Ergebnisse Forschungsprojekt zum Thema Integrierte Ressourceneffizienz in der chemischen Industrie

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1 Ergebnisse Forschungsprojekt zum Thema Integrierte Ressourceneffizienz in der chemischen Industrie

2 Warum gerade die chemische Industrie? In der chemischen Industrie haben die Materialkosten einen großen Anteil. werden ca. 60 % des Stoffinputs zu Reststoffen. sind die Systeme oft komplex und vernetzt. entstehen häufig Koppelprodukte. Siehe Steinbach (2013) und Viere et al. (2014) Sonstig e 28% Material 53% Personal 15% Energie 4% Folie 2

3 Warum gerade die chemische Industrie? Schätzungen der demea zufolge können in einem Unternehmen des verarbeitenden Gewerbes durchschnittlich Einsparungen von ca pro Jahr durch Ressourceneffizienzmaßnahmen erzielt werden, dazu sind bei ca. 50 % der Unternehmen nur geringe Investitionen (unter ) notwendig, bei weiteren 20 % der Unternehmen sind Investitionen von weniger als nötig und die Amortisationszeit ist kleiner 6 Monate. BMWI (2015) Folie 3

4 Übersicht Methoden zur Umsetzung integrierter Ressourceneffizienz Folie 4

5 Wie sieht das Ganze in der Praxis aus? Umsetzung der Methoden bei einem Forschungspartner aus der chemischen Industrie Das Beispiel Worleé Folie 5

6 Beispiel aus der Industrie Worleé Chemie Herstellung von Harzen, Bindemitteln und Additiven / Zulieferer der Lack- und Farbenindustrie (Sitz: Lauenburg an der Elbe) Zahlreiche Unternehmungen in Richtung Betrieblicher Umweltschutz Mehrere Auszeichnungen für Umwelt- und Energiemanagement Folie 6

7 Beispiel aus der Industrie Worleé Chemie Ziele: Auffinden von Ressourceneffizienzpotenzialen am Beispiel der Produktion von PU-modifzierten Alkydharzen Abbildung des Produktionsprozesses in einem Stoffstrommodell als Grundlage für die Beurteilung der Ressourceneffizienzpotenziale Nutzung des ersten Stoffstrommodells als Vorlage für die Abbildung der Produktionsprozesse weiterer Produkte Folie 7

8 1. Methode: MEFA zur Steigerung des Systemverständnises Folie 8

9 1. Schritt: Modellierung der Prozesse mit der Software Umberto NXT Stoffstrommodellierung in Umberto NXT inkl. Peripherie Datenermittlung / Verknüpfung über Live Links zu MS Excel Modelle wurden aus Geheimhaltungsründen unkenntlich gemacht Folie 9

10 2. Schritt: Analyse und Ideenfindung in einem gemeinsamen Workshop Validierung (u.a. Benchmarks) Quelle: Referenzdokument über die besten verfügbaren Techniken für die Herstellung von Polymeren, Umweltbundesamt, Oktober 2006 Maßnahmenidentifikation Maßnahmenpriorisierung Bilder wurden aus Geheimhaltungsründen unkenntlich gemacht Folie 10

11 Methode 2 & 3: Fließbildsimulation und Wärmeintegration zur Potentialquantifizierung Folie 11

12 Fließbildsimulation (FSS) Fließbildsimulatoren ermöglichen die Vorhersage des Verhaltens von Stoffen in verschiedenen Verfahrens-Szenarien Parametrisierbare Apparate-Modelle (unit processes) nutzen thermodynamische Funktionen und Beziehungen um u.a. Stoffströme, Konzentrationen und Energiebedarfe zu berechnen Stoffdatenbanken erlauben die Berechnung verschiedener Prozesskonfigurationen Kontinuierliche und Batch-Prozesse Beispiel: Fließbild in CHEMCAD Folie 12

13 Kombination von Fließbildsimulation (FBS) und Material- und Energieflussanalyse (MEFA) Phasen: Grobe Materialflussanalyse als Ausgangspunkt, wird später durch FBS verfeinert Rahmen: Ganzheitliches MEFA Model repräsentiert den gesamten Bertrieb, detaillierte FBS für die relevantesten Sub-Prozesse Probleme bei Simulation großer FBS-Modelle (Konvergenz) können möglicherweise durch Berechnung einzelner relevanter FBS Module in einer übergreifende MEFA- Analyse abgemildert werden Spezielle Analysen basierend auf FSS Ergebnissen Scope 1 3 Wirkungsabschätzung (inkl. Vor-und Nachketten) Materialfluss (basierende) Kostenrechnung Sankey Darstellung der Flüsse 13

14 Entwicklung des Umberto / CHEMCAD Connectors Material flow network (Umberto NXT) Umberto / CHEMCAD-Connector Flow sheet simulation (CHEMCAD) NaOH HCl Schnittstelle zur Fließbildsimulationssoftware ChemCad Sample integrated model of a neutralisation process (salt production) 14

15 3. Methode: Wärmeintegration zur Potentialquantifizierung Folie 15

16 Wärmeintegration rechnet sich Ziele Aufnahme bestehender Wärmeangebote und bedarfe Quantifizierung des theoretischen, maximalen Wärmeintegrationspotentials Quantifizierung des verbleibenden, extern zu deckenden Energiebedarfs Entwurf apparatives Integrationsnetzwerk Nutzen Ressourcen- und Energieeinsparungen Reduzierte Betriebskosten Verringerte Umweltauswirkungen Folie 16

17 Kombination von Wärmeintegration und MEFA T [ C] heat source heat sink Nutzen einer Schnittstelle zum Datenaustausch H H [kw] - Visualisierung der Wärmeintegration - Abschätzung des Einsparpotentials einer Wärmeintegration für den Gesamtprozess - Systematische Aufnahme von verfügbaren Wärmequellen im Gesamtprozess - Gegenüberstellung von monetären Einsparungen und Investitionen durch die Kostenrechnung der Material- und Energieflussanalyse - Bewertung der Umweltwirkung von Materialeinsparung und Apparateaufwand im Gesamtsystem Folie 17

18 Prototypische Umsetzung: Umberto / PinCH 2.0 Connector Export Import Generation / Optimierung des Wärmetauscher-Netzwerkes 18

19 Beispiel Carbon Footprint vor und nach Wärmeintegration Folie 19

20 Methode 4 & 5: Optimierung und Materialflusskostenrechnung zur Entwicklung eines Maßnahmenkatalogs Folie 20

21 Stoffstrombasierte Optimalplanung Komplexe Modelle in der Verfahrenstechnik (z.b. Rückführungsschleifen) Identifikation eines Optimalzustands (bezüglich Ressourcenverbrauch, Kosten, Umweltwirkungen) ist sehr schwierig Mathematische Optimierung von Stoffstromnetzen möglich durch: Simulationsbasierte Optimierung Algebraische Reformulierung und analytische Lösung Grundlage für Optimierung sind weitere Spezifikationen wie: Zielfunktion, Entscheidungsvariablen Intuitiver visueller Ansatz für mathematischen Optimierung 21

22 Prototypische Umsetzung des Umberto Optimizer Aktualisierung des Stoffstrommodels Zielfunktion und Entscheidungsvariablen definieren Transformation und Lösung mit dem LINGO Optimierer [ 22

23 Methode 5: Materialflusskostenrechnung zur Maßnahmenidentikiation Folie 23

24 Mit Materialflusskostenrechnung zu mehr Materialeffizienz Die Materialflusskostenanalyse (engl. Material Flow Cost Accounting, MFCA) nach ISO baut auf dem physikalischen Mengengerüst (kg, kj) auf und berechnet die damit verbundenen Wertflüsse ( ). MFCA fokussiert dabei speziell die durch Verluste, Ausschuss, Abfälle etc. ( losses ) entgangene Wertschöpfung. Das Prinzip lässt sich erweitern und auf Treibhausgasemissionen (in CO 2 -eq.) beziehen, die im Prinzip vermeidbaren wären. Im Rahmen von Energie- und Stoffstromanalysen lassen sich Trade-off- Effekte und Optimierungen für vermeidbare Materialverluste ( Losses ) untersuchen. Folie 24

25 Der Grundgedanke der Hidden Costs in MFCA Entsorgungskosten Materialkosten Logistikkosten Produktionskosten mit: Lohnkosten Investitionskosten Energiekosten usw. Sichtbare Kosten Verborgene Kosten Folie 25

26 MFCA-Ansatz nach ISO Dematerialisierung kg kg kg Folie 26

27 MFCA-Ansatz nach ISO Dematerialisierung Wertschöpfung kg kg entgangene Wertschöpfung kg Folie 27

28 Ziel: Energie-und Materialverbrauch senken und Kosten einsparen Folie 28

29 Machen Sie Ihre Produktion ressourceneffizienter 1) Umberto Chemcad / Connector als Add-on für Fließbildsimulationen 2) Umberto Pinch Connector für Wärmeintegration 3) Umberto Optimizer für Optimalplanung Alle drei Add-ons sind einsatzbereit. Sprechen Sie uns direkt an unter info@ifu,com oder , wenn sie mit uns zusammenarbeiten möchten, wir setzen die Add-ons gerne in einem gemeinsamen Projekt ein. Folie 29

30 Machen Sie Ihre Produktion ressourceneffizienter Mit Hilfe von Software-Unterstützung: Umberto NXT Software für Material-und Energieflussanalyse ist seit 20 Jahren am Markt. Einen Überblick finden sie unter: Neuste Version: Umberto NXT MFCA für Materialflusskostenrechnung noch in diesem Jahr verfügbar Lassen Sie sich für die kostenlose Testversion vormerken, indem Sie eine an schreiben Folie 30

31 Sie möchten die Potentiale in Ihrem Unternehmen identifizieren? Wir erarbeiten es mit Ihnen gemeinsam in einem Workshop Auszug Inhalte der Potentialanalyse: Brainstorming über Bedeutung von Ressourceneffizienz im Unternehmen Systemverständnis im Team herstellen Benennung der Ziele und Potentialanalyse durch Einsatz von Umberto Modellen * Gruppierung, Indikatoren für Benchmarking aufstellen * Priorisierung nach Dringlichkeit, Relevanz, Ursache-Wirkungsbeziehung Bewertung und Entscheidung, Maßnahmenfindung und Erstellung Maßnahmenkatalog Fordern Sie einfach ein Angebot an (Vermerken Sie Workshop im Anmerkungsfeld) Folie 31