Projekt 19026/01

Einsatz von CO2 als Kältemittel bei der CO2-Verflüssigung

Projektdurchführung

Flensburger Brauerei Emil Petersen GmbH & Co. KG
Munketoft 12
24937 Flensburg

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Das bei der alkoholischen Gärung in Brauereien entstehende CO2 (Gärungs-CO2) wird bisher meist mit zweistufigen Kaskadenkälteanlagen und dem Kältemittel NH3 (R 717) verflüssigt. R 717 ist sowohl brennbar als auch giftig. Bei Ersatz von R 717 im Tieftemperaturkreislauf der Kaskadenkälteanlage durch das Kältemittel CO2 (R 744) befindet sich das R 717 lediglich im Maschinenraum der Kälteanlage und die R 717-Füllmenge sowie die R 717-gefüllten Leitungswege reduzieren sich . Des weiteren ermöglicht die Verwendung von R 744 zur Verflüssigung von Gärungs-CO2 eine höhere CO2-Produktausbeute was zu einer Reduzierung der CO2-Emissionen führt, sowie eine bessere Qualität des verflüssigten Gärungs-CO2.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Demonstrationsanlage soll in der Lage sein, abhängig von der Gärungsgasqualität, der gewünschten Produktqualität bzw. der gewünschten Ausbeute den günstigsten Betriebszustand (Betriebsdruck, Kondensationstemperatur etc.) selbstständig zu ermitteln und anzusteuern. Dafür ist ein Simulationsprogramm zu entwickeln, das ausgehend von der Gärungsqualität den optimalen Betriebszustand der Anlage entsprechend der gewünschten CO2-Produktqualität bzw. der gewünschten Ausbeute und den jeweili-gen Energiebedarf berechnet. Hierzu müssen die einzelnen Betriebszustände der Anlage untersucht und sowohl die jeweils erreichbare Qualität des Produkt-CO2 als auch die erreichbare Ausbeute erfasst werden. Die Untersuchung der einzelnen Betriebszustände soll zum einen anhand von Messungen an der Demonstrationsanlage selbst erfolgen, zum anderen sollen auf der Basis dieser Messergebnisse die Phasengleichgewichte mittels Simulation molekularer Zustände berechnet werden. Im Anschluss daran werden an der Demonstrationsanlage weitere Messungen durchgeführt, um die Simulationsrechnungen mit dem realen System abzugleichen. Um die Übertragbarkeit der ermittelten Ergebnisse auf andere CO2-Rückgewinnungsanlagen zu überprüfen, sind Kontrollmessungen an CO2-Rückgewinnungsanlagen anderer Brauereien erforderlich.


Ergebnisse und Diskussion

Die im Vorfeld errechnete rückgewinnbare Masse von 3,5 kg CO2/hl Kaltwürze (KW) konnte nicht erreicht werden. Die Masse schwankte zwischen 3 und 3,3 kg CO2 / hl KW. Grund dafür ist die mangelnde Spei-cherkapazität des CO2-Lagertanks, wodurch bei Erreichen des maximalen Füllstandes überschüssiges CO2 in die Umgebung abgeblasen wird. Dennoch liegen die Massen deutlich über den maximal 2,5 kg/hl KW, die mit herkömmlichen Anlagen zurückgewonnen werden können.
Für die Reinheit des zurückgewonnenen Gärungs-CO2 wurde zu Beginn des Projektes ein Grenzwert von 5 ppm Sauerstoff gesetzt, der den aktuellen Qualitätsanforderungen an technisches Kauf-CO2 entspricht. Im Vorfeld wurde als Rahmenbedingung eine Verdampfungstemperatur der Zentralkälteanlage von 263 K vorausgesetzt, was einer Verflüssigungstemperatur im Niedertemperaturkreislauf von 265 K entsprechen würde. Die in der Brauerei installierte Zentralkälteanlage wurde allerdings mit einer Verdampfungstemperatur von 269 K betrieben, was eine Verflüssigungstemperatur von 271 K entspricht. Bei diesen Bedin-gungen wurde die geforderte Reinheit von 5 ppm nur erreicht, wenn dafür die rückgewinnbare Menge auf etwa 2,6 - 2,8 kg CO2/hl KW gesenkt wurde. Bei der Rückgewinnung der maximal möglichen Menge wa-ren ca. 27 ppm O2 im CO2 gelöst. Bei einer Verflüssigungstemperatur der Zentralkälteanlage von 263 K und der Rückgewinnung von Gärungs-CO2 in Höhe von 3,1 kg CO2/hl KW konnte die O2-Konzentration auf 8 ppm gesenkt werden, was noch leicht über der angestrebten Reinheit liegt. Da im Brauereibetrieb allerdings eine maximale Konzentration von 30 ppm O2 im CO2 zulässig sind, ohne eine Gefährdung des Bieres darzustellen wurden die weiteren Versuche hinsichtlich dieser Grenze bewertet.
Die Praxisversuche an der Pilotanlage ergaben einen erheblichen Einfluss weiterer Rahmenbedingungen wie dem Anlagendruck der CO2-Rückgewinnungsanlage, dem Rückgewinnungszeitpunkt und dem Betrieb der Inertgasblasenheizung.
Das Ziel der selbstständig auf Veränderungen reagierenden Rückgewinnungsanlage konnte nicht erreicht werden. Die O2-Konzentration im CO2 nach dem Gärtank konnte nicht ausreichend genau erfasst werden. Keines der auf dem Markt erhältlichen Messsysteme zur Bestimmung von O2 in Gasen konnte bei den Vorgegebenen Rahmenbedingungen die Konzentration exakt bestimmen, wodurch eine Steuerung der Anlage über die Eingangsreinheit des CO2 nicht realisiert werden konnte.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Lehrstuhl für Energie- und Umwelttechnik der Lebensmittelindustrie (TU München):
Veröffentlichungen:
Buchhauser, U.: Decreasing of the CO2-Emissions by a new CO2-recovery system for fermentation plants. Fachvortrag auf Fachtagung der Alexander von Humboldt Stiftung, Nachhaltigkeit für Mensch und Umwelt im Spannungsfeld Wissenschaft-Wirtschaft-Politik, Timisoara, Rumänien, 2004
Grosser, A.: Bericht über das Projekt, Der Weihenstephaner 2/2003, Hans Carl Fach Verlag, Nürnberg, 2003
N.N.: Einsatz von CO2 als Kältemittel, Kurzbericht, Brauwelt 6/7 2003, Hans Carl Fach Verlag, Nürnberg, 2003
Fachvorträge:
Buchhauser, U., Härtl, M.: Vortrag auf 38. Technologischem Seminar 2005 in Weihenstephan (500 Teilnehmer)
Buchhauser, U.: Vortrag und Poster im Rahmen der Alexander von Humboldt Fachtagung Nachhaltigkeit für Mensch und Umwelt im Spannungsfeld Wissenschaft - Wirtschaft - Politik zum Wissenschaftlichen Neuaufbau in Süd - Osteuropa.
Härtl, M.: Poster - Präsentation der Gasanalytik auf EBC - Kongress 2005, Prag
Krones AG:Steinecker, A.: Revival of CO2 as a refrigant, Brewing and Distilling International 08/04, Brewery Traders Publications, 2004


Fazit

Im Rahmen des Gemeinschaftsvorhabens wurde systematisch am Erreichen der Zielsetzung gearbeitet, und viele neue Erkenntnisse für den Einsatz von CO2 als Kältemittel bei der CO2-Rückgewinnung wurden gefunden. Die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten konzentrierten sich auf das analytische Erforschen der benötigten Rahmendingungen für die Rückgewinnung und die damit verbundene Reinheit und Menge des zurückgewonnen CO2.
Das Ziel der Rückgewinnung einer erhöhten CO2-Menge mit ausreichender Qualität wurde erreicht, auch wenn keine automatische Steuerung der Anlage realisiert werden konnte.