自動(dòng)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)更多的可持續(xù)性

文/Sabine Mühlenkamp

本文作者系德文版PROCESS自由撰稿人。

綠色轉(zhuǎn)型的推動(dòng)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(yè)的主要話題。然而，傳統(tǒng)思路，例如直接切斷終端消費(fèi)環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)向綠色能源，甚至改變工藝，根本無法實(shí)施或者必須通過非常大的努力才能實(shí)現(xiàn)“節(jié)能減排”的目標(biāo)。那么，是否一定要邁出這一大步？

氣候目標(biāo)是雄心勃勃的：歐盟希望到2050年能夠?qū)崿F(xiàn)氣候中立，而德國則規(guī)定到2045年必須實(shí)現(xiàn)氣候中立的目標(biāo)。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，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(fèi)用：據(jù)德國聯(lián)邦工業(yè)聯(lián)合會(huì)（BDI）的研究報(bào)告 “氣候之路2.0”計(jì)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(zhuǎn)型，需要大規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施擴(kuò)建，估計(jì)還需要花費(fèi)1 450億歐元。

不能光是被這些數(shù)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?yàn)椴环e跬步無以至千里。自動(dòng)化公司也早已清楚，他們的技術(shù)目前已經(jīng)可以加速綠色轉(zhuǎn)型。例如，德國電氣電子行業(yè)協(xié)會(huì)（ZVEI）指出，在德國僅在工業(yè)部門，利用現(xiàn)有的能源效率技術(shù)，每年至少可以節(jié)省200 TW·h的能源——這大約是德國工業(yè)總能源需求的30%。

這是否也適用于流程工業(yè)？畢竟，能源效率在行業(yè)中并不算什么新鮮事了?！拔覀円恢痹谑褂米詣?dòng)化和控制技術(shù)來推動(dòng)流程工業(yè)接近其最佳狀態(tài)。而且能清楚地感覺到，在過去的10年里，人們對(duì)相關(guān)技術(shù)的接受程度明顯提高?！?贏創(chuàng)Marl運(yùn)營部數(shù)字工藝技術(shù)副總裁Kai Dadhe博士說，“與此同時(shí)，由于能源價(jià)格高漲，相應(yīng)技術(shù)的經(jīng)濟(jì)使用門檻將進(jìn)一步下降?！?/p>

此外，還有一些其他變化：“借助現(xiàn)代先進(jìn)的控制技術(shù)，流程可以更好地運(yùn)行，更接近其能量的最佳狀態(tài)，并且可以連續(xù)運(yùn)行24 h，這在傳統(tǒng)控制技術(shù)中是無法實(shí)現(xiàn)的。作為未來的挑戰(zhàn)，我們看到基于機(jī)器學(xué)習(xí)或人工智能的創(chuàng)新控制技術(shù)目前已成功應(yīng)用于試點(diǎn)項(xiàng)目，并支持7×24 h不間斷工業(yè)運(yùn)行?！盌adhe說，“應(yīng)該指出的是，在流程工業(yè)中，通過替代生產(chǎn)工藝和設(shè)備或價(jià)值鏈，可以實(shí)現(xiàn)顯著價(jià)值從而節(jié)省更多的能源。然而，如果企業(yè)已具備足夠的傳感器、執(zhí)行器和基本自動(dòng)化，則投資回報(bào)時(shí)間通常會(huì)短于1年，這一事實(shí)有利于使用復(fù)雜的控制技術(shù)?！?/p>

流程工業(yè)盡管其高能源需求面臨著特殊的挑戰(zhàn)，但同時(shí)也提供了許多應(yīng)用領(lǐng)域。對(duì)于Vega新能源業(yè)務(wù)發(fā)展部的Roland Bonath先生來說，這些領(lǐng)域也包括了直接發(fā)電和供熱，以及耗能的鋼鐵、水泥和造紙工藝，甚至航運(yùn)業(yè)：“在這些領(lǐng)域，正確的測量技術(shù)可以顯著提高流程效率，同時(shí)也更環(huán)保?！?/p>

利用傳感器和自動(dòng)化技術(shù)，正確并精準(zhǔn)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(huán)經(jīng)濟(jì)。“當(dāng)前，正確的自動(dòng)化技術(shù)就已經(jīng)能為綠色轉(zhuǎn)型作出貢獻(xiàn)。通過有效利用流程數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)，可以節(jié)約所有資源。”Hans Turck公司過程自動(dòng)化大客戶經(jīng)理Jan Gubini先生對(duì)此深信不疑。這家從傳感器到云端的數(shù)據(jù)收集、傳輸和預(yù)處理專家，通過其解決方案，可以支持可持續(xù)、經(jīng)濟(jì)地使用資源。從長遠(yuǎn)來看，Gubini先生認(rèn)為利用清潔能源（如氫氣或太陽能）的綠色轉(zhuǎn)型是正確的道路。但在這之前，數(shù)字化概念有助于簡化數(shù)據(jù)的評(píng)估。Gubini先生分享了他作為裝配工參與的化工和發(fā)電設(shè)備的大修經(jīng)驗(yàn)。“在大修期間，需要關(guān)閉一個(gè)完整的設(shè)備部件，以便更換所有的部件，這必然會(huì)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(shù)據(jù)，以便有針對(duì)性地關(guān)閉小型設(shè)備部件。這樣的話，整個(gè)系統(tǒng)不必跟著停機(jī)?！蓖ㄟ^對(duì)選定的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行有針對(duì)性的狀態(tài)監(jiān)測和預(yù)測性維護(hù)措施，甚至可以減少非計(jì)劃的系統(tǒng)停機(jī)時(shí)間。

當(dāng)前市場上已有一些技術(shù)可以支持這種方法。APL、NOA、MTP和管理程序?yàn)槟茉葱史矫娴牧鞒虄?yōu)化或?yàn)楸O(jiān)測和優(yōu)化提供數(shù)據(jù)。在這方面，萬可（Wago）的數(shù)字工廠部門行業(yè)和大客戶管理主管Lukas D?kel先生則把注意力轉(zhuǎn)向了數(shù)據(jù)的透明度和分析?！拔覀冎С止S創(chuàng)建并運(yùn)營綠色轉(zhuǎn)型：在使用MTP設(shè)計(jì)工藝模塊時(shí)，重點(diǎn)應(yīng)放在工藝模塊的可重復(fù)使用性和可擴(kuò)展性上面。而在運(yùn)營方面，通過對(duì)負(fù)荷、能源和流程的監(jiān)測以及對(duì)節(jié)約潛力的分析，可以優(yōu)化能效潛力。”

精確的流程控制

如果對(duì)大量參數(shù)進(jìn)行精確監(jiān)測，可以促使流程工藝更接近其最佳狀態(tài)。對(duì)此，Bonath先生舉了一個(gè)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(fā)進(jìn)行提取時(shí)，優(yōu)化控制的壓力和填充水平在實(shí)現(xiàn)最大限度的方面中發(fā)揮了重要作用?？煽康囊何缓蛪毫鞲衅鞔_保了理想的工藝條件。”

正如 D?kel 先生說的那樣，不僅要關(guān)注測量值，也要關(guān)注電價(jià)。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(shù)進(jìn)行負(fù)荷和消耗控制。分離氧氣和氮?dú)獾倪^程

自動(dòng)化技術(shù)對(duì)綠色轉(zhuǎn)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(shí)候運(yùn)行這些流程。為此，需要對(duì)電力市場進(jìn)行分析，并包括電力交換的價(jià)格。然后，當(dāng)可以廉價(jià)獲得可再生能源時(shí)，分解過程得以實(shí)現(xiàn)。D?kel 先生舉了另一個(gè)例子，說明自動(dòng)化和數(shù)字化技術(shù)如何為去碳化奠定基礎(chǔ)：Endress+Hauser公司主要提供的木材燃燒系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合了Wago公司的能源數(shù)據(jù)管理，這使得工藝熱能的集成完全透明，并可以集成到現(xiàn)有系統(tǒng)中。這是資源節(jié)約型運(yùn)營的基礎(chǔ)，也是為工廠提供眾多融資機(jī)會(huì)的基礎(chǔ)。

數(shù)字化提高了效率

ABB過程自動(dòng)化能源部業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理Bruno Theimer先生深信，計(jì)量數(shù)字化將提高能源使用效率，并有助于同步增加分散和不穩(wěn)定的能源生產(chǎn)份額。最終，能源轉(zhuǎn)型也必須是一個(gè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。“能源轉(zhuǎn)型的重點(diǎn)將會(huì)放在具有高度靈活性和可擴(kuò)展性的解決方案上面。對(duì)于流程工業(yè)來說，這意味著，除了能源管理系統(tǒng)之外，還可以利用智能驅(qū)動(dòng)解決方案的各種可能性或者利用人工智能改善流程?！蓖ㄟ^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(yùn)營成本。這使得優(yōu)化控制一個(gè)站點(diǎn)的整個(gè)發(fā)電、消費(fèi)和能源儲(chǔ)存成為可能。為此，系統(tǒng)根據(jù)預(yù)測數(shù)據(jù)計(jì)算最佳的能量流，并對(duì)能量消耗的偏差進(jìn)行補(bǔ)償。這種模式的優(yōu)點(diǎn)在于：它作為一個(gè)學(xué)習(xí)的系統(tǒng)，可以從運(yùn)營數(shù)據(jù)中得出結(jié)論，并且在很大程度上是自主工作的。

氫能是未來

自動(dòng)化專家們也參與到替代能源的轉(zhuǎn)變中。Endress+Hauser是歐洲清潔氫聯(lián)盟的成員，并深入?yún)⑴c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(chǔ)介質(zhì)，色氫氣是許多行業(yè)去化石化或脫碳的一個(gè)關(guān)鍵因素。“在集裝箱系統(tǒng)和大型工廠的電解槽中生成氫對(duì)測量技術(shù)提出了特殊要求，Endress+Hauser公司的產(chǎn)品、解決方案和服務(wù)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(qū)域行業(yè)經(jīng)理 Jens Hundrieser先生舉了一個(gè)例子。這些儀器包括用于所需過程安全的經(jīng)過防爆和SIL認(rèn)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(shù)字服務(wù)。此外，該公司還提供檢測技術(shù)，這是一個(gè)全面的診斷和設(shè)備驗(yàn)證概念，有助于提高系統(tǒng)性能，同時(shí)降低運(yùn)營成本。

Bonath先生說：“無論如何，測量和自動(dòng)化的重要性都不應(yīng)該被低估。例如，‘綠色’氫的生產(chǎn)只有在具有經(jīng)濟(jì)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(shù)，相關(guān)電解過程的產(chǎn)量可以顯著提高。其結(jié)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(dāng)然不僅適用于氫能技術(shù)，也適用于所有面臨綠色轉(zhuǎn)型的過程。