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Energieversorgung der Brauerei Murau mit Fernwärme
Umstellung der Energieversorgung durch die Anbindung an das Fernwärmenetz der Stadtwerke Murau

In Folge der Errichtung einer Hackschnitzelheizzentrale im Raum Murau bot sich der 1. Obermurtaler Brauereigenossenschaft die Möglichkeit, sich an das bestehende Fernwärmenetz der Stadtwerke Murau anzuschließen und so die Energieversorgung der Brauerei gänzlich auf erneuerbare Energie umzustellen. Aus diesem Grund war es für die Brauerei jedoch notwendig, die meisten ihrer thermischen Prozesse auf Heißwasser umzustellen.

Abbildung 1: Maischgefäß im Sudhaus. Quelle: AEE INTEC

In der Brauerei Murau werden jährlich etwa 300.000 hl Bier produziert und die Wärmeversorgung durch Dampf wurde über Ölkessel bewerkstelligt. Seit Mai 2014 wird die benötigte thermische Energie über Fernwärme aus Hackgut von Murauer Forstbetrieben bereitgestellt. Das Hackgut wird in zwei 13 Meter hohe Silos eingeworfen und mittels warmer Luft vorgetrocknet, bevor es automatisch zum Heizkessel befördert wird. Beide Silos verfügen über ein Fassungsvermögen von rund 4.000 Schüttraummetern. Seit November 2011 wird das LKH Stolzalpe bereits über eine 11 km lange Leitung versorgt, die eine Höhendifferenz von rund 450 m überwindet. Im nächsten Schritt wurde die Brauerei Murau in das Versorgungsnetz eingebunden.

Da nun die thermische Hauptenergieversorgung über den Fernwärmeanschluss gewährleistet wird, wurde zum Lastausgleich ein Pufferspeicher von etwa 110 m³ am Brauereigelände installiert. Dieser stellt sicher, dass es bei Lastspitzen zu keinem Versorgungsengpass in der Brauerei kommt und eine reibungslose Bierproduktion sichergestellt ist.

Die Versorgung der Brauerei wurde in zwei unterschiedliche Versorgungsnetze/Heißwassernetze aufgeteilt. Das Versorgungsnetz für das Sudhaus wird mit einer Temperatur über 115 °C betrieben und das Versorgungsnetz für die Bierabfüllung wird mit 95°C betrieben. Die Versorgungstemperaturen wurden so an die Prozesstemperaturen angepasst, dass eine möglichst niedrige Rücklauftemperatur erreicht wird und eine optimale Einbindung in das Fernwärmenetz garantiert ist.

Der Brauprozess:

Das Maischen ist das erste Arbeitsverfahren beim Brauprozess, bei dem durch enzymatische, physikalische und chemische Vorgänge die für die nachfolgenden Prozessschritte relevanten Malzinhaltsstoffe Stärke, Eiweiße und Zellwandsubstanzen in Lösung gebracht werden. Hierbei wird das geschrotete Malz in einem Maischgefäß mit etwa 45 - 61°C heißem Wasser vermischt – man spricht vom Einmaischen. Die so entstandene Maische wird unter stetigem Umrühren auf Temperatur gehalten (Eiweißrast zum Abbau des Eiweißes). Dabei löst sich die Stärke aus dem Malz im Wasser auf. Anschließend wird die Temperatur im Maischgefäß auf knapp 70°C bis 75°C erhöht. Währenddessen sorgt das Enzym Amylase aus dem Malz dafür, dass aus der Getreidestärke vergärbarer Malzzucker (Maltose) und nicht vergärbare Dextrine entstehen. Das im Korn vorhandene Eiweiß wird beim Maischen in Aminosäuren zerlegt. Über 78 °C darf nicht erhitzt werden, da dabei die wertvollen Enzyme zerstört werden würden (man spricht vom Denaturieren).1

Daraufhin wird die Maische im Läuterbottich geläutert und der Malztreber von der Würze, dem späteren Bier, getrennt. Mit Nachgüssen aus heißem Wasser wird der Malztreber gespült und die Würzeausbeute erhöht.

Als nächster Schritt folgt das Kochen der Würze in der Kochpfanne, in der erst der Hopfen hinzugegeben wird und für gut eine Stunde gekocht wird. In weiterer Folge wird die Würze in einen Whirlpool gepumpt, um das geronnene Eiweiß und andere Schwebstoffe von der Ausschlagwürze zu trennen. Als letzter Schritt im Sudhaus steht die Würzekühlung an. Hierfür wird die heiße Würze für die Gärung und spätere Lagerung in einem Kühler auf die optimale Gärtemperatur abgekühlt und je nach Biersorte wird danach die passende Hefekultur zugesetzt.

Die Umsetzung im Sudhaus:

Die bestehenden Maischgefäße der Brauerei Murau boten zu wenig Wärmeübertragungsfläche für eine Energieversorgung mittels Heißwasser, da diese auf eine Energieversorgung mittels Dampf ausgelegt sind.

Für die Umstellung auf ein Heißwassernetz waren daher Adaptierungen und Umbauten im Sudhaus notwendig. So werden die bestehenden Maischgefäße und deren bestehende Heizzonen durch neue für Niedertemperaturanwendugen optimierte Heizflächen ergänzt. Durch diese neuen Heizflächen am Boden und an den Zargen der Maischgefäße ist es nun möglich, rückgewonnene Energie am Ende des Brauprozesses zu nutzen und dem darauffolgenden Brauprozess beim Maischen wieder zuzuführen. Durch diese Wärmerückgewinnungsmaßnahme lassen sich etwa 8% des gesamten Energiebedarfs der Brauerei einsparen.

Wie eine von AEE INTEC durchgeführte Studie „Umsetzungskonzept für den Anschluss der Murauer Brauerei an ein geplantes Fernwärmenetz“ gezeigt hat, liegt der minimale Energiebedarf im Sudhaus deutlich geringer als die real eingesetzte Energiemenge. Teilweise ist dies durch die Prozessabläufe unvermeidbar (Aufheizbedarf der Sudpfannen nach dem Wochenende). In anderen Fällen, beispielsweise am Einsatz des Stützdampfes während der Brüdenverdichtung zeigt sich ein generelles Optimierungspotential.

Teilweise wird durch den Umstieg auf Heißwasser eine Annäherung an den minimalen Energiebedarf im Sudhaus realisiert.

Im Zuge der Umstellung von Dampf- auf Heißwasserversorgung wurde im Sudhaus eine interne Wärmerückgewinnung installiert, die den Fernwärmepufferspeicher als Zwischenspeicher nutzt und den Energiebedarf der Sudhausanlagen zu senken hilft. Die Wärmerückgewinnung sieht vor, dass ein Teil der Würzeenergie wieder genutzt wird, um später beim Maischprozess die Maische aufzuwärmen. Dabei werden ca. 18 % der notwendigen Energie der Sudhausverbraucher durch die Wärmerückgewinnung bereitgestellt und die restlichen 82 % werden über die Fernwärme versorgt. Es können dadurch etwa 280.000 kWh pro Jahr an Energie eingespart werden.
Zu den Hauptheißwasserverbrauchern im Sudhaus zählen folgende Anlagen:

  • die Maischpfanne,
  • der Läuterwürzeerhitzer (ev. Kombipfanne)
  • der Außenkocher und die
  • Reinigungsstufe 1 (CIP cleaning in place)

Der bestehende Dampfkessel

Einer der beiden bestehenden Dampfkessel wird als Notkessel weiterhin in Betrieb bleiben und bei Ausfall der Wärmeversorgung durch die Fernwärme einen Notbetrieb gewährleisten. Für den Notbetrieb und zur Beheizung des Fernwärmespeichers wird der verbleibende Kessel über einen Dampf-Heißwasserwärmeübertrager in das Heißwassersystem integriert.

Der Direktdampfverbrauch

Weiters gilt hervorzuheben, dass vor der Umsetzung von Effizienzmaßnahmen der Speisewasserbedarf den Direktdampfverbrauch der Brauerei überstieg, daher sind - besonders durch Umstieg auf Heißwasserversorgung – Einsparungen gegenüber dem ehemaligen Kondensatsystem zu erwarten.

In der Brauerei gibt es nur wenige Direktdampfverbraucher, zu diesen zählen das Fass-Dämpfen, Filterreinigungen, Sterilisation mit Dampf und die Regeneration bei der CO2-Rückgewinnung.
Beim Dämpfen der Fässer werden während der Sterilisationszeit von 10 Sekunden ca. 25 kW Wärmeleistung benötigt. Für den Palettenpasteur werden bis zu 100 kg Dampf pro Stunde eingesetzt, allerdings läuft der Pasteur nur wenige Betriebsstunden im Jahr. Die weiteren Direktdampfverbraucher, wie Filterreinigung und Sterilisationen von Rohrleitungen etc., werden erwartungsgemäß in geringem Ausmaß zum Direktdampfverbrauch beitragen. Ein Großteil des eingesetzten Speisewasserbedarfs musste vor der Umstellung des Versorgungssystems daher Verlusten im Kondensatsystem zugerechnet werden.

Durch den Umstieg auf Heißwasserversorgung ist mit einem weitgehenden Wegfall des Speisewasserbedarfs zu rechnen. Beim derzeitigen Energiebedarf der Brauerei können durch den Wegfall der Kondensatverluste bzw. der Speisewassererwärmung 5% des Gesamtenergiebedarfes eingespart werden.

Da nach dem Wegfall der Dampfenergieversorgung dennoch Dampf für die zuvor angeführten Prozesse notwendig ist, wurde hier eine besonders innovative Lösung gefunden. Am Gelände der Brauerei wird das anfallende Abwasser seit geraumer Zeit über eine Biogasanlage vorgereinigt und erst danach in die öffentliche Kanalisation eingeleitet. Vor der Umstellung auf Fernwärmeversorgung wurde das erzeugte Biogas dazu verwendet, um im Winter die Beheizung des Brauereigeländes zu unterstützen. Somit wurde das ganzjährig anfallende Biogas hauptsächlich über die Wintermonate genutzt und im Sommer nur zum Teil zur Beheizung der anaeroben Abwasserbehandlungsanlage.
Zur optimalen Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Energie aus Biogas wurde deshalb ein Biogasdampferzeuger installiert, der die wenigen Prozesse, die nicht auf Heißwasserversorgung umgestellt werden können, mit Dampf versorgt.

Zu diesen Prozessen und Anlagen zählen:

  • die Fass-Dampfsterilisation,
  • die Füllersterilisation,
  • die Filter- und Rohrleitungssterilisation,
  • die CO2-Rückgewinnung und
  • der Palettenpasteur.

Im Fall, dass mehr Biogas zur Verfügung steht als die Dampfverbraucher benötigen, wird das Biogas trotzdem zur Dampferzeugung herangezogen und zur Beladung des Fernwärmepufferspeichers verwendet. Somit wird gewährleistet, dass die maximale Menge an erzeugtem Biogas genutzt wird und dies über das gesamte Jahr hinweg.

Die Wärmerückgewinnung aus den Kältemaschinen

In der Brauerei Murau war bereits eine Wärmerückgewinnung aus Kältemaschinen installiert, die nutzbare Wärme liegt dabei auf einem mittleren Temperaturniveau von 60 bis 80 °C. Es bietet sich somit an, diese Abwärme aus der Enthitzung der Kältemittel für eine Warmwasservorwärmung oder für die Erwärmung des Abwassers für die Biogasanlage während der Winters zu nutzen. In der Brauerei Murau wird die Abwärme nun dazu verwendet, das Warmwassersystem für die Beheizung des Abwassers für die Biogasanlage zu versorgen. Durch die Nutzung der Abwärme kann 89 % der erforderlichen Erwärmung des Abwassers für die Biogasanlage gedeckt werden. Diese Wärmerückgewinnung aus den Kältemaschinen blieb auch nach der Umstellung auf Heißwasserversorgung in das Heizungssystem der Brauerei/Biogasanlage integriert.

Die Abfüllung

In der Flaschenhalle bzw. der Abfüllung werden die Biere in die zur Auslieferung bestimmten Gebinde abgefüllt, dazu zählen Flaschen, Dosen und Fässer. In der Brauerei Murau wurde das Bier vor der Umsetzung von Effizienzmaßnahmen nur in Flaschen und Fässern abgefüllt.
Zum Abfüllbereich zählen folgende Anlagen:

  • die Kurzzeiterhitzer-Flaschenabfüllung,
  • die Flaschenwaschmaschine,
  • die Kurzzeiterhitzer-Fassabfüllung,
  • Fassreiniger und Füller,
  • Containerwaschanlage,
  • das Zuckerlösen,
  • die Entalkoholisierung und die
  • Reinigungsstufen CIP (cleaning in place) 3 und 4

Abbildung 2: Energieeinsparungen und –bedarf vor und nach der Umsetzung von effizenzsteigernden Maßnahmen

Zusammenfassung der Energieeinsparungen

Abbildung 2 zeigt die Energieeinsparungen und den Energiebedarf vor und nach der Umsetzung von effizienzsteigernden Maßnahmen. Der Wirkungsgrad des Dampferzeugers lag vor der Umsetzung bei 89 %. Durch die Umstellung der Energieversorgung von Dampf auf Heißwasser können 11 % des jährlichen thermischen Energiebedarfs der Brauerei eingespart werden, dies entspricht ca. 909 MWh pro Jahr. Zusätzlich können etwa 5 %, bzw. 408 MWh pro Jahr durch die Verringerung der Kondensatverluste eingespart werden.

Durch die Nutzung des bisher nichtgenutzten Biogases können ca. 2 % oder 130 MWh pro Jahr an Energie eingespart werden.

Weitere 8 % oder 660 MWh pro Jahr können durch die vorgesehenen Umbaumaßnahmen im Sudhaus erzielt werden, dazu zählen die Einsparungen durch die Wärmerückgewinnung (280 MWh) und die optimierte Prozessführung (380 MWh). In der Abfüllhalle können etwa 6 % oder 485 MWh/a an Energie eingespart werden.

Insgesamt führt die Umstellung von einer Dampfversorgung zu einer Heißwasserversorung der Brauerei Murau zu Energieeinsparungen von 32 % oder 2.592 MWh pro Jahr, die im Sudhaus, der Abfüllhalle und durch die Versorgungsumstellung selbst erreicht werden. Dies entspricht einer Reduktion des fossilen Ölverbrauches von 259.000 Liter in Jahr. Es können somit durch die Steigerung der Effizienz im Versorgungsnetz und der besseren Ausnutzung der Erneuerbaren Ressourcen (Biogas) jährlich 730 Tonnen an CO2-Äquivalenten eingespart werden.

Zusätzlich werden durch die Versorgungsumstellung von Dampf (Heizöl) auf Heißwasser (Biomasse durch den Fernwärmeanschluss) 480.00 Liter Heizöl pro Jahr eingespart, dies entspricht 1.553 Tonnen CO2-Äquivalenten.

AutorIn/Co-AutorIn:

DI Matthäus Hubmann ist wissenschaftlicher Mitarbeiter des Bereichs Industrielle Prozesse und Energiesysteme – IPE von AEE INTEC, This e-mail address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.

DI Christoph Brunner ist Leiter des Bereichs Industrielle Prozesse und Energiesysteme – IPE von AEE INTEC

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