Ressourceneffizienz durch Digitalisierung in der Prozessindustrie

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1 Ressourceneffizienz durch Digitalisierung in der Prozessindustrie Dieter Stapf Institut für Technische Chemie (ITC) Raw Materials Application Production Service Life KIT The Research University in the Helmholtz Association

2 Voraussetzungen für das Industrielle Internet der Dinge* Rechenmodelle für die Systemoptimierung Modellierung und Simulation der Produktionsprozesse Echtzeit-(Zustands)-Datenerfassung Big-data-Analysen und Prozessregelung Theoretisches Prozessverständnis Visualisierung und Darstellung von Komplexität Systematische Integration der Werkzeuge und Methoden *nach: Reuter,M.A., Digitalizing the Circular Economy, Metallurgical and Materials Transactions B, DOI: /s , Institut für Technische Chemie

3 Prozessindustrie in Deutschland Nachhaltigkeit und Digitalisierung Chemie, Metallurgie, Steine und Erden Kostengetriebene Produktion in World-Scale-Anlagen Energieintensive Produktion in hoch energieeffizienten Anlagen, spezifisch hohe CO 2 -Emissionen Trends Nachhaltigkeit Erhöhte Ressourceneffizienz, Kreislaufwirtschaft statt linearer Wirtschaft, nachhaltige (nicht fossile) Rohstoffbasis angestrebt Bereits hoch entwickelte Technologiebasis, daher disruptive Technologieentwicklungen notwendig Dieter Stapf, ITC

4 Schließen der Kreisläufe: Entwicklung Ressourceneffizienter Produktionsprozesse Institut für Technische Chemie ITC Alternative Rohstoffe Biomasse Abfälle Reststoffe Thermochemische Prozesse B t L Pilotanlage Nachhaltige Produkte Basis- Chemikalien Beispielprozess: Synthetische Kraftstoffe aus land-/ forstwirtschaftlichen Reststoffen Sekundäre mineralische Rohstoffe Baustoffe Nachhaltiger Zement/ grüner Beton Entwicklung nachhaltiger Baustoffe auf Celitementbasis in Kooperation mit Partnern: Porenbeton, Faserzement, Kleber, Dieter Stapf, ITC

5 Zeitliche und räumliche Divergenz Umweltauswirkungen Schließen der Kreisläufe: Techno-ökonomische Bewertung und Digitalisierung Institut für Industrielle Produktion Vorkommen Luft Gewinnung (primär) Produktion Bestand Deponie Boden Logistik Nachfrage Gewinnung (sekundär) Information und Digitalisierung Downcycling (z.b. Straßenbau) Wasser Rohstofflager Akteure Planer Unternehmen Bauherren Behörden Baustoffhandel Politische Instrumente monetär rechtlich informatorisch Rohstoffe, primär organisatorisch F&E Marktbedingungen Rohstoffe, sekundär Baustoffe VORARBEITEN AM IIP StaRBau (Akteure, Bestand, Umwelt) Decarbonise (Produktion, Politik, Umwelt) Industrie 4.0 (Information und Digitalisierung) Dieter Stapf, ITC

6 Prozessindustrie in Deutschland Nachhaltigkeit und Digitalisierung Trends Digitalisierung: Digitalisierung der Forschung Big data anstelle von Screeningexperimenten Gezielte Experimente zur Entwicklung von Rechenmodellen und Reallabore zur Validierung der Rechenergebnisse auf Systemebene Digitalisierung der Produktion Dynamische Optimierung des komplexen Produktionsverbundes Kostenminimierung führt zu noch höherer Ressourceneffizienz Digitalisierung der gesamten Wertschöpfungskette Modellierung und Simulation komplexer Gesamtsysteme über Unternehmens- und Marktgrenzen hinweg Sektorkopplung und Systemdesign Kreislaufwirtschaft und Produktlebenszyklen Life Cycle Analyse und Life Cycle Management Dieter Stapf, ITC

7 1 m³ = 2300 kg ^ Weltweit bedeutendster Stoffstrom: Beton 100 dm³ 310 kg Zement Hydraulische Reaktion Zuschläge 180 dm³ 180 kg Wasser Zementstein Zementstein Sand und Kies (Zuschläge) 700 dm³ 1800 kg Beton - Anschliff Dieter Stapf, ITC

8 Baustoffsituation heute: Lineare Wirtschaft Ressourcen Quantitativer Verbrauch hochwertiger Kalke, nicht integrierte Produktion Produktion Portlandzement: Energieintensiv und CO 2 -reich Bau Lebensdauer Werkstofflich nicht recyclierbarer Beton: Downcycling (Zuschlagsstoffe), fehlende Nachhaltigkeit, fehlende Nutzerinformation Hohes Versagensrisiko/ hoher Sanierungsbedarf, Abbruch- und Entsorgungslogistik preisgetrieben und nicht ressourceneffizient bzw. emissionsschonend 8 Dieter Stapf Institut für Technische Chemie

9 Perspektive für Baustoffe: Kreislaufwirtschaft Energiesystemmodellierung Energy on demand Dynamische Modellierung Produktion Kalzinierung + CCU Metallurgie Sekundärrohstoffe Schlacken, Flugaschen etc. Betonwerk Klinkerherstellung Systemische Modellierung und techno-ökonomischökologische Bewertung Skalenübergreifende Modellierung isochemischer Zemente / Betone (Struktur, Gefüge, mechanische Eigenschaften)

10 Digitalisierungsvorhaben zur Ressourceneffizienz in der Prozessindustrie Systemische Modellierung und technologische Bewertung von Ressourceneffizienten Kreislaufwirtschaftsoptionen am repräsentativen Beispiel Technologiemodellierung Systemsimulation durch Schließen der Stoff und Energiebilanzen Transparenz durch Digitalisierung im Primär-/ Sekundärrohstoffmarkt Enabling Technology: Rohstoffflexible Umwandlung von Restund Abfallstoffen zu Basisprodukten Rohstoffliches Recycling Nachhaltige Rohstoffbasis Ziel: Digitales Werkzeug zur Identifizierung ökonomisch und ökologisch attraktiver Recyclingoptionen und technologischer Entwicklungsbedarfe sowie Basis für Nachhaltigkeitsbewertung Life Cycle Analyse und Life Cycle Management Dieter Stapf, ITC

11 Vorgehen Systembewertung Erstellung eines systemischen Analysetools zur Abbildung aktueller Prozesse, zur Systemanalyse und -optimierung (Entscheidungsunterstützung) Definition relevanter Ressourceneffizienzindikatoren zur Ermittlung der Ressourceneffizienzpotenziale Transparenz sowie Marktgestaltung und -organisation Nachhaltigkeitsbewertung an einem repräsentativen Beispiel (disruptive Technologien) Techno-ökonomische Modellierung der Prozessschritte in Produktion und Recycling und Bestimmung der Umweltauswirkung Ermittlung und Optimierung des Logistiknetzwerks durch Information, Transparenz und Digitalisierung Transformation in digital gesteuerte Wertschöpfungsketten Industrie Ergebnisdiskussion und Verbreitung Kosten/Nutzen und Nachhaltigkeitspotenziale sowie regionaler / lokaler Einfluss Untersuchung und Integration der Akteure durch Information, Transparenz und Digitalisierung Dieter Stapf, ITC