Die Getränkeherstellung ist geprägt von Prozessen, die viel Kälte und Wärme benötigen. Die meisten Betriebe setzen deshalb auf die Rückgewinnung von thermischer Energie, indem sie ihre Wärme- und Kälteströme intelligent verknüpfen. Trotzdem verpufft häufig noch ungenutzte Abwärme. Diese Energie können Wärmepumpen aufnehmen und damit heißes Prozesswasser bereitstellen. So reduziert sich der Brennstoffverbrauch und die damit zusammenhängenden CO2-Emissionen. Oft sinkt zudem der Bedarf an Kühlenergie. Noch günstiger wird es, wenn die Wärmepumpe Strom aus eigenen Photovoltaik- oder Biogasanlagen bezieht. Die Technologie ist auch ein Schlüssel für die Elektrifizierung des Betriebs und ermöglicht damit die Umstellung auf erneuerbare Energiequellen.
Wärmepumpen können bisher ungenutzte Abwärme verwerten und so den Energieverbrauch und die CO2-Emissionen eines Getränkebetriebs noch weiter senken. Die Anlagen arbeiten zentral auf Fabrikebene oder sind in einzelne Linien oder Maschinen integriert. Letztere lassen sich gut nachrüsten.
Im Wesentlichen gibt es drei verschiedene Einsatzbereiche für Wärmepumpen, um Abwärme zu nutzen: auf Fabrikebene, auf Linienebene und auf Maschinenebene. Krones hat umfangreiche Erfahrung in all diesen Feldern und hilft mit Beratung und Tools, die optimale Lösung für eine spezifische Anwendung zu finden. Außerdem entwickeln die Teams immer neue Konzepte für den gewinnbringenden Einsatz von Wärmepumpen.
Ganzheitlich: zentrale Wärmepumpe in der Fabrik
Die wirtschaftlichste Art, Wärmepumpen einzusetzen, sind zentrale Heiz- und Kühlsysteme in Verbindung mit Energiespeichern. Die Abwärme aus der Fabrik wird gesammelt und auf Temperatur für den Heißwasser-Speicher gebracht. So arbeitet die Wärmepumpe unabhängig von einzelnen Prozessen, läuft konstanter und ist effizienter. Außerdem ist das spezifische Investment geringer als bei einzelnen Maschinen oder Linien – und die zentrale Lösung spart am meisten CO2-Emissionen. Das Konzept bietet sich für Greenfield-Projekte an, nachrüsten lässt es sich jedoch nur schwer.
Aus der Praxis
Ein aktuelles Beispiel ist die Planung einer Greenfield-Brauerei in Deutschland. Die Ausgangslage: Sie wird über zwei Heizkreise mit jeweils einem Wärmespeicher zentral versorgt. Für die Würzekochung erzeugt eine Holzhackschnitzelanlage Hochdruck-Heißwasser mit 125 bis 145 Grad Celsius. Der Rest der Brauerei arbeitet mit Niederdruck-Heißwasser (95 Grad Celsius), das eine Wärmepumpe bereitstellt. Dafür nutzt sie die Abwärme der Kühlgeräte und Luftkompressoren und bezieht Strom aus der betriebseigenen Photovoltaikanlage.
Zusammen mit vielen weiteren, hier nicht ausgeführten Maßnahmen wird man den Energiebedarf der Brauerei, deren Jahreskapazität bei 500.000 Hektolitern liegen soll, um 30 Prozent gegenüber Standardwerten senken können. Pro Jahr lassen sich außerdem 3.000 Tonnen CO2-Emissionen einsparen. Und in nur fünf Jahren hat sich die Investition dann gelohnt.
Mehr über die Nachhaltigkeitsberatung (inklusive Praxisbeispiel) sehen Sie in diesem Forumsbeitrag.
Integriert: Wärmepumpe in der Linie
Entlang einer Produktionslinie fällt oft an einer Stelle Kälte oder Wärme an, die anderswo gebraucht wird. Auch hier können Wärmepumpen zusätzlichen Nutzen bringen. Ein Beispiel ist das System EquiTherm Coldfill: Vor dem Etikettieren werden kalt abgefüllte Behälter meist gewärmt, weil das Kondenswasser, das sich auf ihnen bildet, das Etikettierergebnis beeinträchtigen würde. Um Energie zu sparen, schaukelt EquiTherm Coldfill thermische Energie zwischen dem Wärmer LinaTherm und dem Mixer Contiflow, in dem das Produkt zuvor auf Fülltemperatur herabgekühlt wird, hin und her. Eine Wärmepumpe entzieht dem Kühlwasser aus dem Mixer weitere Energie und verwertet diese, um heißes Wasser für den Wärmer zu erzeugen. Das reduziert den Bedarf an Heizenergie zusätzlich. Auch der Kühlprozess benötigt so weniger Energie, weil die Wärmepumpe die Temperatur des Kühlwassers absenkt. Rund 50 Prozent Gas für die Heizung kann eine typische Anwendung so sparen. Es lohnt sich also, seine Linien auf einen möglichen Einsatz von Wärmepumpen hin zu prüfen.
Dezentral: Wärmepumpe in der Maschine
Besonders geeignet – und noch dazu relativ einfach nachzurüsten – sind Wärmepumpen in allen Maschinen, die Kälte- und Heizenergie benötigen. Beispiele sind die thermische Produktbehandlung, die Pasteurisierung abgefüllter Behälter oder die Flaschenreinigung.
Im Fokus: Wärmepumpe in der Kurzzeiterhitzung
Das neueste Konzept von Krones ist der Einsatz von Wärmepumpen in der Kurzzeiterhitzung, beispielsweise in den Anlagen VarioFlash oder VarioAsept. Eine Besonderheit dieser Systeme ist, dass das Produkt hier direkt aufgeheizt und gekühlt wird. Das bedeutet, dass die Produkteigenschaften die Wärmerückgewinnung beeinflussen. Es kommt also noch mehr auf die Bedingungen in der einzelnen Anwendung an.
Betrachten wir die Vorgänge im Detail (Bild unten): Das Produkt kommt vom Mixer in die Kurzzeiterhitzungsanlage, wird in einem ersten Wärmetauscher vorgewärmt und in einem zweiten Wärmetauscher dann auf Pasteurisierungstemperatur erhitzt. Nach der Pasteurisierung durchläuft es zum Kühlen einen dritten Wärmetauscher. Eine zweite Kühlstufe bringt es dann auf die gewünschte Abfülltemperatur. Vorwärmer und Produktkühler versorgen sich über einen internen Wasserkreislauf gegenseitig mit Wärme und Kälte und brauchen keine weitere Energie von außen. Nur die zweite Kühlstufe benötigt externe Kälteenergie, außerdem die finale Produkterhitzung, die mit Dampf betrieben wird.
Die Wärmepumpe wird nun direkt in den internen Wasserkreislauf integriert. Sie entzieht dann dem vom Vorwärmer zurückgeführten Wasser weitere Wärmeenergie und nutzt diese, um das vom finalen Produkterhitzer rücklaufende, noch warme Wasser vorzuheizen. Mit ein wenig zusätzlichem Dampf ist es dann wieder heiß genug und kann zurück in den Erhitzer geleitet werden. Gleichzeitig senkt die Wärmepumpe die Temperatur des Kühlwassers. Man spart also Dampf zum Heizen und außerdem Kühlenergie.
Doch einfach pauschal in eine Wärmepumpe zu investieren, macht nicht immer Sinn. Denn ob ihr Einsatz wirtschaftlich wäre, hängt von vielen Faktoren ab, die sich noch dazu teilweise gegenseitig bedingen (siehe Abbildung unten). Im zuvor genannten Beispiel reduzieren sich der Gasbedarf für die Dampferzeugung und der Energiebedarf für die Kühlung. Demgegenüber stehen jedoch der Stromverbrauch der Wärmepumpe sowie die Investitions- und Betriebskosten. Letztere sind auch durch die Anwendung bedingt: So hängt beispielsweise die Wahl des Kühlmittels für die Wärmepumpe vom Temperaturprofil im Prozess ab. Und manche Kühlmittel erfordern höhere Sicherheitsmaßnahmen an der Anlage. Es muss also jede Anwendung einzeln im Detail evaluiert werden, weiß Dr. Thomas Oehmichen aus dem Produktmanagement-Team für Units und Components bei Krones, und er betont: „Grundsätzlich gilt: Bevor in eine Wärmepumpe investiert wird, sollte der Wärmebedarf weitestgehend minimiert werden.“
Zwei Schlüsselfaktoren: Wärmerückgewinnungsrate und Pasteurisierungstemperatur
Zentraler Parameter für die Wirtschaftlichkeit einer Wärmepumpe ist der COP-Wert (Coefficient of Performance). Er gibt das Verhältnis der abgegebenen Wärmeleistung zur aufgenommenen elektrischen Leistung an und hängt stark vom Temperaturhub ab: Je größer der Hub, desto mehr elektrische Energie benötigt die Wärmepumpe – und umso ineffizienter arbeitet sie. Vereinfacht ausgedrückt, entspricht der Hub also der Temperaturdifferenz zwischen der heißen und kalten Seite der Wärmepumpe. In der Kurzzeiterhitzung ist der Hub vom Prozess her bestimmt, und zwar durch die Zuführtemperatur des zu erhitzenden Produktes, die Pasteurisierungstemperatur, sowie die Güte der internen Wärmerückgewinnung. Letztere gibt an, wie gut im Wärmetauscher Wärme beziehungsweise Kälte auf das Produkt übertragen wird. Es gilt: Je besser die Wärmerückgewinnung, desto größer der Temperaturhub.
Maßgeblich für die Wärmeübertragungsrate sind die Art des Wärmetauschers und die Viskosität des Produkts. Plattenwärmetauscher übertragen mehr Wärme als Röhrenvarianten, eignen sich aber nur für Produkte mit geringer Viskosität. Gleichzeitig gilt: Je viskoser das Produkt, desto schlechter die Wärmeübertragung im Wärmetauscher. Ein niedrigviskoses Produkt in Plattenwärmetauschern bringt also eine deutlich bessere Wärmerückgewinnungsrate (typisch 90 Prozent und höher) als ein mittel- bis hochviskoses Produkt in Röhrenwärmetauschern (typisch circa 80 Prozent).
Ein Tool für die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung
Um angesichts der vielen verschiedenen Einflussgrößen zu einer schnellen Einschätzung in Sachen Wirtschaftlichkeit zu kommen, hat das Krones Team eigens ein Tool dafür entwickelt. Auf Basis von Prozessdaten, Eckdaten der Wärmepumpe und Energiekosten berechnet es den Temperaturhub, den COP-Wert, den Return on Invest (ROI) in Jahren sowie die CO2-Emissionen.
Für das genannte Beispiel mit den verschiedenen Viskositäten ergibt sich ein ROI von 4,5 Jahren für ein mittelviskoses Produkt im Röhrenwärmetauscher gegenüber 7,7 Jahren für ein niedrigviskoses Produkt im Plattenwärmetauscher. Die Pasteurisierungstemperatur sowie alle anderen Prozess- und Randbedingungen sind in beiden Fällen gleich.
Einsatz bei der Kurzzeiterhitzung – ein Fazit
Es hängt also stark von der Anwendung und den Rahmenbedingungen ab, ob der Prozess der Kurzzeiterhitzung von einer Wärmepumpe profitieren kann. Die tatsächliche Wirtschaftlichkeit lässt sich dann im Detail mit dem Bewertungstool von Krones einfach abschätzen. Was man aber in jedem Fall sagen kann: Die Beschäftigung mit dem Thema ist definitiv ein Gewinn für die Produktion! Seien es bestehende Prozesse und Maschinen oder die Investition in eine ergänzende Wärmepumpe – alle Maßnahmen bieten ein großes Potenzial für signifikante Einsparungen und eine nachhaltigere Produktion.
Ein weiteres Beispiel: die Wärmepumpe im Pasteur
Auch der neue Pasteur LinaFlex eSync sieht bereits in seiner Grundkonfiguration die optionale Integration einer Wärmepumpe vor. Die Voraussetzung dafür, nämlich ein minimierter Wärmeverbrauch, ist gegeben: Integrierte Wasserkreisläufe tauschen paarweise zwischen Heiz- und Kühlzonen thermische Energie aus, eine Isolierung verhindert Wärmeverluste nach außen. Falls die Pasteurisierung zwischen verschiedenen Produkten stark variiert, lässt sich sogar innerhalb der Pasteurisierungszonen weitere Wärme rückgewinnen.
In bestimmten Fällen kann eine Wärmepumpe den verbleidenden Energiebedarf für die Pasteurisierung noch weiter senken, nämlich wenn das Produkt am Auslauf des Pasteurs noch stärker abgekühlt werden kann oder muss. In der zusätzlichen Kühlzone wird Abwärme frei, die eine Wärmepumpe nutzt, um Heißwasser für die Pasteurisierung bereitzustellen. Für den Kühlprozess selbst bietet sich oft Kaltwasser aus anderen Prozessen an. So sinken Brennstoffbedarf und CO2-Emissionen und der Pasteur kann weitgehend elektrifiziert werden. Auf der diesjährigen drinktec präsentierte Krones eine Case Study, bei der eine Wärmepumpe mit einem COP-Wert von 2,7 85 Prozent der benötigten Heizenergie ersetzt.
