UmweltJournal Ausgabe 2019 | 05

September 2019/ UmweltJournal 9 A B LU F TT ECHN I K 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 W eltweit sind laut einer Untersuchung der WHO mehr als 90 Prozent der Menschen ver- schmutzter Luft ausgesetzt. Angesichts dieser Zahl sehen viele Industrieunternehmen die Abluft- beziehungsweise Abgas- reinigung als ein zum Teil sehr kostspieliges, aber notwendiges Übelan.DabeibirgtdieserSektor großes Potenzial imHinblick auf die Energieeffizienz ganzer Pro- duktionsprozesse – zumBeispiel, wenn es gelingt, Wärme aus Ab- gasenmit Hilfe vonWärmeüber- tragern möglichst vollständig weiterzuverwendenundMedien, die in den Prozessen nicht ver- braucht werden, stofflich und/ oder energetisch zu nutzen. Den ersten Schritt dorthin bildet der Einsatz effizienter Ab- gasreinigungsanlagen. Bereits jetzt erfordern die stetig kom- plexeren industriellen Herstel- lungsprozesse, in denen immer mehr verschiedene Chemikalien zum Einsatz kommen, ein hohes Maß an Flexibilität und Kom- binationsfreiheit im Bereich der Abgasreinigungssysteme. Da- durch werden Sonderlösungen zum Normalfall, die je nach An- forderungen auf verschiedene Technologien zur Gasreinigung zurückgreifen können: In der Halbleiter- und Photovoltaik- industrie beispielsweise sind dies im Wesentlichen die thermische Behandlung (Verbrennung), die Nasswäsche sowie die Trocken- bettab- beziehungsweise -adsorp- tion an Aktivkohlen oder Granu- laten. Um hier höchste Effizienz hinsichtlich Reinigungsergebnis und Kosten zu erzielen, gilt es, aus diesen Verfahren richtig aus- zuwählen sowie optimal zu kom- binieren. Das betrifft im Beson- deren Stoffe, die mit mehreren Technologien aufgereinigt wer- den können, wie beispielsweise Trichlorsilan, Bromwasserstoff, Bortrichlorid oder flüchtige orga- nische Verbindungen (VOCs). Berücksichtigung aller Faktoren für Technologiewahl Als Grundlage für die Entschei- dung, welche Technologie anzu- wenden ist, sollten für jedes Pro- jekt mehrere Aspekte individuell bewertet werden. Dies lässt sich am Beispiel der Photovoltaik- und Halbleiterindustrie gut auf- zeigen: Neben den Investkosten der einzelnen Reinigungsverfah- ren sind insbesondere die Ausga- ben für Betriebsstoffe wie Brenn- oder Inertgase, für Druckluft, Strom,Abwassergebühren(diese können je nach Standort stark variieren) sowie für Service- und Wartungsbedarf zu berücksichti- gen. Bei der Trockenbettabsorp- tion gilt es zudem, die Wechsel- intervalle für die Absorberfüllung zu beachten. Diese Kriterien werden als Total Cost of Owner- ship (TCO) zusammengefasst. Hinzu kommt die Bewertung der Reinigungseffizienz und des benötigten Platzes für die Auf- stellung (Footprint). Bei einem Vergleich von thermischer Behandlung und Trockenbettabsorption bei- spielsweise sollte im Hinblick auf die TCO unter anderem bedacht werden, dass ein Bren- ner-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. ImlaufendenBetriebbenötigt der Brenner-Wäscher Brenngas, LuftundStrom,wobeidieBrenn- gasmenge andie Schadgasmenge und -art angepasst werden kann. Der Trockenbettabsorber wird dagegen über die Zeit mit Schad- stoffen beladen. Wenn die Kapa- zitätsgrenze erreicht ist, muss die Füllung gewechselt werden. In Abhängigkeit vonder Schadstoff- menge, die über einen bestimm- tenZeitraumhinweganfällt,kann die TCO beim Trockenbettab- sorber somit höher ausfallen als beim Brenner-Wäscher. Daher ist es wichtig, vor der Entschei- dung über die Gasreinigungs- technologie den Prozess und die anfallenden Schadgase und Schadstoffmengen sowie deren zeitlichen Verlauf möglichst ge- nau zu erfassen beziehungsweise abzuschätzen und zu bewerten. Geschieht dies nicht, kauft der Kunde im schlimmsten Fall eine Anlage, die die gesetzlichen An- forderungen erfüllt, bei der aber die TCO deutlich höher liegt, als esmiteineranderenTechnologie möglich wäre. Technologieoffene Beratung entscheidend Unternehmen, die Luftverun- reinigungen aus ihren Abgasen abscheiden müssen, sollten sich vor dem Kauf eines Abgasreini- gungssystems umfassend über die verschiedenen Möglichkeiten und Anbieter informieren und am besten eine Abgasreinigungs- firma wählen, die alle für einen bestimmtenAnwendungsfall rele- vanten Technologien beherrscht. Nur bei einem solchen Betrieb ist die Wahrscheinlichkeit hoch, dasswirklich technologieoffenbe- raten 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 gesetzli- chen Vorschriften zur Einhaltung der Abgasgrenzwerte erfüllt wer- den können. Hier ist zwar davon auszugehen, dass der Anbieter über die Vorteile und Invest- so- wie Betriebskosten der angebote- nen Technologie Auskunft gibt. Für den Anbieter einer einzigen Technologie wird jedoch weni- ger relevant sein, an potenzielle Kunden zu vermitteln, dass es noch eine wirtschaftlichere Reini- gungsart als diejenige im eigenen Portfolio gibt. Selbst wenn der Kunde vorab auf einemVergleich aller relevanten Verfahren ein- schließlich TCO besteht, ist nicht gewährleistet, dass der Anbieter über das notwendige Know-how für diesenVergleich verfügt. Zum Kauf eines Systems mit ungünstiger TCO kann es je- doch auch dann kommen, wenn ein Unternehmen kontaktiert wird, das alle relevanten Abgas- reinigungstechnologien anbie- tet. Dies ist unter Umständen dann der Fall, wenn ein Kunde ein festgelegtes Budget für die Investition ineineAnlage angibt, diesesBudget beimKauf derAn- lage 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 Technologie- anbieter mit Schwerpunkt auf Beratungsleistungen wählt, wie dies unter anderem bei centrot- herm clean solutions der Fall ist. Häufig stellt sich dann heraus, dass zwar ein Budget vorgege- ben ist, über die Vorgabe aber noch innerhalb des beauftragen- den Unternehmens verhandelt werden kann. Beispiel aus Halbleiterindustrie: Silizium-Epitaxie Der Mehrwert einer Beratung durch Unternehmen, die alle relevanten Abgasreinigungstech- nologien anbieten, lässt sich an- hand eines Beispiels aufzeigen: Die Silizium-Epitaxie in der Halbleiterproduktion gehört zu den herausforderndsten Pro- zessen in der Industrie. Hierbei werden dünne Siliziumschichten auf ein Substrat aufgewachsen, indem Silizium aus der Gaspha- se mit dem erhitzten Substrat reagiert. Das Abgasgemisch be- steht meist aus hohen Mengen an brennbaren Gasen sowie to- xischen und korrosiven Bestand- teilen. ImWesentlichen sind dies Dichlorsilan (DCS), Trichlor- silan (TCS), Phosphin (PH3), Diboran (B2H6), Wasserstoff (H2) und Chlorwasserstoff (HCl). Um eine Technologie zu bestimmen, die in einem An- wendungsfall wie diesem grund- sätzlich 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 Tech- nologien geeignet sind, kann durch einen detaillierten TCO- Vergleich die wirtschaftlichste Lösung ermittelt werden. Bei diesemVorgehen steht im vorliegenden Beispiel am Ende folgendes Ergebnis: Der Nass- wäscher ist für die Silizium-Epi- taxie-Anwendung nur bedingt geeignet, da er lediglich die kor- rosivenGaseDCS,TCSundHCl entfernt. Die Dotiergase PH3 und B2H6 sowie H2 werden nichtbehandelt.Letztererkönnte zwar – da er nicht toxisch, son- dern „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 (insbeson- dere 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 in- klusive H2 zuverlässig entsorgen kann, ist die thermische Behand- lung. IhreTCO fällt imVergleich mit der Trockenbettabsorption auch niedriger aus, so dass die Technologie in diesem Anwen- dungsfall zu bevorzugen ist. Technologisches Know-how als Voraussetzung Essentiell für einen optimalen, kosteneffizienten Einsatz von Gasreinigungstechnologien ist somit, dass stets genau analy- siert und individuell entschieden wird, welches Verfahren sich für eine bestimmte Anwendung am besten eignet. Von Verallgemei- nerungen sollte Abstand genom- men werden, auch wenn sich gewisse Tendenzen hinsichtlich der Eignung der verschiede- nen Technologien ausmachen lassen: So ist zum Beispiel in der Halbleiterindustrie bei klei- nen Schadstoffmengen, wie sie in der Regel in Forschung & Entwicklung sowie Kleinserien- fertigung entstehen, oftmals die Trockenbettabsorption die wirt- schaftlichste 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 Komple- xität vieler Prozesse kann die Beurteilung, welche Techno- logie sich für eine spezifische Abgasreinigungsanwendung am besten eignet, nur von Experten vorgenommen werden. Tischkalender_289x55mm.indd 1 01.08.19 13:33 1 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. ImWesentlichen 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. Fotos: centrotherm clean solutions GmbH & Co. KG 2a 2b 3

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