UmweltJournal Ausgabe 2019

September 2019/ UmweltJournal ABLUFTTECHNIK
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Abluftreinigung in der Halbleiterindustrie mit niedrigstmöglicher Total Cost of Ownership
Der Weg zur richtigen Abgasreinigungsanlage
Durch immer komplexere Produktionsprozesse in der Industrie steigen auch die
Erwartungen an die Leistungsfähigkeit von Abgasreinigungsanlagen: Sie erfüllen
im Optimalfall nicht nur die gesetzlichen Regelungen, sondern weisen auch eine
vergleichsweise geringe Total Cost of Ownership (TCO) auf. Um diese Vorteile in der
Praxis zu realisieren, müssen die eingesetzten Technologien präzise auf den jeweiligen
Anwendungsfall abgestimmt sein.
Autor:
Dani Muse
centrotherm clean solutions
GmbH
Weltweit sind laut
einer Untersuchung
der WHO mehr als
90 Prozent der Menschen verschmutzter
Luft ausgesetzt.
Angesichts dieser Zahl sehen
viele Industrieunternehmen die
Abluft- beziehungsweise Abgasreinigung
als ein zum Teil sehr
kostspieliges, aber notwendiges
Übel an. Dabei birgt dieser Sektor
großes Potenzial im Hinblick auf
die Energieeffizienz ganzer Produktionsprozesse
– zum Beispiel,
wenn es gelingt, Wärme aus Abgasen
mit Hilfe von Wärmeübertragern
möglichst vollständig
weiterzuverwenden und Medien,
die in den Prozessen nicht verbraucht
werden, stofflich und/
oder energetisch zu nutzen.
Den ersten Schritt dorthin
bildet der Einsatz effizienter Abgasreinigungsanlagen.
Bereits
jetzt erfordern die stetig komplexeren
industriellen Herstellungsprozesse,
in denen immer
mehr verschiedene Chemikalien
zum Einsatz kommen, ein hohes
Maß an Flexibilität und Kombinationsfreiheit
im Bereich der
Abgasreinigungssysteme. Dadurch
werden Sonderlösungen
zum Normalfall, die je nach Anforderungen
auf verschiedene
Technologien zur Gasreinigung
zurückgreifen können: In der
Halbleiter- und Photovoltaikindustrie
beispielsweise sind dies
im Wesentlichen die thermische
Behandlung (Verbrennung), die
Nasswäsche sowie die Trockenbettab-
beziehungsweise -adsorption
an Aktivkohlen oder Granulaten.
Um hier höchste Effizienz
hinsichtlich Reinigungsergebnis
und Kosten zu erzielen, gilt es,
aus diesen Verfahren richtig auszuwählen
sowie optimal zu kombinieren.
Das betrifft im Besonderen
Stoffe, die mit mehreren
Technologien aufgereinigt werden
können, wie beispielsweise
Trichlorsilan, Bromwasserstoff,
Bortrichlorid oder flüchtige organische
Verbindungen (VOCs).
Berücksichtigung
aller Faktoren für
Technologiewahl
Als Grundlage für die Entscheidung,
welche Technologie anzuwenden
ist, sollten für jedes Projekt
mehrere Aspekte individuell
bewertet werden. Dies lässt sich
am Beispiel der Photovoltaikund
Halbleiterindustrie gut aufzeigen:
Neben den Investkosten
der einzelnen Reinigungsverfahren
sind insbesondere die Ausgaben
für Betriebsstoffe wie Brennoder
Inertgase, für Druckluft,
Strom, Abwassergebühren (diese
können je nach Standort stark
variieren) sowie für Service- und
Wartungsbedarf zu berücksichtigen.
Bei der Trockenbettabsorption
gilt es zudem, die Wechselintervalle
für die Absorberfüllung
zu beachten. Diese Kriterien
werden als Total Cost of Ownership
(TCO) zusammengefasst.
Hinzu kommt die Bewertung
der Reinigungseffizienz und des
benötigten Platzes für die Aufstellung
(Footprint).
Bei einem Vergleich von
thermischer Behandlung und
Trockenbettabsorption beispielsweise
sollte im Hinblick
auf die TCO unter anderem
bedacht werden, dass ein Brenner-Wäscher
in der Anschaffung
zunächst teurer, weil deutlich
komplexer, ist. Dafür reinigt er
aber zuverlässig eine größere
Bandbreite an Gasen ab als ein
Trockenbettabsorber, dessen
Füllung auf die Absorption einer
oder weniger Gasarten optimiert
ist. Im laufenden Betrieb benötigt
der Brenner-Wäscher Brenngas,
Luft und Strom, wobei die Brenngasmenge
an die Schadgasmenge
und -art angepasst werden kann.
Der Trockenbettabsorber wird
dagegen über die Zeit mit Schadstoffen
beladen. Wenn die Kapazitätsgrenze
erreicht ist, muss die
Füllung gewechselt werden. In
Abhängigkeit von der Schadstoffmenge,
die über einen bestimmten
Zeitraum hinweg anfällt, kann
die TCO beim Trockenbettabsorber
somit höher ausfallen als
beim Brenner-Wäscher. Daher
ist es wichtig, vor der Entscheidung
über die Gasreinigungstechnologie
den Prozess und
die anfallenden Schadgase und
Schadstoffmengen sowie deren
zeitlichen Verlauf möglichst genau
zu erfassen beziehungsweise
abzuschätzen und zu bewerten.
Geschieht dies nicht, kauft der
Kunde im schlimmsten Fall eine
Anlage, die die gesetzlichen Anforderungen
erfüllt, bei der aber
die TCO deutlich höher liegt, als
es mit einer anderen Technologie
möglich wäre.
Technologieoffene
Beratung entscheidend
Unternehmen, die Luftverunreinigungen
aus ihren Abgasen
abscheiden müssen, sollten sich
vor dem Kauf eines Abgasreinigungssystems
umfassend über
die verschiedenen Möglichkeiten
und Anbieter informieren und
am besten eine Abgasreinigungsfirma
wählen, die alle für einen
bestimmten Anwendungsfall relevanten
Technologien beherrscht.
Nur bei einem solchen Betrieb
ist die Wahrscheinlichkeit hoch,
dass wirklich technologieoffen beraten
wird. Anbieter mit nur einer
Technologie im Portfolio werden
dagegen eher prüfen, ob diese für
die geforderte Reinigungsaufgabe
grundsätzlich geeignet ist – das
heißt, ob mit diesem Verfahren
am Kundenstandort die gesetzlichen
Vorschriften zur Einhaltung
der Abgasgrenzwerte erfüllt werden
können. Hier ist zwar davon
auszugehen, dass der Anbieter
über die Vorteile und Invest- sowie
Betriebskosten der angebotenen
Technologie Auskunft gibt.
Für den Anbieter einer einzigen
Technologie wird jedoch weniger
relevant sein, an potenzielle
Kunden zu vermitteln, dass es
noch eine wirtschaftlichere Reinigungsart
als diejenige im eigenen
Portfolio gibt. Selbst wenn der
Kunde vorab auf einem Vergleich
aller relevanten Verfahren einschließlich
TCO besteht, ist nicht
gewährleistet, dass der Anbieter
über das notwendige Know-how
für diesen Vergleich verfügt.
Zum Kauf eines Systems mit
ungünstiger TCO kann es jedoch
auch dann kommen, wenn
ein Unternehmen kontaktiert
wird, das alle relevanten Abgas-
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2a 2b 3
1: Die wesentlichen Technologien in der Halbleiter- und Photovoltaikindustrie sind die thermische
Behandlung (Verbrennung), die Nasswäsche sowie die Trockenbettabsorption an Aktivkohlen oder
Granulaten. Um höchste Effizienz hinsichtlich Reinigungsergebnis und Kosten zu erzielen, gilt es, aus
diesen Verfahren richtig auszuwählen sowie optimal zu kombinieren. Beispiel Silizium-Epitaxie: Hier
fallen hohe Mengen an brennbaren sowie toxischen und korrosiven Gasen an. Im Wesentlichen sind dies
Dichlorsilan (DCS), Trichlorsilan (TCS), Phosphin (PH3), Diboran (B2H6), Wasserstoff (H2) und
Chlorwasserstoff (HCl). Das einzige Verfahren, das alle Schadgase inklusive H2 zuverlässig entsorgen
kann, ist die thermische Behandlung. | 2: Bei der thermischen Gasreinigung werden Abgase bei sehr
hohen Temperaturen aufgespalten und in einer anschließenden Nassstrecke ausgewaschen. | 3: Bei der
Trockenbettabsorption kommen ein oder mehrere unterschiedliche Granulate zum Einsatz, welche die
toxischen, ätzenden und/oder entzündlichen Gase und Beiprodukte absorbieren.
reinigungstechnologien anbietet.
Dies ist unter Umständen
dann der Fall, wenn ein Kunde
ein festgelegtes Budget für die
Investition in eine Anlage angibt,
dieses Budget beim Kauf der Anlage
eingehalten wird, aber die
beauftragte Firma nicht parallel
darauf hinweist, dass mit einer
anderen Technologie die TCO
geringer ausfallen würde. Das
kann vermieden werden, wenn
der Kunde einen Technologieanbieter
mit Schwerpunkt auf
Beratungsleistungen wählt, wie
dies unter anderem bei centrotherm
clean solutions der Fall ist.
Häufig stellt sich dann heraus,
dass zwar ein Budget vorgegeben
ist, über die Vorgabe aber
noch innerhalb des beauftragenden
Unternehmens verhandelt
werden kann.
Beispiel aus
Halbleiterindustrie:
Silizium-Epitaxie
Der Mehrwert einer Beratung
durch Unternehmen, die alle
relevanten Abgasreinigungstechnologien
anbieten, lässt sich anhand
eines Beispiels aufzeigen:
Die Silizium-Epitaxie in der
Halbleiterproduktion gehört zu
den herausforderndsten Prozessen
in der Industrie. Hierbei
werden dünne Siliziumschichten
auf ein Substrat aufgewachsen,
indem Silizium aus der Gasphase
mit dem erhitzten Substrat
reagiert. Das Abgasgemisch besteht
meist aus hohen Mengen
an brennbaren Gasen sowie toxischen
und korrosiven Bestandteilen.
Im Wesentlichen sind dies
Dichlorsilan (DCS), Trichlorsilan
(TCS), Phosphin (PH3),
Diboran (B2H6), Wasserstoff
(H2) und Chlorwasserstoff
(HCl). Um eine Technologie
zu bestimmen, die in einem Anwendungsfall
wie diesem grundsätzlich
zum Einsatz kommen
kann, sollte zunächst die Art des
Prozesses und damit die Art der
Schadstoff-Komponenten im
Abgas betrachtet werden. Wenn
für eine Anwendung prinzipiell
mehrere unterschiedliche Technologien
geeignet sind, kann
durch einen detaillierten TCO-
Vergleich die wirtschaftlichste
Lösung ermittelt werden.
Bei diesem Vorgehen steht im
vorliegenden Beispiel am Ende
folgendes Ergebnis: Der Nasswäscher
ist für die Silizium-Epitaxie-Anwendung
nur bedingt
geeignet, da er lediglich die korrosiven
Gase DCS, TCS und HCl
entfernt. Die Dotiergase PH3
und B2H6 sowie H2 werden
nicht behandelt. Letzterer könnte
zwar – da er nicht toxisch, sondern
„nur“ brennbar ist – durch
Verdünnen auf Konzentrationen
unterhalb der Explosionsgrenze
unschädlich gemacht werden, für
die toxischen Dotiergase ist dies
jedoch keine Lösung. Mittels
Trockenbettabsorption können
prinzipiell alle genannten Gase
außer H2 entfernt werden. Die
Schadstoffmengen (insbesondere
der Wert für HCl) sind
bei diesem Prozess jedoch so
hoch, dass das Absorbergranulat
sehr schnell verbraucht werden
würde. Die TCO dieser Lösung
wäre also sehr hoch. Das einzige
Verfahren, das alle Schadgase inklusive
H2 zuverlässig entsorgen
kann, ist die thermische Behandlung.
Ihre TCO fällt im Vergleich
mit der Trockenbettabsorption
auch niedriger aus, so dass die
Technologie in diesem Anwendungsfall
zu bevorzugen ist.
Technologisches Know-how
als Voraussetzung
Fotos: centrotherm clean solutions GmbH & Co. KG
Essentiell für einen optimalen,
kosteneffizienten Einsatz von
Gasreinigungstechnologien ist
somit, dass stets genau analysiert
und individuell entschieden
wird, welches Verfahren sich für
eine bestimmte Anwendung am
besten eignet. Von Verallgemeinerungen
sollte Abstand genommen
werden, auch wenn sich
gewisse Tendenzen hinsichtlich
der Eignung der verschiedenen
Technologien ausmachen
lassen: So ist zum Beispiel in
der Halbleiterindustrie bei kleinen
Schadstoffmengen, wie sie
in der Regel in Forschung &
Entwicklung sowie Kleinserienfertigung
entstehen, oftmals die
Trockenbettabsorption die wirtschaftlichste
Lösung. Dagegen
sind in der Massenproduktion
bei den meisten Prozessen die
anfallenden Schadstoffmengen
in der Regel so hoch, dass
thermische Lösungen sowohl
aus technischer, als auch aus
wirtschaftlicher Sicht die bessere
Option darstellen. Festzuhalten
bleibt: Angesichts der Komplexität
vieler Prozesse kann die
Beurteilung, welche Technologie
sich für eine spezifische
Abgasreinigungsanwendung am
besten eignet, nur von Experten
vorgenommen werden.
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