CO2-Footprint von Maschinenkomponenten

Viele Unternehmen haben sich klare Ziele für den Weg in eine klimaneutrale Produktion gegeben und teilweise auch schon Zeitpunkte definiert, an denen die Produktion CO2-neutral erfolgen soll. Neben der Optimierung der Produktionsprozesse wird zukünftig auch dem CO2-Footprint bei der Produktion von Komponenten und deren Energieverbrauch über den Lebenszyklus eine stärkere Bedeutung zukommen. Neue Möglichkeiten, Prozessventile (PV) zu überwachen, erlauben es, Veränderung im Prozess früh zu erkennen und damit störungsbedingte Ausfälle der Produktion zu vermeiden. Durch diese Predictive-Maintenance-Ansätze ist es auch möglich, Antriebe im Projektierungsprozess mit weniger Sicherheitsreserven auszulegen. Mögliche Auswirkungen auf den CO2-Footprint in der Herstellung pneumatischer Antriebe und deren Footprint über den Lebenszyklus werden in diesem Beitrag exemplarisch diskutiert.

Eine Arbeitsgruppe der International Society of Automation (ISA) hat die wichtigsten Störungen bei dem Betrieb von Prozessventilen mit pneumatischen Antrieben untersucht. Fünf Fehlerarten repräsentieren dabei etwa zwei Drittel aller Fehler. Diese reichen von Fehlfunktionen von pneumatischen Systemkomponenten aufgrund von Feuchtigkeit oder Verschmutzung über eingeschränkte Ventilbewegungen, die ein erhöhtes Drehmoment oder mehr Kraft erfordern, bis zu Leckagen, Verschleiß oder den kompletten Ausfall von Automatisierungskomponenten der Ansteuerung.

In der chemischen Industrie sind pneumatische Antriebe aber fast ausschließlich als einfach wirkende Antriebe ausgeführt. Welche Möglichkeiten ergeben sich jetzt durch gezieltes Performance Monitoring, um schleichende Veränderungen im Prozess auch bei dieser Antriebsart zu erkennen?

Einfach wirkende Antriebe haben Federpakete implementiert, die das Prozessventil in einen definierten Zustand fahren, wenn sämtliche Hilfsenergien ausfallen. Zusätzlich zu den etwaigen Veränderungen bei doppeltwirkenden Antrieben sind dann weitere Möglichkeiten zu betrachten, wie eine zunehmende Ermüdung des Federpaketes oder auch den Bruch einer Feder. Beides führt zu einem reduzierten Federmoment – kontinuierlich über den Lebenszyklus oder abrupt.

Für die Überwachung der Prozessventile in einer Anlage ist ein dezentrales Monitoring vor Ort zielführend. Hier können neben Drucksignalen an den Eingängen (Druck- und Federkammer) des pneumatischen Antriebs auch die Position überwacht werden. Es werden die Zeiten zwischen elektrischer Ansteuerung des Vorsteuerventils und dem Verlassen der Endposition des Antriebs gemessen sowie die Dauer bis zum Erreichen der jeweils anderen Endposition.

Veränderungen im Prozess zeigen sich durch unterschiedliche Veränderungen der gemessenen Zeiten. Durch ein kontinuierliches Monitoring können nicht nur Veränderungen erkannt werden. Vielmehr sind durch die Art der Änderungen der einzelnen Zeiten Rückschlüsse auf die Art der Prozessänderung möglich.

Wenn der Schalldämpfer entfernt wird, zeigt sich das nicht in den Laufzeiten, es kann aber erkannt werden, wenn zusätzlich die Drucksignale erfasst werden. Weiterhin ist es möglich, die Messwerte zu kombinieren und dadurch den Drehmomentbedarf der Armatur hinreichend genau sowie darauf basierend die vorhandene Drehmomentreserve zu bestimmen. Durch kontinuierliches Monitoring wird es dann möglich, die Antriebe in der Projektierung mit einem niedrigeren Sicherheitsfaktor auszulegen, da eine verminderte Drehmomentreserve im Betrieb erkannt und dementsprechend zustandsbasiert gewartet werden kann.

Die Bundesregierung hat den Zeitraum für das Erreichen einer CO2-Neutralität auf das Jahr 2045 verkürzt. In allen Sektoren werden entsprechende Anstrengungen unternommen. Der Sektor Industrie hat seit 2010 – bezogen auf CO2eq-Emissionen – bis 2019 bei den absoluten Emissionen keine signifikante Reduzierung erreicht. Der CO2eq-Footprint, der entsteht wenn Automatisierungskomponenten produziert werden, wird in der Gesamtbetrachtung immer wichtiger. So hat der Verband der Elektro- und Digitalindustrie ein Projekt gestartet, welches die CO2eq-Emissionen für einen Schaltschrank, der sowohl die Einzelkomponenten als auch die Montage betrachtet, evaluieren soll.

Neben der Automatisierungsebene betrifft diese Thematik auch die Feldebene, die im nachfolgenden Beispiel analysiert wird. Dabei werden exemplarisch zwei Antriebsgrößen miteinander verglichen für eine On/Off-Funktion eines Kugelhahns. Die Antriebsgrößen sind der DFPD480 und der DFPD300 von Festo. Die Federpakete sind so ausgelegt, dass ein Sicherheitsfaktor von 50 % beim DFPD480 und von 25 % beim DFPD300 basierend auf dem Drehmomentbedarf des Kugelhahns erreicht wird. Wenn der CO2-Footprint über den Lebenszyklus bestimmt wird, sind im Wesentlichen zwei Anteile zu berücksichtigen: der CO2-Footprint während der Komponentenherstellung und der CO2-Footprint durch den Energieverbrauch über den Lebenszyklus.

Generell kann eine derartige Untersuchung nach dem Greenhouse-Gas-Protocol erfolgen. Die einzelnen Komponenten und Antriebe zu analysieren, ist dabei sehr aufwendig, denn wenn beispielsweise eine Schraube in Norwegen gefertigt wird, geht sie mit einem anderen CO2-Footprint in die Bilanz der Komponente ein als eine Schraube, die in Indien oder China gefertigt wird. Sofern für die Fertigung die durchschnittlichen CO2eq-Emissionen der jeweiligen Länder angesetzt werden.

Eine Detailanalyse eines DFPD40-Antriebes hat einen CO2-Footprint von etwa 22 kg CO2eq für die „Upstream Activities“ und die durch die Festo-Fertigung entstandenen und addierten CO2eq ergeben. Die CO2eq wurden dann für die oben genannten Antriebe basierend auf dem Gewicht extrapoliert.

Generell gilt natürlich, dass die CO2eq-Emissionen über den Lebenszyklus null sind, wenn Produktion und Drucklufterzeugung mit grüner Energie versorgt werden. Für die Untersuchung wurde der durchschnittliche Wert der CO2eq-Emissionen/kWh in Deutschland und ein Kompressor mit einer Effizienz von 1,9 ct/Normkubikmeter Drucklufterzeugung angenommen.

Bei den in der chemischen Industrie vorherrschenden Schalthäufigkeiten sind die CO2eq-Emissionen während der Komponentenherstellung der über den Lebenszyklus dominierende Anteil. Außerdem spielt der Druckluftverbrauch eine untergeordnete Rolle und somit auch die damit einhergehenden Emissionen. Wird der Sicherheitsfaktor in der Projektierung reduziert, reduzieren sich die CO2eq-Emissionen bei der Antriebsherstellung ebenfalls deutlich. Und zuletzt können Predictive Maintenance und kontinuierliches Performancemonitoring von Komponenten und Prozessventil-Assemblies wesentlich dazu beitragen, CO2eq-Emissionen zu reduzieren.

Achema 2022, Halle 11.0 – G4