Spätestens seit der Einführung des CO2– Emisssionshandels in der Europäischen Union und in Deutschland begannen in vielen Betrieben der Grundstoffindustrie konkrete Planungen, laufende Prozesse so zu optimieren, dass perspektivisch weniger teure Zertifikate erworben werden müssen. Genau diese Reaktion war politisch gewollt. Dennoch gibt es Unternehmen, die Nachhaltigkeit bereits seit Langem in ihrer Unternehmensstrategie verankert haben und in den Klimaschutz investieren. So wie bei Air Liquide am Standort Stade.
Investition in die Zukunft
Erfolgreiche Verhandlungen langfristiger Lieferverträge führten in Stade, einem der größten chemischen Produktionsstandorte in Niedersachsen, zu einer grundlegenden Nachrüstung von Bestandsanlagen. Industriegasespezialist Air Liquide investierte hier im vergangenen Jahr fast 40 Millionen Euro. Ziel des Projektes war, die Synthesegasproduktion effizienter und umweltfreundlicher zu gestalten. Schnell geriet neben der Modernisierung zweier Luftzerlegungsanlagen die partielle Oxidationsanlage (POx) in den Fokus. Früher wurde das im Reaktor neben Wasserstoff und Kohlenmonoxid entstehende CO2 in die Umgebung abgelassen. Insgesamt steigert sich die Energieeffizienz der Anlage so um etwa 15 %. Gleichzeitig verringern sich die CO₂-Emissionen um etwa 15.000 Tonnen/Jahr. Das entspricht 80 % der direkten CO₂-Emissionen des Air Liquide-Standorts.
Air Liquide ist sehr stolz auf diese Innovation, welche sich positiv auf die Umwelt auswirkt. „Besonders beeindruckend war der 16 Meter hohe neue Reaktor für unsere partielle Oxidationsanlage. Er wiegt 58 Tonnen und hat Lieferzeiten von mehr als einem Jahr. Ihn als Herzstück unserer Anlage in Zukunft vor einem ungeplanten Ausfall zu schützen, stand ganz oben auf unserer Prioritätenliste“, sagt Hendrik Gollek. Er ist Project Engineer für das Cluster Central Europe in Düsseldorf im Fachbereich Automatisierung und hat das Projekt gemeinsam mit dem technischen Team Werksverbund Nord von Air Liquide durchgeführt.
Verlässliche Aussagen gesucht
Der Reaktor ist aufgrund der extremen Reaktionsbedingungen von circa 30 bar und über 1000 °C im Inneren mit Schamottsteinen ausgemauert. Um die mit der Zeit unvermeidliche Schädigung dieses Mauerwerks zu erkennen, bieten sich nur wenige technische Möglichkeiten an. Alle sind entweder teuer, ergeben uneindeutige Ergebnisse oder beides. Air Liquide suchte also eine Methode, die eine verlässliche Aussage über den Zustand liefern konnte, ohne den Reaktor für Inspektionen „auf Verdacht“ oder nach starrem Zeitplan herunterfahren zu müssen.
Anfahrvorgänge nach einem Stillstand sind ineffizient und kostenintensiv. Um dies zu vermeiden, schlugen die Experten bei Air Liquide eine Gefahrenfrüherkennung mit Hilfe von industriellen Thermalkameras vor. Ausgewählt wurde Prometheus von TTS Automation, das Temperaturanomalien erkennt und auf der Kombination mit intelligenter Steuerungstechnik von WAGO wie dem PFC200 aus der Serie 750 basiert. Das System erkennt thermale Anomalien unabhängig von sonstigen Umgebungsbedingungen.
„Das Paket aus unseren Kameras und der Steuerungstechnik der Serie 750 und den Edge Computern von WAGO ist in vielen Betrieben der chemischen Industrie im Einsatz. Dort erkennen sie Situationen, bevor sie zur Gefahr werden“, erklärt Thomas Striegel, Geschäftsführer von TTS Automation. Diese Anomalieerkennung wird auch bei Air Liquide genutzt. Sie schafft Preventive-Maintenance-Indikatoren, auf die Betreiber reagieren und so ihre Produktion entsprechend planen können.
Lange bevor der äußere Metallmantel durchglühen würde, warnt das neue System. In einem solchen Fall fährt Air Liquide den Prozess kontrolliert herunter. Der Reaktor wird gespült und die innere Schutzschicht wieder instandgesetzt. Dank der WAGO Technik muss der Prozess nicht unnötig für Kontrollzwecke gestoppt werden, sondern nur, wenn ein Defekt vorliegt. Der zweite Vorteil besteht darin, dass frühzeitig eingegriffen werden kann, also bei kleinen oder punktuellen Schadstellen. Eine komplett neue Ausmauerung des Behälters würde Monate in Anspruch nehmen. Das Ausbessern kleinerer Fehlstellen geschieht hingegen innerhalb weniger Tage. Sollte der Außenmantel beschädigt werden, bräuchte es einen neuen Reaktor. Dann würde die Anlage für einen weitaus längeren Zeitraum stillstehen, verbunden mit entsprechenden Kosten und Produktionsausfällen.
Nahtlose Integration in Automatisierungslandschaft
Ein entscheidender Punkt, sich für die Kombination aus Kamerasystem und WAGO Steuerung zu entscheiden, lag für die Ingenieurinnen und Ingenieure von Air Liquide in der Zukunftsfähigkeit der Lösung. „Uns war wichtig, das Messsystem nicht als Stand-alone-Lösung, sondern integriert in unserem Yokogawa-Prozessleitsystem zu betreiben. Das minimiert die händische Arbeit mit all ihren Nachteilen, wie Zeitaufwand und Fehleranfälligkeit“, sagt Gollek. Zur lückenlosen Kontrolle reichen zwei Mal drei Kameras, radial um den Reaktor angeordnet und eine, die von oben auf den Behälter schaut. Diese sieben in der oberen, heißen Hälfte des Reaktors installierten Kameras zeigen im Leitsystem alle relevanten Informationen: Maximal- und Minimalwerte, aufgeteilt in Sektoren. Gemeinsam wurden feste Alarmwerte definiert, die nur warnen, wenn sie über- oder unterschritten werden.
Die Kamerasoftware läuft auf der WAGO IoT Box. Es ist kein Übersetzer notwendig und es müssen keine Kontakte übergeben oder Verdrahtungen vorgenommen werden. Das Gateway spricht die gleiche Sprache wie die TTS-Kamera. Ein wesentliches Argument für die Integration mit der WAGO IoT Box war die Schnittstelle zum Leitsystem. „Solche Geräte nahtlos in Produktionen der Prozessindustrie zu integrieren ist unsere Spezialität. Mithilfe unserer Lösungen kann Air Liquide alle Kamerafunktionen nutzen und die Rohdaten verarbeiten. Hinzu kommt, dass Verwaltung und Berechnung der Anomaliedaten auf der SPS-Ebene das System entlastet und die Betreiber direkt aus dem Leitsystem mit der Kameraelektronik kommunizieren können“, erklärt Wolfgang Laufmann, Business Developer Smart Factory bei WAGO.
Gleichzeitig sind Schnittstellen in jeder Anlage ein Thema. „Hier ist es eigentlich egal, was vom Anwender verlangt wird, ob Modbus TCP, OPC UA, MQTT, Fernwirkprotokoll oder eine andere Schnittstelle, um an ein Scada- und/oder Cloud-System anbinden zu können. Unser Werkzeugkasten ist groß und jede Sonderlösung haben wir bislang unaufgeregt und schnell realisieren können“, sagt Laufmann. Hierzu passt der Vorteil eines relativ geringen Aufwands bei der Verkabelung. Kameras, Gateway und Prozessleitsystem werden nicht über die normale Feldinstrumentierung mit eventuell zusätzlichen Verteilern vernetzt, sondern über dünne Lichtwellenleiter. Bei Air Liquide in Stade waren weder Gerüstbau noch die Installation von Feldverteilern notwendig. „Das ist eine kosteneffiziente Installation, die uns WAGO hier bietet“, bestätigt Gollek.
„Doch jetzt freue ich mich erst einmal, dass so viele interne und externe Experten in der neuen Anlage viele Tonnen CO2 einsparen und wir mit der Überwachungskamera und WAGO IoT Box eine Vereinfachung in Sachen Instandhaltung installiert haben. Im besten Fall produzieren wir bis zur nächsten Großrevision in fünf Jahren durch“, lacht Gollek.
„Der große Vorteil an dem WAGO- und TTS-System ist, dass es wie ein Frühwarnsystem arbeitet. Schadensereignisse im Reaktor sind eher schleichend, so haben wir die Möglichkeit, den Kunden rechtzeitig zu informieren. Er kann seine Produktion darauf einstellen und wir können geplant herunterfahren, reparieren und schnell weiter betreiben.“
„Geräte wie Industriekameras nahtlos in Produktionen der Prozessindustrie zu integrieren ist unsere Spezialität. Die Verwaltung und Verarbeitung von Daten auf der SPS-Ebene entlastet das System und Betreiber können direkt aus dem Leitsystem auf die Geräte im Feld zugreifen.“
Text vom Original übernommen – WAGO
