-Gewinnung bestehend aus Reaktion, Fällung, Filtration und Lösungsmittelaufarbeitung. Passend dazu entwirft der Software-Anwender ein virtuelles Modell der gesamten Anlage. Im Anschluss werden die Daten aus dem experimentellen Prozess in die Software übertragen. Darunter: die Spezifikation der eingesetzten Roh- und Hilfsmittel, die Ausbeuten und Selektivitäten der Reaktion und der Fällung sowie die Höhe der Betriebsdrücke und -temperaturen. Simulieren lässt sich der Prozess nun auch in industriellen Maßstäben, beispielsweise mit 1.000 t/a Substrat.
Anhand der in der Simulation gewonnenen Massen- und Energiebilanzen zeigt sich, ob die im Labor eingesetzten Verfahren scale-up-fähig, also für den Industriemaßstab geeignet sind und welche Bestandteile dafür modifiziert werden müssen. Diese Modifikationen lassen sich ebenfalls bereits in der Simulation testen. Auch die im Labor verwendeten Mengen der eingesetzten Stoffe und Hilfsmittel kann der Anwender für den industriellen Gebrauch anpassen: am Beispiel der Biogas-Anlage unter anderem die Lösungsmittelmenge für die Waschung des Filterkuchens.
Die Energiebilanz des Verfahrens lässt sich ebenfalls in der Simulation optimieren. Für die Biogas-Anlage sollten beispielsweise die Reaktion sowie die Lösungsmittel-Aufbereitung mit Abwärme aus einem integrierten Block-Heizkraftwerk (BHKW) beheizt werden. Auch hier zeigt sich, ob der Betreiber einen Prozess umgestalten muss: Im vorliegenden Fall musste die Lösungsmittel-Aufbereitung gleichmäßiger gestaltet werden, um den konstanten Abwärmestrom optimal nutzen zu können.
Simulation macht Kostenberechnungen möglich
Aufbauend auf die durch die Simulation gewonnenen Massen- und Energiebilanzen lassen sich mit Hilfe der Prozess-Simulations-Software Kostenschätzungen und Wirtschaftlichkeitsberechnungen für den geplanten industriellen Prozess erstellen. Die virtuelle Kostenrechnung umfasst dabei sowohl die Betriebs- als auch die Investitionskosten: darunter Kosten für Roh- und Hilfsstoffe, Personalkosten oder Kosten, die die Simulation über eine Zuschlagsfaktoren-Rechnung bestimmt. Darunter fallen unter anderem Versicherungen, Steuern oder Rücklagen für Reparaturen. Die Höhe der Investitionskosten ergibt sich aus der Dimensionierung der Anlage durch die Simulation.
Die gewonnenen Daten zu den Investitionskosten und den Betriebskosten muss der Anwender anschließend mit den erwarteten Einnahmen aus der Produktion verrechnen. So erfährt er, ob sich das Verfahren wirtschaftlich rechnet. Waren die Optimierungs-Schritte erfolgreich, verkürzt sich der Return on Investment. Der Einsatz von Simulationstechnologie als Zwischenschritt zwischen Labor und industrieller Anlage ist also durchaus sinnvoll ist.
Wirtschaftlicher Erfolg und mehr Effizienz
Dem Betreiber liegen nach der Simulation Daten für das Design einer kompletten industriellen Anlage vor. So lassen sich die weitere Finanzierung und die Anlagenplanung für die folgenden Projektschritte auf den Weg bringen. Zugleich kann der Betreiber eine erste Öko-Effizienz-Bilanz erstellen. Maxbiogas erzielte für seine Biogasanlage folgende Vorteile: Der Betreiber konnte den Wirkungsgrad der Anlage erhöhen und auch die pflanzlichen Reststoffe wirtschaftlich zur Produktion nutzen. Insgesamt braucht er weniger Rohstoffe für die gleiche Strommenge.
Technik im Detail
So funktioniert die Simulation
Die Simulations-Software integriert in einer Arbeitsoberfläche das Prozessfließbild, die Prozessparametrisierung und die Stoffdaten. Aus einer Datenbank mit Modellen der verfahrenstechnischen Operationen erstellt das Programm das Prozessfließbild. Die einzelnen Prozessschritte werden parametrisiert und die notwendigen Apparateeigenschaften definiert – beispielsweise die Stufenzahl einer Rektifikationskolonne oder der Bautyp eines Wärmetauschers. Stoffsystem und Art der Stoffdatenberechnung legt die Software fest. Im letzten Schritt erfolgt die eigentliche Simulation: Aus den Eingangsparametern berechnet das Programm mittels der verknüpften Berechnungsmodelle alle weiteren Prozessparameter für die einzelnen Prozessschritte. Grundlegende Ergebnisse sind die Massen- und Energiebilanz des Prozesses sowie die Kenngrößen der verschiedenen Prozessschritte, beispielsweise das benötigte Rücklaufverhältnis einer Rektifikation oder die erforderliche Oberfläche eines Wärmetauschers. Dabei untersucht die Software keine isolierten Faktoren, sondern den Betrieb im dynamischen Zusammenwirken. So lassen sich einzelne Apparate identifizieren, bei denen Optimierungspotenzial besteht.
