Die 50 % - Idee
Vom Produkt zur Produktionsanlage in der halben Zeit
T. Bott
G. Schembecker
(BASF SE)
(TU Dortmund)
Jahrestreffen
PAAT-Fachgemeinschaft
2009, Weinheim
ProcessNet
Jahrestagung 2009, Mannheim
Vortragsinhalt
Einleitung
• Elemente eine Innovationsprojektes
• Definition der Projektphasen
• Typische Projektlaufzeiten
Ökonomische Effekte durch Laufzeitverkürzung
Ergebnisse des Tutzing-Symposions 2009
• Ideensammlung zur Laufzeitverkürzung
• Die 7 Thesen von Tutzing
Weitere Aktivitäten
2
From Product to Production –
Elements of an Innovation Project
Product Research
Process Development
Engineering & Construction
Operations
Time to market
Production
Basic
Engineering
Detail
Engineering
Construction
Realization
Process
concept /
modeling
Process
design /
pilot trials
Process
validation /
pilot trials
Process development
Product
development
Lab trials
Product development
time
3
From Product to Production –
Elements of an Innovation Project
Product Research
Process Development
Engineering & Construction
Commissioning of the plant
Operations
Time to market
Plant performance proven
Production
Basic
End of Product Research
Engineering
Lab process is operational
Detail
Engineering
Construction
Realization
Product
has
been produced
in desired quality
Process
Process
Process
concept /
modeling
design /
pilot trials
validation /
pilot trials
Business case is defined
Process development
Product
development
Lab trials
Product development
time
4
From Product to Production –
Elements of an Innovation Project
Product Research
Process Development
Engineering & Construction
Time to market
Operations
Procurement, Construction
Start-up
From Design to Plant Production
Basic
Detail
Basic andEngineering
Detail
Engineering
Construction
Engineering
From Process to Plant Design
Realization
Process
concept /
modeling
Process
design /
pilot trials
Process
validation /
pilot trials
Process Development
From Product to Process
Process development
Product
development
Lab trials
Product development
time
5
Typical Lead Times of the Elements of an
Innovation Project
Product Research and Development
----------------------------------------------------------------------------------------------
Process Development
24 – 48 months
Extended Basic Engineering
(incl. Conceptual Design)
12 – 24 months
Detailed Engineering & Procurement
10 – 18 months
Construction & Start-up
10 – 18 months
-----------------------------------------------------------------------------------------------
Σ
Product to Production
56 – 108 months
6
Challenges of Globalized Market
Growing market for fine chemicals and specialties
Products adapted to customers needs
• Smaller capacities
• Delocalized production
Market fluctuation increases
Growing low-cost competition (e.g. China and India)
Time to market is more and more crucial for economic success
Starting a 10 year lasting
innovation project equals
http://www.produktion.de
7
Economic Effect of Lead Time Reduction
Typical Base Chemical Design
(all figures as of today)
Investment: 30 Mio. €
Two scenarios: Lead time 10 years and 5 years
Operating cost: 40 Mio. €/a
Annual sales: 50 Mio. €/a
Typical financial conditions
8
Discounted Cash Flow Base Chemical Plant
Discounted Cash Flow [Mio. €]
100,0
80,0
60,0
34 Mio. €
40,0
20,0
BEP: year 7
0,0
-20,0
-40,0
-60,0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Invest: 30 Mio. €
Interest: 14 Mio. €
Year
9
Discounted Cash Flow Base Chemical Plant
Discounted Cash Flow [Mio. €]
100,0
Fast track
Slow track
80,0
60,0
48 Mio. €
34 Mio. €
40,0
20,0
BEP: year 5,5
BEP: year 7
0,0
-20,0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
-40,0
-60,0
Invest: 30 Mio. €
Interest: 8 Mio. €
Invest: 30 Mio. €
Interest: 14 Mio. €
Year
10
Discounted Cash Flow Base Chemical Plant
Fast track investment + 10 %
Discounted Cash Flow [Mio. €]
100,0
Fast track
Slow track
80,0
60,0
39 Mio. €
40,0
20,0
BEP: year 6,5
34 Mio. €
BEP: year 7
0,0
-20,0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
-40,0
-60,0
Invest: 33 Mio. €
Interest: 9 Mio. €
Invest: 30 Mio. €
Interest: 14 Mio. €
Year
11
Learning Points
Faster means savings
Don’t forget: once you have time, you safeguard more. Or in
other words: Projects under time pressure are often more
efficient!
Faster means less financial risk
Keep an eye on plant efficiency (in a pinch at the expense of
investment)
12
PAAT, Bad Honnef 2008
Das Vorbereitungsteam
• D. Agar, TU Dortmund
• T. Bott, BASF
• R. Goedecke, Dechema
• R. Handl, Evonik Degussa
• J. Kussi, BTS
• W. Marquardt, RWTH Aachen
• H. Schoenmakers
• G. Wozny, TU Berlin
• X. Wu, Dechema
• R. Zeppenfeld, Linde
14
Participants in the Symposion
Ca. 100 invited Participants
Product Research
Process Development
Owner Operators
Engineering & Construction
Operations
Time to market
Contractors
Production
Suppliers
Basic
Engineering
Academia
Detail
Engineering
Construction
Realization
Process
concept /
modeling
Process
design /
pilot trials
Process
validation /
pilot trials
Process development
Product
development
Lab trials
Product development
time
15
Questions discussed
Potential for lead time reduction
Constraints:
Impact on up- and downstream phases / workflow
Risks
Economic benefit other than from lead time reduction
Additional costs
White spots (technology, methodology)
• No American Idol (DSDS) approaches / no one-time effects
• No relaxation of environmental protection and safety
16
Money
Die 50%-Idee
Cash Flow
Vom Produkt zur
Produktionsanlage in der halben Zeit
Net Present Value
Break Even
Ergebnisse und nächste Schritte
Time
50 %
T. Bott, BASF SE
G. Schembecker, TU Dortmund
Time-to-Market
100 %
Fußzeile
17
Zusammenfassung der Ideen
e
i
D
%
0
5
e
e
d
-I
r
a
b
h
ic
e
rr
e
t
is
18
Auswahl und Clustering von Ideen
Verfahrensentwicklung
Integration von Experiment und Simulation (1),
Integrierte Produkt- und Prozessentwicklung (5)
Workflow-Management
Einfacher, integrierter Workflow (12),
Verwaltung von Informationen (15),
Arbeitsablauf (17)
Zusammenarbeit mit Lieferanten
Standardisierung (8),
Normenvielfalt reduzieren (13),
Strategische Partnerschaften (11)
Produktionskonzept (Module)
Scale-up Strategie (4),
Alternative Produktionskonzepte (3)
Vormontierte Skids (18)
19
Maßnahmen: Verfahrensentwicklung
Intensive Zusammenarbeit zwischen Verfahrensentwickler und
Produktforscher ermöglichen
Umfassende Modellierung und Simulation der Verfahren durchführen
Scale-up fähige Komponenten in Mini-Plant Experimenten verwenden,
Verzicht auf Technikumsversuche
Pilotanlagen bereits für erste Produktionsmengen nutzen
Verfahren an am Markt verfügbare Standardausrüstung anpassen
(Verfahren folgt Markt, nicht umgekehrt)
Frühzeitige Zielvorgaben (Kosten, Termine etc.) durch Geschäftseinheit
einfordern und einheitsübergreifende Risikobewertung durchführen
20
Integrierter Ansatz für Produkt- und
Verfahrensentwicklung
Festlegung auf eine geeignete und wirtschaftliche Technologie zu Beginn
der Verfahrensentwicklung
Intensive Zusammenarbeit mit Produktforschern
Analytics,
Physics
Unit
operations
Produkt
Raw
materials
Automation
technology
Verfahren
Marketing
...
Plant
engineering
...
21
Elemente der Verfahrensentwicklung
Process
concept /
modeling
Process
design /
pilot trials
Process
validation /
pilot trials
Elemente der Verfahrensentwicklung:
Auswahl der Technologie
Modellierung des Verfahrens
Mini-Plant Experimente (2-5 kg/h)
Scale-up der Ausrüstung
Erstellung des “Process Packages”
Produktion
Technikum
Labor
Mini-Plant
Modellierung und Simulation
22
Lücken in der Modellierung
Verknüpfung von Verfahrensmodellen
mit molekularen Modellierungsansätzen
weniger Experimente
Integrierter Einsatz von Strömungsmodellen (CFD) zum besseren
Verständnis von Mischungsvorgängen
sowie Wärme- und Stoffaustauschverhalten in komplexen Systemen
Modellierung von heterogenen
Systemen
Particlemodel
Fluid
dynamics
Kinetics
Modellierung und Verständnis
von Feststoffoperationen
Heat and
mass transfer
Thermodynamics
Apparatus
23
Maßnahmen: Workflow-Management
Modellgestützte Entwicklungsprozesse sorgen für mehr Transparenz
Gesamtprozess-Verantwortung durch alle Beteiligte einfordern; ein
Team von Anfang bis zum Ende
interdisziplinäre Orientierung und Ausbildung stärken
Informations-Management automatisieren
automatisierter Datenaustausch, auch mit Lieferanten
Aufbau von Wissensmodulen in einer lernenden Organisation etablieren
gute Lösungen systematisch erfassen und wiederverwenden
Von Fertigungs-, Automobil- und Flugzeugindustrie lernen
erfordert Kulturwechsel in Prozessindustrie
24
Eigenschaften von Entwicklungsprozessen
Quelle: Marquardt et al.
25
Vollintegrierter Datenaustausch
Quelle: Marquardt et al.
26
Maßnahmen: Zusammenarbeit mit
Lieferanten
Automatisiertes Informations- und Datenmanagement für Lieferanten
und Sub-Lieferanten öffnen
Strategische Partnerschaften mit Lieferanten eingehen
integrierter Teamansatz, kein Bidding-Prozess
Lieferanten eigenständig Funktionsaufgaben in Arbeitspaketen
bearbeiten, liefern und in Betrieb nehmen lassen
Lieferantenstandards akzeptieren; generell Normenvielfalt reduzieren
und Marktstandards etablieren
weg vom 100%-Anspruch
Rahmenverträge mit Lieferanten eingehen, Katalogsystem etablieren
Verzicht auf individuellen Bidding-Prozess
27
Zusammenarbeit mit Lieferanten
Verantwortung für gesamte
Funktionseinheiten an Lieferanten
übertragen
Source: Zeton Inc.
Bestellung nach Katalog
anstelle aufwändiger Spezifikation
28
Maßnahmen: Produktionskonzepte
Produktionsanlagen kleiner bauen; (mehrere) dezentrale Produktionseinheiten anstelle von world-scale Anlagen
Kopiereffekte in Planung und Bau nutzen; Serieneffekte nutzen
Produktionsanlagen aus standardisierten Funktionsmodulen
zusammenfügen
Prozessentwicklung auf marktgängige Funktionsmodule zuschneiden
( keine individuelle Optimierung)
Scale-up mit Hilfe von Numbering-up oder Equaling-up aus Labor- bzw.
Mini-Plant Experimenten nutzen zur Verringerung des Funktionsrisikos
Pilotanlagen als Produktionsanlagen nutzen
29
“Economy of scale” traditioneller
Produktionsprozesse
Invest 1 = Capacity 1
Invest 2 Capacity 2
0.4 – 0.7
Specific invest [€/t]
initial capacity utilization
scale-up
risk
Plant capacity [t/a]
30
Herausforderung für neue “Smart Scale”Produktionskonzepte
world scale technology
Specific invest [€/t]
smart scale technology
Plant capacitiy [t/a]
31
„Smart Scale“ Produktionskonzepte mit
neuen Reaktortechnologien
Neue Reaktortechnologien
ermöglichen drastische Reduzierung von Prozessstufen
Prozessintensivierung
Prozessintensivierung führt zu
Vorteilen speziell bei kleinen/
mittleren Anlagenkapazitäten
“Smart Scale” Produktion
“Smart Scale” Produktionen
laufen kontinuierlich und weitgehend automatisiert
„Low Cost“ Verfahren
Source: European Roadmap for Process Intensification
32
Signifikante Verringerung der Baugröße
durch “Smart Scale” Technologien
Product
Development
Process
Development
Engineering
Construction
Mik
ro&
Ver Milli- R
r
e
um ingeru aktort
n
e
Fak
tor g der B chnolo
>10
g
aug
röß ie
e
0,2 – 0,5 m
2-5m
Start-up &
Production
33
Millireaktoren –
Identische Dimensionen für den Scale-up
vom Labor
Produktion
zur
Scale up durch
Equaling up &
Numbering up
Source: Ehrfeld BTS GmbH
Source: Ehrfeld BTS GmbH
Source: Fluitec Georg AG
Source: Fluitec Georg AG
34
Haupttreiber für neue Verfahren mit
“Smart Scale” Technologien
€
Kostenreduzierung
Schneller am Markt
Bessere
Produkteigenschaften
Modulare Anlagen
€
35
Modulares Produktionskonzept
RawRawMaterials
Materials
Polymerization
Polymerization
Work
Workup
up
Product
Product
Monomer 1
Monomer 2
Milli-Reactor
Work-Up
(e.g. Stripping)
36
Die 7 Thesen von Tutzing
Sei schnell, denn der Markt wartet nicht
Denke und plane in Modulen und Standardlösungen
Nutze wieder verwendbare Modelle für Prozesse, Informationen und
Arbeitsabläufe
Kenne Deinen Einfluss auf Wirtschaftlichkeit und Risiko des
Projektes
Vermeide Perfektionismus, denn eine Punktlandung kostet Zeit und
Geld
Vertraue Deinem Kunden / Lieferanten
Bringe Kontinuität ins Projekt, von der Entwicklung bis zur
Inbetriebnahme
37
Tutzing Nachfolgeaktivitäten
Tutzing 50 % Portal
Anmeldung erforderlich
ProcessNet; Juli 09
Ergebnissicherung
Zusammenfassung und
Strukturierung
PAT-Leitung; 18. Sept. 09
Workshop Modularisierung
PAT; 04. Dez. 09
Roadmap
Status-quo zusammenstellen
Zielvorstellungen beschreiben
Aktionsplan zur Erreichung der
Zielvorstellungen
Tutzing-Vorbereitungsteam;
Treffen am 25. Sept. 09
Telekonferenz 28. Okt. 09
Treffen am 09. Nov. 09
Entscheider und Politik ansprechen
38