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Eine Raffinerie schluckt viel Strom. Ein übergreifendes Energiemanagement unterstützt Anlagenbetreiber, die Kosten zu senken. Bild: Tomas Sereda/Aspen Tech
Software & Services

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Licht ins Dunkle bringen

Text: Ron Beck, Aspen Tech
Raffinerien sind große Energieverbraucher. Ein optimiertes Management und eine Prozess-Simulations­software helfen, Verschwender aufzudecken. Anlagenbetreiber sollten dabei drei strategische Punkte beachten.

Ein übergreifendes und optimiertes Energiemanagement bietet einen höheren Wettbewerbsvorteil, mehr Flexibilität in der Produktion, höhere Gewinnmargen und eine bessere Umwelt­bilanz. Das muss als unternehmerische Chance bei Chemie- und Raffinierungsprozessen – zum Beispiel in Raffinerien oder petro­chemischen Anlagen – verstanden werden. Allerdings sehen sich Unternehmen mit zahlreichen internen und externen Herausforderungen konfrontiert, sobald entsprechende Sparmaßnahmen umgesetzt werden sollen. Aufgrund von fluktuierenden Angeboten und schwankenden Preisen von Energie und Rohstoffen, muss die Betriebsstrategie kontinuierlich angepasst werden. ­Starre Kaufverträge, umweltrechtliche Regularien und Steuergesetze schränken den Handlungsspielraum der Unternehmen weiter ein, während ihre Betriebsmittel langsam altern und an Effektivität einbüßen.

Auf Bedarfsseite lassen sich diese Herausforderungen zum Beispiel durch den effizienten Einsatz aller Kälte- und Wärme­erzeuger innerhalb einer Anlage bewältigen. Auch Verbesserungen in der Wartung und im laufenden Betrieb beispielsweise bei Wärmetauschern sowie hinsichtlich Prozessstrategien wirken sich entscheidend auf die Energieeffizienz aus. Zu den Sparmaßnahmen gehören auch, dass Betriebstemperaturen angepasst werden, Flüssigkeitsströme und der Einsatzboden in der Kolonne – die Stoffgemische durch diverse thermische Verfahren trennt – eingestellt werden. Auf Beschaffungsseite können Unternehmen ihren Energieverbrauch durch aktives Management der verfügbaren Versorgungsquellen basierend auf aktuellen Preisentwick­lungen und Beständen reduzieren. Insgesamt bieten sich für Unter­nehmen drei Strategien an, Verschwender aufzuspüren.

Neue Anlagen energieeffizient planen: Bereits beim Entwurf von Prozessanlagen müssen Konstrukteure eine ganze Reihe von Anforderungen erfüllen: Rendite- und Qualitätsziele, Flexibilität bei Veränderungen hinsichtlich der Rohstoffe und Produkte, Sicherheit und Einhaltung der Emissionsgrenz­werte, Betriebsstabilität und Kapitalkostenminimierung. Sinkt hier die Energieeffizienz auf der Prioritätenliste nach unten, wirkt sich das negativ auf die gesamte Lebensdauer der Anlage aus. Da Projekte oft unter einem immensen Planungsdruck stehen, greifen Konstrukteure auf bewährte und einfache Lösungen für das Anlagendesign zurück. Berücksichtigen sie die Wärmeintegration bereits in einem frühen Stadium, lassen sich nicht nur Kosten über den gesamten Lebenszyklus hinweg reduzieren, auch neue Investitionen sowie der Verbrauch von Wärme- und Kälteenergien minimieren sich.

Durch eine Wärmeintegrationsanalyse – auch Pinch-Analyse genannt – und eine in die Prozesssimulation integrierte Optimierungssoftware können Planer die Konstruktion von energieeffizienten Anlagen besser recherchieren, überprüfen und auswählen. Das Modellieren von Wärmetauschern innerhalb der Prozess-­Simulation unterstützt Konstrukteure dabei, zwischen Größe, Effizienz und Bedienbarkeit der Tauscher abzuwägen und so Investitions- und Betriebskosten auszugleichen. Optimierungsverfahren führender Simulationen wie Aspen Plus und Aspen Hysys helfen zudem, das Zusammenspiel zwischen Heizblock/Kühlsperre und den Schlüsseleinheiten der Anlage, zum Beispiel Trennsäulen, zu verbessern. Die so erzielte Energieeinsparung spielt auch bei Bio-Umwandlungsverfahren eine wichtige Rolle. Bei­spiele hierfür sind die Unternehmen Pan Pacific, das sich auf die Prozessplanung in der Algenbiokraftstoffproduktion konzentriert, sowie Braskem, das ein energieeffizientes Verfahren zur Synthese von Isopropanol aus Zuckerrohr entwickelte. Beide konnten die Wirtschaftlichkeit ihrer Verfahren mit Hilfe frühzeitig geplanter Konstruktionsansätze steigern. Mit der richtigen Kombination aus Prozess-Know-how und Software-Tools wie der Energieanalyse Aspen Plus lassen sich so bis zu 30 Prozent des Energieverbrauchs einsparen.

Bestehende Anlagen umrüsten: Auch in bestehenden Anlagen lässt sich Energie einsparen und der Betrieb optimieren – und zwar mit denselben Methoden wie bei der Anlagen­planung, beim sogenannten Front-End-Design. Chancen eröffnen sich beispielsweise im Zusammenhang mit der Konfiguration sowie dem Austausch von Wärmetauschern, mit präventiven Wartungsmechanismen zum Verhindern von Fouling (Verschmutzung, Bewuchs) in Wärmetauschern und beim Ändern betrieblicher Parameter, um die Effizienz zu erhöhen. Eine umfassende Energieanalyse einer vorhandenen Prozessanlage kann Dutzende von individuellen Verbesserungsmöglichkeiten identifizieren. Einige sind mit erheblichem Kapitalaufwand verbunden, andere zielen auf Kompromisse in der Produktion, mit denen der Energieverbrauch reduziert und der Ertrag gesteigert wird.

Betriebs- und Instandhaltungsstrategien: Strategien, die Energieeffizienz zu optimieren, erstrecken sich auf die Instandhaltung der Anlage und ihren tatsächlichen Betrieb. So bilden KPI-Dashboards (Key Performance Indicators) anschaulich den Verlauf ab und erlauben so ein genaues Bild über Energieverbrauch und -kosten. Erst wenn Anwender und Planer sehen, wie sich ihr Handeln auf den Verbrauch und damit auf die Kosten auswirkt, können sie aktiv in ihrem Umfeld an einer Reduzierung mitarbeiten. Fouling bei Wärmetauschern hat Energieverlust und Gewinneinbußen zur Folge. Angepasste Prozess- und Wärmetauscher-Modelle machen solche Vorfälle in Kombination mit Echtzeitdaten der Anlage vorhersehbar und vereinfachen die Wartung. Wartungstermine lassen sich leichter einplanen, Stillstandzeiten verringern.

Wird die Produktion mit einer effizienten Energieplanung verknüpft, garantiert das nicht nur eine sichere Versorgung der Anlage mit Strom und Wärme, sondern reduziert zum Beispiel das Abfackeln von Erdölbegleitgas oder das Entlüften von überflüssigem Dampf und hilft mögliche Engpässe vorherzusehen. Ein strukturierter Ablaufplan und schnelle Reaktionszeiten sind deshalb entscheidend. Ein Softwarepaket – bestehend aus Aspen Pims, Petroleum Scheduler und Aspen Utilities Planner – kann hier die Produktions-, Termin- und Energieplanung synchronisieren. Darin enthalten sind integrale Bestandteile der Planung wie Angebotssteuerung im Produktionsplanungsprozess, Energiekosten und Emissionsziele. Ihre operativen Erträge können Betreiber steigern, indem sie berücksichtigen, wie Energie genutzt wird – zum Beispiel der Energieverbrauch von Prozessanlagen, Rohstoff-Disposition, Kauf bei externen Energieversorgern im Vergleich zu betrieblichen Quellen. Planungsinstrumente wie Aspen Pims ermöglichen optimierte Betriebsabläufe, in denen sich Produktion und Energiequellen, -kosten und -emissionen die Waage halten. Durch den Aspen Utilities Planner lässt sich zudem ein optimales Versorgungssystem aufbauen. Das Betriebspersonal kann in Echtzeit reagieren und so die Gesamtenergieeffizienz verbessern.

Mit APC-Lösungen (Advanced Process Control) lassen sich Schwankungen reduzieren, sodass die Anlage nach dem gewünschten Verlauf arbeitet. Die Folge ist: eine bessere Gesamtenergiebilanz über den ganzen Prozess hinweg. Auch lässt sich damit regeln, dass Emissionen innerhalb der zulässigen Grenzen eingehalten werden. Ein Beispiel für eine APC-Software ist Aspen DMC3, die eine intuitive und wartungsfreund­liche Steuerung der Systeme ermöglicht. In Kombination mit Echtzeit-Optimierungen können Anlagenbetreiber so die Energiekosten weiter her­unterfahren. Dabei werden analytische Prozessmodelle kontinuierlich mit den Daten der Anlage verglichen, um Betriebsstrategien an den tatsächlichen Verlauf anzupassen.

Es ist eine Kombination dieser drei Strategien, mit der Unternehmen in der Prozessindustrie ihr Energiemanagement in einem sich ständig ändernden wirtschaftlichen, organisatorischen und technologischen Umfeld optimieren können. Die Best Practices erlauben es Geschäftsführern, berechen­bare, ausgewogene und nachhaltige Entscheidungen zu treffen, ohne gegen gesetzliche Richtlinien zu verstoßen. Gleichzeitig gelingt es ihnen damit, die Produktionsstandards innerhalb ihrer Anlagen anzuheben. Unter Berücksichtigung aller Versorgungs- und Energiesysteme und durch den Einsatz von Energiemanagement-Software-Tools – angefangen beim Entwurf bis hin zum Betrieb – lassen sich den „Energieverschwendern“ so auf den Zahn fühlen.

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