Industrielle Gaslösungen für chemische Anlagen

Warum chemische Anlagen es sich nicht leisten können, die Gasversorgung als Massenprodukt zu behandeln

Die chemische Produktion basiert auf Einsatzstoffen, und für einen erheblichen Teil der Branche sind diese Einsatzstoffe Gase. Wasserstoff für die Hydrierung. Stickstoff für das Inertisieren und Abdecken. Sauerstoff für Oxidationsreaktionen. Synthesegas für die Methanol- und Ammoniakproduktion. Die Liste ist lang. Diese Gase sind keine Versorgungsleistungen wie Strom, die einfach ein- oder ausgeschaltet werden können. Sie sind Prozesszusätze mit spezifischen Reinheitsanforderungen, Druckvorgaben und Lieferzeitplänen, die die Produktionsraten und die Produktqualität unmittelbar beeinflussen.

Ein Chemiebetrieb, der seine technischen Gase als Rohstoff behandelt – also als etwas, das beim jeweils günstigsten Anbieter des Quartals beschafft wird – spielt ein gefährliches Spiel. Die Kosten einer ungeplanten Unterbrechung der Gasversorgung bemessen sich nicht in Euro pro Kubikmeter. Sie bemessen sich in Reaktorstillstandszeiten, Ausschussprodukten, Katalysatorverschleiß und den Personalkosten für den Neustart eines Prozesses, der niemals für eine Unterbrechung konzipiert wurde.

Die Industriegaslandschaft hat sich in den letzten Jahren erheblich verändert. Hersteller stehen unter Druck, ihre Emissionen zu senken, die Energieeffizienz zu verbessern und gleichzeitig bei alternder Infrastruktur und strengeren Umweltvorschriften Zuverlässigkeit sicherzustellen. Die Lösungen, die vor zehn Jahren noch funktionierten, reichen heute möglicherweise nicht mehr aus. Betreiber von Chemieanlagen müssen anders über die Sicherstellung und das Management ihrer Gasversorgung nachdenken.

Die Option der Eigenproduktion vor Ort versus die Lieferung durch einen Händler

Die erste wesentliche Entscheidung für jede Chemieanlage ist, ob Industriegase vor Ort erzeugt oder von einem Händler bezogen werden sollen. Beide Ansätze haben ihre Berechtigung, und die richtige Wahl hängt von der Anlagengröße, dem Verbrauchsmuster und den spezifisch benötigten Gasen ab.

Die vor-Ort-Erzeugung bietet dem Anlagenbetreiber direkte Kontrolle über die Produktion. Es besteht keine Abhängigkeit von der Leitungssicherheit oder dem Lieferzeitplan eines Dritten. Für große Verbraucher – beispielsweise eine Ammoniak-Anlage, die täglich Hunderte Tonnen Wasserstoff benötigt, oder einen Ethylen-Cracker, der massiv Sauerstoff verbraucht – sprechen die Wirtschaftlichkeitsüberlegungen in der Regel für die vor-Ort-Erzeugung. Die Anfangsinvestition ist höher, doch die Betriebskosten pro Gaseinheit sind geringer, und die Zuverlässigkeit liegt vollständig in der Hand des Betreibers.

Das Merchant-Supply-Modell hingegen ist sinnvoll für kleinere Verbraucher oder für Gase, die nur gelegentlich benötigt werden. Flüssiger Stickstoff, der per Lkw geliefert wird, ist beispielsweise eine praktikable Lösung für eine Anlage, die nur während Wartungsstillständen Inertgas benötigt. Die Kapitalinvestition ist minimal, und das Unternehmen muss keine Luftzerlegungsanlage bereitstellen, betreiben und warten, die meist im Teillastbetrieb läuft.

Doch die Lieferung durch Händler birgt eigene Risiken. Ein extremes Wetterereignis, das Autobahnen schließt, kann die Lieferung von Flüssiggas für Tage unterbrechen. Ein Produktionsproblem eines Lieferanten in dessen zentraler Anlage kann sich auf mehrere Kunden auswirken. Und in Regionen mit einer stark ausgelasteten Industriegasinfrastruktur kann der Wettbewerb um die Versorgung die Preise während Spitzenlastzeiten in die Höhe treiben.

Ein chemisches Werk an der Golfküste der USA erfuhr dies vor einigen Jahren während einer Hurrikan-Saison auf die harte Tour. Die Anlage war auf per Lkw gelieferten flüssigen Stickstoff für ihre Inertisierungs- und Spülgasträger angewiesen. Als der Sturm eintraf, brachen die Lieferungen fast eine Woche lang vollständig zusammen. Das Werk musste mehrere Einheiten stilllegen und verursachte erhebliche Kosten für den Neustart – ganz zu schweigen von der ausgefallenen Produktion während der Betriebsunterbrechung. Der Betreiber installierte anschließend eine kleine, ortseigene Stickstofferzeugungsanlage als Notversorgung; die Investitionskosten für diese Nachrüstung lagen jedoch deutlich über denen, die entstanden wären, hätte sie bereits in die ursprüngliche Planung eingeflossen.

Abstimmung der Gasreinheit auf die Prozessanforderungen

Nicht alle technischen Gase sind gleichwertig, und die Anforderungen an die Reinheit variieren stark je nach chemischem Prozess. Die Festlegung des richtigen Reinheitsgrades ist ein Ausgleich zwischen den Prozessanforderungen und den Kosten.

Für die meisten Inertisierungs- und Abdeckanwendungen ist Stickstoff mit einer Reinheit von 95–99 % vollkommen ausreichend. Der verbleibende Sauerstoffgehalt ist so gering, dass er weder die Verbrennung unterstützt noch die Oxidation empfindlicher Materialien verursacht. Eine Reinheit von 99,999 % ist für diese Anwendungen unnötig – sie erhöht die Kosten, ohne einen messbaren Nutzen zu bringen.

Bei bestimmten Spezialchemieprozessen sind die Reinheitsanforderungen jedoch weitaus strenger. Zum Beispiel erfordert halbleitergerechter Stickstoff Feuchtigkeits- und Sauerstoffgehalte im Bereich von Teilen pro Milliarde. Für die Ammoniaksynthese wird Wasserstoff mit sehr geringen Konzentrationen an Schwefelverbindungen benötigt, da diese andernfalls den Katalysator vergiften würden. Die Kosten für die Reinigung steigen exponentiell, je enger die Reinheitsspezifikation ist; daher besteht ein starker Anreiz, nur diejenige Reinheit vorzugeben, die der Prozess tatsächlich benötigt.

Die Reinheitsspezifikation beeinflusst ebenfalls die Wahl der Erzeugungstechnologie. Druckwechselsorption (PSA) kann Stickstoff mit einer Reinheit von 95–99,5 % erzeugen und weist dabei relativ geringe Investitionskosten auf. Membransysteme bieten vergleichbare Reinheitsbereiche bei noch niedrigeren Betriebskosten, erreichen jedoch möglicherweise nicht den oberen Bereich dieses Bereichs. Die kryogene Luftzerlegung ist die einzige Option für Stickstoff mit sehr hoher Reinheit (99,999 % und höher) sowie für große Mengen, bei denen sich die Skaleneffekte wirtschaftlich lohnen. Jede Technologie hat ihren optimalen Einsatzbereich; ein Auftragnehmer, der die jeweiligen Vor- und Nachteile kennt, kann dem Anlagenbetreiber helfen, die Gasqualität weder über- noch unterzuspezifizieren.

Zuverlässigkeitsengineering für kritische Gassysteme

Industrielle Gassysteme in chemischen Anlagen sind keine Einrichtungen, die nach der Inbetriebnahme ohne weitere Aufsicht betrieben werden können. Sie erfordern kontinuierliche Wartung, um ihre Zuverlässigkeit zu gewährleisten, und die Folgen eines Ausfalls können gravierend sein.

Eine Abschaltung der Wasserstoffzufuhr zu einem Hydrotreater führt beispielsweise nicht nur zum Stillstand dieser Anlage – vielmehr wirkt sich die Störung auf die gesamte Raffinerie aus. Die nachgeschalteten Einheiten, die auf hydrotrophierte Einsatzstoffe angewiesen sind, müssen ihre Durchsatzraten reduzieren oder ebenfalls herunterfahren. Der Neustart eines Hydrotreaters nach einer ungeplanten Abschaltung dauert mehrere Tage und erfordert sorgfältig gesteuerte Temperaturanfahrprofile sowie Verfahren zur Regeneration des Katalysators. Der Produktionsausfall summiert sich rasch.

Die Zuverlässigkeitsengineering für Industriegasanlagen beginnt mit Redundanz. Kritische Verbraucher sollten mindestens zwei unabhängige Versorgungsquellen besitzen – sei es durch zwei eigenständige, vor-Ort installierte Erzeugeranlagen, eine vor-Ort-Anlage kombiniert mit einer externen Backup-Versorgung durch einen Händler oder mehrere Lagertanks mit ausreichendem Füllstand, um die längste erwartete Unterbrechung der Versorgung abzudecken.

Doch allein Redundanz reicht nicht aus. Der Wechsel zwischen den Quellen muss nahtlos erfolgen, und die Bediener müssen in die entsprechenden Verfahren geschult sein. Ein Notfallsystem, das vier Stunden manuelle Ventilbedienung erfordert, um in Betrieb genommen zu werden, ist kein Notfallsystem – es ist ein Placebo.

Der andere Aspekt der Zuverlässigkeit ist die vorausschauende Wartung. Kompressoren, Expander und Reinigungsbehälter enthalten sämtlich Verschleißteile, die im Laufe der Zeit abbauen. Zustandsüberwachung – etwa durch Schwingungsanalyse, Öl-Analyse oder Temperatur-Trendanalyse – ermöglicht es, Probleme zu erkennen, bevor sie zu Ausfällen führen. Ein gut geführtes Industriegas-System wartet nicht, bis etwas kaputt geht, bevor es repariert wird. Der Wartungsplan basiert auf Daten – nicht auf Kalenderdaten oder auf nachträglichen Ausfällen.

Während einer Standortprüfung in einem chemischen Komplex im Mittleren Westen vor einigen Jahren stellte das Ingenieurteam fest, dass der Hauptluftverdichter der Stickstofferzeugungsanlage am Lager am Antriebsende erhöhte Schwingungswerte aufwies. Die Daten zeigten seit Wochen einen steigenden Trend, doch niemand hatte dies bemerkt. Das Team empfahl den Austausch des Lagers während der nächsten geplanten Anlagenabschaltung. Bei der Öffnung des Verdichters stellte sich heraus, dass der Lagerring gerissen war und kurz vor dem Ausfall stand. Der Austausch kostete einige tausend Dollar sowie einen Tag Stillstand, der bereits eingeplant war. Ein Ausfall im Betrieb hätte zehntausende Dollar an Notreparaturen sowie mehrere Tage unplanmäßigen Produktionsausfalls verursacht.

Die Rolle des EPC-Unternehmers bei der Integration industrieller Gase

Die Integration von Lösungen für industrielle Gase in eine chemische Anlage bedeutet nicht nur die Auswahl des richtigen Generators oder den Abschluss eines Liefervertrags. Vielmehr geht es darum, das Gassystem nahtlos in die übrigen Versorgungssysteme und Prozesse der Anlage zu integrieren.

Ein EPC-Unternehmer mit Erfahrung in Industriegasprojekten versteht die entscheidenden Schnittstellen. Das Gassystem benötigt Druckluft, Kühlwasser und elektrische Energie – allesamt stammt aus den Versorgungssystemen der Anlage. Die Anbindungsstellen müssen so ausgelegt sein, dass das Gassystem während des Anfahrens oder bei Störbedingungen keine unzulässigen Lasten auf die Versorgungssysteme ausübt. Die Steuerung muss in das verteilte Steuerungssystem der Anlage integriert werden, damit die Betreiber die Gasversorgung vom selben Bedienfeld aus überwachen und steuern können, das sie auch für alle anderen Prozesse nutzen.

Der Auftragnehmer muss außerdem die zukünftige Erweiterbarkeit berücksichtigen. Chemieanlagen bleiben selten während ihrer gesamten Betriebsdauer auf dem gleichen Produktionsniveau. Engpassbeseitigungsprojekte, Kapazitätserweiterungen sowie Änderungen im Produktsortiment wirken sich alle auf das Gasbedarfsprofil aus. Ein Gassystem, das ohne Spielraum für Wachstum konzipiert wurde, wird langfristig zur Einschränkung. Ein System hingegen, das modular und mit Reservekapazität ausgelegt ist, kann sich an veränderte Anforderungen anpassen, ohne vollständig neu gebaut werden zu müssen.

Zudem stellt sich die Frage, wie das Gassystem mit der Umweltleistung der Anlage zusammenhängt. Abblasströme aus Reinigungsprozessen, Entlastungsströme von Verdichtern sowie Spülgas beim Anfahren und Abschalten müssen alle im Einklang mit den Luftemissionsgenehmigungen behandelt werden. Ein Auftragnehmer, der die Einhaltung umweltrechtlicher Vorgaben lediglich als Pflichtübung statt als treibende Gestaltungsanforderung betrachtet, bereitet der Anlage betriebliche Schwierigkeiten – und mögliche Geldstrafen – vor.

Die richtige Investition in Gasinfrastruktur

Industrielle Gasmischungslösungen für chemische Anlagen stellen eine bedeutende Kapitalinvestition dar, und die Entscheidungen, die während der Planungsphase getroffen werden, haben langfristige Auswirkungen. Die Versuchung, bei der Gasanlage zu sparen – etwa durch den günstigeren Generator, das einfachere Steuerungskonzept oder den Lieferanten mit dem niedrigsten Erstpreis – ist verständlich. Doch handelt es sich oft um eine falsche Einsparung.

Die Gesamtbetriebskosten einer industriellen Gasanlage umfassen nicht nur die Anschaffungskosten, sondern auch die Betriebskosten, die Wartungskosten, die Kosten durch Ausfallzeiten sowie die Kosten für Qualitätsprobleme des Endprodukts infolge einer unzuverlässigen Gasversorgung. Eine Anlage, die zwar 10 % günstiger zu beschaffen ist, aber 15 % mehr Energie verbraucht und doppelt so häufig ausfällt, stellt keine Einsparung dar. Sie ist vielmehr eine Belastung.

Die Betreiber von chemischen Anlagen sollten Industriegaslösungen nicht nur anhand der ersten Kosten, sondern auch anhand der Lebenszykluskosten, der Erfolgsbilanz in Bezug auf Zuverlässigkeit und der nachgewiesenen Leistungsfähigkeit des Lieferanten oder Auftragnehmers bewerten. Referenzen von anderen Chemiebetrieben im ähnlichen Dienst sind mehr wert als glänzende Broschüren. Die Besuche vor Ort der bestehenden Anlagen verraten mehr über die tatsächliche Leistung als jeder Vorschlag.

Für chemische Anlagen, in denen Gasreinheit, Versorgungssicherheit und Integration in bestehende Systeme nicht verhandelbar sind, bietet Greenfir technische Lösungen, die durch ISO 9001, ISO 14001 und OHSAS 18001 Zertifizierungen unterstützt werden mit Schwerpunkt auf Mehrkomponenten-Gastrennung, -re .