Hoe wereldwijde megatrends de mechanische procesindustrie veranderen – en cool maken

© AdobeStock_196833565_pickup

© iStock_1427146272_Parradee-Kietsirikul

© AdobeStock_328267323_Sergey-Ryzhov

Wat gemeen hebben de trendthema's Circulaire Economie, Batterijenproductie en Plantaardige Proteïnen? Ze dagen de creativiteit van procesingenieurs uit en volgen de wereldwijde megatrends hulpbronnen schaarste, mobiliteit, voeding en klimaatbescherming. Waar in het afgelopen decennium de focus lag op nieuwe chemische processen en digitale technologieën, is nu het uur van de mechanische procesengineering aangebroken.

De elektrificatie van economie en mobiliteit behoort tot de toekomst. En een cruciale rol daarin zullen opslagtechnologieën spelen. Maar wanneer experts de vraag stellen waar in de batterijtechniek het grootste innovatiepotentieel te verwachten is, dan zal het antwoord de meeste mensen verrassen: niet in de chemie en nieuwe materialen, maar in de productietechniek. Terwijl bijvoorbeeld bij lithium-ionbatterijen op materiaalgebied een technologisch optimum in zicht is, is de productie van batterijcellen en batterijen nog lang niet rijp. Zo hangt de energiedichtheid, levensduur en prestatie van batterijcellen over het algemeen en vooral bij lage temperaturen, sterk af van de precisie van de deeltjesgrootte en de vormgeving. En hoewel China momenteel onbetwiste marktleider is in de productie van batterijen voor elektrische auto's, zou dit in de komende jaren kunnen veranderen wanneer nieuwe spelers in de VS en Europa in grote aantallen nieuwe batterijfabrieken met de nieuwste technologie bouwen.

De sleutel daartoe ligt in het productieproces, zijn onderzoekers van het Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung, IPA, ervan overtuigd. Een belangrijke factor zijn mechanische processen: Ze maken de productie en verwerking van nanomaterialen mogelijk en de exacte fabricage van elektroden. De complexiteit van de batterij-waardeketen begint al bij de winning van grondstoffen via mijnbouw of chemische extractie – maar echt lastig wordt het proces bij de verwerking van de materialen: Deze moeten niet alleen in constante hoge kwaliteit ("Battery Grade") worden geproduceerd, maar ook in grote hoeveelheden. En omdat actieve batterijmaterialen giftig zijn, moeten de productieprocessen bovendien hermetisch afgesloten zijn (Containment).

Fabrikanten van mengers, dispersieapparaten en reactoren hebben zich met dit onderwerp beziggehouden. Een voorbeeld is de verdere ontwikkeling van buisreactoren voor poedervormige synthese: Een pulserende hete gasstroom zorgt bijvoorbeeld bij de buisreactor van Glatt Ingenieurtechnik voor turbulente stromingsomstandigheden en stelt het mogelijk om de grootte, oppervlakte en structuur van deeltjes precies en reproduceerbaar in te stellen. Maar niet alleen in de reactietechniek heeft de temperatuurverdeling grote invloed op de productkwaliteit. Omdat anode- en kathodematerialen vaak bij hoge temperaturen worden vervaardigd, is ook de verwarming, stromingsgeleiding en isolatie van de productiemachines van belang.

Een volgende proceselement in de batterijproductie is de coating van de dragerfolies, waarop het actieve materiaal wordt aangebracht. De coatingmassa moet bijzonder homogeen zijn, omdat afwijkingen in de deeltjesgrootte of viscositeit leiden tot prestatieverlies. Nieuwe meng- en dispersieapparaten zoals die van Ystral richten zich op het exact controleren van de energie-inbreng en het minimaliseren van het energieverbruik – een belangrijk optimalisatiedoel in het licht van de grote hoeveelheden die verwerkt moeten worden.

Continue processen vereisen nieuwe machinetechnologie

Steeds interessanter worden continue processen: In tegenstelling tot de klassieke batchproductie neemt de productiviteit toe doordat stilstand- en reinigingstijden wegvallen. Bovendien bieden continue processen een betere controle over het productieproces, kunnen ze eenvoudiger hermetisch afgesloten worden en bereiken ze hogere productkwaliteiten. Dit is vooral belangrijk wanneer het product gevoelig is voor verontreinigingen of het voorkomen van microbieel besmetting vereist is. Daarnaast zijn continue processen eenvoudiger op te schalen en leiden ze tot een hogere energie- en kostenefficiëntie.

Om continue processen te realiseren, moeten mechanische processen worden aangepast of nieuw ontwikkeld: Of het nu molens, mengers, drogers of centrifuges zijn – de constructie van continue machines volgt andere principes. Het herdenken met de doelstelling "Continu" leidt al tot nieuwe constructies. Een voorbeeld zijn de recent door Flottweg ontwikkelde Düse-separators, die worden ingezet voor de continue afscheiding van vaste stoffen uit vloeistoffen, bijvoorbeeld in de biotechnologie. In tegenstelling tot klassieke centrifuges gebruikt de machine een relatief lichte trommel en verbruikt daardoor aanzienlijk minder aandrijfenergie.

Een ander voorbeeld zijn continu werkende extruders, die worden ingezet bij het recyclen van kunststoffen. Zo zorgen bijvoorbeeld twin-screw extruders van Coperion voor een zeer efficiënte energie-inbreng in de kunststofsmelt bij thermisch recyclen van polymethylmethacrylaat (PMMA), waardoor een snelle en energiezuinige depolymerisatie wordt bereikt.

Circulaire Economie: Potentieel voor chemisch en mechanisch recyclen

De machinetechnologie werpt een licht op de groeiende toekomstmarkt van de circulaire economie: De productie van kunststoffen op basis van chemisch recyclen is daarin een veelbelovende optie. Het uiteenvallen van de polymeren in hun chemische componenten is slechts de laatste stap. Veel zinvoller vanuit energiebesparend oogpunt is mechanisch recyclen, dat tot nu toe vaak wordt gehinderd doordat kunststofafval meestal niet sorteerreïn is. Hier moeten digitale technologieën in de toekomst helpen. Zo kunnen kunstmatige intelligentie en machine learning de gegevens van camera's en sensoren aan de sorteermachines analyseren en het kunststofafval – ook met behulp van robots – in verschillende fracties scheiden.

Stijgende recyclingquoten vormen eveneens een uitdaging voor mechanische processen: Installaties stoten tegen hun capaciteitsgrenzen. Omdat bijvoorbeeld mechanische mengers in hun bouwgrootte beperkt zijn en met de hoeveelheden ook de mechanische krachten toenemen, ontstaan er bij het mengen van PET-flakes kwaliteitsverschillen in het PET-recyclingproces. Mengsilo's, waarbij het schroot uit verschillende hoogten wordt afgezogen, zijn een oplossing van Zeppelin Systems waarmee grote hoeveelheden voorzichtig kunnen worden gemengd. De veel hogere doorvoeren vereisen bovendien andere transportconcepten.

Hier wordt duidelijk dat mechanische processen zich meestal, ondanks moderne ontwerpmethoden zoals numerieke stromingsmechanica (CFD), modellering of simulaties, niet volledig digitaal kunnen plannen. Fabrikanten van installaties en machines investeren daarom steeds vaker in eigen laboratoria en testopstellingen om het beste proces voor een schroottoepassing te vinden. Nieuwe oplossingen ontstaan in nauwe samenwerking tussen machine- en installatieleveranciers en de gebruikers. Dit is des te belangrijker omdat – zoals het voorbeeld van de batterijgigafabrieken laat zien – ook nog niet-rijpe processen en procedures worden opgeschaald naar grootschalige technische installaties.

Duurzame voedingsmiddelen vereisen nieuwe processen

Dat gezamenlijke ontwikkelingsinspanningen steeds belangrijker worden, geldt ook voor de voedingsmiddelenindustrie, die zich eveneens in een transformatieproces bevindt. Resourcebesparing en duurzaamheid zijn hier de megatrends die de behoefte aan nieuwe processen stimuleren. Dit wordt bijvoorbeeld duidelijk door de trend naar vleesvervangers, plantaardige eiwitten en melkvervangers. Deze zullen in de komende decennia ook daarom steeds belangrijker worden, omdat de klassieke productie van dierlijke eiwitten haar grenzen bereikt door de groeiende wereldbevolking en veranderende voedingsgewoonten. Ook hier spelen mechanische processen een centrale rol – van malen en zeven via centrifugeren, filtratie en droging tot het textureren van vleesvervangers met extruders. Innovaties ontstaan ook hier door interdisciplinaire samenwerking tussen voedingsmiddelentechnologen, machinebouwers en procesingenieurs.

Zonder automatisering en digitalisering gaat het niet

Hoewel het onbetwist lijkt dat AI of machine learning in de toekomst een belangrijke rol zullen spelen in de procesindustrie, zijn ze slechts een uiting van digitale technologieën die in de mechanische procesengineering in de toekomst waarde kunnen creëren. Twee belangrijke trends zijn de toenemende mate van automatisering en de behoefte aan modulaire installaties. Het basisidee: uit afzonderlijke proces- of modulesystemen opgebouwde installaties maken het niet alleen mogelijk om het engineeringproces te vereenvoudigen, maar ook de capaciteit van de installaties flexibel uit te breiden. Met de analyse van proces- en sensorinformatie kunnen processen bovendien continu worden geoptimaliseerd.

Omdat de koppeling (orchestratie) van dergelijke modules bij de klassieke aanpak van procesautomatisering veel engineering- en programmeerwerk vereist, is een paradigmaverschuiving nodig. Deze vindt momenteel plaats met module-automatisering. Het doel: procesmatige basisbewerkingen en modules moeten in de toekomst eenvoudig en zonder grote programmeerinspanning kunnen worden gecombineerd. Omdat de modules hun besturingslogica al meebrengen in de vorm van een Module Type Package (MTP) en beschikken over een gestandaardiseerde interface, kunnen de functies van de module worden gebruikt als dienst door het centrale besturingssysteem – en dat zonder extra inspanning voor de besturingsprogrammering in het besturingssysteem. Voor fabrikanten van machines en installaties in de mechanische procesengineering is dit een uitdaging – zij moeten zich in de toekomst intensief bezighouden met vragen over digitalisering, automatisering en besturingstechniek. Maar steeds meer installatie-eigenaren en machinefabrikanten zijn ervan overtuigd dat de consequente modularisering zich terugverdient, vooral gezien het tekort aan vakbekwame krachten. Eerste aanbieders, waaronder de machinebouwer GEA, nemen deze uitdaging al aan en bieden nieuwe Package Units met MTP aan.

Conclusie: Of het nu batterijtechnologie, circulaire economie of duurzame voeding is – de technische uitdagingen zijn enorm. Mechanische processen in combinatie met digitale technologieën spelen daarin een cruciale rol en vormen een centrale sleutel tot duurzaamheid. Spannende vraagstukken, betekenisvolle taken en het actief vormgeven van een duurzame toekomst – aan coolness-factoren ontbreekt het de mechanische procesengineering niet.