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Mehr Energie- effizienz und Flexibilität in der Milchindustrie

BlueMilk

aus: DLG-Lebensmittel 6/2020

Wie kann sich die als energieintensiv geltende milchverarbeitende Industrie auf die Veränderungen durch die Energiewende vorbereiten? Das vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft geförderte Forschungsprojekt BlueMilk beschäftigt sich als Verbund aus Forschung und Wirtschaft intensiv mit dieser Fragestellung. Der Fokus liegt dabei auf technisch, ökonomisch und ökologisch sinnvollen Systemlösungen, die sich auf die gesamte Industrie der Milchverarbeitung übertragen lassen. In einer kostenfreien Online-Konferenz  Ende Oktober wurden erste Ergebnisse und Learnings der Projektpartner vorgestellt.

Nach der Begrüßung durch Projektkoordinator Prof. Dr.-Ing. Uwe Holzhammer, Institut für neue Energie-Systeme, Technische Hochschule Ingolstadt führte Carola K. Herbst, DLG-Projektleiterin im Fachzentrum Lebensmittel, durch die Online-Veranstaltung, die genug Raum für Fragen und Diskussion ließ. Die Projektmanager Martin Stöckl und Volker Selleneit, beide am Institut für neue Energie-Systeme, Technische Hochschule Ingolstadt, präsentierten im Rahmen der Online-Konferenz erste Forschungsergebnisse, die nachfolgend vorgestellt werden:

Forschungsprojekt: „Kaskadierte und flexible Nutzung von thermischer Energie in milchverarbeitenden Betrieben mit Schwerpunkt auf der Steigerung der Energieeffizienz von Reinigungssystemen (BlueMilk)“ unter Leitung von Prof. Dr.-Ing. Uwe Holzhammer, Technische Hochschule Ingolstadt, Institut für neue Energie-Systeme, Ingolstadt im Verbund mit den Partnern:

  • Zott SE & Co. KG
  • Andechser Molkerei Scheitz GmbH
  • Lemmermeyer GmbH & Co.KG,
  • AGO GmbH Energie + Anlagen

Ziel

Um die nationale CO2-Neutralität bis 2050 zu erreichen, gilt es Energie einzusparen und die Energienachfrage in Phasen mit geringen erneuerbaren Energien (EE)-Anteilen im Versorgungssystem niedrig zu halten. Dies kann durch eine Optimierung der Effizienz und Flexibilität entlang der
gesamten energetischen Versorgungskette mittels Systemeffizienz (SE)-Maßnahmen entsprechend umgesetzt werden.

Für Unternehmen können daraus ökonomische und ökologische Vorteile entstehen. Gesamtziel des Forschungsprojektes ist es, die Unternehmen der milchverarbeitenden Industrie auf die Energiewende vorzubereiten, so dass sie gestärkt aus dem Veränderungsprozess hervorgehen.

Tabelle 1: Integration von Flexibilitätsoptionen und Sektorenkopplungsansätzen in Molkereien
Flexibilitäts­option Sektorenkopplungsansatz Potenzial bei den Molkereien
Kompressionskälteanlage „Power2Cool“ Kälteerzeugung bei hohem EE-Anteil im allgemeinen Versorgungssystem und Ausnutzung der Speicherkapazitäten von Kühllagern
Wärmepumpe „Power2Heat“ Temperaturniveau der ungenutzten Abwärme in Reinigungsanlagen bei hohem EE-Anteil im allgemeinen Versorgungssystem erhöhen
Blockheizkraftwerke (BHKW) Intelligente Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) Effiziente Erzeugung und intelligente Einspeisung ins allgemeine Versorgungssystem bei niedrigem EE-Anteil unter Berücksichtigung des Prozess­wärmebedarfs

Ergebnisse

SE-Potenziale bestehen bei Molkereien im Wesentlichen in den Bereichen Kühlung, Reinigung und Prozesswärmeversorgung. Zur Realisierung kann auf die Optionen Kompressionskälte, Wärmepumpe und BHKW zurückgegriffen und deren optimales Zusammenspiel erarbeitet werden.

Eine flexibel betriebene Kompressionskälteanlage nutzt Strom in Zeiträumen von hohen EE-Anteilen im Versorgungssystem zur Kälteerzeugung im „Power2Cool“-Ansatz. Diese kann in Kühllagern unter Verringerung der unteren Kühltemperatur zwischengespeichert werden. Der Kältepuffer dient zur Überbrückung von EE-Flauten. Diese Betriebsweise ist schematisch in Abbildung 1 dargestellt.

Das Potenzial für Wärmepumpen liegt u. a. in der Effizienzsteigerung von Reinigungsanlagen. Die Wärmepumpe bringt Wärmeströme auf ein höheres Temperaturniveau und macht somit Prozessabwärme nutzbar. Für den „Power2Heat“-Ansatz kann Strom mit hohem EE-Anteil aus dem Versorgungssystem genutzt werden.

BHKW können flexibel und intelligent bezogen auf die CO2-Minderung agieren. Durch diese Betriebsweise kann KWK Residualleistung und Prozesswärme bei geringer EE-Stromproduktion bereitstellen.

In vielen Fällen führen aktuelle Rahmenbedingungen den flexiblen BHKW-Betrieb allerdings trotz Ausnutzen von teuren Strompreiszeiten und Einspeisung ins allgemeine Versorgungssystem nicht zum wirtschaftlichsten Konzept.

Eine Simulation zur Energieversorgung eines mittelständischen Molkereibetriebes (siehe Abbildung 2) durch ein BHKW mit einem Gesamtjahresverbrauch von 15 GWh Wärme und 10 GWh Strom vergleicht die Szenarien der Eigenversorgung mit Strom und der flexiblen öffentlichen Stromeinspeisung. Die Energiekosten für die Eigenversorgung (Referenz: BHKW mit 1 MW elektrischer Leistung) belaufen sich auf ca. 1,3 Mio. Euro.

Für einen flexiblen Betrieb und Einspeisung ins öffentliche Netz und eine höhere Nutzung der zeitlich versetzt erzeugten Wärme sind Investitionen in Form erhöhter BHKW-Leistung und Wärmespeicher notwendig. Ein Konzept aus einem BHKW mit 3,3 MW elektrischer Leistung und einem Wärmespeicher mit 8 MWh Kapazität bedeutet Energiekos­ten vergleichbar zur Referenz. Die zusätzlichen Investitionen machen einen flexiblen Betrieb unwirtschaftlicher gegenüber der Eigenversorgung.

Nimmt man an, dass die zukünftigen Rahmenbedingungen stärker auf die Veränderung der Energiewende eingehen, kann sich ein flexibler BHKW-Betrieb als ökonomisch darstellen. Die Einführung einer CO2-Bepreisung, stärkere Strompreisschwankungen in Folge steigender EE-Strom-Anteile und verstärkte öffentliche Förderung der flexiblen Bereitstellung von Residualleistung sind Indikatoren für diese Entwicklung.

Um den Energiebedarf für Reinigungen niedrig zu halten, werden die Reinigungsmedien (z. B. Einphasensäure) teilweise in die Tanks zurückgeleitet. Während der Reinigung gibt das Medium Wärme an die zu reinigende Anlage ab. Beim Vorspülen mit Frischwasser wird die Anlage stark abgekühlt und verursacht einen hohen Wärmeverlust.

Damit dieser Wärmeverlust niedrig gehalten wird (siehe Abbildung 3), soll ungenutzte Abwärme der Reststoffe (1) mittels einer Wärmepumpe genutzt werden, damit Reinigungsmittel mit hohem Temperaturverlust während der Reinigung (2, rot) wieder erwärmt werden
(2, blau), bevor diese in den Tank zurückgeleitet werden.