Interview mit William Grieco | RAPID

Die modulare chemische Prozessintensivierung (MCPI) bietet der Prozessindustrie die Möglichkeit, die Produktion zu überdenken, indem sie Abläufe integriert und die Produktion modularisiert, um den Energieverbrauch zu senken, den Ertrag zu erhöhen, die Kapital- und Betriebskosten zu senken und die Zeit bis zur Markteinführung einer neuen Produktion zu verkürzen.

Was diese Hindernisse betrifft, so sind viele technologische Optionen noch nicht in vollem Umfang in großem Maßstab erprobt und den Ingenieuren fehlt es an Software, Modellierungswerkzeugen und -daten, die für die Entwicklung von MCPI-gestützten Verfahren der nächsten Generation erforderlich sind. RAPID wurde gegründet, um die Probleme anzugehen und den Weg für die bahnbrechenden Technologien zu ebnen, von denen die US-Regierung hofft, dass sie die Energieproduktivität und -effizienz in Branchen wie der Öl- und Gasindustrie sowie in verschiedenen inländischen Chemieunternehmen steigern werden. Während die Konzepte der Prozessintensivierung und der modularen Prozessgestaltung nicht neu sind, herrschte lange Zeit Unklarheit darüber, was diese Begriffe beinhalten - und was nicht. Die Wurzeln der Prozessintensivierung reichen bis in die 1970er Jahre zurück, als die Prozessentwickler begannen, nach neuen Konfigurationen und Konstruktionsprinzipien zu suchen, die zu grundlegenden Veränderungen bei Kosten und Leistung führen würden. Dank Fortschritten bei der Prozessoptimierung, z. B. durch eine ausgefeilte Integration von Heiz- und Kühlmittelströmen über die Prozessanalyse, konnten erhebliche Verbesserungen erzielt werden.

Weitere Bereiche waren die Entwicklung sehr aktiver und selektiver Katalysatoren und fortschrittlicher Prozesssteuerungsmethoden. Solche Fortschritte fallen unter die weit gefasste Definition der Prozessintensivierung, auch wenn es sich um klassische Methoden der Prozessverbesserung handelt. Die derzeitige Prozessintensivierung geht über die Konzepte des neuartigen Prozessdesigns und der Reaktionstechnik hinaus und nutzt zusätzliche Faktoren wie Fortschritte bei der Hardware und den Kontrollstrategien, um mehrere Schritte zu einer einzigen Einheit zusammenzufassen. Solche Prozesse haben das Potenzial, die Kapitalkosten durch eine Verringerung der einzelnen Prozessschritte zu senken, und sie haben auch das zusätzliche Potenzial, die Energieeffizienz durch die Verringerung der Recyclingströme und die Anwendung von erheblich verstärkten Antriebskräften - sowohl chemisch als auch physikalisch - zu verbessern, um die chemischen und Transportprozesse zu verbessern.

ACHEMA Inspire: RAPID wird vom Energieministerium finanziert und Energieeffizienz ist eines der Hauptziele Ihrer Arbeit. Wie trägt die modulare Produktion dazu bei?

• __William Grieco: Prozessintensivierung (PI) und modulare Prozessplattformen ermöglichen die Integration von Betriebseinheiten auf neue und neuartige Weise. Durch die Kombination von Reaktion und Auftrennung lassen sich beispielsweise der Platzbedarf und die Kapitalkosten für die Ausrüstung verringern, während gleichzeitig der Ertrag verbessert und das Abfallaufkommen minimiert wird.
  Ebenso führt die Umstellung von Batch-Prozessen auf kontinuierlichen Betrieb zu Qualitäts- und Ertragssteigerungen bei gleichzeitiger Reduzierung des Energieverbrauchs im Prozess.  PI bietet auch die Möglichkeit, Prozesse durch neuartige Erwärmungstechnologien wie Induktion oder Mikrowellenerwärmung zu elektrifizieren, was die Integration von Anlagen zur Nutzung erneuerbarer Energien (z. B. PV und Wind) ermöglicht. Bei den von RAPID geförderten Projekten messen wir schließlich die Verbesserung der Energieeffizienz und der grauen Energie (kJ/kg) und streben in beiden Bereichen eine Verbesserung um mindestens 20 % an. 

ACHEMA Inspire: Auf welche Sektoren konzentrieren Sie sich und warum wurden gerade diese Sektoren ausgewählt?

• __William Grieco: Der Großteil unserer Arbeit konzentriert sich auf Grundstoff- und Spezialchemikalien, Öl- und Gasproduktion und -raffination sowie nachhaltige Biomaterialien.  Wir haben uns zunächst auf diese Sektoren konzentriert, weil diese Branchen an neuen Prozesstechnologien interessiert und bereit sind, diese zu übernehmen, um sicherere und nachhaltigere Abläufe zu ermöglichen. Im vergangenen Jahr haben wir, insbesondere als Reaktion auf die Pandemie, verstärkt mit der pharmazeutischen Industrie zusammengearbeitet, um eine verteilte Produktion und eine Umstellung von Chargen- auf kontinuierliche Produktion zu ermöglichen. Wir sehen ähnliche Möglichkeiten in den Bereichen Landwirtschaft, Lebensmittel und Getränke sowie Konsumgüter.

ACHEMA Inspire: Was ist mit den damit verbundenen Kosten? Sind diese flexiblen Systeme denn nicht teurer?

• __William Grieco: Je nach Anwendung wird die erste modulare Verarbeitungsplattform fast immer teuer sein, aber wir erwarten, dass die Kosten pro Einheit dieser Plattformen sinken werden, wenn mehr modulare Systeme gebaut werden. 

  In der Prozessindustrie werden Größenvorteile in der Regel durch den Bau immer größerer zentraler Anlagen erzielt. Das wird auch in Zukunft so bleiben, aber für die Modulfertigung erwarten wir einige der Größenvorteile, die die Massenproduktion in Branchen wie der Automobilindustrie und der Unterhaltungselektronik mit sich bringt.  Außerdem gehen wir davon aus, dass die Gesamtlebenszykluskosten für modulare Anlagen niedriger sind als für herkömmliche, zentralisierte Anlagen in Kleinserienbauweise.
  Tatsächlich führen wir derzeit ein Benchmarking-Projekt zu diesem Thema durch. Es hat sich herausgestellt, dass bei vielen neuen Prozesstechnologien die Gesamtlebenszykluskosten viel höher sind als erwartet, weil es zu unvorhergesehenen Kostenüberschreitungen während der Konstruktion, Problemen bei der Inbetriebnahme und Nacharbeiten kommt, wenn der Prozess nicht wie geplant funktioniert. Bei der modularen Verarbeitung ist die Herstellung im kommerziellen Maßstab die gleiche wie im Pilotmaßstab (es werden nur mehr Einheiten parallel betrieben), so dass die Fehlerbehebung im tatsächlichen Betriebsmaßstab erfolgt, was die Anlaufrisiken und -kosten drastisch reduziert.

ACHEMA Inspire: Dieser Paradigmenwechsel wird für die bestehende Belegschaft eine große Veränderung bedeuten. Wie gehen Sie auf deren Bedenken ein?

• __William Grieco: RAPID hat eine Gemeinschaft aufgebaut, rund um die Konzepte der PI und der modularen Verarbeitung aufgebaut, die auch noch weiterwächst. Teil unserer Bemühungen ist die Vernetzung und Kontaktaufnahme mit diesen Mitgliedern. Ein sehr großer Teil ist die Finanzierung und Verwaltung von Forschungs-, Entwicklungs- und Einführungsprojekten. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Entwicklung und Bereitstellung von Bildungsinhalten für die derzeitigen und künftigen Arbeitskräfte. RAPID bietet fast 30 Webinare und acht eLearning-Kurse sowie ein damit verbundenes Programm zur Prozessintensivierung, vier Präsenzkurse, ein Praktikumsprogramm und einen Wettbewerb für neue Studierende. All dies dient dazu, den derzeitigen und künftigen Arbeitskräften (von Technikern und Bedienern bis hin zu Ingenieuren und Geschäftsführern) diese neuen Fertigungskonzepte zu vermitteln.

ACHEMA Inspire: Das RAPID-Institut wurde vor vier Jahren gegründet. Wie ist der Stand Ihrer Projekte und was sind Ihre nächsten Herausforderungen?

• __William Grieco: Wir befinden uns im fünften Jahr unserer ersten fünfjährigen Finanzierung durch das US-Energieministerium. Wir verfügen über einen Plan zur Finanzierung des laufenden Betriebs. Dazu gehören zusätzliche, wenn auch geringere staatliche Mittel, verschiedene Produkt- und Dienstleistungsangebote und die Unterstützung durch unsere Mitglieder. 

  Mit unserer ursprünglichen Finanzierung und dem Engagement der Mitglieder haben wir mehr als ein F&E- und ein Bildungsprojekt finanziert. Sieben davon sind bereits abgeschlossen und weitere werden im Laufe des Jahres 2021 fertiggestellt. Alle diese Projekte werden bis Mitte oder Ende 2022 offiziell abgeschlossen sein.
  Natürlich ist die Finanzierung immer eine Herausforderung. Ein nachhaltiges Engagement des öffentlichen und privaten Sektors wird es RAPID ermöglichen, weiterhin Wirkung zu zeigen. Die Herausforderung besteht genau darin, ausreichende und langfristige Finanzierungszusagen zu erhalten, um unsere Wirkung zu maximieren.

ACHEMA Inspire: Wie sieht die Zukunft der modularen Produktion in den USA aus?

• __William Grieco: RAPID-Projekte haben bereits die Kommerzialisierung von mindestens vier PI- und modularen Prozesstechnologien gefördert... eine für die Erdgasreinigung am Bohrlochkopf, eine andere für die dezentrale Produktion von sauberem Wasserstoff aus erneuerbaren Quellen, eine dritte für die effiziente, energiesparende Trennung von Olefinen und Paraffinen und eine vierte, die die diskontinuierliche Herstellung von Spezialchemikalien in Rekordzeit auf eine kontinuierliche Produktion umstellt. 

  PI und modulare Systeme sind keine Einheitslösungen, sondern vielmehr Technologien, die eine energie- und -kohlendioxideinsparende verteilte Produktion in verschiedenen Sektoren ermöglichen.  Wir sehen für die Anwendung dieser Technologien eine vielversprechende Zukunft und sind begeistert von den Möglichkeiten, die sich für RAPID und unsere Mitglieder ergeben.
  
  | Originalversion veröffentlicht in ACHEMA Inspire, Ausgabe März 2022/Deutsche Übersetzung durch DECHEMA Ausstellungs-GmbH |