Nachhaltigkeitstrends in der Mess- und Regeltechnik

Mit dieser Frage hat sich der Anbieter von Mess-und Regeltechnik Endress+Hauser auf dem zu seinem 70-jährigen Bestehen veranstalteten Global Forum 2023 intensiv auseinandergesetzt. Für Anwender und Produktionspartner aus aller Welt sowie Mitarbeitenden des Unternehmens ging es vor allem darum, wie sich die Zukunft der Branche nachhaltig gestalten lässt.

Die Bedeutung von nachhaltiger Industrie angesichts der Klimakrise hob Geschäftsführer Matthias Altendorf bereits in seinem Grußwort zu Beginn des Forums hervor und setzte damit den Tonfall der Veranstaltung. Für den nebenberuflichen Forstwirt und Betreiber mehrerer Hektar Waldfläche seien Folgen des Klimawandels wie verstärkte Dürre und Sturmschäden schon dramatisch sichtbar.

Gelegenheit oder Bedrohung?

Prominente Keynote-Speaker pflichteten Altendorf in der Dringlichkeit der Lage bei: Der Klimaforscher und Emissions-Experte Mike Berners-Lee, Autor des Buches
„There is no Planet B“, riet Unternehmen und Organisationen, sich entweder auf eine finstere Zukunft vorzubereiten oder den Übergang zu nachhaltiger Wirtschaft voranzutreiben. Dabei sollten sie sich fragen, ob der Wechsel zu mehr Nachhaltigkeit „eher eine Gelegenheit oder eine Bedrohung“ darstellt – und ihre Geschäftsmodelle gegebenenfalls so anpassen, dass sie eine Gelegenheit im Einklang mit wachsender Nachhaltigkeit darstellen.

Optimismus gegenüber den Herausforderungen der nahen Zukunft zeigte der Luftfahrt-Pionier Bertrand Piccard. Expeditionen wie seine Umrundung der Erde in einem Ballon oder mit dem Solarflugzeug Solar Impulse hätten gezeigt, dass auch unmöglich scheinende Dinge mit der richtigen Herangehensweise und Technologie möglich seien – im jüngsten Beispiel sei dies extreme Energieeffizienz, wodurch sich die Erde sogar ohne Treibstoff umrunden lasse. Seine Stiftung sammelt nun unter dem Motto „1000 Things“ Technologien, die ebenfalls Energieeffizienz fördern und so den bereits zu hohen und noch immer wachsenden Ressourcenbedarf der Menschheit zügeln helfen sollen.

Doch wie lassen sich diese Mahnungen und Ermutigungen in praktische Lösungen für die Prozessindustrie übersetzen? Und welche Möglichkeiten gibt es bereits? Um den Bedarf an Ressourcen und Energie zu senken, sind energieintensive Industrien wie die Chemiebranche besonders auf hohe Effizienz angewiesen. Neben Lösungen wie effizienten Kühl- und Heizsystemen trägt auch eine optimierte Prozessführung und hohe Anlagenverfügbarkeit zur Effizienz der Anlage bei. Messtechnik ist hierfür essenziell, um Prozessdaten aufzunehmen und zu verarbeiten. Besonders effizient sind digital vernetzte Systeme.

Digitale Transformation stützt nachhaltigen Wandel

Die digitale Transformation und das Industrial Internet of Things (IIoT) bieten der chemischen Prozessindustrie weitreichende Potenziale, die über die technische Anlagenführung hinausgehen. Durch die Vernetzung von Geräten und Informationen können Daten aus der Anlagensteuerung in einem weiteren Kontext nutzbar gemacht werden, zum Beispiel für das Asset Management in ERP-Systemen.

Endress+Hauser treibt die Vernetzung von Geräten mit der Heartbeat Technology und dem IIoT-Ökosystem Netilion voran. Die Heartbeat-Geräte bieten Diagnose-, Überwachungs- und Verifikationsfunktionen sowohl vor Ort als auch remote über das Internet. Die Cloud-Anbindung ermöglicht die Trendauswertung für präzise Wartungsplanung und die frühzeitige Erkennung von Ausfällen. Auch die Verifikation der Geräte kann in-situ durchgeführt werden, wodurch Compliance gewährleistet ist.
Die digitale Transformation und die Implementierung des IIoT können erhebliche Vorteile bieten, wie die Reduzierung der Betriebskosten und eine erhöhte Verfügbarkeit von Anlagen. Die Return on Investment hängt jedoch von verschiedenen Faktoren wie dem Anlagenlayout und der installierten Messtechnik ab. Der Messtechnik-Anbieter sieht das IIoT als einen entscheidenden Schritt, um die Effizienz zu steigern und Anlagen auf ein neues Level zu bringen, ohne grundlegende Änderungen am Anlagendesign vorzunehmen. Die digitale Transformation kann somit auch den Wandel zu einer nachhaltigen Industrie unterstützen.

Messtechnik für neue Ansätze

Aber nicht nur für den regulären Anlagenbetrieb ist Messtechnik ein elementarer Bestandteil. Die Implementation von nachhaltigen Lösungen, um Kohlendioxid-Emissionen zu senken, braucht Zeit. Um schnell etwas gegen den Ausstoß des Treibhausgases zu unternehmen, sind Verfahren wie das Abtrennen von CO2 aus der Luft im Gespräch, die sogenannte Direct Air Capture (DAC). Bei DAC-Anlagen wird CO2 direkt aus der Umgebungsluft abgetrennt und kann entweder in geologischen Formationen eingelagert werden oder als klimaneutraler Rohstoff für die Herstellung synthetischer Kraftstoffe oder Chemikalien genutzt werden (Carbon Capture and Utilization).

In DAC-Prozessen erfolgt die CO2-Abscheidung in zwei Hauptschritten: In einem Capture-Schritt wird das CO2 von den übrigen Luftkomponenten getrennt und an ein Trägermaterial gebunden, während in einem Regenerationsschritt das CO2 vom Sorptionsmittel getrennt und wiederverwendet oder gelagert wird. Die genaue Messung von Druck, Temperatur, Wasserqualität, Füllstand und Durchfluss ist entscheidend, um die chemischen Verfahren sicher und effizient zu gestalten und Herausforderungen zu bewältigen. Endress+Hauser bietet für diesen Anwendungsbereich präzise Messinstrumente für verschiedene Parameter, darunter Differenzdruckmesszellen, Thermometer, Memosens-Sensoren, Vibronik-Grenzschalter und Durchflussmessgeräte. Diese Messungen sind entscheidend, um die Prozesse zu optimieren, die Energieeffizienz zu erhöhen und die Qualität des abgetrennten CO2 zu bestimmen.

Analytik für Stoffkreisläufe

Neben solchen etablierten Messtechniken stehen für neuartige Verfahren der nachhaltigen Industrie auch bislang weniger verbreitete Methoden zur Verfügung. Ein Beispiel ist die Emissionsspektroskopie ICP-OES, die im chemischen Recycling von Kunststoffabfällen zur Qualitätsüberwachung dient. Chemisches Recycling zerlegt Kunststoffabfälle in ihre chemischen Grundbausteine und ermöglicht die Herstellung neuer Kunststoffprodukte ohne Einschränkungen. Es ergänzt das mechanische Recycling, das auf bestimmte Plastikarten beschränkt ist. Das wichtigste Verfahren des chemischen Recyclings ist die Pyrolyse, bei der Plastikabfälle in einer sauerstofffreien Umgebung bei hoher Temperatur aufgebrochen werden.

Die Qualität von Ausgangsstoffen und Endprodukten des chemischen Recyclings ist gleichermaßen wichtig: eingangs, um zu bewerten, wie das eingesetzte Material zu verarbeiten ist, sowie bei den Endprodukten, um Materialstandards gewährleisten zu können. Die wichtigsten zu analysierenden Elemente sind Cl, S, N, Na, Si, Fe, Pb, Ca und Hg. Die Qualität der Pyrolyseprodukte hängt von der Qualität des Plastikabfalls ab, der verarbeitet wurde. Die Analytik von Pyrolyseöl mittels ICP-OES und Elementaranalyse spielt eine wichtige Rolle, um die Elementkonzentrationen zu überwachen und Verunreinigungen zu identifizieren. Die Analyseergebnisse helfen, Probleme wie Korrosion und Katalysatorvergiftung zu vermeiden und die Qualität der Produkte zu gewährleisten. Chemisches Recycling bietet damit eine vielversprechende Lösung für das Plastikmüllproblem und trägt dazu bei, eine nachhaltige Kreislaufwirtschaft für Kunststoffe zu etablieren.

High-End-Messtechnik für die Prozessoptimierung

Die Raman-Spektroskopie, ein analytisches Verfahren, hat sich in der Mess- und Verfahrenstechnik etabliert und bietet schnelle, belastbare qualitative und quantitative Aussagen über Feststoffe, Flüssigkeiten und Gase. Im Vergleich zu klassischen Analyseverfahren wie NIR- oder Gaschromatographie ist die Raman-Technologie eine wirtschaftlichere High-End-Alternative, da sie robuste Inline-Messungen in Echtzeit ohne aufwendige Laboranalysen ermöglicht.

Das Raman-Verfahren nutzt Laserlicht, um Stoffe zu bestrahlen, und analysiert das gestreute Licht, um charakteristische Verschiebungen im Spektrum zu identifizieren. Raman-Systeme bestehen aus einer Sonde, einem optischen System, einer Glasfaserleitung und einem Analysator mit Software. Sie können kontinuierlich und in Echtzeit mehrere Stoffe erfassen und eignen sich für Anwendungen in verschiedenen Branchen einschließlich Upstream- und Downstream-Prozessen sowie im eichpflichtigen Verkehr.

Beispielanwendungen für Raman-Systeme sind die zuverlässige Brennwertermittlung von Flüssigerdgas (LNG) und die Messung und Regelung in biotechnischen Anlagen. In der Pharmaindustrie unterstützt die Raman-Spektroskopie die Qualitätssicherung und Überwachung der Produktion und bietet Hilfe bei der Prozessoptimierung und dem Prozessdesign.

Die Raman-Spektroskopie hat noch ungenutzte Potenziale und wird zunehmend in verschiedenen Branchen vorangetrieben. Obwohl es für manche Anwendungsfälle sinnvolle Alternativen gibt, kann die Raman-Technologie in anspruchsvollen Szenarien den Aufwand und die Betriebskosten anderer Analyseverfahren erheblich reduzieren, insbesondere wenn es um Sicherheit oder Kostenreduzierung geht. PAT und QbD sind wichtige Konzepte, die von der Raman-Spektroskopie unterstützt werden, und sie zeigt sich als vielversprechende Technologie für die Zukunft.