Wärmerückgewinnung (WRG) bei der Milchkühlung

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1 Eidgenössisches Departement für Wirtschaft, Bildung und Forschung WBF Agroscope Wärmerückgewinnung (WRG) bei der Milchkühlung Markus Sax Weiterbildungskurs für Baufachleute, 3./4. November I gutes Essen, gesunde Umwelt

2 Inhalt Ziele und Vorgaben für Milchkühlung Funktion der Kältetechnik bei der Milchkühlung Reduktion der Stromkosten Schlussfolgerung => 2

3 Ziele der WRG bei der Milchkühlung Abwärme von Kälteaggregat nutzen Brauchwarmwasser vorerwärmen Reduktion des Strombedarfs von Boilern Einsparung von Stromkosten Leistungssteigerung der Milchkühlung 3

4 Vorgaben Milchkühlung Auszug aus der Verordnung des Eidgenössischen Departements des Innern (EDI) über die Hygiene bei der Milchproduktion (VHyMP) Art. 14 Kühlen und Lagern der Milch frisch gewonnene Milch muss: bei täglicher Ablieferung innerhalb von 2 Stunden auf 8 C abgekühlt sein wenn alle 2 Tage abgeliefert wird weiter auf 6 C Auszug aus Richtlinien für die Durchführung der Kontrollen bei Melkanlagen: Temperatur von Rücklauf bei Zirkulationsreinigungen sollte >50 C (Milchabnehmer, z.b. Käserein fordern z.t. 55 C) 4

5 Kältetechnik bei der Milchkühlung T 34 C Milchtank Foto: Moser Stalleinrichtungen AG, Expansionsventil T < 6 C Vorlauf Rücklauf Verflüssiger Kälteaggregat Kältemittelleitungen Verdichter (Kompressor) Quelle: Kälte, Klima, Aktuell (KKA), Bauverlag BV GmbH, Gütersloh 5

6 Milchtank mit aufgesetztem Kälteaggregat Kälteaggregat Messgeräte Kälteaggregat Milchtank Messgeräte Verdichter Foto: Agroscope INH Tänikon Foto: Agroscope INH Tänikon 6

7 Material und Methode Messungen bei Milchkühlung von Wassererwärmung bei 8 Milchviehbetrieben (bis heute) Jahresmilchmengen der einzelnen Betriebe zwischen kg Messgrössen: Temperatur bei Milch und Wasser (Kalt- und Warmwasser) Volumenstrom bei Wasser (Wasserbedarf) Milchmenge gemäss Abholscheinen «Schätzung der Milch für Eigenbedarf, welche auch gekühlt wird» Temperatur von Kältemittel bei Verdichter, Kondensator, Milchtank und Warmwasserspeicher 7

8 Schema von Messkonzept Kälteaggregat T5 T6 E2 T7 V1 T2 Brauchwarmwasser ca C V2 T4 Kältemittelleitungen T1 T3 E1 Legende: T: Temperatur E: Strom V: Volumenstrom 8

9 Phasenübergänge bei 1 kg Wasser Normaldruck p = 1013 bar von Eis zu Wasser flüssig zu Dampf Temperatur [ C] 100 C 0 C Wh/kgK c p = spezifische Wärmekapazität 9

10 Berechnung Wärmeenergie Q = m x c x T Q = Energiemenge in Wattstunden [Wh] m = Masse [kg] Wasser: cp Wh/kgK c p = spezifische Wärmekapazität Milch: cp Wh/kgK T = Temperaturdifferenz in Kelvin [K] Milchkühlung: von 34 C auf 6 C 100 kg * 1,093 Wh/(kg*K) * 30 K 3'279 Wh (ohne Verdichterleistung) Temperatur Leitungswasser: ~10 C Solltemperatur Warmwasserspeicher: ~50 C Wassererwärmung: von 10 C auf 50 C 3'279 Wh / (1,163 Wh/(kg*K) * 40 K) 70 Liter 10

11 Milchkühlung mit WRG Elektro Boiler Milchtemperatur: ~34 C Warmwasserspeicher Kälteaggregat 80 C Heisswasser 50 C Kaltwasser 100 kg * Wh/kgK* 30 K 3279 Wh* Temperatur gekühlte Milch: ~6 C Wassererwärmung: 3279 Wh Wh/kgK * 40 K 70 Liter *ohne Verdichterleistung; Kälteaggregat- und Kältemittelabhängig 11

12 Kältemittelkreislauf Kältemittel gasförmig p 13 bar T 53 C Milchtank Kältemittelleitung p 3 bar T 0 C Kältemittel flüssig Quelle: Reisenr, K., Fachwissen Kältetechnik, Berlin,

13 Dampfdruckkurve von Kältemittel Dampfdruckkurve von Kältemittel R134a Dampfdruckkurve von Kältemittel R134a Druck nach Verdichter Druck, p [bar] ~13 Temperatur Kältemittel vor Kondensator Temperatur [ C] ~53 C Quelle: Felder, H., Wuppertal 13

14 Bedeutung Formelzeichen von Kältemitteln Quelle: Reisenr, K., Fachwissen Kältetechnik, Berlin,

15 Erste Ergebnisse von Messungen Menge von Brauchwarmwasser zu Reinigungszwecken (Melk- und Milchlageranlage) Stromeinsparung zur Wassererwärmung (Brauchwarmwasser) bei Elektroboiler Stromeinsparung bei Kälteaggregat von Milchkühlung 15

16 Brauchwarmwasser für Reinigungszwecke pro 100 kg Milch Reinigung von Melk- und Milchtankanlagen: Wassertemperaturen ca C => Wassertemperatur muss beim Rücklauf von Zirkulationsreinigungen 50 C Wasserverbrauch für Reinigung ca. 35 Liter pro 100 kg Milch Jahresmilchmengen: Betrieb > kg Betrieb 2 = kg Betrieb < kg Wasserverbrauch [l] Brauchwarmwasser aus Boiler ohne WRG Brauchwarmwasser aus Boiler mit WRG Betrieb 1 Betrieb 2 Betrieb 3 Betrieb 4 Betrieb 5 Betriebe [-] Elektrische Energieeinsparpotentiale in der Landwritschaft, Thür, C., Winterthur,

17 Stromverbrauch von Boilern zur Erwärmung des Brauchwarmwassers Stromverbrauch von Boilern während 4 Melk- und Reinigungsdurchgängen vor und nach dem Einbau einer WRG: Stromeinsparung mit WRG bei Milchkühlung liegt bei ca % Bei Betrieb 5 wurde Brauchwarmwasser im Boiler vor Einbau der WRG auf 90 C aufgeheizt Stromverbrauch [kwh] Stromverbrauch Boiler ohne WRG Stromverbrauch Boiler mit WRG Betrieb 1 Betrieb 2 Betrieb 3 Betrieb 4 Betrieb 5 Betriebe [-] Elektrische Energieeinsparpotentiale in der Landwritschaft, Thür, C., Winterthur,

18 Stromverbrauch Kälteaggregat Stromverbrauch vom Kälteaggregat pro 100 kg Milch vor und nach dem Einbau einer WRG: Stromeinsparung mit WRG ca % 2.5 Strom für Kälteaggreagat vor Einbau WRG Stromeinsparung Kälteaggregat ca. 5 20% (stark abhängig von Kälteaggregatgrösse und Kältemittel Stromverbrauch [kwh] Strom für Kälteaggregat nach Einbau der WRG Betrieb 1 Betrieb 2 Betrieb 3 Betrieb 4 Betrieb 5 Betriebe [-] Elektrische Energieeinsparpotentiale in der Landwritschaft, Thür, C., Winterthur,

19 Kalkablagerungen im Boiler Foto: Agroscope INH Tänikon Boiler (ca. 450 l) Kalkablagerungen Foto: Agroscope INH Tänikon Elektroheizstab Elektroheizstab mit Kalkablagerungen Kalkablagerungen auf Heizstäben erhöhen Strombedarf massiv! Foto: Agroscope INH Tänikon 19

20 Kalkablagerungen auf Heizstäben Mehrverbrauch Strom durch Kalkablagerungen auf Heizstäben: 1 mm Kalk auf den Heizstäben ca. 8% mehr Strom 10 mm Kalk auf Heizstäben ca. 50% mehr Strom Quelle: Energie Umwelt.ch, Genf, 2015 Foto: Agroscope INH, Tänikon 20

21 Wartung von Kälteaggregaten Foto: C. Thür Kälteaggregat steht in «Kammer» auf der Heubühne: Gute Zugänglichkeit und Übersicht zu Kontrollzwecken Zuluft von kleinem Raum ohne Frischluftzufuhr und stark Staubbelastet Foto: C. Thür Kälteaggregat steht unter Dachschräge auf Strohbühne: Zugang und Übersicht sehr schlecht Zuluft durch Strahlungswärme von Dach vorerwärmt und «Luftzufuhr» und mit Staub «kontaminiert» 21

22 Brauchwassererwärmer Aufwärmen oberer Boilerinhalt auf 85 C über Nacht (ca. 450 liter) Boiler mit Wärmeschichtung: Volumen 750 Liter Elektroheizstab Zu empfehlen: Warmwasserspeicher vor Elektroboiler «vorschalten» Aufwärmen unterer Boilerinhalt auf ca. 50 C mit WRG aus der Milchkühlung (ca. 300 liter) Foto: Agroscope INH, Tänikon Elektroboiler Warmwasser -Speicher Aufgrund von Durchmischungen (Warm- und Kalkwasser) im Speicher nicht zu empfehlen Foto: C. Thür 22

23 Schlussfolgerungen Der Bedarf an Brauchwarmwasser zu Reinigungszwecken beträgt durchschnittlich 35 l / 100 kg Milch Der Strombedarf für die Erwärmung des Brauchwarm-wassers kann mit einer WRG bei der Milchkühlung um ca % gesenkt werden. Eine WRG bei der Milchkühlung kann den Milchkühlprozess verkürzen und dadurch den Strombedarf des Kälteaggregats reduzieren. Wartungsarbeiten bei Boilern und Kälteaggregaten sind wenn möglich jährlich durchzuführen. 23

24 Ausblick Weitere Messungen bei Milchkühlanlagen und WRG-Anlagen werden durchgeführt Checkliste für optimierte Speichergrössen und Installationen auf Anlage bezogen soll erstellt werden.auch in Beachtung einer möglichen Betriebserweiterung! Photo: Baumgartner, Ramsau 24

25 Öko Milchkühlung frisch auf der Milchbank Bild: Wilhelm Wendekind, Uslar (D) Bild: Wilhelm Wendekind, Uslar (D) 25

26 Literatur Bonkoß, K., Neiber, J., Neser S., Energieeinsparung in der Milchviehhaltung, Bayerische Landesanstalt für Landwirtschaft (LfL), Freising-Weihenstephan, 2012 Institut de l élevage, Les consommations d énergie en bâtiment d élevage laitier, Paris Cedex 12, 2009 Lebéhot, A., Consommation électrique du bloc traite, Chambre d'agriculture du Calvados, Caen cedex, Novembre 2009 Thür, C., Elektrische Energieeinsparpotentiale in der Landwritschaft, Winterthur, 2013 Nosal, D., Kosten der Milchkühlung und Wärmerückgwinnung, FAT-Bericht 364, Tänikon

27 Danke für Ihre Aufmerksamkeit Tel