Zeitschrift EE

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2012-04: Zukunftsfähige Kollektortechnologien

Solar Foods - Solarthermie-Branchenkonzepte für die Lebensmittelindustrie

Im Jahr 2007 lag der Energieverbrauch der österreichischen Tabak-, Nahrungs- und Genussmittelindustrie (NACE 15,16) bei rund 26.000 TJ und somit um ca. 30% höher als der Energieverbrauch dieser beiden Sektoren im Jahr1995 [1]. Da in der Lebensmittelindustrie thermische Energie überwiegend im Temperaturbereich zwischen 30 und 150 °C benötigt wird und diese zu einem hohen Anteil mittels Solarthermie klimaneutral bereitgestellt werden könnte, wurde das Projekt „Solarthermie-Branchenkonzepte für die Lebensmittelindustrie“ (Kurztitel: Solar Foods) ins Leben gerufen.

Von Ulrike Herzog, Christoph Brunner, Jürgen Fluch, Franz Mauthner*

Ziele des Projektes

Das Ziel des Projektes Solar Foods ist es, ein umsetzungsorientiertes „Solares Branchenkonzept“ für die Lebensmittelindustrie zu erstellen. Es basiert auf einer energetischen und wirtschaftlichen Analyse repräsentativer Betriebe und berücksichtigt neben der Integration von Solarthermie auch den Einsatz anderer erneuerbarer Energieversorgungstechnologien sowie Effizienzmaßnahmen. Das Branchenkonzept umfasst ein Planungs- und Auslegungstool für Solar-Wärme unter Berücksichtigung von Effizienzpotentialen und anderen Erneuerbaren, weiters einen Leitfaden zur Integration von solarer Wärme in den einzelnen Subbranchen sowie eine Solare Roadmap für die Lebensmittelindustrie bis 2020/2030.

Vorgehensweise bei den Fallstudien

Um das Branchenkonzept umsetzungsorientiert gestalten zu können, wurden 10 Betriebe (Details siehe Tabelle ) aus unterschiedlichen Subbranchen der Lebensmittelindustrie hinsichtlich des energetischen und nicht-energetischen Ressourceneinsatzes analysiert. Es wurden relevante Prozessdaten und –parameter evaluiert und bei Bedarf gemessen um eine Energie- und Massenbilanz erstellen zu können. Die Ergebnisse wurden für alle 10 Betriebe in Form eines Sankey-Diagramms (siehe Abbildung ) dargestellt.

Tabelle

Abbildung 1: Sankey Diagramm eines betrachteten Betriebes

Nachdem der Status Quo des Energie- und Ressourceneinsatzes der Betriebe erhoben und dargestellt war, wurde eine Analyse hinsichtlich möglicher Einsparungspotentiale durchgeführt. Als erstes wurden Potentiale für Technologie- und Prozessoptimierungen (Steigerung der Prozesseffizienz, Reduktion von Verlusten, Einsatz von best-verfügbaren Technologien etc.) erhoben. In einem nächsten Schritt wurden mit Hilfe der Pinch-Analyse Wärmerückgewinnungspotentiale identifiziert und Wärmetauschernetzwerke designt sowie in weiterer Folge technisch sinnvolle Wärmetauscher ausgelegt. Aufbauend auf den Optimierungsmaßnahmen konnte dann für den restlichen thermischen Energiebedarf die Integration von Solarthermie für ausgewählte Prozesse simuliert werden. Als letzter Schritt wurde noch die Einbindung anderer Erneuerbarer berücksichtigt. In den 10 Lebensmittelbetrieben war häufig, aufgrund der großen Mengen an biogenen Abfällen, die Erzeugung von Biogas aus Abwasser oder Abfällen für eine nähere Betrachtung interessant.

Identifizierte Solarintegrations-Konzepte

Abhängig vom jeweils betrachteten Subsektor konnten unterschiedliche Solarintegrations-Konzepte bzw. Potentiale identifiziert werden.

Solarthermie als Prozesswärme

Bei einem Wärmebedarf auf einem Temperaturniveau zwischen 30 und 90°C (z.B. für die Prozesse Pasteurisieren, Kochen, Reifen etc.) und konstanten Lastprofilen (vor allem übers Jahr) eignet sich die Einbindung von Solarthermie sehr gut. Mit der zusätzlichen Implementierung von Speichern (um zeitliche Schwankungen ausgleichen zu können) konnten im Rahmen der Fallstudien hohe solare Deckungsgrade und wirtschaftliche Implementationen in Molkereien, Fleischereien und Früchte- und Gemüseverarbeitenden Betrieben identifiziert werden.

Solarthermie für neue Prozesstechnologien

Basierend auf den Technologieanalysen wurden mögliche Veränderungen von Technologien identifiziert, die z.B. eine Senkung des Prozesstemperaturniveaus ermöglichen und somit die Substitution von fossilen Brennstoffen durch die Integration von Solarthermie unterstützen. Ein Beispiel hierfür wäre die Substitution von konventionellen Verdampfungsverfahren, die meist Dampf als Heizmedium benötigen, durch Membrantrennverfahren wie Umkehrosmose oder Membrandestillation, die bei niedrigen Temperaturen (Raumtemperatur bis kleiner 100°C) ablaufen.

Solarthermie für Brauch- und Reinigungswasser

In allen betrachteten Sub-Branchen der Lebensmittelindustrie werden große Mengen an Brauch- und Reinigungswasser meist bei Temperaturen um 65°C benötigt. Selten wird in den Betrieben noch mit Kaltwasser gereinigt. Aufgrund steigender Hygieneauflagen ist auch hier früher oder später mit einem höheren Bedarf an warmem Wasser zu rechnen. Nach der Berücksichtigung von Wärmerückgewinnungspotentialen aus vorhandener Abwärme wurde immer noch ein großes Potential für die Integration von Solarthermie zur Erwärmung von Brauchwasser identifiziert.

Solarthermie als Vorwärmung

Großes Potential für den Einsatz von Solarthermie wurde vor allem zur Vorwärmung von Kesselspeisewasser identifiziert. In vielen Lebensmittelbetrieben werden große Mengen an Direktdampf als Heizmedium benötigt. Dadurch ergeben sich große Mengen an täglich benötigtem Frischwasser, welches vor Eintritt in den Kesselspeisewassertank vorgewärmt werden muss. Durch die geringen Frischwassertemperaturen (ca. 15°C) ergibt das eine sehr effiziente Möglichkeit der Einbindung von Solarthermie.

Ergebnisse aus den Fallstudien

Je nach Subsektor und in den Subsektoren je nach Unternehmen konnten unterschiedlich viele Einsparungspotentiale durch unterschiedliche Maßnahmen identifiziert werden. In Abbildung 2 sind die Einsparungspotentiale der betrachteten Betriebe zusammengefasst. Durch die Prozessoptimierungen ergeben sich bis zu 25% Einsparungen am thermischen Nutzenergiebedarf. Nutzt man dazu auch noch die Wärmerückgewinnungspotentiale sind Einsparungen von bis zu 38% möglich. Durch den zusätzlichen Einsatz von Solarthermie können insgesamt bis zu 44% an fossilen Energieträgern eingespart werden. Wird das Optimierungskonzept bestehend aus Prozessoptimierung, Wärmerückgewinnung und Solarthermie noch um die Nutzung von anderen Erneuerbaren (Biogas) erweitert, bestehen Einsparungspotentiale an fossilen Energieträgern von bis zu 60%.

Abbildung 2: Durchschnittliche Einsparungspotentiale in der Lebensmittelindustrie

In Abbildung 3 sind die solaren Deckungsanteile des analysierten Prozesses in den betrachteten Betrieben ersichtlich. Der Anteil des durch Solarenergie abgedeckten thermischen Energiebedarfes des betrachteten Prozesses liegt je nach Subsektor und Prozess zwischen 15 und knapp 90%. Der solare Deckungsgrad war in den Fallstudien immer davon abhängig, wie viel Energie der betrachtete Prozess benötigt und welche Kollektorfläche sich am wirtschaftlichsten erwies. Auch die maximal verfügbare Fläche (z.B. Dachfläche) für die Kollektoren seitens der Betriebe war ein ausschlaggebendes Kriterium für die Auslegung. Es hat sich gezeigt, dass je nach Auslegung und Größe der Anlage zum Teil sehr hohe Deckungsgrade zu niedrigen solaren Wärmegestehungskosten erreicht werden können.

Abbildung 3: Anteil Solarenergie am thermischen Energieverbrauch der betrachteten Prozesse

In Abbildung 4 ist ein Vergleich des spezifischen konventionellen Wärmepreises und des Wärmepreises aus der Solaranlage (über 20 Jahre, 40-50% Förderung) je Subsektor ersichtlich. Auch die Kollektorfläche (grüner Balken) ist in der Grafik abgebildet. Es ist klar erkennbar, dass mit der Größe der Kollektorfläche der solare Wärmepreis abnimmt und somit umso konkurrenzfähiger gegenüber dem konventionellen Wärmepreis ist. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Systemkosten (€/m² Kollektorfläche) für die Solaranlage mit steigender Kollektorfläche sinken, da die Kosten für die Speicher und Rohrleitungen auch bei kleinen Kollektorflächen getragen werden müssen. Somit sinken die spezifischen Investitionskosten für die Solaranlage mit steigender Kollektorfläche, der jährliche Solarertrag und die damit verbundenen Energieeinsparungen steigen jedoch, was wiederum zu einem niedrigeren solaren Wärmepreis und geringeren Amortisationszeiten führt als bei kleineren Solaranlagen.

Abbildung 4: Vergleich der spezifischen Wärmepreise in Zusammenhang mit der Kollektorfläche

Rahmenbedingungen für die Anwendbarkeit

Das Potential für die Nutzung von Solarthermie in den Sub-Branchen der Lebensmittelindustrie wurde als sehr hoch identifiziert. Der Großteil des Wärmebedarfes liegt zwischen 30 und 120°C und ist somit gut geeignet für die Einbindung von Solarenergie. Der solare Wärmepreis war bei einigen Subbranchen sogar deutlich unter dem Wärmepreis aus den fossilen Energieträgern. Bei der Umsetzung von Solarthermie stößt man allerdings immer wieder auf gewisse Schwierigkeiten:

Aktuelle Prozesswärmeversorgung mit Dampf oder elektrisch

Bei der Nutzung von Abwärme oder Solarthermie ist oftmals eine Umstellung auf Heißwasserversorgung erforderlich. Wenn Prozesse mit Direktdampf oder elektrisch beheizt werden sind oft aufwendige Umbauarbeiten und Veränderungen bestehender Technologien erforderlich um Abwärme oder Solarthermie nutzen zu können. Diese Umbauarbeiten können mit hohen Investitionskosten verbunden sein, was gerade für kleine Firmen eine Schwierigkeit darstellt.

Solarthermie vs. Abwärme

Neben den vielen Möglichkeiten der Solarintegration war auch das Abwärmenutzungspotential in vielen Betrieben sehr hoch. Es waren oftmals große Mengen an Abwärme von Kühl-und Tiefkühlanlagen vorhanden. Die Abwärme konnte meist perfekt mit der Erwärmung von Reinigungswasser kombiniert werden, was in einigen Betrieben sogar bereits realisiert war. Die Nutzung von vorhandener Abwärme hat allenfalls Vorrang gegenüber der Solarthermie oder der Nutzung von anderen Erneuerbaren. Dennoch konnte für die Nutzung von Solarthermie großes Potential in den betrachteten Subbranchen der Lebensmittelindustrie identifiziert werden.

Literatur

[1] Statistik Austria (2010) Integrierte NAMEA, im Auftrag des BMLFUW, erstellt am 19.01.2010.

Bildquellen:
1. http://simplifected.tumblr.com/post/28831565317/gestern-im-feld
2. © vzhh.de; gesehen auf http://www.sonnenseite.com/index.php?pageID=6&article:oid=a22212
3. Schott AG, gesehen in Austria Innovativ – Das österreichische Magazin für Forschung und Technologie

*) DI Ulrike Herzog ist Mitarbeiterin des Bereichs Industrielle Prozesse und Energiesysteme von AEE INTEC ( This e-mail address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it. )
*) DI Jürgen Fluch ist Mitarbeiter des Bereichs Industrielle Prozesse und Energiesysteme von AEE INTEC
*) DI Franz Mauthner ist Mitarbeiter des Bereichs Solarthermie von AEE INTEC
*) DI Christoph Brunner ist Leiter des Bereichs Industrielle Prozesse und Energiesysteme von AEE INTEC
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