Ziel der Entwicklung
Die Herstellung von mitteldichten Faserplatten ist durch eine komplexe Abfolge mechanischer, thermischer und stofflicher Prozessschritte gekennzeichnet. Dabei werden erhebliche Mengen an Holz, Bindemitteln, Additiven sowie thermischer und elektrischer Energie eingesetzt. Gleichzeitig bestehen zwischen diesen Stoff- und Energieströmen starke Wechselwirkungen. So beeinflusst bspw. der Feuchtegehalt der Hackschnitzel nicht nur die zu verarbeitende Materialmasse, sondern auch den Energiebedarf für Erwärmung, Entwässerung, Zerfaserung und Trocknung. Vergleichbare Abhängigkeiten bestehen zwischen Rohstoffzustand, Refinerbetrieb, Fasertrocknung, Beleimung, Mattenbildung und Heißpressprozess. Eine isolierte Optimierung einzelner Anlagenabschnitte kann daher zu einer Verlagerung des Stoff-oder Energiebedarfs in andere Prozessbereiche führen. Der wirtschaftliche Impuls für das Vorhaben ergab sich insbesondere aus dem zunehmenden Kosten- und Effizienzdruck in der Holzwerkstoffindustrie. Bereits zum Zeitpunkt der Antragstellung wurde eine starke Veränderung der Rohstoffsituation festgestellt. Nach einer zeitweisen Überversorgung des Holzmarktes infolge vorangegangener Schadereignisse war eine erneute Verknappung und Verteuerung des Rohstoffs Holz zu beobachten. Gleichzeitig besteht ein Wettbewerb zwischen stofflicher und energetischer Holznutzung. Für MDF-Hersteller ergibt sich daraus die Notwendigkeit, den vorhandenen Rohstoff möglichst effizient zu nutzen. Parallel dazu stellen die Bereitstellung thermischer und elektrischer Energie wesentliche Kostenfaktoren der Produktion dar. Als zentrale wirtschaftliche Stellgrößen wurden deshalb im Projektantrag die Energieoptimierung sowie die optimale Ausnutzung von Holz, Bindemitteln und Additiven identifiziert. Für beide Aufgaben fehlte jedoch eine gemeinsame, physikalisch begründete Entscheidungsgrundlage. Das zu lösende Problem bestand darin, dass die Stoff- und Energieströme eines industriellen MDF-Prozesses trotz umfangreicher Anlagen- und Sensortechnik nur punktuell erfasst und bewertet werden konnten. Einzelne Temperaturen, Drücke, Feuchten, Durchflüsse oder Leistungswerte standen zwar im Prozessleitsystem zur Verfügung, ermöglichten für sich genommen jedoch keine geschlossene Bewertung des gesamten Herstellprozesses. Hinzu kam, dass die vorhandenen Messgrößen aus unterschiedlichen Anlagenbereichen und Prozessleitsystemen stammen und zum Teil unterschiedliche Bilanzgrenzen besitzen. Eine übergeordnete Aussage darüber, an welcher Stelle des Prozesses tatsächlich relevante Stoff-oder Energieverluste entstehen und welche Auswirkungen eine Veränderung eines Prozessparameters auf nachfolgende Prozessschritte hat, war dadurch nur eingeschränkt möglich.
Ziel der Entwicklung war deshalb ein modulares Bilanzmodell, das den MDF-Herstellprozess in physikalisch beschreibbare Teilbereiche zerlegt und die dort auftretenden Massen-, Stoff- und Energieströme systematisch miteinander verknüpft. Hierzu wurden sieben Prozessmodule für Holzaufbereitung, Zerfaserung und Klebstoffapplikation, Faseraufbereitung, Mattenbildung, Pressen, Nachbehandlung und Energieerzeugung betrachtet. Für die einzelnen Module sollten vorhandene Sensorwerte genutzt, fehlende Messgrößen identifiziert und bei Bedarf durch zusätzliche Sensorik oder ergänzende Messungen erschlossen werden. Aus den gemessenen Zustandsgrößen werden nicht direkt erfassbare Massen- und Enthalpieströme berechnet. Über definierte Schnittstellen lassen sich die Teilbilanzen anschließend zu einer übergeordneten Bewertung des Herstellprozesses verbinden. Im Projektverlauf wurde dieser Ansatz gegenüber der ursprünglichen Planung wesentlich weiterentwickelt. Statt den Prozess überwiegend anhand eines Idealproduktes oder einzelner repräsentativer Betriebszustände zu beschreiben, wurde eine zeitaufgelöste Verarbeitung realer industrieller Prozessdaten umgesetzt. Für die abschließende Bewertung konnten 1.440 aufeinanderfolgende Betriebszustände eines vollständigen Produktionstages mit einer Auflösung von einer Minute verarbeitet werden. Dadurch bildet das entwickelte System die tatsächlich auftretenden Schwankungen von Durchsatz, Rohstoffzustand, Temperaturen, Stoffströmen und Energiebedarf ab.
Die Entwicklung verfolgt damit nicht das Ziel, lediglich einen Gesamtenergieverbrauch zu bestimmen. Vielmehr sollte ein Analysewerkzeug geschaffen werden, mit dem sichtbar wird, in welchem Prozessabschnitt ein bestimmter Stoff-oder Energiebedarf entsteht, wie sich Änderungen eines Betriebszustands auf die Prozesskette auswirken und an welchen Stellen technisch sinnvolle Optimierungsansätze bestehen. Die ergänzende Visualisierung unterstützt diese Lokalisierung. Das entwickelte Bilanzmodell schafft somit eine daten-und physikbasierte Entscheidungsgrundlage für eine ressourcen-und energieeffizientere MDF-Produktion und ermöglicht es, Optimierungsmaßnahmen nicht isoliert, sondern unter Berücksichtigung ihrer Auswirkungen auf den Gesamtprozess zu bewerten.
Vorteile und Lösungen
Das Entwicklungsziel wurde durch einen modularen Lösungsansatz erreicht. Anstatt den gesamten MDF-Herstellprozess als eine einzige, schwer überschaubare Anlage zu betrachten, wurde er in sieben technisch abgegrenzte Bereiche unterteilt. Für jeden Prozessabschnitt wird ermittelt, welche Stoffe und Energiemengen zugeführt, welche abgeführt werden und welche Veränderungen innerhalb des Abschnitts stattfinden. Anschließend werden die Einzelbilanzen über definierte Schnittstellen miteinander verbunden. Dadurch können sowohl einzelne Prozessschritte als auch deren Zusammenwirken im Gesamtprozess bewertet werden.
Grundlage des Modells bilden reale Prozessdaten aus der industriellen MDF-Produktion. Zunächst wurde untersucht, welche Messwerte bereits über die vorhandene Sensorik verfügbar waren und welche zusätzlichen Größen für eine belastbare Bilanzierung benötigt wurden. Fehlende Informationen wurden, soweit technisch sinnvoll, durch zusätzliche Sensorik, Vor-Ort-Messungen oder ergänzende Untersuchungen erschlossen. Beispielsweise wurden Feuchte und Temperatur der eintretenden Hackschnitzel zusätzlich erfasst. Auch der Quetschwasserstrom der Stopfschnecke konnte durch verbesserte Durchfluss- und Temperaturmessung sowie die Bestimmung des Feststoffgehaltes genauer beschrieben werden. Auf diese Weise konnten zunächst notwendige Annahmen schrittweise durch reale Messwerte ersetzt werden.
Nicht direkt messbare Größen werden aus physikalischen Zusammenhängen berechnet. Hierzu wurden für die einzelnen Module Massen- und Enthalpiebilanzen aufgebaut und in Excel-basierte Rechenmodelle überführt. Aus den vorhandenen Prozesswerten können damit beispielsweise Wasser- und Dampfströme, Wärmeübertragungen, Materialverluste oder spezifische Energiekennwerte bestimmt werden. Im Projektverlauf wurde der ursprünglich stärker auf einzelne Referenz- bzw. Idealzustände ausgerichtete Ansatz wesentlich weiterentwickelt. Dadurch werden die realen Schwankungen des Produktionsprozesses unmittelbar in der Bilanzierung berücksichtigt.
Ein wichtiger Entwicklungsschritt bestand auch darin, die ursprünglich vorgesehenen Laboransätze kritisch zu bewerten. Insbesondere für die Zerfaserung zeigte sich, dass Maßstabseffekte, thermische Ausdehnung und die schwierige Einstellung eines dauerhaft quasistationären Zustands an der Technikumsanlage eine direkte Übertragung einzelner Versuchsergebnisse auf die Großanlage erschwerten. Wo solche Zusammenhänge nicht ausreichend belastbar waren, wurde deshalb verstärkt auf direkte Messungen an der industriellen Anlage, zusätzliche Sensorik und eindeutig definierte Bilanzgrenzen zurückgegriffen. Dadurch wurde vermieden, das Gesamtmodell durch nicht ausreichend abgesicherte Korrekturfaktoren zu belasten.
Ein weiterer Vorteil des entwickelten Systems besteht darin, dass gleichzeitig die Qualität der verwendeten Prozessdaten überprüft werden kann. Die Teilbilanzen müssen auf physikalische Plausibilität kontrolliert werden. Dadurch können Sensorfehler, fehlerhafte Datenzuordnungen oder nicht einheitlich definierte Schnittstellen erkannt werden. Das Bilanzmodell dient somit nicht nur zur Berechnung von Stoff- und Energiekennwerten, sondern auch zur Prozess- und Datenkontrolle.
Durch die Visualisierung wird sichtbar, in welchen Prozessschritten besonders hohe Stoff- oder Energieumsätze, auffällige Schwankungen oder Bilanzabweichungen auftreten. Erkannte Auffälligkeiten können anschließend bis auf einzelne Mess- und Berechnungswerte zurückverfolgt werden. Dies erleichtert die Ableitung von Optimierungsmaßnahmen, da mögliche Einsparpotenziale nicht nur als Gesamtwert dargestellt, sondern dem jeweiligen Prozessabschnitt zugeordnet werden können.
Der entwickelte Lösungsansatz verbindet damit industrielle Prozessdatenerfassung, physikalische Bilanzierung, Plausibilitätsprüfung und Visualisierung zu einem gemeinsamen Analysewerkzeug. Der wesentliche Vorteil gegenüber einer rein punktuellen Betrachtung einzelner Sensorwerte besteht darin, dass Wechselwirkungen zwischen mehreren Prozessschritten berücksichtigt werden können. Damit entsteht eine belastbare Grundlage, um Rohstoff- und Energieeinsatz gezielter zu analysieren, Datenprobleme zu erkennen und technisch sinnvolle Optimierungsmaßnahmen für die MDF-Produktion abzuleiten.
Zielgruppe und Zielmarkt
Die primäre Zielgruppe der Entwicklung sind Unternehmen der Holzwerkstoffindustrie. Für diese Unternehmen bietet das entwickelte Bilanzmodell die Möglichkeit, vorhandene Prozessdaten nicht nur einzeln zu betrachten, sondern Stoff-, Massen- und Energieströme über mehrere Produktionsstufen hinweg physikalisch miteinander zu verknüpfen. Dadurch können Energie- und Stoffverbräuche auf die tatsächlich erzeugte Produktmenge bezogen, energetisch auffällige Betriebszustände lokalisiert und unplausible Sensorwerte oder Schnittstellen erkannt werden. Der Ansatz ist grundsätzlich auch auf weitere Holzwerkstofflinien übertragbar, sofern Bilanzgrenzen, Stoffzustände und Sensorstrukturen an den jeweiligen Prozess angepasst werden.
Eine zweite direkte Zielgruppe bilden Maschinen- und Anlagenbauer sowie Automatisierungs-, Software- und IT-Integratoren. Das Bilanzmodell ist dabei nicht als Ersatz vorhandener Prozessleitsysteme vorgesehen, sondern als zusätzliche physikalische Analyse- und Validierungsebene. Besonders relevant sind Retrofit-Projekte, Sensorik- und Energieaudits sowie die Ergänzung bestehender Datenplattformen um nachvollziehbare Massen- und Enthalpiebilanzen. Weitere Anwender sind Energie- und Verfahrenstechnikdienstleister, die Produktionsanlagen bewerten und Optimierungsmaßnahmen ableiten. Bindemittel- und Additivhersteller stellen eine ergänzende Zielgruppe dar, da sie Wechselwirkungen zwischen Rezeptur, Feuchte, Temperatur und Energieeinsatz anhand zeitaufgelöster Daten untersuchen können.
Der konkrete Nutzen für MDF-Hersteller besteht vor allem darin, Optimierungspotenziale dem verursachenden Prozessschritt zuordnen zu können. Für den untersuchten Produktionstag wurden beispielsweise spezifische thermische und elektrische Energiekennwerte bestimmt. Diese stellen keine allgemeingültigen Branchenwerte dar, ermöglichen aber standortspezifische Sensitivitätsanalysen. Bezogen auf das bereits im Projektantrag verwendete Referenzvolumen von 200.000 m³ MDF pro Jahr würde eine rechnerische Verringerung des thermischen Energieeinsatzes um 1 % einer Energiemenge von etwa 3,76 GWh/a entsprechen. Beim Refiner entspräche eine Verringerung des elektrischen Energiebedarfs um 1 % etwa 0,185 GWh/a. Diese Werte sind als Potenzialgrößen und nicht als garantierte Einsparungen zu verstehen. Der wirtschaftliche Nutzen hängt zusätzlich von Strompreisen, dem Wert der eingesetzten Holz- und Reststoffströme, Bindemittel- und Additivkosten sowie dem erzielbaren Produktwert ab.
Der Transfer in Anwenderunternehmen soll stufenweise erfolgen. Kurzfristig stehen Prozess- und Sensordaten sowie die standortspezifische Anpassung einzelner Module im Vordergrund. Dabei können vorhandene Messstellen bewertet, fehlende Messgrößen identifiziert, Bilanzmodule aufgebaut und zeitaufgelöste Stoff- und Energiekennwerte ermittelt werden. Mittelfristig ist die Pilotintegration in weiteren MDF-Werken vorgesehen. Hierzu sollen längere Produktionszeiträume ausgewertet, offene Schnittstellen vereinheitlicht, die elektrische Gesamtbilanz ergänzt und die Datenübernahme stärker automatisiert werden. Langfristig ist eine gemeinsame Industrialisierung mit Anlagenbauern, Automatisierungs- oder Softwarepartnern vorgesehen. Das IHD kann hierbei die physikalischen Bilanzmodelle, die Validierungslogik und die verfahrenstechnische Expertise bereitstellen, während Industriepartner die dauerhafte Datenanbindung und Integration in bestehende Systeme übernehmen. Fachveranstaltungen, Workshops, Veröffentlichungen, Abschlussarbeiten und die serverbasierte Visualisierung dienen zusätzlich dem Wissenstransfer und der Anbahnung von Folgeprojekten.
Für das IHD entstehen wirtschaftliche Verwertungsperspektiven insbesondere durch Prozessdaten- und Bilanzdienstleistungen, industrielle FuE- und Pilotprojekte sowie später durch Know-how-, Softwareintegrations- oder Nutzungsvereinbarungen.
Ein konkretes Anwendungsbeispiel liegt bereits durch die Umsetzung an dem im Projekt untersuchten industriellen MDF-Werk vor. Dabei konnten unter anderem eine systematische Abweichung an der Thermoölschnittstelle sowie eine inkonsistente Massenstromschnittstelle zwischen Mattenbildung und Pressen erkannt werden. Darüber hinaus wurde eine serverbasierte Visualisierung aufgebaut. Damit liegt bereits ein industriell erprobtes Anwendungsbeispiel für Analyse, Prozessdiagnose und die Lokalisierung von Optimierungspotenzialen vor; für einen vollautomatisierten, herstellerunabhängigen Regelbetrieb sind jedoch weitere Entwicklungs- und Integrationsschritte erforderlich.