Projekt 23803/01

Energiesparende Brauereitechnologie

Projektdurchführung

Kaspar Schulz Brauereimaschinenfabrik & Apparatebauanstalt GmbH Brauereimaschinenfabrik & Apparatebauanstalt e. K.
Kaspar-Schulz-Str. 1
96052 Bamberg

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die Herstellung von Bierwürze ist der energieintensivste Schritt in der Brauerei. In der klassischen Brauerei wird der größte Anteil zur atmosphärischen Eindampfung der Würze auf eine bestimmte Endkonzentration benötigt. Beim SchoKo-Verfahren der Kaspar Schulz e. K. erfolgt diese Eindampfung im Vakuum, wodurch die Zufuhr von Verdampfungswärme entfällt. Energieintensivster Schritt ist damit die Würzeaufheizung um ca. 25 K auf 99 °C. Die Prozesswärmeversorgung der Brauerei könnte mit Ausnahme der Würzeaufheizung mit einem Blockheizkraftwerk (BHKW) auf einem Temperaturniveau von 90 °C erfolgen. Damit wird der Einsatz von BHKWs in Brauereien sinnvoll. Der Bereich des Aufheizens über 90°C kann kurzfristig über die Aktivierung eines Zeolithspeichers erfolgen. Ziele des Projektes sind die Entwicklung und Implementierung eines Zeolith-Speichers in ein Modellsystem zur Validierung der Verfahrenskombination, Modellierung des Energiehaushaltes einer Brauerei mit dieser Verfahrenskombination zur Bestimmung der Energieströme mit ihren Randparametern und dem Gesamt-Energie und Gesamt-CO2-Einsparpotential. Bezogen auf den Einsatz von Primärenergieträgern ist eine Reduzierung des Energiebedarfs um mindestens 10 % zu erwarten.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Kombination der Einzelkomponenten Zeolithspeicher und BHKW, die somit einen Dampfkessel überflüssig macht und erstmalig konventionelle BHKW-Technik zur Gesamtwärmeversorgung eingesetzt werden kann ist die eigentliche Innovation des Projektes. Ein weiterer Schritt wird nach dem Projekt die Einbindung von Biogas darstellen, das aus Brauereireststoffen wie Abwasser, Treber oder Altetiketten erzeugt werden kann und somit die Emissionen der Brauerei verringert.
Der Arbeitsablauf unterteilt sich in folgende Abschnitte:
1. Anlagenauslegung und -optimierung der Einzelkomponenten wie SchoKo, Zeolith Wärmespeicher, BHKW, Rauchgaswärmeübertrager und Warmwasserspeicher
2. Modellierung des Wärmehaushaltes einer Brauerei
3. Kinetische Untersuchungen zu möglichen Adsorbentien
4. Entwicklung und Bau der Prototypen Zeolithspeicher, Ausdampfeinheit für Wasser und Rauchgaswärmeübertrager
5. Betrieb der Prototypen im Verbund mit Messung des Verhaltens bei typischen Lastzuständen
6. Energetische Bilanzierung und betriebswirtschaftliche Betrachtung


Ergebnisse und Diskussion

Bei der Herstellung von Bierwürzen wird der Brauprozess im Sudhaus durch einen Kochprozess abgeschlossen werden. Diese energieintensive Kochung kann durch eine Vakuumverdampfung ersetzt werden. Dabei wird die Würze nur auf 99 °C erwärmt, d. h. hohe Heizmedientemperaturen und Wärmeströme können entfallen. Dies ermöglicht mit Hilfe eines Adsorptionswärmespeichers (T>110 °C) den Einsatz von BHKW, die durch die gleichzeitige Bereitstellung von Wärme und Strom sehr energieeffizient sind. Als Stoffpaarung für den Wärmespeicher bieten sich Zeolith und Wasser an. Die Temperaturen bei der Adsorption sind dabei so hoch, dass die freiwerdende Wärme zur Würzeerwärmung genutzt werden kann. Anschließend kann eine Regeneration durch thermisches Austreiben des Wassers erfolgen. Ziel dieses Projektes war es zu untersuchen, ob die Verfahrenskombination SchoKo-Verfahren, Zeolithwärmespeicher und BHKW realisierbar ist und unter welchen Randbedingungen sich das Verfahren einsetzen lässt. Der Zeolithspeicher wurde in Form von vier Einzelmodulen mit je 10 kg Zeolith realisiert. Jeder Zeolithspeicher besteht aus einem Absorber und einem Verdampfer/Kondensator, die in einem Vakuumbehälter angeordnet sind. Die Speicher können bei 180 bis über 200 °C Vorlauftemperatur in 3 5 h regeneriert werden. Die Wärmefreisetzung kann dann innerhalb von 60 Minuten bei Temperaturen von mehr als 110 °C erfolgen. Die erzielbaren Wirkungsgrade hängen von den Kondensationstemperaturen während der Regeneration der Speicher und Verdampfungstemperaturen während der Speichernutzung ab. Der Hochtemperaturwirkungsgrad (Freisetzung von Wärme zur Würzeerwärmung) schwankt zwischen 0,5 und 0,78.Für die gesamte Verfahrenskombination wurde ein Versuchstand errichtet. Dieser besteht aus einem speziell konstruierten Abgaswärmetauscher für das eingesetzte BHKW mit Dieselmotor, 4 miteinander verschalteten Zeolithmodulen und sowie einer Braueinheit (Würzepfanne, Warmwasserspeicher und zuschaltbaren SchoKo). Als Wärmeträger wird ein Hochtemperaturträgeröl eingesetzt. Da die Abgastemperaturen des eingesetzten BHKWs vorher nicht für den Betrieb der Verfahrenskombination ausreichten, wurde der Versuchstand um einen Heißluftgenerator ergänzt. Es konnte erfolgreich gezeigt werden, dass sich der geplante Verbund miteinander kombinieren und betreiben lässt. Die brautechnischen Vorgaben werden dabei eingehalten.
Die gewonnenen Daten wurden auf ein Sudhaus mit einer Ausschlagmenge von 100 hl hochskaliert und dann die entsprechende Gesamtbrauerei in ihrem Energiebedarf und zeitlichem Lastgang simuliert. In diesem Modell wurde zusätzlich noch ein Spitzenlastkessel mitberücksichtigt. Gleichzeitig wurde diese Modellierung für eine konventionelle Brauerei durchgeführt. Es zeigt sich, dass sich der Gesamtenergiebedarf der Modellbrauerei durch die vorgeschlagene Verfahrenskombination auf ca. 68 % der konventionellen Brauerei absenken lässt, auch wenn die Laufzeit des BHKWs nur 2704 h beträgt. Wirtschaftlich lässt sich die Verfahrenskombination heute nur rechtfertigen, wenn Biogas als Brennstoff genutzt wird und beim Verkauf des Stroms eine entsprechende Einspeisevergütung erzielt wird.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Das Projekt wurde durch 9 Veröffentlichungen (4 davon im internationalen Umfeld) der Fachwelt vorgestellt. Das große Interesse des Fachpublikums und die Bedeutung zeigt sich auch in den Vorträgen, welche auf Einladung über das Projekt gehalten wurden. Besonders erwähnenswert sind dabei der Vortrag vor dem Umweltausschuss des deutschen Brauerbundes und die Präsentation auf dem 33rd European Brewery Convention Congress in Glasgow.


Fazit

Die im Projektantrag gesteckten Ziele wurden, wenn auch teilweise verzögert, erreicht. In Folge der im Rahmen des Projekts gesammelten Erfahrungen und Erkenntnissen ist die Brauereimaschinenfabrik Kaspar Schulz in der Lage, das Gefäß eines Zeolithspeichers auszulegen und zu fertigen. Zum Einsatz kommen kann der Speicher in Kombination mit einem Blockheizkraftwerk in Brauereien mit unterschiedlicher Betriebsgröße, oder weiteren industriellen Prozessen mit ähnlicher Wärmebedarfstruktur. Die derzeitigen wirtschaftlichen und politischen Gegebenheiten lassen nur einen Einsatz mit den engen Randbedingungen Biogas und EEG-Nutzung zu. Rein unter den Gesichtspunkten der CO2-Einsparung und Energieeffizienz ist das Verfahren als sehr positiv zu werten. Die Kaspar Schulz Brauereimaschinenfabrik und Apparatebauanstalt e. K. kann demnach mit der Kombination von SchoKo, BHKW und Zeolithwärmespeicher ein weiteres umweltfreundliches Verfahren für die Brauindustrie anbieten.