Modularisierung von Anlagen

Industrieanlagen in der Chemieindustrie zeichnen sich durch eine erhöhte Komplexität aus. Eine Anpassung bzw. Nachrüstung dieser Anlagen ist oft zeit-, kosten- und energieintensiv, dennoch aber erforderlich, um im sich wandelnden Wettbewerbsumfeld zu bestehen. Durch eine Modularisierung der Anlagen können Anpassungen und Nachrüstungen erleichtert werden. Bei der Modularisierung der Anlagen muss zunächst sichergestellt werden, dass die Anlagen mit herstellerunabhängigen standardisierten Schnittstellen ausgestattet sind. Dies ermöglicht eine schnelle und ressourcenschonende Möglichkeit, die Anlagen an die eigenen Produktionsbedürfnisse anzupassen. Die Standardisierung der Schnittstellen beinhaltet die direkten Anschlüsse, aber auch die verwendeten Protokolle zur Erfassung und Übertragung von Daten. [Geipel-Kern, A. (2018)]

Die Modularisierung sollte allerdings nicht nur physisch, sondern ebenfalls digital erfolgen. So müssen die einzelnen Anlagenmodule digital abgebildet und beschrieben werden. Dies ermöglicht den Unternehmen, auch übergeordnete Module für die eigene Produktion zu erstellen. Ein unternehmensinternes Modul kann mehrere Module verschiedener Hersteller umfassen. Die Unternehmen erlangen hierdurch die Option, die Modularisierung der Anlagen an ihre eigenen Bedürfnisse anzupassen und die Umstellung der Anlagen zu beschleunigen. Die Modularisierung flexibilisiert die Einsatzmöglichkeiten der Anlagen und erhöht so deren Auslastung. Hierdurch kann die Leistungsfähigkeit der Produktion leichter skaliert werden. Die Erhöhung der Auslastung und Flexibilität spart hierdurch im einfachsten Fall nur Energie ein. Sie kann aber auch auf das gesamte Unternehmen betrachtet dazu führen, dass vollständige Anlagen überflüssig werden, wodurch Material, Energie und Platz eingespart werden. [Geipel-Kern, A. (2018)]

Des Weiteren ermöglicht die Modularisierung, die Entwicklungskosten zu senken, da nicht mehr eine gänzlich neue Anlage, sondern nur noch ein neues Modul entwickelt werden muss. Dies verkürzt den Entwicklungsprozess erheblich und senkt die Hemmschwelle der Kunden, diese Neuentwicklungen im Unternehmen auszuprobieren. Hierdurch kann der Produktlebenszyklus deutlich verlängert werden, was auch dazu beträgt, dass die Ressourceneffizienz durch den Wegfall der aufwendigen Umbaumaßnahmen steigt. [Industrie Energieforschung (2020)], [Mühlenkamp, S. und Kempf, J. (2018)]


Literatur:

Geipel-Kern, A. (2018): Modulare Automatisierung macht Produktion flexibler [online]. PROCESS, 08.06.2018 [abgerufen am: 01.02.2021.

Industrie Energieforschung (2020): Modulare Produktion in der Chemiefabrik der Zukunft [online]. Projektträger Jülich, 26. November 2020 [abgerufen am: 26.02.2021].

Mühlenkamp, S. und Kempf, J. (2018): Modulare Automatisierung zieht in den Alltag ein [online]. PROCESS, 14.11.2018 [abgerufen am: 01.02.2021].

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Einschätzung für die Anwendenden

  • Materialeinsparung
    hoch
  • Energieeinsparung
    hoch
  • THG-Einsparung
    hoch
  • Investitionskosten
    sehr hoch
  • Umsetzungsaufwand
    sehr hoch

Die Angaben zu Material-, Energie- und THG-Einsparungen, Investitionskosten sowie Umsetzungsaufwände sind qualitative Abschätzungen auf vergleichender Basis.

Entwicklungsstadium

  • Labor
  • Technikum / Demonstrator
  • Industrielle Praxis

Labor: Die betrachtete Technologie oder Methodik wird im Labormaßstab entwickelt.
Technikum / Demonstrator: Die betrachtete Technologie oder Methodik wird in einer Technikums- oder Demonstrator-Anlage umgesetzt.
Industrielle Praxis: Die betrachtete Technologie oder Methodik wird in der Produktion oder anderen Anwendungsbereichen eines Industrieunternehmen eingesetzt.

Beispiele aus der Forschung und Entwicklung

Modulares Equipment in der energieeffizienten Produktion (ENPRO-Modularisierung)

  • Modulares Anlagen-Equipment, um standardisierte Bauteile mit hinzufügbaren Funktionen herzustellen
  • Entwicklung eines Tools, das die Energieeffizienz und Eignung eines Bauteils aus einer Datenbank überprüft
  • Demonstration des Systems mithilfe unterschiedlicher Ausführungen und Erweiterungen einer Pumpe
  • Ermöglicht das Finden der energieeffizientesten Pumpe für ein System und hilft dabei, eine schnellere Entscheidung zu fällen, wenn neue Pumpen eingebaut/gewählt werden sollen

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Effiziente Orchestrierung modularer Anlagen (ENPRO2 ORCA)

  • Entwicklung von Methoden, Werkzeugen, Modellen und Beispielanlagen für die Orchestrierung modularer Chemieanlagen
  • Verkürzung der Entwicklung, Weiterentwicklung und Produktion von Produkten
  • Verknüpfung von hochautomatisierten Modulen durch die Entwicklung von Planungs- und Inbetriebnahmeprozessen sowie auch Genehmigungs- und Zertifizierungsprozessen

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Kontinuierliche Polymerisation in modularen, intelligenten, gegen Belagsbildung resistenten Reaktoren (ENPRO2 KoPPonA 2.0)

  • Entstehung von Polymerbelägen verhindert kontinuierlich arbeitende Reaktoren
  • Identifizierung der Ursachen für Belagsbildungen in unterschiedlichen Stoffsystemen
  • Schaffung einer Grundlage für den kontinuierlichen Betrieb von Reaktoren

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Module im Lebenszyklus einer prozesstechnischen Anlage – Anwendungen für integrierte Modelle (ENPRO2 ModuLA)

  • Spezifikation eines durchgängigen und konsistenten Modells zur Entwicklung intelligenter Module
  • Projektergebnisse bilden Grundlage für informationstechnische Verknüpfung intelligenter Module
  • Etablierung modulbasierter Vorgehensweisen, von Planung und Betrieb
  • Ermöglichung der Analyse prozesstechnischer modularisierter Anlagen in der Chemieindustrie

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Hocheffiziente chemische Anlagen mittels Technical Operations Research (ENPRO2 HECTOR)

  • Lösung des Zielkonflikts (hoher Effizienz/geringer Komplexität des Modulbaukastens) durch multikriterielle Optimierung
  • Verschleiß soll durch neu entwickelte und validierte Methoden im System aufgedeckt werden
  • Optimierung der Interaktion der Module zur vollen Nutzung des energetischen Einsparpotenzials
  • Entwicklung und Erweiterung von Bewertungsmethoden für die Anlagenmodule

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Modulare Produktionslogistik (ENPRO2 MoProLog)

  • Untersuchung modularer Anlagenkonzepte für die Logistik, um eine adäquate Ver- und Entsorgung in modularer Produktion sicherzustellen
  • Definition der Anforderungen an eine modulare Produktionslogistik anhand von Fallbeispielen
  • Erarbeitung geeigneter Logistikkonzepte mit Modulspezifikationen
  • Festlegung der notwendigen Standards und Schnittstellen sowie Informationsmodelle und Kommunikationsprozesse
  • Konzeptionierung und Aufbau einer Pilotanlage und eines digitalen Zwillings für modulare Produktions- und Logistiksysteme

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ReeL – Ressourceneffiziente Herstellung von Lederchemikalien

  • Aufbau eines Stoffkreislaufes in der Lederherstellung
  • Nutzung der Reste aus der Lederindustrie zur Gerbung von neuem Leder
  • Entwicklung eines nachhaltigen Nachgerbstoffes aus Lederresten, Falzspänen und pflanzlicher Biomasse
  • Entwicklung und Bau einer Pilotanlage zur Überprüfung der Projektergebnisse

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Modulare Produktionslinien für Spezialchemikalien (MPS)

  • Umsetzung der Ergebnisse der Projekte ESIMEM, Mi2Pro, Skampi, TeiA und ORCA im modularen Produktionsumfeld
  • Zusammenführung der Projektergebnisse aus dem Spezialchemieumfeld in Bezug auf Time2market, Qualität und Kosten in einer Produktionsanlage
  • Aufschlüsselung der Umsetzungskosten und des -aufwands bezogen auf das jeweilige Risiko des Einsatzes der Prototypen im kontinuierlichen Produktionsumfeld durch bisher mangelnde Erfahrung bezüglich eines Dauerbetriebes, EX-Schutzes, der Genehmigung, des Modulwechsels und der Automatisierung
  • Markt- und produktspezifische Definition des Projektes am Beispiel von Produkten aus dem Halbleiter- oder Pharmamarkt

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Mi2Pro: Skalierbare Milli- und Mikroproduktionstechnik zur energieeffizienten, kontinuierlichen Fertigung in der Prozessindustrie; Teilvorhaben: Inline-Messtechnik für die Prozessüberwachung: Entwicklung und Validierung

  • Evaluierung und Standardisierung von inline-fähiger Prozessmesstechnik für den kontinuierlichen Betrieb in der Prozessindustrie
  • Entwicklung von Inline-Messtechniken und Prozesssonden zur Prozessüberwachung in Milli- und Mikroreaktoren
  • Aufbau einer Experimentalplattform im Labormaßstab zur Erprobung der Messprinzipien und erste Sondendesigns
  • Prozessintegration der ausgewählten Messtechniken und Sonden

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