Przemysłowe zarządzanie wodą: pionierzy nowych procesów, zrównoważonej produkcji i bezpieczeństwa lokalizacji

© AdobeStock / 637385657 / AUUSanAKUL

© AdobeStock / 629167079 / Maximusdn

© iStock / 1203503078 / da-kuk

© AdobeStock / 208620732 / pickup

Woda jest nieodzowna dla przemysłu procesowego: czy to jako chłodziwo czy rozpuszczalnik, jako reagent czy składnik produktu. Produkcja chemiczna i farmaceutyczna rozwija się nieustannie – wodór, cyfryzacja, gospodarka obiegowa, nowe procesy produkcyjne. Co to oznacza dla przemysłowego zarządzania wodą?

Neutralność węglowa, produkcja wodoru, procesy Power-to-X, gospodarka obiegowa i zero zanieczyszczeń są obecnie na szczycie agendy przemysłu procesowego. Woda jest przy tym zasobem nie do zastąpienia, szczególnie dla produkcji chemicznej i farmaceutycznej. Jeśli uda się zintegrować przemysłowe zarządzanie wodą z zarządzaniem produkcją i lokalizacją, można zwiększyć efektywność procesów, umożliwić rozwiązania obiegowe i postęp transformacji ku zrównoważonemu przemysłowi procesowemu. Ponadto, bliska współpraca produkcji i przemysłowego zarządzania wodą wzmacnia konkurencyjność przedsiębiorstw i lokalizacji, obniża ryzyko awarii produkcji oraz zwiększa bezpieczeństwo inwestycji w rozwój przedsiębiorstw. Rosnący stres wodny w wielu lokalizacjach przemysłu procesowego powoduje, że sukces przedsiębiorstwa coraz bardziej zależy od efektywnego przemysłowego zarządzania wodą.

Woda jako klucz do produkcji wodoru

Wykorzystanie odnawialnych źródeł energii oraz ich magazynowanie w formie wodoru lub produktów pochodnych jest jednym z najważniejszych warunków dla klimatycznie neutralnego przemysłu procesowego. Coraz więcej inicjatyw w różnych sektorach przyspiesza rozbudowę mocy produkcyjnych wodoru: ponad 1400 międzynarodowych projektów wodoru, a także liczne projekty referencyjne w Niemczech, takie jak Aquaventus, H2Giga, H2Mare czy Kopernikus, podkreślają ten rozwój. Podczas gdy przemysł wykorzystuje wodór jako magazyn energii lub do wysokotemperaturowych procesów, projekty badawczo-rozwojowe skupiają się na infrastrukturze wodoru, masowej produkcji technologii elektrolizerów oraz syntezie podstawowych chemikaliów na bazie wodoru.

Typowe elektrolizery potrzebują około 10 do 17 kilogramów zdemineralizowanej wody do wyprodukowania jednego kilograma zielonego wodoru. Podstawą dla zielonego wodoru, czyli zielonej lub zrównoważonej energii, jest ona szczególnie ekonomicznie wytwarzana w regionach słonecznych lub wietrznych. Jednak regiony o największym potencjale odnawialnych źródeł energii często mają też wysoki poziom stresu wodnego i związane z tym ryzyko wodne. Gdy lokalne zasoby się wyczerpią, ma to nieodwracalne skutki dla regionu. Dlatego coraz ważniejsze stają się alternatywne źródła wody do produkcji wodoru, takie jak odsalanie czy ponowne wykorzystanie wody. Rosnąca liczba instalacji odsalania mórz stawia nowe wyzwania w zakresie odprowadzania ścieków (emisje do morza) i otwiera możliwości wykorzystania solanek i koncentratów. W przyszłości produkcja zielonego wodoru będzie rosnąć, co wymusi bardziej efektywne i ponowne wykorzystanie wody w procesie, zwłaszcza chłodziwa i strumieni ścieków. W tym celu wkracza zoptymalizowany, zintegrowany system zarządzania wodą.

Nowe projekty wodoru coraz częściej skupiają się na bezpośredniej konwersji wodoru na chemikalia podstawowe i magazyny energii chemicznej, takie jak amoniak, metan czy e-kerosen. Uwolniona w tym etapie produkcji energia cieplna może być wykorzystywana w innych procesach. Technologie termicznego odsalania o wyższej wydajności, a także biologiczne oczyszczanie ścieków, mogą korzystać z dostępnej energii cieplnej i zyskują na znaczeniu. Ta tendencja jest istotna nie tylko dla gospodarki wodorem, ale także dla rozwoju nowych membranowych metod separacji czy rozszerzeń biologicznego oczyszczania wody, które mogą pozytywnie wpłynąć na przemysłowe zarządzanie wodą, procesową i energetyczną.

„Woda jest kluczem do realizacji dużych instalacji do produkcji zielonego wodoru i jego produktów pochodnych, takich jak metanol czy amoniak. Dlatego od początku należy myśleć o zintegrowanym zarządzaniu wodą wraz ze strategiami dotyczącymi odnawialnych źródeł energii i produkcji wodoru. To stanowi podstawę dla skutecznego rozwoju zielonej gospodarki wodnej. Budowa urządzeń i technologia procesowa, jaką zobaczymy na ACHEMA 2024, wnosi tutaj istotny wkład,” mówi Dr Thomas Track, kierownik działu zarządzania wodą w DECHEMA e.V.

Obok odnawialnych źródeł energii konieczne są więc efektywne i wytrzymałe rozwiązania związane z wodą:

– Wiedza fachowa i planowanie produkcji wodoru i Power-to-X oraz zarządzanie wodą muszą iść w parze.
– Technologie oczyszczania (ścieków) i koncepcje zarządzania muszą być dostosowane do scenariuszy produkcji na lądzie, na wybrzeżu i na morzu.
– Obieg wody i przepływ substancji muszą być zoptymalizowane.

Woda dla gospodarki obiegowej w przemyśle procesowym

Innowacje zorientowane na obieg zmieniają przemysł na całym świecie i są obecnie na szczycie agendy przemysłu procesowego. Przemiana w kierunku gospodarki obiegowej, skupiającej się na całym cyklu życia produktu – od pozyskania surowców po recykling – wymaga kompleksowej transformacji procesów i struktur przemysłowych w kierunku neutralności klimatycznej i długoterminowej konkurencyjności. Wyzwania związane z tym dla przemysłu mają również wpływ na przemysłowe zarządzanie wodą.

„Łańcuch wartości przyszłej zrównoważonej produkcji będzie obejmował wysoką część procesów w fazie wodnej,” mówi Dr Christoph Blöcher, kierownik działu procesów infrastrukturalnych, materiałów i korozji w Covestro Deutschland AG. „Dlatego zarządzanie wodą musi być uwzględnione od początku rozwoju procesów. W przypadku wodnych reszt przepływów konieczne są nowe podejścia, aby odzyskać energię chemiczną i wartościowe składniki, na przykład składniki odżywcze.”

Oprócz klasycznej roli w produkcji przemysłowej i chłodzeniu, zasób wody coraz bardziej zyskuje na znaczeniu w nowych dziedzinach przemysłowych. Metody oczyszczania (ścieków) będą się ogólnie zmieniać, od oczyszczania wody do wykorzystywania składników, energii cieplnej zawartej w wodzie poprzez odzysk.
Metody chemicznego recyklingu, jak również procesy oparte na surowcach odnawialnych i biotechnologia, generują wodne resztki, charakteryzujące się dużym przepływem objętościowym oraz wysokim ładunkiem organicznym i solami. Skład chemiczny procesowych wód w recyklingu stawia zupełnie nowe wyzwania. Przykładami są chemiczny recykling tworzyw sztucznych, kompozytów (np. wysokowydajnych lekkich materiałów lub kompozytów do elektromobilności) czy kompozytów metaloorganicznych w elementach elektronicznych, ogniwach baterii czy stopach lekkich. Oprócz metod chemicznych, realizowane są różnorodne biotechnologiczne podejścia do recyklingu tworzyw sztucznych, w tym wykorzystanie enzymatycznych metod. Często wiąże się to ze wzrostem zapotrzebowania na wodę. Aby sprostać tym wymaganiom, konieczne jest opracowanie, testowanie i wdrażanie technologii i metod kompleksowego oczyszczania ścieków.

Farmacja i produkcja wodoru: woda do iniekcji i woda czysta

Nie bez powodu, dzięki pandemii COVID-19, produkcja farmaceutyczna zyskała na znaczeniu i wprowadziła innowacje. Dla przemysłu farmaceutycznego, części przemysłowej biotechnologii i laboratoriów, przemysłowe zarządzanie wodą koncentruje się na wodzie do iniekcji (Water for Injection, WFI) i wodzie czystej (Ultra Pure Water).
Rosnące koszty inwestycji i utrzymania, wysokie ceny energii oraz rosnące obawy konsumentów wobec wpływu na środowisko odpadów produkcyjnych i opakowaniowych powodują, że wiele firm farmaceutycznych rozważa bardziej zrównoważone metody produkcji. Od 2017 roku w Europie dozwolone jest wytwarzanie wody do iniekcji nie tylko metodą destylacji, ale także przy użyciu membran. W Stanach Zjednoczonych i innych regionach świata ta metoda jest od wielu lat standardem. Jest ona nie tylko bardziej elastyczna i energooszczędna, ale także korzystniejsza dla inwestycji, kosztów produkcji, miejsca, obsługi i konserwacji, a także możliwości rozbudowy systemów w zakresie produkcji i różnych opcji technologicznych.

Analizy rynkowe, takie jak te od Transparency Market Research, szacują, że obecny globalny rynek wody do iniekcji przekracza 20 mld USD (2021), z perspektywą wzrostu do ponad 50 mld USD w ciągu najbliższych dziesięciu lat.
Globalny trend ku zielonej gospodarce wodnej wodoru prowadzi do rosnącego zapotrzebowania na wodę do zasilania elektrolizerów. W centrum uwagi są systemy oczyszczania wody i obiegowe urządzenia do produkcji Ultra Pure Water. Trend ten wskazuje na pozytywny rozwój rynku systemów czystej wody do elektrolizy.

„Obecne zapotrzebowanie na systemy czystej wody jest jeszcze napędzane przez boom przemysłu farmaceutycznego z ostatnich lat i zyskuje na dodatkowym wsparciu dzięki dynamicznie rosnącej produkcji zielonego wodoru,” mówi Dr Eva Bitter, dyrektor zarządzająca EnviroFALK PharmaWaterSystems GmbH.

Optymalizacja zarządzania wodą: cyfryzacja, inteligencja przemysłowa i sterowanie procesami oparte na sensorach

Technologie cyfrowe są wykorzystywane do zwiększania efektywności, redukcji zużycia zasobów i zamykania cykli substancji. W przemysłowym zarządzaniu wodą dotyczy to także interfejsu między zarządzaniem wodą a produkcją przemysłową. Niezależnie od tego, czy chodzi o wdrożenie modułowych, dynamicznych i elastycznych podejść produkcyjnych, czy o zapewnienie bezpieczeństwa dostaw poprzez zintegrowane zarządzanie zasobami wodnymi: konieczne jest pozyskiwanie informacji i przetwarzanie danych za pomocą narzędzi cyfrowych.

Zwłaszcza na styku produkcji przemysłowej i przemysłowego zarządzania wodą można łączyć złożone struktury instalacji z urządzeniami i sensorami opartymi na IoT/IIoT. Przetwarzanie dużych zbiorów danych (Big Data), na przykład z wykorzystaniem sztucznej inteligencji, może być realizowane elastycznie pod względem kosztów (edge vs. cloud). Do efektywnego wykorzystania zasobów niezbędne są te technologie. Uzyskane informacje mogą być zabezpieczone w rozproszonych rejestrach (DLT) i stanowić podstawę dla automatycznych i przejrzystych umów (smart contracts). Wszystkie te technologie zbliżają dostawców, producentów i klientów, umożliwiając pełniejszy obraz łańcucha dostaw. ACHEMA 2024 odzwierciedla te powiązania w wystawie, poprzez Digital Hub oraz techniki pomiarowe, sterujące i procesowe.

„Cyfryzacja gospodarki wodnej (‚Woda 4.0’) stała się hasłem i będzie miała dalekosiężne skutki zarówno w sektorze publicznym, jak i prywatnym. Firmy od dawna stoją przed wyzwaniem dostosowania się do nowego cyfrowego świata, co wymaga przemyślenia strategii, modeli biznesowych i kultur organizacyjnych. Jeśli organizacja tego nie zrobi, straci swoją przyszłościową i konkurencyjną pozycję,” mówi Christian Gutknecht, menedżer branżowy ds. wody w Endress+Hauser Group.

Woda jest kluczowym zasobem dla przemysłu procesowego i energetyki, a jednocześnie jednym z najbardziej zagrożonych zasobów. Szczególnie w kontekście transformacji energetycznej i wykorzystania odnawialnych źródeł energii kluczowa jest współpraca poszczególnych procesów. Tu mogą odegrać ważną rolę cyfrowe bliźniaki. Mogą one w czasie rzeczywistym symulować zwiększone wymagania dotyczące dynamiki instalacji, dostosowywać produkcję i zapewniać przewagę konkurencyjną. Rosnące wymagania dotyczące bezpieczeństwa dostaw, jakości produktów i efektywności instalacji można spełnić tylko dzięki cyfrowej transformacji tradycyjnej produkcji. Trend ten napędzają liczne konsorcja, które opracowują na skalę światową obowiązujące standardy komunikacji i bezpieczeństwa instalacji, przyspieszając tym samym cyfrową transformację.

Podsumowanie

Szeroka różnorodność procesów i technologii – produkcja wodoru, gospodarka obiegowa, produkcja farmaceutyczna i cyfrowa integracja – jasno pokazuje, że efektywne zarządzanie wodą jest kluczowym elementem przemysłu procesowego. Dotyczy to wszystkich skal, od instalacji, przez zakład i lokalizację, aż po całe przedsiębiorstwa. W przeciwieństwie do bazy energetycznej i surowcowej przemysłu procesowego, substytucja wody w zastosowaniach przemysłowych napotyka na ograniczenia. Dopiero dzięki ich ścisłej współpracy przemysłowa produkcja i zarządzanie wodą mogą w pełni wykorzystać swój potencjał dla gospodarki zielonej, obiegowej i zeroemisyjnej.