Artikel Schneller zur Produktion

10.03.2011

Projektierung von Chemieanlagen: Mit der 50%-Idee vom Produkt zur Produktionsanlage

In Europa und insbesondere Deutschland geht der Trend in der Chemieindustrie hin zu Spezialchemikalien und Pharmazeutika. Doch um den Bau solcher Anlagen wirtschaftlich darstellen zu können, sind neue Konzepte notwendig. Ein radikaler Ansatz dafür ist die 50%-Idee. Dabei steht die Frage im Mittelpunkt, wie die Projektzeit vom Produkt zur Produktionsanlage halbiert werden kann.

Anlagenbau, Anlagenplanung, Verfahrensentwicklung

Anlagenbau

Chemie

Pharma

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Planer

Betreiber

Einkäufer

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Autoren:
Dr. Christian Bramsiepe, TU Dortmund, Fakultät Bio- und Chemieingenieurwesen, Lehrstuhl für Anlagen- und Prozesstechnik
Dr. Jürgen S. Kussi, Bayer Technology Services GmbH,
Dormagen
Prof. Dr. Gerhard Schembecker, TU Dortmund, Fakultät Bio- und Chemieingenieurwesen, Lehrstuhl für Anlagen- und Prozesstechnik

Durch die Globaliserung wächst der Druck auf die chemische Industrie in Westeuropa. Speziell auch in Deutschland muss der Fokus zunehmend auf die Produktion von Spezialchemikalien und Pharmaka gerichtet werden. Diese Produktgruppen zeichnen sich durch kleine Produktionsmengen, aber viele und komplexe Reaktionsschritte aus. Es ist ein sehr dynamisches Arbeitsgebiet, das sich z.T. auch noch durch kurze Produktlebenszyklen auszeichnet. Immer schneller müssen neue Produkte und die zu ihrer Produktion erforderlichen Prozesse entwickelt werden. Einerseits verringert sich dadurch die Lebensdauer einer Produktionsanlage deutlich, andererseits bestimmt die schnelle Produktbereitstellung im Markt die Wertschöpfung eines Produktes.

Heute vergehen von der Entwicklung eines neuen Produktes über Prozessentwicklung sowie Konstruktion und Bau bis hin zur Inbetriebnahme der fertigen Anlage nicht selten mehr als zehn Jahre (Bild 2). Die hiermit verbundene große Unsicherheit bei der Prognose von Marktentwicklungen führt dazu, dass viele Produkte und die entsprechenden Verfahren nicht entwickelt werden, weil das Investitionsrisiko zu hoch ist. Um diese Markteintrittshürden zu verringern, müssen Konzepte entwickelt werden, mit denen insbesondere bei kleinen Produktionsmengen das absolute Investment für eine chemische Produktionsanlage gesenkt und gleichzeitig die Flexibilität der Anlagen erhöht werden kann. Wird darüber hinaus die Projektdurchlaufzeit durch eine geänderte Strategie in Prozessentwicklung und Konstruktion wesentlich verkürzt, so lässt sich ein schnelleres Return on Investment erzielen und damit das Investitionsrisiko wesentlich verringern.

Investitionsrisiko sinkt,
Gewinnzone wird früher erreicht


Eine einfache Discounted Cash Flow Rechnung (Bild 3) verdeutlicht den Effekt einer verkürzten Projektdurchlaufzeit auf die Wirtschaftlichkeit eines Innovationsprojektes. Das Potenzial der Halbierung der Projektdurchlaufzeiten zeigt sich exemplarisch bei typischen finanziellen Rahmenbedingungen (Investment: 30 Mio. €, jährliche Betriebskosten: 40 Mio. €, jährliche Verkaufserlöse: 50 Mio. €). Die Ergebnisse dieser Rechnungen sind für eine Durchlaufzeit von fünf Jahren (50%-Idee: grüne Kurve) und eine Durchlaufzeit von zehn Jahren (konventionelle Planung: rote Kurve) dargestellt.

Ein deutlich größerer Gewinn bei gleichzeitig früherem Break Even (BEP) wird sichtbar. Zusätzlich verkürzt sich die Zeitspanne zwischen dem Zeitpunkt der maximalen Kapitalaufnahme (Inbetriebnahme der Anlage) und dem Erreichen der Gewinnzone, da bei gleicher Investitionssumme mit einer Verkürzung der Durchlaufzeit weniger Zinsen anfallen. Das Investitionsrisiko sinkt also.

Wie sich die Potenziale dieser „50%-Idee" in der industriellen Praxis realisieren lassen, haben im Rahmen des 48. Tutzing Symposions (21.-24. Juni 2009) 100 ausgewählte Teilnehmer aus den Kreisen Betreiber, Kontraktoren, Zulieferer und Akademi, in der evangelischen Akademie in Tutzing miteinander diskutiert. Impulsvorträge legten den Grundstein für inspirierende und teils auch kontrovers geführte Diskussionen. Als Ergebnisse wurden Vorschläge zur Verkürzung von Projektdurchlaufzeit sowie deren Einfluss auf den gesamten Work-Flow einerseits und der Identifizierung des Forschungsbedarfs in Bezug auf Technologien und Methoden andererseits formuliert. Sie sind in „Thesen von Tutzing" zusammengefasst (siehe Textkasten). Die darin formulierten Aspekte und Aufgaben müssen natürlich unter Beibehaltung der derzeitigen sicherheits- und umwelttechnischen Rahmenbedingungen stattfinden.

Module verkürzen die
Projektdurchlaufzeit

Modularisierung ist als ein wesentlicher Ansatzpunkt zur Verkürzung von Projektdurchlaufzeiten identifiziert. Nennenswerte Zeiteinsparungen lassen sich aber auch durch die Vermeidung von Iterationen bei der Planung erzielen. Einmal definierte Module mit z.B. dazugehörigen R&I-Fließbildern bieten hier die Möglichkeit, im Unternehmen bereits vorhandenes Wissen zu konservieren und erneut zu verwenden. Solche Planungsmodule sind vollständig dokumentiert und müssen bei erneuter Planung nicht mehr diskutiert werden.

Besondere Beschleunigungseffekte können erzielt werden, wenn ein Modul nicht nur in seiner Funktionalität (R&I-Fließbild) definiert wird, sondern auch die dreidimensionale Struktur und Dimension festgelegt werden. Hier eröffnet sich die Möglichkeit, Module in großer Stückzahl herzustellen und damit auch eine deutliche Kostenreduktion durch Serienfertigung zu erzielen. Dem erforderlichen Grad der Standardisierung kommt in diesem Zusammenhang eine besondere Bedeutung zu. In der Prozess- und Anlagenplanung könnte so auf einen bestehenden Modulkatalog zurückgegriffen werden. Dem Prinzip „Anzug von der Stange statt Maßanzug" folgend, ließe sich der Planungsprozess wesentlich beschleunigen. Dies setzt jedoch fundamentales Umdenken voraus, da Anlagen nicht mehr auf den Punkt, sondern mit Modulen für eine Bandbreite der Produktionskapazität ausgelegt würden.

In der Verfahrensentwicklung, d.h. der Übertragung vom Labor- in den Produktionsmaßstab, ist die bessere Zusammenarbeit zwischen Produktforschern und Verfahrensentwicklern ein wesentlicher Beschleunigungsfaktor. Die frühzeitige Festlegung auf eine geeignete und wirtschaftliche Technologie muss bereits zu Beginn der Verfahrensentwicklung geschehen, um unnötige Umwege vermeiden zu können. Durch die frühzeitige Festlegung und konsequente Einhaltung wesentlicher Ziele wie Termine und Kosten wird schneller deutlich, ob das Projekt den erwarteten Verlauf nimmt, oder ob wesentliche Abweichungen auftreten.

Bei der Verfahrensentwicklung selbst muss mit der Tradition gebrochen werden, Anlagen genau auf einen geplanten Betriebspunkt auszulegen, da dieser im späteren Betrieb ohnehin in aller Regel nicht eingehalten wird. Vielmehr muss bereits bei der Prozessentwicklung darauf geachtet werden, möglichst viel standardisiertes Equipment zu verwenden. Es ist also durchaus das Verfahren an verfügbare Apparate anzupassen statt wie bisher umgekehrt. Die Verwendung scale-up-fähigen Equipments mit daran gekoppelter, umfassender Modellierung könnte den Entwicklungsprozess ebenfalls wesentlich beschleunigen, da ein Großteil der Technikumsversuche und damit auch wesentliche Zeitkonsumenten vermieden werden können.

Modellgestützte Prozessentwicklung

Neben diesen direkten Einflüssen auf den Entwicklungsprozess kann durch eine modellgestützte Prozessentwicklung der gesamte Work-Flow optimiert werden. Alle Beteiligten müssen Verantwortung übernehmen, sodass interdisziplinäre Orientierung und Ausbildung des bearbeitenden Teams gestärkt werden. Durch automatisiertes Informationsmanagement lässt sich einerseits die Kommunikation zwischen den Projektbeteiligten deutlich vereinfachen. Auf der anderen Seite können in einer lernenden Organisation Wissensmodule aufgebaut werden, sodass bewährte Lösungen konserviert und immer wieder eingesetzt werden können. Anregungen zur Umsetzung solcher Ansätze können aus anderen Industrien, wie der Fertigungs-, der Automobil- oder der Flugzeugindustrie, gewonnen werden. Beispiele hierfür sind strategische Partnerschaften mit Zulieferern oder auch die Reduktion der Vielzahl von individuellen Werknormen und -standards und stattdessen das Vertrauen auf Lieferanten- und Marktstandards.

Bei der Laufzeitverkürzung von Innovationsprojekten kommt der Wahl des richtigen Produktionskonzeptes große Bedeutung zu. So muss insbesondere bei sehr innovativen Produkten damit gerechnet werden, dass sowohl der erwartete Marktpreis als auch die Prognose der Marktkapazität deutlich fehlerbehaftet sein können. Der Bau einer Großanlage ist unter diesen Rahmenbedingungen also häufig mit sehr hohen Investitionsrisiken verbunden. Durch den Bau mehrerer dezentraler kleiner Anlagen lässt sich das Investitionsrisiko deutlich reduzieren. Neben dem Auslastungsrisiko birgt der Bau einer Großanlage ein hohes Scale-Up-Risiko, was bei der Verfahrensentwicklung einen hohen Aufwand an Experimenten und Simulationen erforderlich macht. Durch die geringere Größe der Anlagen und deren größere Anzahl können verstärkt Kopier- und Serieneffekte genutzt werden. Wird zudem die Prozessentwicklung auf marktgängige Funktionsmodule zugeschnitten, können Produktionsanlagen aus Modulen zusammengesetzt werden. Eine individuelle Optimierung des Anlagendesigns entfällt dann. Das Funktionsrisiko lässt sich dabei durch die Numbering-Up oder Equaling-Up bei der Übertragung vom Labor- oder Miniplant- in den Produktionsmaßstab wesentlich herabsetzen.

Sicher sind viele dieser Ideen im Einzelnen nicht gänzlich neu und singulär auch bereits genutzt worden. Aber der konsequente und flächendeckende Einsatz fehlt. Hier ist an vielen Stellen eine neue Herangehensweise erforderlich, die durch einen gezielten Forschungsförderschwerpunkt unterstützt und manifestiert werden muss.

Die 50%-Idee soll im nächsten Schritt in einen Verbund von Forschungsprojekten münden, bei dem Hochschulen und Unternehmen aller Größenordnungen aus den Bereichen Anlagenbau, Chemie und Zulieferer zusammenarbeiten. Für den Förderschwerpunkt wird von den Initiatoren der 50%-Idee ein Zeitraum von fünf Jahren und ein Gesamtfördervolumen von 50 Mio. Euro vorgeschlagen. Die Machbarkeit der Konzepte soll zeitlich versetzt zu den Verbundprojekten im Rahmen eines Demonstrationsprojektes an einem Beispielprozess verifiziert werden



Die „Thesen von Tutzing"

  • 1. Sei schnell, der Markt wartet nicht
  • 2. Denke und plane in Modulen und Standardlösungen
  • 3. Nutze wiederverwendbare Modelle für Prozesse, Informationen und Arbeitsabläufe
  • 4. Kenne Deinen Einfluss auf Wirtschaftlichkeit und Risiko des Projektes
  • 5. Vermeide Perfektionismus, denn eine Punktlandung kostet Zeit und Geld
  • 6. Vertraue Deinem Kunden/Lieferanten
  • 7.  Bringe Kontinuität ins Projekt, von der Entwicklung bis zur Inbetriebnahme


Entscheider-Facts
Für Betreiber und Planer

  • Heute vergehen von der Entwicklung eines neuen Produktes über Prozessentwicklung sowie Konstruktion und Bau bis hin zur Inbetriebnahme der fertigen Anlage nicht selten mehr als zehn Jahre.
  • Um die daraus resultierenden Markteintrittshürden zu verringern, müssen Konzepte entwickelt werden, mit denen das absolute Investment für eine chemische Produktionsanlage gesenkt und gleichzeitig die Flexibilität der Anlagen erhöht werden kann.
  • Die 50%-Idee beschreibt Ansätze, wie durch einen Paradigmenwechsel mit Methoden, Technologien und Arbeitsweisen die Projektzeit vom Produkt zur Produktionsanlage halbiert werden kann.

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