Christoph Brunner. CO 2 -neutrale Energiebereitstellung in der Lebensmittelindustrie der Gegenwart Nationale und internationale Fallstudien

Transkript

1 CO 2 -neutrale Energiebereitstellung in der Lebensmittelindustrie der Gegenwart Nationale und internationale Fallstudien Christoph Brunner AEE Institut für Nachhaltige Technologien A-8200 Gleisdorf, Feldgasse 19 AUSTRIA

2 Überblick Ziele und Ergebnisse des Projektes Vorgehensweise bei der Einbindung von Solarthermie Fallstudien Ergebnisse und erkennbare Tendenzen aus den Fallstudien Solar Brew OPTIMIZATION PROCESS INTEGRATION

3 Schwerpunkte im Projekt Erhebung des Status Quo des Energie und Ressourcenbedarfes in der österreichischen Lebensmittelindustrie basierned auf Firmendaten Entwicklung eines Bilanzierungstools Abbildung der Rahmenbedingungen der Subbranchen Integration von solarer Prozesswärme basierend auf den Fallstudien und Entwicklung von Implementierungskonzepten für die evaluierten Firmen Entwicklung einer solaren Roadmap 2020/2030 Entwicklung des Branchenkonzeptes

4 Optimierung und Einbindung Erneuerbarer

5 Solarfoods Tool

6 Betrachtung der Betriebe Analyse des Energie- und Ressourceneinsatzes von 10 ausgewählten Betrieben der Lebensmittelindustrie und Darstellung des Status Quo Fleischverarbeitende Industrie (2) Schlächtereien (1) Früchte- und Gemüseverarbeitende Industrie (4) Hersteller von Back- und Dauerbackwaren (1) Milchverarbeitende Industrie (2)

7 Schritte zur Energieeffizienz und zum Einsatz von erneuerbarer Energie Erfassung und Messen der energierelevanten Daten, Massen und Energiebilanz, Visualisierung der Produktionsprozesse mittels Flowsheet und Sankey Diagramm

8 Datenerfassung

9 Flow sheet und Sankey Diagramm

10 Schritte zur Energieeffizienz und zum Einsatz von erneuerbarer Energie Erfassung und Messen der energierelevanten Daten, Massen und Energiebilanz, Visualisierung der Produktionsprozesse mittels Flowsheet und Sankey Diagramm Technologische Optimierung Verwendung der Energie effizientesten Prozesstechnologie, Optimierter Massen und Wärmetransport, Verminderung der Versorgungstemperatur

11 Beispiele zur technologischen Optimierung 2,6m 420 hl 496 hl 0,9m 0,4 m 95 C 0,3m 4,384 m 3,5m Nachheizung WW Speicher 0,5 m 3,0 m T [ C] 75 Malz 13t/Sud 18 C Maischbottichpfanne Max kw 70 C 405 hl 58 C Max kw Max kw 55 t [min]

12 Schritte zur Energieeffizienz und zum Einsatz von erneuerbarer Energie Erfassung und Messen der energierelevanten Daten, Massen und Energiebilanz, Visualisierung der Produktionsprozesse mittels Flowsheet und Sankey Diagramm Technologische Optimierung Verwendung der Energie effizientesten Prozesstechnologie, Optimierter Massen und Wärmetransport, Verminderung der Versorgungstemperatur Systemoptimierung Wärmeintegration; Wärmerückgewinnung, Pinch Analyse, Speichermanagement

13 Wärmetauschernetzwerk und Speichermanagement Konzeptrealisierung V1 Brew water from wort cooler 94 C Minimaler Wärme- und Kältebedarf Brew water tank 1 Wärmetauschernetzwerk Design von Wärmespeicher Optimierter Integrationspunkt für RES District Heat Wort preheating District Heat Energy Storage 95 C 94 C 85 C 93 C District Heat C Brew water Tank 2 85 C Packaging WW tank C Liquor for lauter tun Packaging District Heat 86 C Liquor for mash tun Vapour condensate recovery Waste water CIP brewhouse Process water tank C Liquor for mash tun Liquor for mash tun Heat recovery cooling installtions 65 C Service water HR Cooling Compressors

14 Schritte zur Energieeffizienz und zum Einsatz von erneuerbarer Energie Erfassung und Messen der energierelevanten Daten, Massen und Energiebilanz, Visualisierung der Produktionsprozesse mittels Flowsheet und Sankey Diagramm Technologische Optimierung Verwendung der Energie effizientesten Prozesstechnologie, Optimierter Massen und Wärmetransport, Verminderung der Versorgungstemperatur perature Systemoptimierung Wärmeintegration; Wärmerückgewinnung, Pinch Analyse, Speichermanagement Einbindung von erneuerbarer Energie unter exergetischen Gesichtspunkten; waste to energy, Biogas, Solarthermie, Biomasse

15 Grundsätzliche Integrationmöglichkeiten

16 Integration auf der Versorgungsebene Höhere Temperaturen Einfachere Eibindungsschemata Geringere Anzahl von Layouts

17 Integration auf Prozessebene Verschiedene System Layout möglich Meistens komplexere Einbindungsvarianten

18 Prozesswärmekollektoren Source: Schüco International KG Source: Wagner & Co Solartechnik Source: Industrial Solar Source: Solera GmbH Source: Isomorph

19 Arten von Kollektoren Schwimmbadabsorber Flachkollektoren Vakuum-Röhrenkollektoren Konzentrierende Kollektoren

20 Kollektorwirkungsgradkennlinie

21 Ergebnisse Solarsimulation

22 Solarintegration - Beispiele Fleischverarbeitende Industrie und Schlächtereien Nacherwärmung des Reinigungswassers in der Produktion Früchte- und gemüseverarbeitende Industrie Versorgung des Pasteurs Vorwärmung des Frischwassers Nacherwärmung des Reinigungswassers in der Produktion und Vorwärmung der Container CIP Hersteller von Back- und Dauerbackwaren Nacherwärmung des Reinigungswassers in der Produktion Milchverarbeitende Industrie Entfettung der Molke Vorwärmung des Frischwassers Nacherwärmung des Reinigungswassers in der Produktion

23 Einsparpotentiale in Subbranchen der LMI identifizierter Einsparungsbereich

24 Vergleich Energiepreise und Zusammenhang Kollektorfläche

25 Realisierte Anlagen (Stand 2010) 200 realisierte Anlagen für Prozesswärme Mit einer gesamten Leistung von 42 MW th (60,000 m²) Lebensmittelindustrie: Brauereien, Molkereien, Gewürzherstellung, Softdrinks Source: IEA SHC Task 33 and investigations AEE INTEC 2010

26 Projektabriss SolarBrew Solar Brew: Solar Brewing the Future EU FP7 ( ) Projekt Nr Projektkonsortium - AEE INTEC (Koordination) - HEINEKEN Supply Chain B.V. - GEA Brewery Systems GmbH - Partner Anlagenbau - Sunmark A/S - Partner Solarthermie

27 Brauerei Göss - Österreich Eckdaten m² Flachkollektoren (Boden) - 200m³ Energiespeicher Solare Wärmeintegration - 1) Maischen von geschrotetem Malz - Prozesstemperatur: C (Aufheizvorgang) - Versorgungstemperatur: C - Lastprofil: Mo Mi (Do) durchgehend; Maischepfanne alternierend - 2) Erhitzen von Frischwasser von 15 auf 85 C - Lastprofil: Fr So tagsüber in Speicher; bei Bedarf im Durchlaufprinzip Highlights - Umstellung der Energieversorgung von Dampf auf Heißwasser - Nutzung von Abwärme aus einem Biomasse-ORC Prozess und daher nahezu vollständig CO 2 -neutrale Energieversorgung

28 Brauerei Göss - Österreich

29 Brauerei Göss - Österreich Kostenanalyse (preliminary) 50% Prozessintegration 11% spezifische Kosten GESAMT Brauerei Goess 18% 7% Flachkollektoren (100 Stk.) Aufständerung + Fundamente + Kollektorfeldverrohrung Equipment Solarkreis (primär + sekundär) Solarspeicher + Fundament 39% 13% Diverses (MSRT, IBS, Planung) 3% 9% Prozessintegration "Maischen" Prozessintegration "Vorwärmen" 50% Solarintegration

30 Brauerei Valencia - Spanien Pasteur 1 Dose Pasteur 2 Flasche Dampf-WT Bestand Besprühen der Flaschen

31 Brauerei Valencia - Spanien Solare Wärmeintegration (Tunnelpasteur 1: Dose) - Nachrüstung eines Solar Wasser/Wasser Wärmetauschers und bestehender Dampf-WT bleibt erhalten oder Eckdaten m² Flachkollektoren (Bruttofläche) - 350m³ Energiespeicher

32 Brauerei Valencia - Spanien Kostenanalyse (preliminary) spezifische Kosten GESAMT Brauerei Valencia 1/3 Prozessintegration Flachkollektoren (189 Stk.) 34% 29% Aufständerung + Fundamente + Kollektorfeldverrohrung Equipment Solarkreis (primär + sekundär) Solarspeicher + Fundament 5% 13% 7% 12% Diverses (MSRT, IBS, Planung) Prozessintegration "PASTEUR" 2/3 Solarintegration

33 m³/h Mälzerei Vialonga - Portugal Eckdaten m² Flachkollektoren (Aufdach / Flachdach) - 300m³ Energiespeicher Solare Wärmeintegration - Trocknung von Grünmalz - Prozesstemperatur: C (Stufe 1 - Schwelken) - Versorgungstemperatur: 75 C - Lastprofil: Mo So durchgehend, allerdings 18 Stunden Batch- Prozess auf unterschiedlichen Temperaturniveaus

34 Wärmetauscher Dampf Stufe II Stufe I Mälzerei Vialonga - Portugal Solare Wärmeintegration Wärmetauscher KWK Stufe IV Stufe III Stufe II m³/h

35 Zusammenfassung Brauerei bzw. Mälzerei Land Kollektorfläche 1 Spitzenleistung [m²] [MW p,th ] Prozess Prozesstemperatur [ C] erwarteter Solarertrag 2 solare Deckung 2 solare Einstrahlung horizontal [kwh/(m² a)] [%] [kwh/(m² a)] Brauerei Goess AT ,0 Maischen + FW-Erwärmung C 350 ± 25 etwa 25% Brauerei Valencia SP ,8 Pasteurisieren von Bier 65 C 625 ± 25 etwa 25% Mälzerei Vialonga PT ,3 Trocknen von Grünmalz C 850 ± 50 etwa 20% Total ,1 1 Bezug: Aperturfläche 2 Simulationsergebnisse basierend auf gemessenen Lastprofilen

36 Conclusio Vorteile FÜR Solarintegration Prozesstemperaturen <100 C Gleichmäßiges Lastprofil Bedarf am Tag, nicht in der Nacht Bedarf auch am Wochenende Nachteile gegen Solarintegration Mittel- und Hochtemperaturprozesse (>150 C) Starke Bedarfsschwankungen Bedarf in der Nacht Alte gewachsene Strukturen Schlechte Statik der Gebäude/ kein Platz am Boden Große Menge vorhandener Abwärme aus Kühlanlagen Wärmeversorgung = Dampf => konzentrierende Solartechnologie

37 Projektpartner Das Projekt ist co-finanziert durch den Klima- und Energiefonds im Rahmen des Programmes NEUE ENERGIEN 2020

38 CO 2 -neutrale Energiebereitstellung in der Lebensmittelindustrie der Gegenwart Nationale und internationale Fallstudien Christoph Brunner AEE Institut für Nachhaltige Technologien A-8200 Gleisdorf, Feldgasse 19 AUSTRIA