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Wasser- und Energieeffizienz für eine Mälzerei in Graz Reininghaus -  Synergien werden genutzt

Die Reininghaus-Gründe sind ein vielbeachtetes und diskutiertes Stadtentwicklungsgebiet in Graz mit langer Geschichte. Die namensgebende Brauerei existiert in dieser Form nicht mehr – das Reininghaus-Bier wird nun in Puntigam gebraut – jedoch wird nach wie vor ein wesentlicher Prozess(vor)schritt des Brauens in Reininghaus durchgeführt: Das Mälzen.
Im Smart City Sondierungs-Projekt „Arbeiten und Wohnen in Reininghaus“ wurde das energetische Synergie-Potenzial zwischen traditionell ansässiger Industrie und dem zukünftigen modernen Wohngebiet untersucht. Ein besonders interessanter Aspekt ist der mögliche Einsatz eines Biogasreaktors und die Auskopplung von Abwärme zur Beheizung des Wohngebietes.

UASB (Upstream Anaerobic Sludge Blanket)-Anlage für eine Brauerei in Bayern. Foto: Meri Environmental Solutions GmbH, Deutschland

Status Quo Energie und Abwasser STAMAG Stadlauer Malzfabrik GesmbH am Standort Reininghaus in Graz

Prozess

Vereinfachte Darstellung des Mälzereiprozesses der STAMAG Stadlauer Malzfabrik GesmbH mit geplanter Integration eines UASB (Upstream Anaerobic Sludge Blanket) - Reaktors

In einer Mälzerei wird aus Braugerste Malz hergestellt. Dabei sollen im Gerstenkorn Enzyme gebildet und bestimmte stoffliche Umwandlungen vorgenommen werden. Im Wesentlichen besteht der Mälzerei-Prozess aus drei Schritten:

  1. Weichen: Die angelieferte, sortierte und vorgereinigte Gerste wird mit Wasser kontinuierlich über mehrere Stunden eingeweicht auf ca. 41 % Wassergehalt.
  2. Keimen: Über mehrere Tage wird die eingeweichte Gerste in Keimkästen gehalten, wo die wesentlichen enzymatische Prozesse vonstattengehen.
  3. Darren: Um das Endprodukt lager- und transportfähig zu machen, wird das Grünmalz mit heißer Luft getrocknet. Je nach gewünschter Malzart werden verschiedene Trocknungstemperaturen und -zeiten gefahren.

Das Darren ist sehr energieintensiv. Die Energiekosten nehmen für einen Lebensmittelbetrieb einen hohen Anteil der Gesamtkosten ein. Deshalb sind Maßnahmen zur Energieeffizienz eine wesentliche Möglichkeit zur Kosteneinsparung.

Energetische Kennwerte

Die Mälzerei der STAMAG in Graz-Reininghaus hat vier Produktionslinien. Alle vier Darr-Prozesse werden über Gasbrenner mit Wärme versorgt, wobei zwei Produktionslinien zusätzlich über eine Gas-Kraftwärmekoppelung verfügen, die 76% des internen Strombedarfs (vor allem Kühlung von Produktsilos) deckt. Das interne KWK-Potenzial ist dadurch schon weitestgehend ausgeschöpft, da bereits jetzt ca. 2% des produzierten KWK-Stroms ans Netz geliefert wird. Insgesamt ist der Wärmebedarf größer als der Strombedarf (Verhältnis 5,6 zu 1). Der Wärmebedarf ist im Winter aufgrund der kälteren Zuluft für das Darren höher als im Sommer  (Verhältnis Wärmebedarf Jänner zu Wärmebedarf Juni ist 1,22 zu 1). Der Strombedarf dagegen ist aufgrund des erhöhten Kühlbedarfs im Sommer höher (Verhältnis Strombedarf Juli zu Strombedarf Februar ist 1,63 zu 1).

Bereits durchgeführte Effizienz- und Wärmerückgewinnungsmaßnahmen der STAMAG-Mälzerei in Graz-Reininghaus sind zum Beispiel Umluftbetrieb bei trockener Abluft, Glasröhrenwärmetauscher und  Abgas-Wärmetauscher.

Abwasseranfall

Das anfallende Abwasser stammt vor allem aus dem Einweich-Prozess. Durch die kontinuierliche Betriebsweise – die vier Produktionslinien laufen zeitversetzt und unterliegen keinen saisonalen Schwankungen – fällt das Abwasser kontinuierlich an. Die Abbildung zeigt die Abwasser-Parameter der Mälzerei von 5-tägigen Messreihen aus den Jahren 2014 und 2015. Die Abwassermenge ist jeden Tag nahezu konstant und weist auch keine großen Unterschiede zwischen den beiden Jahren auf. Im Gegensatz dazu schwankt der gemessene CSB-Gehalt an den unterschiedlichen Tagen und auch im Jahresvergleich liegt eine große Differenz vor (CSB… Chemischer Sauerstoffbedarf).

Abwasser-Parameter für 2 Messreihen (jeweils 5 Tage) für 2014 und 2015 (CSB … Chemischer Sauerstoffbedarf)

Derzeit wird das Abwasser nach einer groben Reinigung direkt in den öffentlichen Kanal eingeleitet und in der Kläranlage Gössendorf mittels Belebtschlammverfahren gereinigt. Dabei wird Kohlenstoff durch den Stoffwechsel von Mikroorganismen sowohl durch Energiestoffwechsel als auch Baustoffwechsel abgebaut. Der Kohlenstoff geht dabei als Energieträger verloren. Die Bereitstellung des Sauerstoffes für die Mikroorganismen zur Oxidation des Kohlenstoffes ist sehr energieintensiv. Rund 70 Prozent des Gesamtstrombedarfs der Kläranlage beansprucht allein die Belüftung der Klärbecken. Der durch das Wachstum der Mikroorganismen überschüssige Teil, der Überschussschlamm, wird als Frischschlamm der Schlammbehandlung zugeführt und in Faulbehältern gelagert. Zu einem Teil wird Biogas erzeugt, allerdings wird in diesem Verfahren nur ein geringer Teil des gesamten Kohlenstoffs im Abwasser in tatsächlich nutzbares Biogas umgewandelt.

Der UASB-Reaktor

Als Alternative für das aerobe Belebtschlammverfahren mit Faulbehälter bietet sich der sogenannte UASB-Reaktor (Upflow anaerobic sludge blanket) an. Ein UASB-Reaktor ist eine Technologie, bei der in einem anaeroben Fermentations-Verfahren organisch belastetes Abwasser gereinigt und dabei Biogas erzeugt werden kann. Nach mechanischen Vorreinigungsstufen werden in einem Vorversäuerungstank pH-stabilisierende Chemikalien hinzugefügt und gleichzeitig Schwankungen bzgl. Abwassermenge und -konzentration gepuffert. Im eigentlichen UASB-Reaktor wird das Abwasser von unten eingeleitet und oben gereinigt entnommen. Dazwischen lösen in einem Granulat-Bett Mikroorganismen die Kohlenstoffverbindungen auf und wandeln diese aufgrund der anaeroben Bedingungen vor allem in Methan (CH4) um. Das Methan wird in zwei Stufen gesammelt, abgesaugt und kann einer weiteren Verwertung zugeführt werden.

Energiekonzept

Bei der angedachten Integration des UASB-Reaktors in das Energiekonzept wird das Abwasser über einen internen Wärmetauscher vorgewärmt und in den UASB-Reaktor geleitet (siehe Abbildung). Das Biogas wird intern im Betrieb der STAMAG verwertet. In einer realistischen Abschätzung, die Abbaurate, Methangehalt und mittlere Abwasserparameter aus den oben beschriebenen Messreihen berücksichtigt, wird 1,9 % des Erdgasbedarfs der STAMAG substituiert und liefert somit einen kleinen Beitrag zur nachhaltigen Energieversorgung. Wesentlich bedeutender sind die Energieeinsparungen, die außerhalb der Bilanzgrenze des Betriebs liegen: Durch die Vorreinigung wird die CSB-Fracht für die bestehende Kläranlage der Stadt Graz wesentlich reduziert, was zu erheblichen Einsparungen bei der Belüftung führt: Zieht man die durchschnittlichen CSB-Frachten der oben angeführten Messreihen heran, veranschlagt eine CSB-Abbaurate des UASB-Reaktors von 80% und verwendet Literaturwerte für den Strombedarf für die mechanisch-biologische Abwasserreinigung (Lebensministerium 2008), dann werden durch den UASB-Reaktor zwischen 132.000 und 300.000 kWh/a im Betrieb der Kläranlage eingespart.
Eine Besonderheit liegt außerdem in der zusätzlichen Nutzung des Abwassers als Wärmequelle für eine Wärmepumpe, die einen Teil des zukünftigen Wohnquartiers Reininghaus (entwickelt von der Erber-Gruppe) mit Heizwärme versorgen soll.

In einer Vorstudie der Firma m-consult wurde festgestellt, dass für die Wärmepumpe im Winterbetrieb (Wohnraumheizung bei 45 °C Vorlauf) mit einem COP von 4,8 und im Sommerbetrieb (Warmwasserbereitstellung bei 60 °C) mit einem COP von 3,9 zu rechnen ist.
Dadurch können in Summe jährlich etwa 930 MWh an Heizenergie bereitgestellt werden, was 47 % des Gesamtwärmebedarfs eines der entwickelten Quartiere darstellt.

Integrationskonzept Biogas

Zusammenfassung

Das Abwasser der Mälzerei verlässt ähnlich wie in vielen anderen Betrieben der Lebensmittelindustrie den Betrieb mit einem thermischen und chemischen Rest-Energieinhalt. Zum einen liegt die thermische Energie bei 20°C vor und kann konventionell nicht rückgewonnen, jedoch mittels Wärmepumpe auf Nutztemperatur angehoben werden. Zum anderen sind im Abwasser organische Verbindungen gelöst, die mittels UASB-Reaktor in Biogas umgewandelt werden können. Die Anlage kann wirtschaftlich betrieben werden, wenn nicht nur durch die Erzeugung von Biogas sondern auch für die Vorreinigung des Abwassers eine entsprechende monetäre Einsparung resultiert.

Weitere Informationen

Leitfaden für die Erstellung eines Energiekonzeptes kommunaler Kläranlagen, Lebensministerium, Wien, 2008 http://www.abwasserenergie.at/fileadmin/energie_aus_abwasser/user_upload/energieleitfaden_endversion.pdf

Nutzung von betrieblichen Abwässern zur Beheizung einer Wohnanlage (nicht öffentlich), Maxones, 2015

Statement

Porträt von Pablo Ruiz, Meri Environmental Solutions GmbH, München

„MERI ist ein weltweit tätiger Spezialist für Systeme im Bereich der Abwassertechnik, Schlammbehandlung und Waste-To-Energy. Die Anwendung der UASB-EGSB Technologie zur Erschließung neuer Geschäftsfelder im urbanen Bereich ist für uns von großem Interesse. Wir schätzen die Zusammenarbeit mit AEE INTEC zur Diskussion und Entwicklung neuer Konzepte und Technologien.“

Pablo Ruiz, Meri Environmental Solutions GmbH, München

Autoren

Wolfgang Glatzl ist wissenschaftlicher Mitarbeiter des Bereichs industrielle Prozesse und Energiesysteme bei AEE  INTEC. This e-mail address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.

Christoph Brunner ist Leiter des Bereichs industrielle Prozesse und Energiesysteme bei AEE  INTEC.

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