IM Laufe der Geschichte hatten Ingenieure einen tiefgreifenden Einfluss auf die Gesellschaft und die Welt. Seit den alten Griechen und Römern hat Ingenieurskunst die Volkswirtschaften, die Imperien unterstützten, ermöglicht und vorangetrieben. Die erste und zweite industrielle Revolution brachten die Formalisierung des Ingenieurberufs mit sich. Was es bedeutet, Ingenieur zu sein, wurde mit den Auswirkungen der großen Herausforderungen verbunden, die zu dieser Zeit angegangen wurden.
Diese ‚Großen Herausforderungen‘ haben das, was es bedeutet, Ingenieur zu sein, bewusst oder auf andere Weise geprägt. Das Bauingenieurwesen entstand aus dem Bestreben, Technologien, die für militärische Zwecke entwickelt wurden, zum Nutzen einer breiteren Zivilgesellschaft anzuwenden. Die Industrialisierung führte zu neuen Spezialisierungen im Maschinenbau und später in der Elektrotechnik. In jüngerer Zeit erforderte die Entstehung energieintensiver Industrien eine neue Generation von Disziplinen, einschließlich unserer eigenen Chemie- und Verfahrenstechnik. Während wir uns durch eine vierte Revolution bewegen, die auf Daten und Kommunikation basiert, wird zweifellos eine weitere Reihe von Disziplinen entstehen.
Als Beruf sollten wir sehr stolz auf das sein, was wir erreicht haben: Milliarden wurden aus der Armut befreit; Bildung und Gesundheit sind in den meisten Ländern zur erwarteten Norm geworden; Volkswirtschaften leben von Innovation und Kreativität. Aber wir müssen auch die Verantwortung für die Auswirkungen des Fortschritts übernehmen: Umweltverschmutzung gefährdet Ökosysteme auf der ganzen Welt; es gibt eine beispiellose Erschöpfung nicht erneuerbarer Ressourcen; und vor allem bedrohen Klimaveränderungen und globale Erwärmung die Existenz der Gesellschaft. Vielleicht stehen wir zum ersten Mal in der Geschichte vor einer großen Herausforderung, die wir selbst gestellt haben!
Bekämpfung des Klimawandels
Die Weltgemeinschaft hat keine Ambitionen oder Dringlichkeit, wenn es um den Klimawandel geht. Seit über dreißig Jahren hat der Weltklimarat (IPCC) die wissenschaftlichen Argumente für den Klimawandel dargelegt, den globalen Temperaturanstieg begrenzt und die Treibhausgasemissionen reduziert. Das Pariser Abkommen von 2015 wurde von fast jeder Nation verabschiedet und verpflichtete sich, den globalen Temperaturanstieg auf unter 2 ° C zu begrenzen und gleichzeitig Mittel zu verfolgen, um ihn auf 1.5 ° C zu begrenzen. Doch bei fast allen Bemühungen – dem Ausbau erneuerbarer Energien, der Wiederankurbelung der Kernenergie oder dem Einsatz von Kohlenstoffabscheidung, -nutzung und –speicherung (CCUS) – hinken wir derzeit den erforderlichen Bahnen hinterher, während die absoluten globalen Emissionen weiter steigen. Ehrgeiz und Dringlichkeit reichen nicht aus, wir brauchen auch pragmatische Lösungen.
Im Jahr 2009 stellte ein Team der Universität Cambridge, besorgt über den Mangel an wirklichen Fortschritten, die einfache Frage: Was würde einen großen Unterschied machen? Sie fanden heraus, dass die globalen Kohlenstoffemissionen durch drei fast gleiche Aktivitäten verursacht wurden: energieverbrauch in Gebäuden, in Fahrzeugen und in der Industrie. Für Gebäude und Fahrzeuge waren Effizienzverbesserungen und Technologiewechsel klare technische Wege zur Emissionsreduzierung, aber die Industrie war bereits relativ effizient, verfügte über wenige praktikable Produktionsalternativen und sah sich einem erheblichen zukünftigen Wachstum der Materialnachfrage gegenüber. Als solche wurde die Industrie als ’schwer zu dekarbonisieren‘ bezeichnet.
Das gefeierte Buch des Cambridge-Teams, Nachhaltige Materialien: Mit beiden Augen offen (Allwood et al. 2012), skizziert die Dekarbonisierungsherausforderungen der Industrie und überprüft alle verfügbaren Optionen. Das Buch stellt zwei Ansätze vor. ‚With one eye open‘ beschreibt eine Reihe von technischen Optionen, die verfolgt werden: Energieeffizienz, Wärmefang, neuartige Prozesswege, CCUS und dekarbonisierter Strom. Das Team modellierte die Flugbahnen dieser Technologien bis 2050 für fünf Materialien. Wenn jede Technologie in jeder Branche bis an ihre technische Grenze eingesetzt würde, könnten die Emissionen pro Tonne Material halbiert werden. Es wird jedoch erwartet, dass sich die Nachfrage nach diesen Materialien bis 2050 verdoppeln wird, was zu absoluten Emissionseinsparungen von Null führt. Das ist eindeutig ein Problem!
‚With both eyes open‘ skizziert eine Reihe alternativer Minderungsoptionen, die unter dem Motto ‚Material efficiency‘ zusammengefasst sind: konstruktionsbedingt weniger Material verwenden, Ertragsverluste reduzieren, Produktionsschrott umleiten, Metallkomponenten wiederverwenden, Produkte mit längerer Lebensdauer herstellen und den Endbedarf senken. Diese sechs Optionen wurden von der Industrie traditionell übersehen, doch mit neuen Geschäftsansätzen und -modellen könnten diese rentabel werden und Emissionen mindern. Die Modellierung dieser Optionen war eine Herausforderung, aber die Ergebnisse zeigten, dass die Verfolgung der Materialeffizienz in den fünf Materialien die Emissionen pro Tonne Material bis 2050 halbieren könnte. Die Kombination beider Optionen (ein Auge und beide Augen offen) könnte zu einer Reduzierung der Emissionen pro Tonne um 75% führen, was einer Halbierung der absoluten Emissionen entspricht — ein echter Fortschritt!
Beide Ansätze stehen vor erheblichen Herausforderungen, und es ist noch viel Aufwand erforderlich, um eine Option in großem Maßstab erfolgreich bereitzustellen.
Eine Schlüsselfrage, die sich aus dieser Analyse ergibt, lautet: Was sollte die Industrie tun? Die Reduzierung von Ertragsverlusten in der Metallindustrie ist ein guter Anfang: Derzeit gelangen 25% des gesamten Stahls und 50% des gesamten Aluminiums nie in ein Produkt, sondern werden innerhalb der Anlage wieder aufgeschmolzen, wodurch Energie verschwendet und unerwünschte Emissionen erzeugt werden. Eine andere besteht darin, die Lücke zwischen den Anlagen mit der besten und der schlechtesten Leistung zu schließen, die in einigen Branchen bis zu 30% betragen kann. Dies erfordert einen neuen methodischen Ansatz, der die Wechselwirkungen zwischen Energie und Materialien in Prozessanlagen berücksichtigt und eine vergleichbare Metrik liefert, wie effizient Pflanzen Ressourcen (Energie und Materialien) in Produkte umwandeln. Ressourceneffizienz bietet einen solchen Ansatz.
Ressourceneffizienz
Die Verbesserung der industriellen Ressourceneffizienz ist eine der kostengünstigsten Optionen, um gleichzeitig die Verschwendung knapper und toxischer Ressourcen zu vermeiden, Betriebskosten und CO2-Emissionen zu senken und die Reaktionsfähigkeit auf zukünftige Klimaregulierungen zu verbessern. Tatsächlich ist das Verständnis des aktuellen Zustands der Ressourcennutzung einer Anlage, der Faktoren, die sie antreiben, und der Möglichkeiten, sie zu minimieren, eine Voraussetzung dafür, dass Unternehmen wettbewerbsfähig bleiben.
Die gute Nachricht ist, es gibt überwältigende Beweise dafür, dass das Verbesserungspotenzial von Kreislauf- und Ressourceneffizienzmaßnahmen in der Prozessindustrie enorm ist. Die derzeitigen Metriken sind jedoch ineffektiv: Sie werden kritisiert, weil sie die Energie- und Umweltauswirkungen von Verbesserungsmaßnahmen nicht angemessen quantifizieren. Darüber hinaus bieten diese Kennzahlen in der Regel Einblicke auf nationaler oder globaler Ebene, sind jedoch nur schwer auf die ressourcenintensive Materialproduktion anzuwenden. Für solche Industrien bedeutet die Anwendung von Kreislaufstrategien zur Reduzierung von Emissionen in der Praxis die Reduzierung des gesamten Ressourceneinsatzes und der Verschwendung von (Energie und Materialien) pro Tonne Produkt.
Wir wissen, dass das Messen das Dogma der industriellen Produktion ist. Um die Zuverlässigkeit, Sicherheit oder Produktionsqualität eines Unternehmens zu verstehen, müssen die relevanten Leistungsmetriken verfolgt werden. Ressourceneffizienz ist nicht anders. Der erste Schritt, um ressourceneffizienter zu werden, besteht darin, eine Nummer darauf zu setzen. CEOs aus ressourcenintensiven Sektoren stehen zunehmend unter dem Druck der Aktionäre, offenzulegen, wie sie sich auf die kohlenstoffarme Wirtschaft vorbereiten und ihre nachhaltigen Geschäftsstrategien demonstrieren. Dieser Druck führt dann zu Anforderungen an die Bauleiter, ihre betriebliche Ressourceneffizienz zu quantifizieren. Manager haben jedoch Schwierigkeiten, eine aussagekräftige Metrik zu finden.
Wie kann ein Unternehmen also seine integrierte Ressourceneffizienz adäquat messen? Zusammen mit der University of Cambridge hat Emerson eine technische Lösung entwickelt, die auf etablierter Thermodynamik basiert. Obwohl diese Methode (allgemein bekannt als Exergie oder Verfügbarkeit) in den 1900er Jahren entwickelt wurde, hat sie in den letzten zwei Jahrzehnten eine Renaissance erlebt.
Der Ansatz verfolgt die Ressourcennutzung über ganze Produktionssysteme hinweg und charakterisiert Ressourcen als eine Kombination aus zwei Komponenten: ein chemischer Anteil, basierend auf der Zusammensetzung und Konzentration der Ressource; und ein physikalischer Teil, der die Temperatur und den Druck der Ressource berücksichtigt. Durch die Verwendung der Thermodynamik zur Disaggregation chemischer und physikalischer Ressourcenkomponenten können wir sowohl die Qualität als auch die Quantität dieser Ressourcen messen. Dies ist wichtig, da nicht alle Ressourcen gleich wertvoll sind. Wir wollen sicherstellen, dass die Maßnahmen zur Effizienzsteigerung, die wir identifizieren, sich auf die Ressourcen konzentrieren, die den größten Unterschied bei den CO2-Emissionen bewirken.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Energieintensitäts- oder Materialeffizienzmetriken integriert dieser neue Indikator Energie- und Materialflüsse in einer einzigen, dimensionslosen Zahl. Dabei werden mehrere KPIs konsolidiert, die derzeit die Ressourcennutzung aus verschiedenen Blickwinkeln messen. Dadurch werden die Produzenten in die Lage versetzt, die richtigen Entscheidungen zur richtigen Zeit zu treffen, während sie gleichzeitig die verfügbaren Effizienzoptionen erweitern und unvermeidbare Kompromisse eingehen.
Auf dieser Grundlage können wir jetzt die Ressourceneffizienz als Verhältnis von nützlichen Ressourcenausgaben zu Ressourceninputs messen. Die Ergebnisse dieser Methoden basieren auf genauen Energie- und Materialflusssensordaten und werden durch strenge Datenerfassungs-, Reinigungs- und Analyseprozesse untermauert.
Mit einem aussagekräftigen Maß an Ressourceneffizienz können Unternehmen ihre Ressourceneffizienz nun von unten nach oben steuern und verfolgen – sei es durch Echtzeit–Managementsysteme, betriebliche Leistungsüberprüfungen oder die Entwicklung branchenweiter Benchmarks. Die Integration aller drei Aktivitäten entlang der Managementleiter und entlang der Wertschöpfungskette wäre ideal.
Engineering neu definiert
Wir haben enorme Fortschritte gemacht, um die Prozessindustrien, in denen wir arbeiten, sicher zu machen. Wir müssen jetzt das Problem des Klimawandels und der Klimaneutralität mit der gleichen Entschlossenheit angehen. Im Berufsgedächtnis vieler von uns prägten schwere Verletzungen und Todesfälle den Betrieb der Prozessindustrie. Es wurden und werden außerordentliche Anstrengungen unternommen, um dieses Problem anzugehen. Die Idee von Null Verletzungen hat sich von einem wilden Streben zur erwarteten Norm entwickelt, wobei die Sicherheit im Mittelpunkt eines jeden Chemieingenieurs steht. Wir haben uns mit Praktiken, Verfahren und Vorschriften umgeben, die dieses Denken institutionalisieren und kontinuierliche Verbesserungen sicherstellen, aber zu welchen Kosten für unseren Beruf?
In den letzten 30-40 Jahren haben sich die bestimmenden Eigenschaften von Ingenieuren verändert. Da Verfahren automatisiert und institutionalisiert und Sicherheitspraktiken standardisiert und formelhaft geworden sind, argumentieren einige, dass Ingenieure das Spektrum von Regelbrechern und Regelmachern zu überwiegend Regelfolgern hinuntergerückt sind. Effizienz und Konformität haben Innovation und Kreativität als die wertvollsten Eigenschaften überholt.
Ironischerweise stehen wir, da unsere Bereitschaft und Fähigkeit als Beruf zur Innovation abnimmt, vor der vielleicht größten Herausforderung von allen – wie wir unseren Planeten vor den Auswirkungen des Klimawandels schützen können, ohne die Wirtschaftssysteme zu schädigen, die so viel getan haben, um Menschen aus der Armut zu befreien. Es gab noch nie einen dringenderen Bedarf an den Qualitäten und Fähigkeiten, die Ingenieurwesen und Ingenieure seit Jahrhunderten definieren. Wir müssen unser Erbe wiederentdecken und lernen, Risikobereitschaft und alternatives Denken zu belohnen – ohne Kompromisse bei der Sicherheit einzugehen. Wir müssen einen erneuerten Sinn für Regelbildung fördern und lernen, ein angemessenes Maß an Regelverstößen zu tolerieren und zu bewältigen – denn wenn wir es nicht tun und unserer Verantwortung für und unserer Fähigkeit, den Klimawandel zu beeinflussen, nicht gerecht werden, gibt es keine alternativen Gruppen mit dem Wissen und der Expertise, die notwendig sind, um unseren Platz einzunehmen.
Im Mittelpunkt steht dabei die anhaltende Notwendigkeit, die richtigen Talente zu gewinnen, zu entwickeln und im Beruf zu halten.
Wir müssen insbesondere diejenigen fördern und unterstützen, die die Denkweise haben, Verhaltensweisen herauszufordern und die neuen Regeln für die Bewältigung dieser jüngsten großen Herausforderung unerlässlich zu machen.
Die öffentliche Wahrnehmung unserer Branche ist falsch und fehlgeleitet, und wir müssen sicherstellen, dass wir den Mythos nicht verewigen. Es gibt eine Grundwelle von Aktivitäten von Ingenieuren und der Industrie, um diese größten Herausforderungen anzugehen – Zusammenarbeit durch Organisationen und Allianzen wie die Oil & Gas Climate Initiative (OGCI) und die Task Force on Climate-related Disclosures (TFCD), um sicherzustellen, dass die Fortschritte so schnell und wirkungsvoll wie möglich sind. IChemE hat seine eigene Strategie überarbeitet, um sie an die Ziele der Vereinten Nationen für nachhaltige Entwicklung und die großen Herausforderungen anzupassen (schauen Sie sie sich an, wenn Sie nicht wissen, was sie sind).
Wir werden diese Themen fortsetzen und beginnen, das Gespräch auf der APAC 2019 zu verändern, wo sich führende Persönlichkeiten aus dem Bereich der Prozessautomatisierung und -steuerung treffen werden, um so unterschiedliche Themen wie Nachhaltigkeit, neue Technologien und Cybersicherheit zu betrachten. Weitere Informationen finden Sie unter: https://www.icheme.org/career/events/advances-in-process-automation-and-control/