Integriertes CO₂-Kälteanlagen­system einer Molkerei

Die Europäische Union hat sich gemeinsam mit Norwegen und Island zum Ziel gesetzt, die Treibhausgasemissionen bis 2030 um 55% unter das Niveau von 1990 zu senken und bis 2050 klimaneutral zu werden [1]. Mit dem stetigen Wachstum der Weltbevölkerung und der fortschreitenden Urbanisierung wird laut einer Studie von van Dijk et al. auch die Nachfrage nach Nahrungsmitteln im Zeitraum von 2010 bis 2050 um 35 % bis 56 % steigen [2]. Da die Lebensmittelindustrie in vielen Bereichen sehr energieintensiv ist, muss der steigende Bedarf an Lebensmitteln gleichzeitig mit einer Transformation weg von fossilen Energieträgern geschehen, um die Ziele der Europäischen Union und des Pariser Klimaabkommens zu erreichen.

Innerhalb der Lebensmittelindustrie ist es vor allem die Milchverarbeitung, die einen hohen Bedarf an thermischer Energie auf unterschiedlichem Temperaturniveaus sowohl zum Heizen als auch zum Kühlen aufweist. Dieser wird in den meisten Fällen von zwei getrennten Systemen gedeckt. Während zum Kühlen Kompressionskälteanlagen (KK) zum Einsatz kommen, wird der Heizbedarf meist mit fossilen Energieträgern gedeckt, welche Treibhausgasemissionen (THG) verursachen [3]. Um die Umweltauswirkungen der Milchverarbeitung zu reduzieren und die Energieeffizienz zu erhöhen, werden die Dekarbonisierung der Prozesse und eine verstärkte Systemintegration mit Hilfe von Wärmepumpen als vielversprechende Lösungen angesehen [3–5].

Um den Bedarf an Kühlung und Prozesswärme in der Molkereiindustrie besser zu verstehen und zu dokumentieren, sind detaillierte Messungen der Hauptverbraucher thermischer Energie unerlässlich. Ziel dieser Studie ist es, den thermischen Energieverbrauch einer norwegischen Molkerei zu untersuchen und zu dokumentieren. In einer früheren Studie wurde das thermische Energiesystem der Molkerei beschrieben und Vorschläge zur Reduzierung des Energieverbrauchs der Kälteanlagen gemacht [3]. Die vorliegende Studie baut außerdem auf dem Paper von Selvnes et al. [6]
auf.

Mithilfe von Winter- und Sommerdaten aus dem ersten Halbjahr 2023, wird die Datengrundlage, mithilfe derer das thermische Energiesystem in dieser Studie analysiert wird, deutlich erweitert. Die Messdaten stammen von kürzlich an relevanten Stellen in der Molkerei installieren Messgeräten. Die Molkerei ist ein Demonstrator im Rahmen des EU Horizont 2020 Projektes ENOUGH, dessen Ziel es ist, vielversprechende technologische Lösungen zu demonstrieren, die in den wichtigsten Sektoren der europäischen Lebensmittelwirtschaft eingesetzt werden können. Die Erfassung des Energieverbrauchs in Demonstrationsanlagen ist wichtig, um Anlagenkonzepte und technische Lösungen länderübergreifend vergleichbar zu machen.

1 Rahmenbedingungen

1.1 Das thermische Energiesystem der Molkerei

Im Rahmen der vorhergegangenen Arbeit von Selvnes et al. [3] wurde das thermische Energiesystem der Molkerei beschrieben und in Selvnes et al. [6] mit der Analyse von Messdaten begonnen. Für ein besseres Verständnis folgt eine kurze Beschreibung des Systems. Das thermische Energiesystem besteht aus fünf CO₂-Wärmepumpen-Kälteanlagen sowie einem Glykol-Wasserkreislauf auf der kalten Seite und einem Warmwasserkreislauf auf der warmen Seite. Das thermische Energiesystem ist vereinfacht in Bild 1 dargestellt.

Ende 2022 wurde die letzte der fünf Anlagen mit einer Nennkälteleistung von 120 kW installiert. Diese soll perspektivisch die beiden im Jahr 2014 installierten 40 kW Anlagen ersetzen, bei denen es sich um Prototypen handelt. Diese wurden zum Zeitpunkt der Installation der Energieflussmesser nicht mehr eingesetzt, werden derzeit jedoch aufgrund des Ausfalls einer 80 kW Anlage wieder benötigt. In KW 24 wurde die Einbindung der 40 KW CO₂-Anlage (Unit 1) von Glykol auf Prozesswasserkühlung umgestellt. Zur Kühlung des Propylenglykols (35 %) von -2 °C auf -6 °C sind die CO₂-Kälteanlagen parallel installiert.

Das kalte Glykol wird in einem 5 m³ großen Pufferspeicher mit einer maximalen thermischen Speicherkapazität von ca. 27 kWh gespeichert. Anschließend wird das Glykol an die verschiedenen Kälteverbraucher in der Anlage geliefert, z.B. zur Kühlung des Prozesswasserkreislaufs, der Kühlräume und der Klimaanlagen (AC) in den Produktionsstätten und Büros. Das Prozesskühlwasser hat eine Vor- und Rücklauftemperatur von 0,6 °C bzw. 2 °C. Um die erforderliche Spitzenlast für die Kühlung zu reduzieren, ist zwischen den Kühlverbrauchern und dem Prozesswasser/Glykol-Wärmeübertrager ein Pufferspeicher von 9 m³ installiert. Aufgrund der geringen Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf bietet der Speicher eine maximale thermische Speicherkapazität von ca. 15 kWh.

Die Abwärme der CO₂-Kälteanlagen wird für die Erzeugung von ca. 65 °C warmen Wasser in den Gaskühlern zurückgewonnen, welches für verschiedene Heizzwecke in der Fabrik verwendet wird. Das Warmwasser wird in zwei parallelen Paketen von 12 x 400 l Tanks gespeichert, die in Reihe geschaltet sind. Die Warmwasserspeicher haben eine Gesamtspeicherkapazität von 9,6 m³, was – wenn diese bei 70 °C vollständig gefüllt und bei 10 °C vollständig entleert ist – einer Kapazität von ca. 660 kWh entspricht.

Das warme Prozesswasser wird für die Prozessheizung, in den Cleaning In Place (CIP) Stationen und als Speisewasser für die elektrischen Dampfkessel verwendet. Letzterer wird für den Heizbedarf oberhalb von 70 °C, wie er beim Pasteurisieren von Milch auftretenden kann, verwendet. Wenn der Warmwasserspeicher vollständig geladen ist, während die CO₂-Anlagen noch kühlen, wird das überschüssige Warmwasser über ein Ablassventil in einen 10.000 l Speichertank abgelassen. Dieser wurde kürzlich installiert, um den Wasserverbrauch der Molkerei weiter zu senken und wird zum Vorwaschen in den CIP-Stationen verwendet.

Zusätzlich wird das Gebäude über das örtliche Fernwärmenetz beheizt, das je nach Außentemperatur mit einer Vorlauftemperatur von 55-70 °C betrieben wird. Die Fernwärme speist einen Heizwasserkreislauf in der Molkerei, der die Zuluft in den Lüftungsanlagen, die Heizkörper in den Büros und die Heizlüfter versorgt.

1.2 Messtechnik und ­Datenerfassungssystem

Die Energieflussmessgeräte, welche in der Molkerei installiert wurden, bestehen aus einem Energierechner welcher jeweils mit einem Massenstromsensor und zwei Temperaturfühlern (Vor- und Rücklauf) verbunden ist. Mithilfe dieser drei Größen und unter Berücksichtigung des verwendeten Fluids wird im Messgerät automatisch die thermische Energie berechnet. In Tabelle 1 sind die in Teilsysteme aufgeteilten Messpunkte, die Kennzeichnung dieser, das Medium in dem gemessen wird sowie der Sensortyp aufgelistet. Die Kennzeichnung orientiert sich dabei an der Beschriftung in Bild 1.

Die Messstellen wurden so ausgewählt, dass sie die größten Verbraucher thermischer Energie in der Fabrik dokumentieren, und die Auswahl wurde als Kompromiss zwischen Vollständigkeit und Kosten für Anschaffung und Installation getroffen. Auf der kalten Seite ist der größte Bedarf die Prozesskühlung, bei der beide Kreisläufe erfasst wurden. Auf der kalten Seite wird der von den Kälteanlagen abgekühlte Glykolmassenstrom (GC-01), welcher in den Pufferspeicher fließt, erfasst. Von diesem teilt sich die Last zwischen Prozesskälte (GC-02) und anderen Verbrauchern (GC-03) bspw. Kühlräumen auf. Darüber hinaus wurde der Kältebedarf eines der AHU-Geräte (GC-04) im Detail erfasst. Die Abtastfrequenz der Sensoren beträgt f = 1/60 Hz. Die Prozessdaten wurden von den Energieflusszählern über ein zentrales Datenerfassungssystem abgerufen. Eine Protokolldatei, die alle Datenpunkte aller Sensoren enthält, wird täglich erstellt und versandt. Der ausgewählte Zeitraum für die Analyse war die Woche 10 des Jahres 2023 (von Montag, 06.03.2023, bis Sonntag, 12.03.2023) und Kalenderwoche 25 (von Montag, 19.06.2023, bis Sonntag, 25.06.2023).

1.3 Berechnungsmethoden

Die Messdaten innerhalb der Protokolldatei werden durch einen Python-Code synchronisiert und auf Messfehler überprüft. Für die Berechnung weiterer Ergebnisse wird aufgrund von festgestellten Diskrepanzen zwischen den berechneten Energiestrommesswerten und rechnerisch ermittelten Werten auf die Rohdaten der Sensoren zugegriffen und mittels Python-Code die Leistungen berechnet. Mithilfe von Gleichung (1) wird die Leistung für jeden Datenpunkt berechnet. Dabei ist
Q˙ der Wärmestrom, V˙ der Volumenstrom, ρ die Dichte, c_p die spezifische Wärmekapazität bei konstantem Druck und (T_Vorlauf - T_Rücklauf) ist die Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf. Die thermodynamischen Eigenschaften werden für jeden Datenpunkt mithilfe des pyfluids wrapper für CoolProp für eine arithmetisch gemittelte Temperatur aus Einlass und Auslass bestimmt.

Formel 1

Die akkumulierte Energie Q wird mittels Gleichung (2) berechnet.

Formel 2

Die folgenden Sensoren dienen als Grundlage für die Ergebnisse dieser Publikation:

HW-01 bis 03: Warm Wasser der CO₂Wärmepumpen (3, 4 and 5)

HW-04 bis 07: Warm Wasser vom Warmwasserspeicher zu Warmwasserverbrauchern des Cleaning in Place (CIP), Prozesswärme und zum Überschuss (Ablauf bzw. Milchtank)

GC-01: Kaltes Glykol, bereitgestellt durch die CO₂ Anlagen

GC-02: Kaltes Glykol zur Deckung der Last durch Prozesskälte

GC-03: Kaltes Glykol zur Deckung der Last der Kühlräume und Klimatisierung (AC)

Die Sensoren HW-04 bis HW-07 messen zur Zeit nur den Massenstrom und akkumulierten Massenstrom. Für die Ergebnisbildung wird daher eine konstante Vor- und Rücklauftemperatur von 65 °C und 10 °C angenommen. Mitte Mai 2023 wurde ein alter Milchtank als Warmwassertank für den Überschuss installiert, welcher mit ca. 35 °C warmen Wasser der Warmwasserspeicher gespeist wird, wenn diese voll sind. Je nach Auswertungsperiode wird daher entweder eine Wassertemperatur von 65 °C (Zeiten vor Mai 2023) oder von 35 °C (Zeiten nach Mai 2023) angenommen. Alle Berechnungen innerhalb dieser Veröffentlichung basieren auf den Rohdaten der Sensoren. Für eine bessere Verständlichkeit ist teilweise zusätzlich der gleitende Durchschnitt über 60 Minuten gezeigt.

2 Ergebnisse

In diesem Abschnitt werden die Messergebnisse aus der Molkerei der ersten sieben Monate des Jahres 2023 vorgestellt und analysiert. Da die Menge an Messdaten (Datengrundlage minütlich) zu groß ist, um sie im Rahmen dieses Beitrags sinnvoll visualisieren zu können, werden hier hauptsächlich Messdaten der Kalenderwochen (KW) 10 und 25 vorgestellt. Bei diesen handelt es sich jeweils um eine Winter- und eine Sommerwoche, welche durch eine besonders niedrige bzw. hohe durchschnittliche Außentemperatur geprägt war. Hierdurch kann der Einfluss der Außentemperatur auf den thermischen Energieverbrauch verdeutlicht sowie die Auslegung des thermischen Energiespeichers auf Spitzenlastzeiten dargestellt werden.

In der KW 10 betrug die durchschnittliche Außentemperatur -14,8 °C. Diese liegt rund 30 K unterhalb der Durchschnittstemperatur der KW 25, welche 14,8 °C betrug. Dabei muss beachtet werden, dass die Last neben der Außentemperatur auch stark vom Produktionszeitplan und dem damit herzustellenden Produkt abhängt. Dieser variiert saisonal als auch in Abhängigkeit von eingehenden Bestellungen. Hervorzuheben ist außerdem, dass im Juni vor der KW 25 Umbaumaßnahmen stattgefunden haben, bei der wie in Bild 1 gezeigt, eine 40 kW Anlage nun direkt Eiswasser für die Prozesskühlung erzeugt.

2.1 Energieanalyse der ­Kühlleistung

Mit der kalten Seite der Wärmepumpen-Kälteanlagen werden, wie in Abschnitt 1.1 beschrieben, sowohl die Prozesskühlung als auch die Kühlräume und Klimaanlagen der Molkerei mit kalter thermischer Energie versorgt. Die Kühlleistungen für den Winterfall (KW 10) sind in Bild 2 und die Kühlleistungen für den Sommerfall (KW 25) in Bild 3 dargestellt. In den Abbildungen werden die Kühlräume und die Klimaanlagen (GC-03) gemeinsam dargestellt, da diese zum einen eine geringere Last als die Prozesskühlung aufweisen und, wie aus Bild 1 zu entnehmen ist, bisher lediglich AHU1 (GC-04) separat erfasst werden kann. Auch die Prozesskühlung (GC-02) wird hier als die über den Prozesswasser-Wärmeübertrager übertragene thermische Leistung (auf der Glykolseite) zusammengefasst. Dargestellt sind für beide Wochen und Verbraucher sowohl die Rohdaten (transparenterer Farbton) sowie jeweils der 60-minütige gleitende Mittelwert (MMA). Der MMA wird hier gewählt, um die Messwerte zu Glätten und so die Analyse zu vereinfachen.

Während eines Produktionstages beginnt ab ungefähr 5 Uhr morgens der Bedarf an Prozesskühlung. Dieser weist ein Peak auf, welcher zwischen 6-8 Stunden andauert. Dabei liegen die täglichen Lastspitzen zwischen 120-160 kW, zusätzlich der Lasten der 40 kW Maschinen, welche ab KW 24 nicht mehr erfasst werden. Neben dem Hauptpeak tritt am Nachmittag bis Abend jeweils ein zweiter Peak auf. Im Winter liegt dieser bei ungefähr 50 kW und im Sommer bei ungefähr 75 kW. Dieser tritt immer zum Zeitpunkt der Rohmilchanlieferung auf, bei dem die Milch in die Tanks gepumpt und dort gekühlt wird. Die Höhe und Länge des Peaks
hängen maßgeblich mit der Menge und der Temperatur der angelieferten Rohmilch zusammen. An den beiden dargestellten Wochenenden wird im Vergleich wesentlich weniger Prozesskühlung benötigt, da diese fast ausschließlich mit der Produktion zusammenhängt. Daher handelt es sich bei diesen jeweils um den Zeitpunkt, an dem Milch angeliefert wurde.

In KW 25 in der Nacht von Samstag auf Sonntag tritt für ca. 14 h eine konstante Last von 17,5 kW auf. Diese ist auf ein versehentliches Umstellen von Automatischen auf manuellen Betrieb eines Verbrauchers zurückzuführen und tritt in der Regel nicht auf. In KW 10 (Bild 2) ist der Bedarf für die Kühlräume und die Klimatisierung (AC) mit einer durchschnittlichen Last von 12,5 kW und einem Anteil des Kühlenergiebedarfs von 29 % eher gering. Dies ändert sich jedoch für KW 25 (Bild 3) deutlich. Hier verdoppelt sich der prozentuale Anteil am Kühlenergiebedarf auf 58 % und die durchschnittliche Last vervierfacht sich auf 51,6 kW. Für ein genaueres Bild bei der Verschiebung des Kühlenergiebedarfs sind jedoch noch tief­reichende Untersuchungen nötig, da für KW 25 eine 40 kW Anlage das Prozesswasser direkt kühlt und somit das Messgerät GC-02 umgeht. Beim Betrachten der Rohdaten Bild 3 geht ein deutliches Takten der Leistung für die Kühlräume und AC hervor. Dies sollte weitergehend untersucht werden.

Seit Mitte Mai 2023 wird neben den thermischen Energieströmen, auch der elektrische Energieverbrauch der drei großen Kälteanlagen aufgezeichnet. Da wie bereits erwähnt eine der beiden 80 kW Anlagen aktuell außer Betrieb ist, wird lediglich die elek­trische Leistung von zwei Anlagen in Bild 4 dargestellt. In der Arbeit von Selvnes et al. [6] wurde bereits auf das häufige Takten der Kälteanlagen mit Blick auf die thermische Seite der Anlage hingewiesen. Daher wurden in dieser Arbeit die neugewonnenen elektrischen Daten verwendet, um das Verhalten weiter zu untersuchen. Dies ist beispielhaft für den 21.06.2023, in Bild 4 dargestellt. Zur besseren Veranschaulichung wurde das Rauschen aus den Rohdaten herausgefiltert. Für die 80kW Anlage gibt es die Betriebspunkte „Ein“ und „Aus“. Daher wurden die Rohdatenwerte durch 0 kW (Werte zwischen 0-6 KW), also ausgeschaltet oder 33 kW (Werte zwischen 30–36 kW), also angeschaltet ersetzt. Die 120 kW Anlage ist ausgeschaltet (0 kW), läuft mit einer Grundlast von 33 kW und alles darüber hinaus wird mithilfe eines frequenzgeregelten Verdichters abgedeckt. Alle Werte über 33 kW wurden mit dem Savitzky-Golay-Filter geglättet.

Während die 120 kW Anlage zwischen 0 Uhr und 6 Uhr morgens 4-mal startet und davon drei Mal für über eine Stunde läuft, startet die 80 kW Anlage 10 mal und läuft nicht länger als 15 Minuten. Dies geschieht meist in den 45 Minuten, während denen die 120 kW Anlage ausgeschaltet ist. Mit dem Beginn der Produktion um 6 Uhr läuft die 80 kW Anlage für 7 h und die Frequenzsteuerung der 120 kW Anlage moduliert die elektrische Leistung zwischen 33 kW und 70 kW für 9 h. Bis Tagesende kommen weitere 21 Starts der 80 kW Anlage hinzu. Dies lässt auf keine oder eine unzureichende Regelstrategie, zu kleine Glykol-Temperatur-Bereiche zwischen Start und Stopp oder eine unzureichende Speicherkapazität auf der kalten Seite der Molkerei schließen. Dies muss im weiteren Verlauf des Projektes näher untersucht und Lösungsansätze ausgearbeitet werden. Das häufige Anfahren der Anlagen schadet nicht nur der Effizienz des Systems, sondern führt auch zu größerem Verschleiß und somit höheren Kosten.

Bild 5 zeigt die Lastdauerlinie der Kühlleistung der CO₂-Anlagen zwischen dem 23.1.2023 und dem 16.8.2023. Die höchste gemessene Kältelast in der Lastdauerlinie ist Q˙ = 261,3 kW. Die Lastdauerlinie fällt kontinuierlich ab und erreicht bei t = 3808 h eine Kühlleistung von Q˙  = 0 kW. Darüber hinaus geht aus der Abbildung hervor, dass die Anlage 3808  von 4920  läuft. Für den Fall, dass keine Kältelast an den Anlagen anliegt, wird die auftretende Kältelast aus dem Glykoltank oder Eiswassertank gedeckt. In der Abbildung sind die Leistungen der 80 kW und 120 kW Anlage mittels der gestrichelten, roten Linien markiert, um die möglichen Vollaststunden der jeweiligen Anlage zu verdeutlichen (rote Fläche unterhalb der gestrichelten Linie).

Falls die 80 KW Anlage allein für die Deckung der Last unterhalb von 80 kW zuständig wäre, könnte sie theoretisch 35.5 % der Zeit unter Volllast laufen, während sie 64.5 % der Zeit unter Teillast laufen müsste. Dabei ist zu beachten, dass die 80 kW Anlage nicht teillastfähig ist und daher im Start-Stopp Betrieb arbeiten müsste. Die 120 kW Anlage könnte 23.7 % der Zeit unter Volllast und 76.3 % der Zeit unter Teillast laufen. Dies zeigt die Notwendigkeit die Vollaststunden der Anlagen zu optimieren, bspw. durch einen thermischen Speicher.

Aus der Lastdauerlinie geht hervor, dass für insgesamt 62,7 h die erzeugte Kühlleistung größer als 200 kW ist. Dies entspricht einem Anteil der insgesamt erzeugten Kühlenergie von 4,8 %. Da die 40 kW Anlagen in naher Zukunft stillgelegt werden und eine der 80 kW Anlagen zurzeit außer Betrieb ist, wird deutlich, dass ein kalter thermischer Energiespeicher eine sinnvolle Ergänzung darstellen würde, welcher die Spitzenlasten deckt und die Anzahl der Teillaststunden reduziert. Eine detaillierte Analyse der Tage bzw. Wochen mit Spitzenlasten ist daher von Nöten, um die benötigte Größe des thermischen Energiespeichers zu ermitteln. Darüber hinaus sollte unter ökonomischen Aspekten untersucht werden, ob ein besseres Teillastverhalten der 80 kW Anlage im Vergleich zur 120 kW Anlage erzielt werden kann, wenn ein Frequenzumrichter installiert wird.

2.2 Energieanalyse der Heizleistung

Die Warmwassererzeugung der Molkerei erfolgt über die Nutzung der abzuführenden Wärme, die beim Kühlen des Glykols mit den CO₂-Kälteanlagen entsteht. Das warme Wasser kann entweder direkt genutzt oder in Warmwasserspeichern zwischengespeichert werden. Wie bereits in Bild 1 präsentiert, wird das warme Wasser in der Molkerei für verschiedene Zwecke genutzt. Dazu zählen die beiden Cleaning in Place Verbraucher CIP Prozess und CIP Anlieferung sowie die verschiedene Prozesse in der Herstellung. Das warme Wasser, welches aufgrund der begrenzten Speicherkapazität nicht genutzt werden kann, ist als Überschuss dargestellt.

In Bild 6 und Bild 7 wird die benötigte Heizleistung der einzelnen Verbraucher in KW 10 und KW 25 dargestellt. Der Verbraucher CIP Prozesse benötigt große Wärmemengen über relativ kurze Zeiträume mit Spitzenwerten von knapp 200 kW in KW 10 und über 250 kW in KW 25. Dies bedeutet, dass die Warmwassertanks ihren Zweck erfüllen, indem sie einen kurzfristigen Wärmepuffer zwischen den CO₂-Anlagen und den Wärmeverbrauchern bereitstellen. In der Milchherstellung dient das CIP-System zur Reinigung und Desinfektion von Rohrleitungen, Behältern und Geräten zwischen den verschiedenen Produkten in der Produktion. Bei der Anlieferung dient das CIP-System zur Reinigung/Sterilisation der Leitungen und Geräte nach der Anlieferung der Milch aus den Milchtankwagen.

Ein Großteil der Prozesswärme fließt in den Pasteurisierungsprozess und ist somit abhängig von der Menge der verarbeiteten Milch. Die Prozesswärme richtet sich eng nach dem Produktionsplan von fünf Tagen. Die Menge des erzeugten Warmwassers aus der Wärmerückgewinnung der CO₂-Anlagen, die nicht genutzt oder gespeichert werden kann, wurde bis zum 11. Mai ungenutzt als Überschuss mit 65°C in den Abfluss geleitet. Dadurch wird nicht nur thermische Energie nicht genutzt, sondern auch viel Trinkwasser verschwendet. In KW 10 wurden 25,4 m³ Trinkwarmwasser ungenutzt in den Abfluss geleitet. Das entspricht einer thermischen Energie von 1901 kWh. Durch die Messungen wurde das bekannte Problem mit Zahlen belegt und mittlerweile wird das Wasser aus der Mitte der Kaskadenspeicher bei ca. 35°C entnommen und in einem alten Milchtank aufgefangen. Das aufgefangene Wasser wird jetzt zum Vorwaschen in den beiden CIP-Prozessen verwendet.

Wie am Beispiel von KW 25 zu sehen ist, fallen in den Sommermonaten mit einem Überschuss von 115 m³ deutlich mehr Wasser und mit 3649 kWh auch deutlich mehr Energie als Überschuss pro Woche an als noch im Winter. Dies ist auch am Vergleich der beiden Überschuss-Kurven zu sehen, die in KW 25 deutlich öfter und für einen längeren Zeitraum sichtbar sind. Wäre die Temperatur nicht abgesenkt worden, müsste die Kurve um das 2,2-fache höher ausfallen. So konnten, durch die geänderte Entnahmestelle knapp 55% an Energie, die vorher noch im Abwasser gelandet wären, eingespart und durch das Auffangen des 35 °C warmen Wassers der Wasserverbrauch gesenkt werden.

Den Abbildungen ist zu entnehmen, dass vor allem in drei Zeiträumen ein Überschuss an Warmwasser vorhanden ist. Unter der Woche in der Mitte des Arbeitstages, in KW 25 auch außerhalb des Arbeitstages (ca. 18 Uhr bis 5 Uhr). Der dritte Zeitraum, in dem fast kontinuierliches Warmwasser als Überschuss abgeleitet wird, ist am Wochenende. In diesem Zeitraum schalten sich die CO₂-Anlage zyklisch ein und aus, um die Glykol-Solltemperatur aufrechtzuerhalten und mithilfe des kalten Glykols den Kühlbedarf z.B. der Kühlräume zu decken. In dieser Zeit besteht außer bei der Milchanlieferung kein Wärmebedarf. Um die Abwärmenutzung zu steigern, können theoretisch Prozesse und Zeitpunkte in der Molkerei umstrukturiert werden. Wesentlich einfacher und praktikabler wäre es jedoch, die Kapazität der Warmwasserspeicher zu erhöhen.

2.3 Zusammenfassung des ­thermischen Energiebedarfs

Um eine bessere Übersicht über den thermischen Energiebedarf in den beiden betrachteten Wochen zu erhalten, wurde dieser in Bild 8 zusammengefasst. Nicht betrachtet und dargestellt wurden in dieser Arbeit der Verbrauch der Fernwärme und des elektrischen Dampfgenerators. Dieser wird nicht von den CO₂-Wärmepumpen-Kälteanlagen bereitgestellt und wird daher in dieser Arbeit nicht berücksichtigt. Um das thermische Energiesystem und den Bedarf der Molkerei zu verstehen und effizienzsteigernde Maßnahmen zu treffen, sollte dies in der weiterführenden Arbeit mit einbezogen werden.

Beim Vergleich der dargestellten Kühl­energie wird zunächst deutlich, dass der Verbrauch in KW 25 mit 14837 kWh mehr als doppelt so hoch liegt wie der aus Winterwoche KW 10. Der Anteile der Prozesskühlung am Gesamtkühlenergieverbrauch ist deutlich von 71 % auf 42 % zurückgegangen. Jedoch ist der absolute Verbrauch sogar gestiegen. Der hohe Anstieg des Energieverbrauchs der Kühlräume und der Klimatisierung ist auf die rund 30 K höhere durchschnittliche Außentemperatur in den betrachteten Wochen zurückzuführen. Wird nun die Heizenergie betrachtet, die für die vier Verbraucher dargestellt ist, ist auch hier ein leichter Anstieg des Gesamt­energieverbrauchs zwischen Winter- und Sommerwoche zu beobachten. Mit jeweils knapp einem Drittel bleiben CIP Prozess und Prozess die beiden größten Verbraucher mit einem ähnlich hohen Verbrauch zwischen KW 10 und KW 25. Auch der Absolute Anteil von CIP Anlieferung ist beinahe konstant geblieben. Der einzige Verbraucher, der sich in absoluten Zahlen fast verdoppelt hat, ist der Überschuss. Dieser wird, wie in Kapitel 2.2 beschrieben wurde, mittlerweile nicht mehr in den Abfluss geleitet wie es noch in KW 10 der Fall war, sondern in einem alten Milchtank zwischengespeichert und für das Vorspülen an den CIP-Stationen verwendet. Der gestiegene Anteil an Überschuss Heiz­energie ist mit dem Anstieg der Kühlenergie und der damit einhergehenden höheren Menge an Abwärme zu erklären.

2.4 Integration eines kalten ­thermischen Energiespeichers

Im Vergleich zu der installierten Speicherkapazität auf der warmen Seite des thermischen Energiesystems, ist die installierte Speicherkapazität auf der kalten Seite sehr begrenzt. Mit der über das Jahr in Höhe und Dauer ungefähr gleichbleibend fluktuierenden Last der Prozesskühlung wurde der Verbraucher identifiziert, bei dem eine Integration von mehr Speicherkapazität am meisten Sinn macht. Somit können die Lastspitzen, welche an jedem Arbeitstag auftreten, geglättet und die Last bspw. auf die Nacht verschoben werden. Auf dem Temperaturniveau, welches das Prozesswasser benötigt, ergibt die Integration eines latenten kalten thermischen Energiespeicher (CTES) mit Wasser bzw. Eis als Speichermedium Sinn. In Selvnes et al. [7] wurde kürzlich die Eignung von sogenannten Pillow-Plate Wärmeübertragern, die von CO₂ als Kältemittel durchströmt werden, als Wärmeübertrager in CTES experimentell bewiesen. Dabei diente unter anderem Wasser als latentes Speichermedium (PCM). Für die Umsetzung in der Molkerei ist es eine attraktive Strategie, die vorhandene Kapazität der CO₂-Kältesysteme zu nutzen, um die CTES während der Schwachlastzeiten (in der Nacht und am Wochenende) zu laden. Das im CTES in diesen Schwachlastzeiten aufgebaute Eis kann in Spitzenlastzeiten den Rücklauf des Prozesswassers kühlen und so ganz oder teilweise die Arbeit der Kälteanlagen übernehmen.

Der Rücklauf des Prozesswassers hat eine Temperatur im Bereich von 3-5 °C. Die Prozesskühllast während der Spitzenzeit (5:00 bis 13:00 Uhr) über die fünf Produktionstage wurde analysiert und zu einem repräsentativen Tag gemittelt. Der Durchschnittswert für die maximale Spitzenkühlleistung (kW), die durchschnittliche Kühlleistung (kW) und der Kühlbedarf (kWh) wurde mit 212 kW, 89 kW und 712 kWh ermittelt. Tabelle 2 enthält die vorläufigen Berechnungen für ein CTES-System, das 100 % bis 25 % des Prozesskühlungsbedarfs während der Spitzenstunden deckt. Weitere Arbeiten werden die detaillierte Dimensionierung des CTES-Speichers und die technisch-wirtschaftliche Bewertung der Speichergröße
umfassen.

3 Zusammenfassung

In diesem Beitrag wurde das thermische Energiesystem einer norwegischen Molkerei vorgestellt und die Messdaten des ersten Halbjahres von 2023 analysiert. Die Molkerei verwendet eine kältegeführte integrierte CO₂-Wärmepumpen-Kälteanlage, um die thermischen Anforderungen, welche die Molkereiprozesse sowohl auf der warmen als auch auf der kalten Seite beinhaltet, zu decken. Die Analyse hat gezeigt, dass der Kältebedarf stark vom Produktionsplan abhängt, mit deutlichen Lastspitzen im Kältebedarf von 120-160 kW, die 6-8 Stunden andauern. Auf der kalten Seite macht die Prozesskühlung im Winter etwa 75 % des Kältebedarfs aus, der Rest entfällt auf die Kühlräume und die Klimaanlage. Im Sommer steigt bei gleichbleibender Prozesskühllast der Anteil, der durch die Kühlräume und Klimaanlage verbraucht wird, auf 58 % an. Sowohl aus den Rohdaten für Kühlräume und Klimaanlage als auch beim Betrachten der elektrischen Leistungen der Wärmepumpen-Kälteanlagen fiel auf, dass es sowohl auf der Verbraucherseite als auch auf der Erzeugerseite zu häufigem Takten kommt. Dies deutet auf eine fehlende oder unzureichende Regelstrategie oder zu geringer Speicherkapazität auf der kalten Seite der Molkerei hin und muss in der weiterführenden Arbeit untersucht werden.

Sowohl im Sommer als auch im Winter wird auf der warmen Seite des Prozesses jeweils ca. 1/3 des Wärmenergiebedarfs für Prozesswärme und die Cleaning in Place (CIP) CIP Prozesse benötigt. Auch der absolute Wert von CIP Anlieferung bleibt in etwa konstant. Einzig der Überschuss hat sich absolut annähernd verdoppelt. Dieser wird jedoch nicht mehr wie noch in KW 10 in die Kanalisation eingeleitet, sondern in einem alten Milchtank zwischengespeichert und für die Vorspülung der CIP verwendet. Während der Messkampagne wurden Systemänderungen vorgenommen, um die Qualität der Produktion und die Einsparziele der Molkerei zu gewährleisten. Die Änderungen können anhand der Messergebnisse nachvollzogen werden und wurden entsprechend in der Analyse berücksichtigt.

Zur Deckung des Spitzenbedarfs an Kälte aus dem Prozesskühlkreislauf wurde ein Vorschlag zur Implementierung eines kalten thermischen Energiespeichers in das Kältesystem gemacht. In weiterführenden Arbeiten wird zu untersuchen sein, wie die CTES-Einheit zu implementieren sind. Weiterhin sollte untersucht werden, wie sich der kalte thermische Speicher in Bezug auf die Verlagerung des Spitzenlastbedarfs und die Stabilisierung des Betriebs der CO₂-Wärmepumpen-Kälteanlage auswirkt. (Hinweis: Alle Daten zu den Diagrammen können unter https://t1p.de/KKA2-24CO2 abgerufen, heruntergeladen und verwendet
werden.)

4 Danksagung

Diese Studie wurde im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramm Horizont 2020 der Europäischen Union unter der Finanzhilfevereinbarung Nr. 101036588 – Projekt ENOUGH (www.enough-emissions.eu) – gefördert. In dem Projekt geht es darum, den Lebensmittelsektor innerhalb der EU „Farm to Fork“ Strategie zu dekarbonisieren. Weiterhin ist diese Studie in Zusammenarbeit mit dem Forschungsprojekt KSP PCM-STORE (308847) durchgeführt worden, das vom norwegischen Forschungsrat und Industriepartnern unterstützt wird. PCM-STORE zielt darauf ab, Wissen über neuartige PCM-Technologien für die Speicherung von Wärmeenergie bei niedrigen Temperaturen aufzubauen. Die Autoren möchten dem Team von Rørosmeieriet ihren Dank für die technische Unterstützung aussprechen.

5 Literaturverzeichnis

[1] European Commission. Stepping up Europe’s 2030 climate ambition - Investing in a climate-neutral future for the benefit of our people. 2020

[2] Van Dijk M, Morley T, Rau ML, et al. A meta-analysis of projected global food demand and population at risk of hunger for the period 2010–2050. Nat Food 2021; 2: 494–501. doi:10.1038/s43016-021-00322-9

[3] Selvnes H, Jenssen S, Sevault A, et al. Integrated CO 2 refrigeration and heat pump systems for dairies. . doi:10.18462/iir.gl2022.53

[4] Ahrens MU, Foslie SS, Moen OM, et al. Integrated high temperature heat pumps and thermal storage tanks for combined heating and cooling in the industry. Applied Thermal Engineering 2021; 189. doi:10.1016/j.applthermaleng.2021.116731

[5] Schlemminger C, Bantle M, Jenssen S, et al. Industrial high temperature heat pump for simultaneous production of ice-water and process-heat. 2022; doi:10.18462/iir.gl2022.166

[6] Selvnes H, Jenssen S, Sevault A, et al. Integrated CO 2 refrigeration and heat pump system for a dairy plant: Energy analysis and potential for cold thermal energy storage. . doi:10.18462/iir

[7] Selvnes H, Allouche Y, Hafner A. Experimental characterisation of a cold thermal energy storage unit with a pillow-plate heat exchanger design. Applied Thermal Engineering 2021; 199. doi:10.1016/j.applthermaleng.2021.117507