CO2-Kälteanlagen in der
Bäckereitechnik

Eine neue Kältezentrale für die Bäckerei Mangold

CO2-Boostersysteme mit Wärmerückgewinnung sind in der Supermarktkälte weit verbreitet. Doch auch bei der Produktion von Backwaren lassen sich diese Systeme sinnvoll einsetzen. Dies zeigt die neue Kälteanlage für die österreichische Bäckerei Mangold – ein Projekt, bei dem vor allem die Regelungstechnik eine anspruchsvolle Herausforderung darstellte.

Die Bäckerei Mangold ist ein österreichisches Familienunternehmen und wird in vierter Generation von Monika Haag (geb. Mangold) und Egon Haag geführt. In den letzten 15 Jahren ist das Unternehmen stark gewachsen und plant bis Ende 2018 seine 32. Filiale in Vorarlberg, Österreich zu eröffnen. 2002 waren es noch fünf Filialen. Der Aufbau eines eigenen Filialnetzes bedeutet für das Unternehmen auch mehr Unabhängigkeit; erzielte die Bäckerei Mangold vor 15 Jahren noch rund 90 % ihres Umsatzes mit Handelskunden, hat sich dieses Verhältnis heute zugunsten der eigenen Filialen komplett umgekehrt. Der Umsatz lag 2016 bei 17 Mio. Euro.

Derzeit beschäftigt Mangold ca. 400 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter. Um die Voraussetzungen für weiteres solides Wachstum zu schaffen, hat Mangold 2017/18 im nahe gelegenen Dornbirn ein neues Hauptwerk gebaut. Rund 9 Mio. Euro investiert das Unternehmen in den neuen Standort. Der bisherige Firmenstammsitz in Wolfurt bei Bregenz wird aufgelöst. Im Parterre des zweistöckigen Gebäudes mit einer Grundfläche von knapp 3.000 m2 ist die Produktion angesiedelt und eine Filiale integriert. Das Obergeschoss bietet Platz für die Verwaltung des Unternehmens und Aufenthaltsräume für das Personal. Die Produktion wurde nach den Anforderungen einer modernen Handwerksbäckerei geplant. Dies erlaubt effizientere Arbeitsabläufe und höhere Qualität. Die Produktionskapazität wurde um bis zu 40 % gegenüber dem bisherigen Hauptwerk in Wolfurt ausgebaut.

„Kalt“ backen kostet Energie

Die Kältetechnik spielt dabei eine Schlüsselrolle, denn in einer modernen Bäckerei müssen insbesondere teilgegarte Teiglinge mit schonenden Verfahren abgekühlt und in Kühlräumen gelagert werden, bevor sie an die Filialen ausgeliefert und dort gebacken werden. Das neue Werk verfügt über rund 420 m2 Kühlflächen (2.580 m3 Kühlvolumen) mit einer Vielzahl an Kühl- und Gefrierräumen sowie temperaturgeführte Räume für die Gärung.

Die Kälteanlage hat die Firma Kolb Kälte aus Rüthi in der Schweiz realisiert, die zur Pitec AG gehört, dem größten Gesamtanbieter von Bäckerei- und Gastrotechnik in der Schweiz. Kolb Kälte hat sich auf die Bäckereikühlung spezialisiert und bietet seit über 35 Jahren Kälte- und Energiesparlösungen für gewerbliche und industrielle Backbetriebe an. Bei der Umsetzung der MSR-Lösung hat das Unternehmen eng mit der Eckelmann AG kooperiert. Ausschlaggebend für die Wahl des „E*LDS“-Regelungssystems waren u.a. die langjährige Kompetenz in der Regelung von anspruchsvollen CO2-Boostersystemen und die hohe Flexibilität bei der Integration von Spezialfunktionen für die Wärmerückgewinnung und temperaturgeführte Prozesse.

Im Durchschnitt entfallen in Bäckereien rund 30 % des Strombedarfs auf die Kälteanlage, wie Statistiken aus der Schweiz belegen [1]. Wenn man den gesamten Energiebedarf betrachtet (Ø 60 % Gas/Heizöl, Ø 40 % Strom), benötigt die Kälteanlage knapp 15 % der gesamten Energie. Gerade durch die Verarbeitung und Lagerung von Zwischenprodukten kann der Strombedarf für die Gärunterbrechung sowie das Gefrieren und Lagern tiefgekühlter Teiglinge in Bäckereien heute sogar noch höher liegen. Alle Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz der Kälteanlage tragen daher wesentlich zur Wirtschaftlichkeit bei.

Bei größeren Bäckereien mit vielen Filialen und Mitarbeitern ist tendenziell ein niedrigerer Energiekostenanteil zu verzeichnen. Die Energiekosten pro Umsatz betragen im Durchschnitt 3,3 % [2]. Hat eine Bäckerei weniger als 20 Mitarbeiter, können die Kosten für Energie hingegen sogar bis zu 5 % ausmachen [3].

Ein Gesamt-CO2-Boostersystem

Eckelmann hat den Kälteverbund mit drei Druck-Niveaus und die Wärmerückgewinnung automatisiert. Die Kälteanlage besteht aus einem transkritischen CO2-Boostersystem mit insgesamt elf Verdichtern. Um die Effizienz der Kältemaschine zu erhöhen, wird der GU/GV-Verbund (GU = Gärunterbrechen, Tiefkühlen / GV = Gärverzögern, Normalkühlen), insgesamt acht Verdichter für die Hoch- und Niederdruckstufe, mit einem Parallelverdichter betrieben, der gleichzeitig die Klimatisierung übernimmt. Der zusätzliche Mitteldruckverdichter sorgt für einen sicheren und äußerst stabilen Anlagenbetrieb. Der GU/GV-Verbund liefert eine Kälteleistung von insgesamt 180 kW/180 kW/320 kW bei Verdampfungstemperaturen von -35 °C/- 10 °C bzw. +3,5 °C. Die luftbeaufschlagten Gaskühler verfügen über eine Leistung von insgesamt 1.078 kW.

Beim Kühlen/Gefrieren/Schockfrosten wird in Abhängigkeit der Prozess- und Produktanforderung zwischen den einzelnen Druckstufen unterschieden, um immer den bestmöglichsten COP zu erreichen. Die Anforderungen der einzelnen Produkte mit hoher Wiederholgenauigkeit zu erfüllen, ist regelungstechnisch besonders anspruchsvoll. Die sechs Schaltschränke für die Kälteanlage und einen zusätzlichen Kaltwassersatz hat Eckelmann als Komplettlösung geliefert und den Kunden bei der Inbetriebnahme und Einregelung vor Ort unterstützt.

Als Verbundregler wird die „VS 3010 CT“ eingesetzt. Sie regelt den Saugdruck (ND), den Mitteldruck (MD über den Druck im Kältemittelsammler), den Hochdruck (HD) und den Gaskühler. Es sind also keine separaten Komponenten nötig. Im transkritischen Modus wird stetig der für das Erreichen eines hohen COP optimale Hochdruck berechnet und als Regelungsgröße genutzt.

Cool down

Das Booster-System versorgt die von der Kolb Kälte entwickelten und patentierten PATT-Gärunterbrecher. PATT steht für „programmiertes Abkühlen teilgegarter Teiglinge“. Werden vorgegarte Teiglinge nämlich zu schnell abgekühlt, kommt es zu einer Temperaturdifferenz zwischen Kern und Oberfläche des Teiglings, was eine qualitätsmindernde Kristallisation zur Folge hätte. Deshalb müssen Teiglinge besonders schonend und langsam abgekühlt werden, sodass die Temperaturdifferenz nahezu Δt ≈ 0 K beträgt. In dem neuen Werk von Mangold stehen allein acht PATT-Räume zur Verfügung, in welche die Teiglinge auf speziellen Wagen eingebracht werden.

Kolb Kältetechnik hat mit seiner langjährigen Erfahrung in der Bäckereikälte und viel Prozess-Know-how dieses sanfte Gefrierverfahren perfektioniert. Gegenüber dem herkömmlichen Schockfrosten, bei dem Teiglinge in ca. einer Stunde auf eine Kerntemperatur von -7 °C abgekühlt werden, spart das PATT-Verfahren ca. 30 % Energie ein, weil es keine so hohen Kälteleistungen in kurzer Zeit erfordert. Damit lassen sich zudem Verbundanlagen entsprechend kleiner dimensionieren, was Investitionskosten spart.

Für die Firma Kolb war es besonders wichtig, dass das „E*LDS“-Regelungssystem geeignete Schnittstellen für die nahtlose Integration der PATT-Steuerung bereitstellt, denn nur so lässt sich die benötigte Kälteleistung bedarfsoptimiert und damit effizient regeln. Neben den Gärunterbrechern versorgt die Kälteanlage die NK/TK-Kühlräume.

Die Einbindung der PATT-Steuerung zur Gärunterbrechung erfolgt über ein 0-10 V-Steuersignal, das der Kühlstellenregler verarbeitet und die angefragte Verdampfungsleistung bereitstellt. Der Regler „UA 410 E“ für elektronische Expansionsventile passt den Sollwert dynamisch an.

WRG-Branchenlösung für die Bäckereikälte

Die Abwärme der Kälteanlage wird über Wärmetauscher ausgekoppelt und für die Heizung und Warmwasserbereitung genutzt. Mit dem Hochtemperaturanteil +75 °C kann z.B. die Kistenspülmaschine (Beheizung) betrieben werden.

Die Regelung der WRG ist mit „E*LDS“ einfach möglich, da das Regelungssystem über eine WRG-Steuerung verfügt, die optimal auf Advansor-Verbunde abgestimmt ist. Als „WRG 3010 E“ steht sie jedoch auch als Standard-Lösung für Verbundanlagen anderer Hersteller zur Verfügung. Die Steuerung regelt bis zu zwei unabhängige Wärmerückgewinnungskreise (Hoch- und Niedertemperatur) inkl. der Pumpendrehzahl. Die Steuerung empfängt Leistungssignale der übergeordneten Gebäudeautomation und ermittelt automatisch die optimale WRG-Leistung, die quasi-stetig über mehrere Stufen geregelt wird. Damit die Verdichter auch im WRG-Betrieb stets im optimalen Betriebspunkt gefahren werden, kommuniziert die WRG-Steuerung zyklisch mit der Verbundsteuerung.

Ausblick

In der Supermarktkälte sind CO2-Boostersysteme mit Wärmerückgewinnung heute State-of-the-Art. Die Bäckereikälte kann von den Erfahrungen in diesem Bereich nachhaltig profitieren. Dies zeigt die Kooperation von Kolb Kälte und Eckelmann. „Unsere Lösung verwendet einerseits bewährte ‚E*LDS‘-Funktionen aus der Supermarktkälte“, erklärt Martin Stocker, Technischer Leiter bei Pitec AG / Kältetechnik. „Gleichzeitig gibt uns ‚E*LDS‘ aber durch geeignete Schnittstellen die Freiheit, branchenspezifische Spezialfunktionen einfach zu implementieren, wie hier das PATT-Verfahren zum behutsamen Abkühlen von Teiglingen.“

Die Zukunft der Kältetechnik bleibt spannend! Nach der erfolgreichen Inbetriebnahme arbeitet man bereits gemeinsam an neuen Konzepten, wie auch die anderen energieintensiven Gewerke einer Bäckerei noch besser digital vernetzt werden können. Hierzu schafft Eckelmann mit seiner neuen IoT-fähigen Systemzen­trale „Virtus 5“ und einer Cloud-Plattform ideale Voraussetzungen. Über standardisierte Web-Schnittstellen sollen künftig beliebige Geräte und Systeme zu einem „digitalen Ökosystem“ verbunden werden können, das sich modular an die branchenspezifischen Anforderungen anpassen lässt – vom Plugin für das Energiemanagement bis zur KI-gestützten Online-Simulation und Optimierung von Prozessen.

Quellen

[1] Energieeffizienz in Bäckereien. Online: www.energie.ch/baeckerei, abgerufen am 25.09.2018.
[2] Handwerkskammer zu Leipzig / Mittelstandsinitiative Energiewende und Klimaschutz: Die energieeffiziente Bäckerei. Januar 2017. Online: www.mittelstand-energiewende.de/fileadmin/user_upload_mittelstand/MIE_vor_Ort/2017_02_10_Vorlage-B%C3%A4cker-Finale.pdf, abgerufen am 20.09.2018.
[3] EnergieAgentur.NRW: Energiesparen in der Bäckerei. Online: www.energieagentur.nrw/energieeffizienz/energieeffizienz-nach-branchen/energiesparen_in_der_baeckerei , abgerufen am 25.09.2019. [4] Quelle: Müller, Karla Rika: Nutzung von Abwärme im Gewerbe. Fallbeispiel Bäckereien. Bachelor-Arbeit, HafenCity Universität Hamburg 2013, S. 14. Online: http://edoc.sub.uni-hamburg.de/hcu/volltexte/2013/99/pdf/Bac_Mueller.pdf

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