自動化技術實現更多的可持續性

文/Sabine Mühlenkamp

本文作者系德文版PROCESS自由撰稿人。

綠色轉型的推動者——長期以來，能源效率和減少二氧化碳排放一直是流程工業的主要話題。然而，傳統思路，例如直接切斷終端消費環節，轉向綠色能源，甚至改變工藝，根本無法實施或者必須通過非常大的努力才能實現“節能減排”的目標。那么，是否一定要邁出這一大步？

氣候目標是雄心勃勃的：歐盟希望到2050年能夠實現氣候中立，而德國則規定到2045年必須實現氣候中立的目標。為了實現這一目標，德國必須在2030年之前將其排放量幾乎減半。這需要付出高額的費用：據德國聯邦工業聯合會（BDI）的研究報告 “氣候之路2.0”計算得出，僅到2030年就需要增加8 600億歐元的投資。向綠色電力或氫氣等氣候友好型能源轉型，需要大規模的基礎設施擴建，估計還需要花費1 450億歐元。

不能光是被這些數字嚇住，我們必須明白——邁向二氧化碳中和的任何一步都比原地踏步要好，因為不積跬步無以至千里。自動化公司也早已清楚，他們的技術目前已經可以加速綠色轉型。例如，德國電氣電子行業協會（ZVEI）指出，在德國僅在工業部門，利用現有的能源效率技術，每年至少可以節省200 TW·h的能源——這大約是德國工業總能源需求的30%。

這是否也適用于流程工業？畢竟，能源效率在行業中并不算什么新鮮事了。“我們一直在使用自動化和控制技術來推動流程工業接近其最佳狀態。而且能清楚地感覺到，在過去的10年里，人們對相關技術的接受程度明顯提高。” 贏創Marl運營部數字工藝技術副總裁Kai Dadhe博士說，“與此同時，由于能源價格高漲，相應技術的經濟使用門檻將進一步下降。”

此外，還有一些其他變化：“借助現代先進的控制技術，流程可以更好地運行，更接近其能量的最佳狀態，并且可以連續運行24 h，這在傳統控制技術中是無法實現的。作為未來的挑戰，我們看到基于機器學習或人工智能的創新控制技術目前已成功應用于試點項目，并支持7×24 h不間斷工業運行。”Dadhe說，“應該指出的是，在流程工業中，通過替代生產工藝和設備或價值鏈，可以實現顯著價值從而節省更多的能源。然而，如果企業已具備足夠的傳感器、執行器和基本自動化，則投資回報時間通常會短于1年，這一事實有利于使用復雜的控制技術。”

流程工業盡管其高能源需求面臨著特殊的挑戰，但同時也提供了許多應用領域。對于Vega新能源業務發展部的Roland Bonath先生來說，這些領域也包括了直接發電和供熱，以及耗能的鋼鐵、水泥和造紙工藝，甚至航運業：“在這些領域，正確的測量技術可以顯著提高流程效率，同時也更環保。”

利用傳感器和自動化技術，正確并精準地處理和使用工藝過程中的信息，從而做到去碳化和零排放的循環經濟。“當前，正確的自動化技術就已經能為綠色轉型作出貢獻。通過有效利用流程數據和分析數據，可以節約所有資源。”Hans Turck公司過程自動化大客戶經理Jan Gubini先生對此深信不疑。這家從傳感器到云端的數據收集、傳輸和預處理專家，通過其解決方案，可以支持可持續、經濟地使用資源。從長遠來看，Gubini先生認為利用清潔能源（如氫氣或太陽能）的綠色轉型是正確的道路。但在這之前，數字化概念有助于簡化數據的評估。Gubini先生分享了他作為裝配工參與的化工和發電設備的大修經驗。“在大修期間，需要關閉一個完整的設備部件，以便更換所有的部件，這必然會消耗大量的資源和能源。通過我們的解決方案，提供了可用的數據，以便有針對性地關閉小型設備部件。這樣的話，整個系統不必跟著停機。”通過對選定的數據庫進行有針對性的狀態監測和預測性維護措施，甚至可以減少非計劃的系統停機時間。

當前市場上已有一些技術可以支持這種方法。APL、NOA、MTP和管理程序為能源效率方面的流程優化或為監測和優化提供數據。在這方面，萬可（Wago）的數字工廠部門行業和大客戶管理主管Lukas D?kel先生則把注意力轉向了數據的透明度和分析。“我們支持工廠創建并運營綠色轉型：在使用MTP設計工藝模塊時，重點應放在工藝模塊的可重復使用性和可擴展性上面。而在運營方面，通過對負荷、能源和流程的監測以及對節約潛力的分析，可以優化能效潛力。”

精確的流程控制

如果對大量參數進行精確監測，可以促使流程工藝更接近其最佳狀態。對此，Bonath先生舉了一個例子：“在鋰礦開采中，所提取的每1克鋰都彌足珍貴。因此，在通過過濾、滲透和蒸發進行提取時，優化控制的壓力和填充水平在實現最大限度的方面中發揮了重要作用。可靠的液位和壓力傳感器確保了理想的工藝條件。”

正如 D?kel 先生說的那樣，不僅要關注測量值，也要關注電價。例如，林德氣體公司（Linde Gas）在其氣體分離裝置中使用萬可（Wago）技術進行負荷和消耗控制。分離氧氣和氮氣的過程

自動化技術對綠色轉型的重要性不容小覷。

需要大量的能量。目前的做法是在能源便宜的時候運行這些流程。為此，需要對電力市場進行分析，并包括電力交換的價格。然后，當可以廉價獲得可再生能源時，分解過程得以實現。D?kel 先生舉了另一個例子，說明自動化和數字化技術如何為去碳化奠定基礎：Endress+Hauser公司主要提供的木材燃燒系統，該系統結合了Wago公司的能源數據管理，這使得工藝熱能的集成完全透明，并可以集成到現有系統中。這是資源節約型運營的基礎，也是為工廠提供眾多融資機會的基礎。

數字化提高了效率

ABB過程自動化能源部業務發展經理Bruno Theimer先生深信，計量數字化將提高能源使用效率，并有助于同步增加分散和不穩定的能源生產份額。最終，能源轉型也必須是一個數字化轉型。“能源轉型的重點將會放在具有高度靈活性和可擴展性的解決方案上面。對于流程工業來說，這意味著，除了能源管理系統之外，還可以利用智能驅動解決方案的各種可能性或者利用人工智能改善流程。”通過這種方式，可以減少能源消耗，從而減少二氧化碳排放和降低運營成本。這使得優化控制一個站點的整個發電、消費和能源儲存成為可能。為此，系統根據預測數據計算最佳的能量流，并對能量消耗的偏差進行補償。這種模式的優點在于：它作為一個學習的系統，可以從運營數據中得出結論，并且在很大程度上是自主工作的。

氫能是未來

自動化專家們也參與到替代能源的轉變中。Endress+Hauser是歐洲清潔氫聯盟的成員，并深入參與了去碳化和替代能源等主題的大量工作。作為一種綠色高效能源載體和存儲介質，色氫氣是許多行業去化石化或脫碳的一個關鍵因素。“在集裝箱系統和大型工廠的電解槽中生成氫對測量技術提出了特殊要求，Endress+Hauser公司的產品、解決方案和服務完全能滿足這些要求。”來自德國Weil am Rhein的Endress+Hauser歐洲能源和天然氣的區域行業經理 Jens Hundrieser先生舉了一個例子。這些儀器包括用于所需過程安全的經過防爆和SIL認證的測量儀器，用于通過微量水分和氧氣測量氫氣純度的氣體分析儀，以及具有最安全的基于云的解決方案Netilion的數字服務。此外，該公司還提供檢測技術，這是一個全面的診斷和設備驗證概念，有助于提高系統性能，同時降低運營成本。

Bonath先生說：“無論如何，測量和自動化的重要性都不應該被低估。例如，‘綠色’氫的生產只有在具有經濟意義的情況下，才顯得更有吸引力。使用正確的液位和壓力測量技術，相關電解過程的產量可以顯著提高。其結果是以相同或更少的資源投入的情況下，可以獲得更高的利潤。”因此，這當然不僅適用于氫能技術，也適用于所有面臨綠色轉型的過程。