Digitalisierung in der Chemie

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Die Chemieindustrie blickt auf eine lange Tradition im Bereich der Automatisierung von Prozessen zurück. Computergestützte Steuer- und Regeltechnik ermöglicht die genaue Dosierung von Rohstoffen, die zuverlässige Energieversorgung und die sichere Prozessführung. Hier hat die Digitalisierung in der Chemie bereits vor einigen Jahrzehnten Einzug gehalten. Was ändert sich mit der Entwicklung hin zu Chemie 4.0? Erfahren Sie mehr darüber.

Modelle als Grundlage für die Digitalisierung in der Chemie

Die Möglichkeit, umfangreiche Datenmengen in kurzer Zeit zu verarbeiten, erlaubt es, komplexe Systeme zu modellieren. Wir profitieren davon zum Beispiel bei der Wettervorhersage. Dort kommen Sätze wie “…da sind sich die Modelle recht einig…” vor. Nutzt man ähnliche Werkzeuge für die Modellierung in der chemischen Industrie, lassen sich Produktions- und Geschäftsprozesse in einem bisher unerreichten Maß optimieren.

Die Modelle unterscheiden sich in einem Punkt deutlich von denen der Meteorologie: Die Meteorologen beobachten und prognostizieren. Die Chemiker beobachten, prognostizieren und beeinflussen die Prozesse. Ist Sturm zu erwarten, kann man nur alles Wertvolle in Sicherheit bringen. Steht die chemische Reaktion kurz davor durchzugehen, kann man sie zügeln. Das Modell ist der virtuelle Zwilling der Anlage.

Was in der Realität stattfindet, spielt sich auch digital ab.

Dazu ist es fähig, weil es laufend mit Informationen über die Prozesse und den Zustand der Anlage versorgt wird. So kann ein Digitalmodell berechnen, was als nächstes passiert. Zeichnet sich eine Abweichung vom Sollzustand ab, steuert der Rechner gegen oder er gibt Alarm. Die chemische Industrie ist mit dieser Arbeitsweise sehr gut vertraut. Digitalisierung in der Chemie bedeutet dabei auch, das betriebliche Umfeld und die Lieferkette in die Digitalisierungsprozesse mit einzubeziehen.

Welche digitalen Lösungen existieren bereits?

In nahezu allen Bereichen der Industrie haben sich digitale Lösungen etabliert.

Hier sind einige Beispiele, die bei Weitem keinen Anspruch auf Vollständigkeit haben:

• CAD-Programme für die Konstruktion von Apparaten und Maschinen und die Planung von Anlagen
• Prozesssimulationsprogramme für den Ablauf chemischer und physikalischer Vorgänge in den Anlagen
• CMMS (Computerized Maintenance Management Systeme) für die rechnergestützte Instandhaltung der Anlagen
• CMS (Content Management Systeme) für die rechnergestützte technische Dokumentation
• ERP-Programme (Enterprise-Resource-Planning) für die bedarfsgerechte Planung von Material, Betriebsmitteln, Investitionen und Personal
• SCM-Software (Supply-Chain-Management) für die Planung und Steuerung der Prozesse entlang der Lieferkette
• CRM-Systeme (Customer-Relationship-Management) für die Pflege, Verwaltung und Dokumentation der Kundenbeziehungen

Das mutet fast an, wie damals, als Video-Kassetten mit Filmen auf den Markt kamen. Es gab eine Unmenge Formate, von denen sich wenige durchgesetzt haben bis sie schließlich alle durch CDs und DVDs abgelöst wurden. Es bleibt spannend, welche Softwarelösungen in zehn Jahren noch genutzt werden. Auch bei der Hardware tut sich einiges. In Zukunft werden Quantencomputer mit einer 10.000fach höheren Rechenleistung als die der zurzeit im Einsatz befindlichen Rechentechnik das Geschäft übernehmen. Dadurch wird sich auch die Software weiterentwickeln.

Für die Digitalisierung in der Chemie müssen die einzelnen Bereiche zu einem einheitlichen System zusammengefasst werden. Dazu werden Teilprogramme benötigt, die sich untereinander verstehen. Das ist bei den verfügbaren Softwareprodukten eher selten der Fall. Es wird zwar daran gearbeitet, ein neutrales Datenaustauschformat zu entwickeln. Allerdings könnten diese Bemühungen hinfällig werden, wenn sich ein bestimmtes, vielleicht ganz neues Format durchsetzt. Alle, die weiterhin Softwarelösungen auf dem Markt anbieten wollen, würden dann zwangsläufig darauf zurückgreifen müssen.

Was kommt mit der Digitalisierung in der Chemie auf die Arbeitswelt zu?

Es ist unabdingbar, dass sich durch die Digitalisierung weitreichende Veränderungen in den Arbeitsabläufen ergeben: Die Modellierung chemischer Prozesse in der Entwicklungsphase macht dabei den Bau von Prototypen und aufwändige Versuche entbehrlich. Die Echtzeitüberwachung der chemischen Zusammensetzung von Rohstoffen, Reaktionsgemischen und Endprodukten macht das Labor darüber hinaus entbehrlich. Die modellprädiktive Regelung ist die vorausberechnende Einstellung der optimalen Werte von Druck, Temperatur, Füllstand, Durchfluss und Konzentration unter Berücksichtigung unterschiedlichster Einflussgrößen. Sie macht konventionelle Regler überflüssig.

Auch Instandhaltung, Einkauf, Vertrieb, Rechnungs- und Personalwesen erleben durch die Digitalisierung ähnliche Veränderungen. Das führt häufig zu instinktivem Widerstand der bisher mit den jeweiligen Arbeiten betrauten Mitarbeiter. Sie kennen sich bestens mit den betrieblichen Prozessen aus. Dieses Wissen wird auch in der digitalen Chemieindustrie dringend gebraucht. Aber die Anforderungen ändern sich. So, wie sich der Arbeitsplatz der Anlagenfahrer von den Maschinen und Apparaten größtenteils in die Messwarte verlagert hat, wird sich der Wirkungsbereich von Sachbearbeitern und Laboranten auf die Überwachung und Steuerung von Prozessen verschieben.

Das Instandhaltungspersonal wird mit mobilen Endgeräten an den Stellen aktiv, an denen ihr Einsatz erforderlich ist.

Darauf müssen die Mitarbeiter durch eine gezielte Aus- und Weiterbildung vorbereitet werden. Darüber hinaus werden neue Arbeitsplätze entstehen, an denen Mitarbeiter das Modell pflegen und die Hardware instand halten. Die Modellpflege kann nur in enger Zusammenarbeit aller Beteiligten gelingen. Die “Fachkräfte” informieren die “Pfleger” über notwendige Anpassungen. Das erfordert eine bereichsübergreifende Zusammenarbeit, die ein Grundverständnis der angrenzenden Fachgebiete und eine gemeinsame Sprache voraussetzt.

Welche Möglichkeiten bietet die Digitalisierung in der Chemie?

Die Digitalisierung ermöglicht die Vernetzung von Produktionsstandorten eines Unternehmens, die örtlich weit voneinander getrennt sind. Dadurch gewinnt die chemische Industrie eine deutliche Steigerung der Wirtschaftlichkeit.

Das wirkt sich besonders im Verbrauch von Rohstoffen und Energie und in der Auslastung der Anlagen aus und trägt zur nachhaltigen Chemie unter anderem auch in der Oberflächentechnik bei. Auf der Grundlage der digital gesteuerten Betriebsabläufe und der Vernetzung mit Strukturen außerhalb des Unternehmens (Kommunen, Lieferanten, Kunden) lässt sich eine zirkuläre Wirtschaft gestalten.

Neben dem wirtschaftlichen Betrieb klassischer Anlagen, die darauf ausgelegt sind, große Mengen eines bestimmten Stoffes herzustellen, ermöglicht die Digitalisierung der Chemie auch Multipurpose-Anlagen (MPA) effizient einzusetzen. Derartige modular aufgebaute Produktionsstätten können je nach Kundenwunsch schnell auf geringe Produktionsmengen von Fein- und Spezialchemikalien umgestellt werden.

[1] https://www.vci.de/vci/downloads-vci/publikation/vci-deloitte-studie-chemie-4-punkt-0-kurzfassung.pdf

[2] https://www.econstor.eu/bitstream/10419/216064/1/hbs-fofoe-wp-144-2019.pdf