Beste Brutbedingungen mit natürlichen Kältemitteln

Hochtemperatur-Wärmepumpe für Küken-Brüterei

Seit etwas über einem Jahr kommt die Küken-Brüterei Van Hulst in Veldhoven (Niederlande) ganz ohne Erdgas aus. Zweistufige Wärmepumpen liefern nun die Wärme und Kälte zum Temperieren der Hühnereier. Durch den Einsatz natürlicher Kältemittel und den Betrieb mit Solarstrom ist die neue Lösung klimafreundlich – und senkt die Energiekosten um ca. 30.000 Euro jährlich.

Cees Horrevorts, Geschäftsführer der Küken-Brüterei Van Hulst, mag keine halben Sachen. Wenn Investitionen anstehen, sollen sie nachhaltig sein – und dies im doppelten Wortsinn, nämlich langlebig und umweltfreundlich. Diese Prämisse galt auch, als der Ersatz der alten Wärmeanlage anstand. Die ausgedienten Erdgas-Kessel (2 x 220 kW) sollten durch eine neue, klimaschonende Technik ersetzt werden. Zugleich wünschte er eine Leistungserhöhung, um für eine Werkserweiterung vorbereitet zu sein: Während heute rund 1,1 Millionen Eier je Woche ausgebrütet werden, soll der Durchsatz mittelfristig auf über 1,4 Millionen Eier wöchentlich steigen.

„Wir wollten eine moderne Lösung, die den künftigen Anforderungen gewachsen ist, die wir lange einsetzen können und die möglichst klimafreundlich arbeitet“, sagt Horrevorts. Eine Wärmepumpe sollte es werden; eine mit natürlichen Kältemitteln mit geringem Treibhauspotenzial (GWP).

Mit der Servex Koel- en Vriestechniek B.V. aus dem niederländischen Heibloem hatte Horrevorts den idealen Partner für sein Vorhaben. Servex besitzt über 40 Jahre Erfahrung im Kälteanlagenbau und hat sich vor etwa fünf Jahren auf Anlagen mit natürlichen Kältemitteln spezialisiert. Der Brüterei war das Unternehmen bereits aus früheren Projekten bekannt.

Jede Anlage ist ein Unikat

Trotz der vielen Referenzanlagen mit natürlichen Kältemitteln, die Servex vorweisen kann, ist jedes Projekt anders. Andere Randbedingungen, immer wieder neue Komponenten und verschiedene Leistungsanforderungen machen jede Anlage zu einem Unikat. Auch die Wärmepumpenanlage für Van Hulst ist einzigartig. „Es ist die größte Wärmepumpe mit natürlichen Kältemitteln, die wir bislang gebaut haben“, berichtet Wil Kerkhof, der den Familienbetrieb Servex zusammen mit seinem Bruder Marcel in der zweiten Generation leitet. Vielleicht sei es sogar die größte Wärmepumpe ihrer Art in den Niederlanden, ergänzt er. Eine weitere Besonderheit: Sie liefert Wärme auf dem ungewöhnlich hohen Niveau von ca. 80 °C.

Van-Hulst-Chef Horrevorts erläutert, weswegen so viel Wärme bei so hoher Temperatur benötigt wird: „Um die tagfrischen Eier auszubrüten, müssen wir sie in den ersten sieben Tagen auf 38 °C aufwärmen. Dies geschieht mithilfe großer Zentrallüftungsanlagen. Außerdem benötigen wir sehr viel heißes Wasser, um hygienische Bedingungen im Werk sicherzustellen.“

Wärme- und Kältebedarf beim Brüten

Während die Hühnereier in der ersten Woche Wärme benötigen, ist in der zweiten und dritten Woche ihre Kühlung erforderlich. Dann entwickeln die Embryos in den dicht liegenden Eiern so viel Eigenwärme, dass diese von den Klimaanlagen abgeführt werden muss, um die ideale Bruttemperatur von 38 °C zu halten. Dazu liefern die neue Wärmepumpe oder die bereits bestehenden Kaltwassererzeuger 14 °C kühles Wasser an die Klimazentralen.

Aufgrund des zeitgleichen Bedarfs von Wärme und Klimakälte ergibt sich eine günstige Energiebilanz für die Wärmepumpe, denn mit dem für sie eingesetzten Strom lassen sich beide Medienkreisläufe bedienen. Schon alleine dadurch arbeitet sie effizienter als die Kombination aus Gaskessel und Kaltwassererzeuger. Dazu kommt, dass die Gaskessel je Kilowattstunde Brennstoff nur eine knappe Kilowattstunde thermische Energie bereitstellen konnten. Die Wärmepumpenanlage hingegen liefert für jede eingesetzte Kilowattstunde Strom ein Mehrfaches an thermischer Energie.

Mehr Leistung, mehr Effizienz

Abgesehen von einem Plus an Energie­effizienz strebte Van Hulst angesichts des bevorstehenden Kapazitätsausbaus eine Steigerung der thermischen Leistung von ehemals 440 kW auf nun 550 kW (bei 80 °C Vorlauftemperatur) an. Zudem forderte der Auftraggeber den einwandfreien Betrieb in dem sehr weiten Bereich von -20 °C bis +38 °C Außentemperatur. „Wir sind auf den ganzjährigen, zuverlässigen Betrieb angewiesen, damit wir beste Bedingungen für das Ausbrüten der Eier schaffen können“, sagt Horrevorts. „Da wir die alte Erdgasanlage abschalten wollten, war uns die Einhaltung dieser Einsatzgrenzen sehr wichtig.“

Um die gewünscht hohe Verfügbarkeit bei extremen Umgebungstemperaturen sicherzustellen, baute Servex mit Verdichtern des Spezialisten GEA Bock GmbH (Frickenhausen) zunächst eine Testanlage mit geringer Leistung. „Wir arbeiten schon lange gut mit GEA Bock zusammen“, begründet Wil Kerkhof die Wahl des Verdichterlieferanten. „Das Unternehmen hat viel Erfahrung mit natürlichen Kältemitteln wie Kohlendioxid und Propan und es baut Verdichter mit integrierter Ölpumpe – ideal für das Van-Hulst-Projekt.“

Machbarkeit an Testanlage studiert

Die Testanlage sollte einerseits die Machbarkeit einer zweistufigen Wärmepumpe für die geforderten Einsatztemperaturen belegen und andererseits Erfahrungen mit dem Kältemittel Isobutan (R600a) liefern. Denn während in der ersten Stufe der Wärmepumpe Propan (R290) zum Einsatz kommen kann, musste die zweite Stufe für erheblich höhere Kondensations- und Verdampfungstemperaturen ausgelegt werden – Temperaturen, die mit den damals von GEA Bock freigegebenen Kältemitteln nicht zu erreichen waren.

Philipp Schmid, bei GEA Bock für Anwendungstechnik zuständig, erinnert sich: „Servex hat ein Testsystem aus Verdichtern aufgebaut, die von der Gasführung und Konstruktion den heute verwendeten ähnelten, aber weniger Leistung hatten. Die für den endgültigen Einsatz geplanten Verdichter ‚HG88e‘ für Kohlenwasserstoffe waren damals kurz vor ihrer Serieneinführung. Van Hulst wollte diese Verdichter gerne haben, da sie noch etwas mehr Leistung und Wirkungsgrad bieten als die Vorgänger-Verdichter der Baureihe ‚HG8‘.“

Schmierung am Testverdichter erprobt

Anhand der zweistufig aufgebauten Test-Wärmepumpe prüfte Servex unter Einbeziehen des Partners GEA Bock, ob die Leistung auch bei den extremen Temperaturen eingehalten werden können, wie die Enteisung im Winter reagieren würde und wie sich die Verdichter selbst verhalten. In der ersten Stufe kam Propan zum Einsatz, für das die Verdichter bereits freigegeben waren. Für die zweite Wärmepumpenstufe haben die Partner Isobutan als Kältemittel vorgesehen, weil seine Eigenschaften sehr gut zu dem hohen Temperaturniveau passen. Beide Kältemittel haben einen sehr niedrigen GWP-Wert von drei.

Für Isobutan hatte GEA Bock jedoch noch keine umfassenden Erfahrungen. Die sollte die Testanlage liefern. „Besonderes Augenmerk haben wir auf die Schmierung gelegt“, berichtet Schmid. Im Probebetrieb hatte sich eine Ölsorte als besonders geeignet erwiesen und wurde daher für die zweite Stufe der bei Van Hulst installierten Anlage vorgeschrieben. Außerdem hat GEA Bock zugunsten einer besseren Schmierung das Ölsystem modifiziert.

Die heute bei Van Hulst arbeitenden Wärmepumpe besteht genau genommen aus drei zweistufigen Systemen, enthält also insgesamt sechs Verdichter vom Typ „GEA Bock HG88e/3235-4 S HC“. Aufgebaut ist die gesamte Anlage in Containern neben der Werkshalle. Das vereinfachte die Aufstellung und erleichterte die erforderlichen Vorkehrungen zum Brandschutz, denn sowohl Propan als auch Isobutan sind leicht entzündlich. Da die Anlage jedoch mannlos arbeitet und in einem abgeschlossenen Container untergebracht ist, ließen sich die Brandschutzvorgaben leicht erfüllen.

Hohe Betriebszuverlässigkeit

Neben den sechs installierten Verdichtern steht auf Wunsch von Van Hulst ein weiterer im Container bereit, damit bei einem eventuellen Ausfall schnell ein Tausch erfolgen kann. Ein Tausch fand auch bereits statt – allerdings nicht wegen eines Defekts, sondern um einen der Verdichter der zweiten Stufe nach einigen Monaten Betriebszeit im GEA-Bock-Werk zu zerlegen. Der Verdichter lieferte ein positives Ergebnis für die sehr anspruchsvollen Bedingungen.

Zur Sicherheit überwacht das Servex-Team den Betrieb der Anlage per Fernzugriff auf die Regelungstechnik. Bislang arbeitete die Wärmepumpe tadellos, auch bei den Rekordtemperaturen des Sommers 2018. „Das einzige Ereignis in den letzten Monaten war eine Warnung für den Öldifferenzdruck“, sagt Kerkhof. Dies erforderte nur einen Check des Ölfüllstandes und des Fühlers, dann lief die Anlage wie gewohnt weiter.

Betrieb meistens in Teillast

Meistens arbeitet nur eins der drei Wärmepumpensysteme. Kerkhof: „Bei dem aktuellen Wärmebedarf genügt die Leistung einer der drei Wärmepumpen, um 80-grädiges Wasser bereitzustellen, selbst bei nur -10 °C Außentemperatur.“ Ähnlich sieht es beim Kühlbetrieb aus: Bereits eine Wärmepumpe kann den Lüftungszentralen das 14 °C kühle Wasser mit bis zu 200 kW Leistung liefern. Die drei Wärmepumpen laufen daher im Wechsel. Die von Servex per Vertrag zugesicherte Betriebsdauer von zehn Jahren sollten die Wärmepumpen somit einfach übertreffen.

Was die Energieeffizienz angeht, ist es noch zu früh, konkrete Aussagen zu treffen. Laut Plandaten sollten die jährlichen Energiekosten rund 30.000 Euro geringer ausfallen als früher, da kein Erdgas mehr benötigt wird und die Kaltwassererzeuger weniger intensiv genutzt werden. Die Mehrkosten der Wärmepumpenanlage im Vergleich zu neuen Erdgas-Kesseln werden sich also in angemessener Zeit amortisieren – zumal Van Hulst wegen des Innovationswerts der Anlage Gelder aus dem DEI-Programm (Duurzame Energie Initiatieven / Nachhaltige-Energien-Initiative – ein Programm der niederländischen Agentur für Unternehmen RVO) erhalten hat. Etwa die Hälfte der Mehrinvestition wurde durch diese Förderung abgedeckt.

Klimaneutraler Betrieb mit PV-Strom

Van-Hulst-Geschäftsführer Cees Horrevorts ist sehr zufrieden mit der neuen Wärmepumpenanlage: „Wir können nun vollständig auf den fossilen Energieträger Erdgas verzichten. Und unsere Wärmepumpe arbeitet zu 100 % CO2-neutral, denn seit jüngstem setzen wir für ihren Betrieb selbst erzeugten Solarstrom ein.“

Die „HG“-Serie von GEA Bock im Überblick

Die Verdichter der „HG“-Serie von GEA Bock (www.gea.com) sind in sieben Baugrößen mit 25 Stufen und Hubvolumina von 5,4 bis 281,3 m³/h (bei 50 Hz) erhältlich. Die für Kohlenwasserstoffe als Kältemittel optimierten Verdichter – die „HC“-Ausführungen – sind langlebig und zeichnen sich gegenüber den Modellen für synthetische Kältemittel unter anderem durch eine spezielle Ölfüllung und weiteren Anpassungen entsprechend der Kohlenwasserstoffanforderungen aus. Der Hersteller empfiehlt den Einsatz einer Ölsumpfheizung (Zubehör) und eines Wärmeschutzthermostats (Zubehör) und bietet außerdem den elektronischen Motorschutz „INTG69 G“ als Beipack zum Einbau im Schaltschrank an.

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