Průmyslové vodohospodářství: průkopník nových procesů, udržitelné výroby a bezpečnosti lokalit

© AdobeStock / 637385657 / AUUSanAKUL

© AdobeStock / 629167079 / Maximusdn

© iStock / 1203503078 / da-kuk

© AdobeStock / 208620732 / pickup

Voda je pro průmysl procesů nepostradatelná: ať už jako chladicí nebo rozpouštědlo, jako činidlo nebo součást produktu. Výroba chemie a farmacie se stále vyvíjí – vodík, digitalizace, oběhové hospodářství, nové výrobní procesy. Co to znamená pro průmyslové hospodaření s vodou?

Neutrálnost vůči CO2, výroba vodíku, Power-to-X procesy, cirkulární ekonomika a nulové znečištění jsou v současnosti na vrcholu agendy průmyslu procesů. Voda je při tom nenahraditelným zdrojem, především pro chemickou a farmaceutickou výrobu. Pokud se podaří začlenit průmyslové hospodaření s vodou do výrobního a lokalizačního managementu, lze zvýšit efektivitu procesů, umožnit oběhová řešení a posunout transformaci směrem k udržitelnému průmyslu. Navíc těsné propojení výroby a průmyslového hospodaření s vodou posiluje konkurenceschopnost podniků a lokalit, snižuje rizika výpadků ve výrobě a zvyšuje investiční jistotu v rozvoji podnikání. Rostoucí tlak na vodu na mnoha místech průmyslové výroby vede k tomu, že úspěch podnikání stále více závisí na efektivním průmyslovém hospodaření s vodou.

Voda jako klíč k výrobě vodíku

Využití obnovitelných zdrojů energie a jejich ukládání ve formě vodíku nebo následných produktů je jednou z nejdůležitějších podmínek pro klimaticky neutrální průmysl. Rostoucí počet iniciativ v různých sektorech urychluje rozšiřování kapacit pro výrobu a využití vodíku: přes 1 400 mezinárodních projektů s vodíkem, stejně jako velké množství referenčních projektů v Německu, jako jsou Aquaventus, H2Giga, H2Mare nebo Kopernikus, podtrhují tento vývoj. Zatímco průmysl využívá vodík jako skladovací médium energie nebo pro vysokoteplotní procesy, výzkumné a vývojové projekty se zaměřují na infrastrukturu vodíku, masovou výrobu elektrolyzérů a syntézu základních chemikálií na bázi vodíku.

Obvyklé elektrolyzéry potřebují k výrobě jednoho kilogramu zeleného vodíku přibližně 10 až 17 kilogramů demineralizované vody. Základem pro zelený vodík, zelenou nebo udržitelnou energii, je zvláště ekonomicky výhodná výroba ve slunných nebo větrných regionech. Nicméně oblasti s nejvyšším potenciálem pro obnovitelné zdroje energie jsou často i těmi, kde je vysoký stupeň vodního stresu a tím i vodní riziko. Jakmile jsou místní zdroje vyčerpány, má to nevratný dopad na region. Alternativní zdroje vody pro výrobu vodíku se proto stávají stále důležitějšími. Příklady jsou odsolená voda a recyklace vody. Rostoucí počet zařízení na odsolování mořské vody přináší nové výzvy při odvádění odpadních vod (emise do moře) a otevírá možnosti využití solí a koncentrátů. V budoucnu se výroba zeleného vodíku zvýší. To má za následek, že voda ve výrobním procesu musí být využívána efektivněji a znovu použita, především chladicí voda a odpadní vody. Zde přichází na řadu optimalizovaný integrovaný systém hospodaření s vodou.

Nové projekty na výrobu vodíku směřují stále více k přímé přeměně vodíku na základní chemikálie a chemické skladovací médium, jako jsou amoniak, methan nebo e-kerosin. Uvolněná tepelná energie v tomto výrobním kroku může být poskytnuta jiným procesům. Technologie tepelného odsolování s vyšší účinností, ale i biologická úprava odpadních vod mohou těžit z dostupné tepelné energie a posunout se do popředí. Tento vývoj je důležitý nejen pro vodíkový průmysl, nové membránové separační metody nebo rozšíření biologické úpravy vody mohou rovněž pozitivně ovlivnit průmyslové hospodaření s vodou v oblasti procesní a energetické efektivity.

„Voda je klíčem k realizaci velkých zařízení pro výrobu zeleného vodíku a jeho následných produktů, jako jsou methanol nebo amoniak. Proto musíme od začátku uvažovat o integrovaném hospodaření s vodou spolu se strategiemi pro obnovitelné zdroje energie a výrobu vodíku. To je základem úspěšného rozvoje zelené vodíkové ekonomiky. Výstavba zařízení a techniky, jakou uvidíme na ACHEMA 2024, k tomu významně přispěje,“ říká Dr. Thomas Track, vedoucí oddělení hospodaření s vodou při DECHEMA e.V.

Vedle obnovitelných zdrojů energie jsou proto potřeba efektivní a odolná řešení týkající se vody:

– Odborné znalosti a plánování pro výrobu vodíku a PtX a hospodaření s vodou musí jít ruku v ruce.
– Technologie úpravy (odpadních) vod a koncepce řízení musí být přizpůsobeny výrobním scénářům vnitrozemí, na pobřeží a v moři.
– Oběhové hospodaření s vodou a látkovými toky musí být optimalizováno.

Voda pro oběhové hospodářství v průmyslu procesů

Inovace zaměřené na oběhové hospodářství mění průmysl po celém světě a jsou v současnosti na vrcholu agendy průmyslu procesů. Přechod k cirkulární ekonomice s důrazem na celý životní cyklus produktu, od získávání surovin po recyklaci, vyžaduje komplexní transformaci průmyslových procesů a struktur směrem k klimatické neutrálnosti a dlouhodobé konkurenceschopnosti. S tím související výzvy pro průmysl mají také dopad na průmyslové hospodaření s vodou.

„Hodnotový řetězec budoucí cirkulární výroby bude obsahovat vysoký podíl procesů v mokré fázi,“ říká Dr. Christoph Blöcher, vedoucí oddělení infrastruktury, procesů, materiálů a koroze ve společnosti Covestro Deutschland AG. „Proto musí být hospodaření s vodou od začátku zohledněno při vývoji procesů. Pro mokré zbytkové toky jsou zapotřebí nové přístupy k získávání chemické energie a hodnotných látek, například živin.“

Kromě tradiční role v průmyslové výrobě a chlazení se voda stále více dostává do popředí i v nových průmyslových oblastech použití. Technologie čištění odpadních vod a vody se celkově mění, od čištění vody k využití jejích složek, vody a tepelné energie obsažené v ní prostřednictvím zpětného zisku.
Chemické recyklační metody i procesy založené na obnovitelných surovinách a biotechnologické postupy produkují vodní zbytky, které jsou charakterizovány vysokým objemovým tokem a vysokým obsahem organických látek a solí. Složení procesních vod při recyklačních procesech přináší zcela nové výzvy. Příklady jsou chemický recyklace plastů, kompozitních materiálů (například vysoce výkonných lehkých konstrukčních materiálů nebo kompozitů pro elektromobilitu) nebo polymetalických kompozitů v elektronických součástech, bateriových článcích nebo lehkých slitinách. Kromě chemických metod jsou sledovány i různé biotechnologické přístupy k recyklaci plastů, včetně použití enzymových metod. Ty jsou často spojeny se zvyšující se potřebou vody. Aby bylo možné těmto požadavkům čelit, je třeba vyvíjet, zkoušet a zavádět přeshraniční technologické přístupy a metody úpravy odpadních vod.

Farmacie a výroba vodíku: voda pro injekční účely a čistá voda

Nejen díky pandemii COVID-19 získala farmaceutická výroba na významu a urychlila inovace. Pro farmaceutický průmysl, části průmyslové biotechnologie a laboratoře je průmyslové hospodaření s vodou zaměřeno na vodu pro injekční účely (Water for Injection, WFI) a čistou vodu (Ultra Pure Water).
Rostoucí investiční a provozní náklady, vysoké ceny energie a stále větší obavy spotřebitelů ohledně dopadů výroby a balení na životní prostředí vedou k přehodnocení strategií mnoha farmaceutických firem směrem k udržitelnějším možnostem výroby. Od roku 2017 je v Evropě povoleno vyrábět vodu pro injekční účely nejen destilací, ale například i membránovými metodami. V USA a dalších částech světa je tato metoda standardem již mnoho let. Tato varianta výroby je nejen flexibilnější a energeticky efektivnější, ale i výhodnější z hlediska investičních a výrobních nákladů, prostoru, servisu a údržby, stejně jako rozšiřitelnosti systémů v objemu výroby a různých technických možností.

Analýzy trhu, například od Transparency Market Research, odhadují současný globální trh s vodou pro injekční účely na více než 20 miliard USD (2021), s výhledem růstu na více než 50 miliard USD během příštích deseti let.
Globální trend směrem k zelené vodíkové ekonomice vede ke zvýšené poptávce po vodě pro provoz elektrolyzérů. Zaměřuje se na systémy úpravy vody a cirkulační čištění pro Ultra Pure Water. Tento trend naznačuje i pozitivní vývoj trhu s čistými vodními systémy pro elektrolyzéry.

„Současná poptávka po systémech pro čistou vodu je stále ovlivněna boomem farmaceutického průmyslu posledních let a získává další impuls díky současné výrazné expanzi výroby zeleného vodíku,“ říká Dr. Eva Bitter, generální ředitelka společnosti EnviroFALK PharmaWaterSystems GmbH.

Optimalizace hospodaření s vodou: digitalizace, průmyslová inteligence a řízení procesů na základě senzorů

Digitální technologie se používají ke zvýšení efektivity, snížení spotřeby zdrojů a uzavření toků látek. V průmyslu procesů platí toto i na rozhraní hospodaření s vodou a průmyslové výroby. Ať už jde o zavádění modulárních, dynamických a flexibilních výrobních přístupů nebo zajištění bezpečnosti dodávek prostřednictvím integrovaného hospodaření s vodními zdroji: potřebné informace a zpracování vznikajících datových toků je možné dosáhnout pouze pomocí digitálních nástrojů.

Zejména na rozhraní mezi průmyslovou výrobou a průmyslovým hospodařením s vodou lze propojit složité zařízení pro sledování a řízení s IoT/IIoT zařízeními a senzory. Zpracování velkých dat (Big Data) s využitím umělé inteligence může být flexibilně přesunuto (edge vs. cloud). Tyto technologie jsou nezbytné pro efektivní využití a správu zdrojů. Získané informace lze uložit v distribuovaných ledgerových systémech (DLT), což je základem pro automatizované a transparentní smlouvy (chytré kontrakty). Všechny tyto technologie přibližují dodavatele, výrobce a zákazníky a umožňují přehled napříč dodavatelským řetězcem. ACHEMA 2024 tyto propojení představí v rámci výstavy svým Digitálním centrem a technikou měření, řízení a procesního řízení.

„Digitalizace ve vodním hospodářství („Voda 4.0“) se stala heslem a povede k zásadním změnám jak v oblasti veřejné, tak soukromé. Firmy již delší dobu čelí výzvě strategicky se přizpůsobit novému digitálnímu světu a přehodnotit své strategie, obchodní modely a kultury. Pokud organizace tento důležitý krok opomene, přijde o svou budoucí konkurenceschopnost,“ říká Christian Gutknecht, manažer odvětví voda ve skupině Endress+Hauser.

Voda je klíčovým zdrojem pro průmysl procesů a energetiku, ale zároveň je jedním z nejvíce ohrožených zdrojů. Zejména v souvislosti s energetickou přeměnou a využíváním obnovitelných zdrojů je klíčové vzájemné propojení jednotlivých procesů. Zde mohou hrát rozhodující roli digitální dvojčata. Mohou v reálném čase simulovat zvýšené požadavky na dynamiku zařízení, upravit výrobu a tím zajistit rozhodující konkurenční výhodu. Rostoucí požadavky na bezpečnost dodávek, kvalitu produktů a efektivitu zařízení lze splnit pouze digitální transformací tradiční výroby. Tento trend vedou četné konsorcia, která vyvíjejí celosvětové standardy pro komunikaci a bezpečnost zařízení a tím urychlují digitální transformaci.

Závěr

Široká škála procesů a technologií – výroba vodíku, cirkulární ekonomika, farmaceutická výroba a digitální integrace – jasně ukazuje: efektivní hospodaření s vodou je ústřední součástí průmyslu procesů. Platí to napříč všemi jejich úrovněmi, od zařízení přes provoz a lokalitu až po celé podniky. Na rozdíl od energetické a surovinové základny průmyslu procesů jsou možnosti náhrady vody v průmyslovém využití omezené. Pouze díky jejich intenzivnímu vzájemnému propojení mohou průmyslová výroba a hospodaření s vodou plně využít svůj potenciál pro zelenou, cirkulární a nulovou uhlíkovou ekonomiku.