Bei der Feldschlösschen Supply AG werden mikrobiologisch sensible Produkte (Biermischgetränke & alkoholfreie Biere) und Dosen via Tunnelpasteur wärmebehandelt. Das Aufheizen und Abkühlen erfolgt passiv in Rekuperationszonen des Apparats. Gleichwohl muss, um die notwendige Auslauftemperatur der Produkte zu erreichen, aktiv gekühlt werden (ab Kühlturm oder mit Wasser ab Netzversorgung) und fehlende Wärme zugeführt werden. Aufgrund der hohen Nutzungsdauer von ca. 5200 h/a eignet sich der Tunnelpasteur sehr gut für einen grosstechnisch, prozessintegrierten Einsatz einer Wärmepumpe.
Zu 65% mit erneuerbarer Energie
Die Wärmeerzeugung in der Heizzentrale von Feldschlösschen erfolgt heute zu ca. 65% mit erneuerbarer Energie und zu ca. 35% aus Erdgas. Durch die Installation einer Wärmepumpe mit einer Wärmeleistung von ca. 400 kW kann der Verbrauch an fossilen Brennstoffen signifikant reduziert werden. Um eine gute Datengrundlage für Optimierungen und Auswertungen zu ermöglichen, wurde das System mit umfassender Messtechnik und Software zur Auswertung ausgerüstet.
Ein vereinfachtes Schema (Grafik 1) zeigt das Einbindungsprinzip der Wärmepumpe, die einen signifikanten Teil des Heizbedarfs vom Gebäude und dem Tunnelpasteur abdeckt. Als Wärmequelle wird Kühlwasser aus Kühlzonen genutzt, das nicht direkt für die Rekuperation verwendet werden kann. Eine weitere Wärmequelle ist Abwärme von der Druckluftzentrale. Wenn nicht genügend Abwärme vorhanden ist, wird die Heizleistung der Wärmepumpe dementsprechend reduziert.
Im Rahmen des Projekts wurden Messdaten vom Jahr 2022 (Januar bis Ende Mai) im Stundentakt, sowie Daten mit 15-Minuten-Zeitauflösung im Monat Mai 2022, erfasst. Die Kennwerte der Messdaten sind in der Tabelle zusammengefasst.
Beurteilung des Systems:
- Die Wärmepumpe für die vorliegende Anwendung ist gut dimensioniert und erreicht etwa 50% Gütegrad.
- Im Frühsommer ist die Wärmepumpe zu 68% ausgelastet, was etwa 300 kW Heizleistung entspricht. Im Winter bringt die WP 400 kW Heizleistung und ist somit zu 90% ausgelastet.
- Die Laufzeiten der Wärmepumpe sind sehr gut. Der mediale Wert während der Messperiode beträgt 26 Stunden, wobei sie im Winter kontinuierlich während knapp 500 Stunden ohne Unterbruch lief (Grafik 2).
- Dank dem Betrieb der Wärmepumpe wurden während der Messperiode Januar bis Mai 2022 insgesamt 164 t CO2 gespart (Versorgung der Wärmepumpe mit 100% zertifizierter Elektrizität aus erneuerbaren Quellen). Dieser Effekt kann auf das gesamte Jahr (5200 Betriebsstunden) extrapoliert werden. Die Jahres CO2-Einsparung beträgt somit 274 t CO2.
- Während der warmen Monate und bei reduziertem Wochenend-Betrieb weist die Wärmepumpe viele kurze Starts auf (kürzer als 15 Minuten). Dies wird analysiert und durch Anpassungen in der Einbindung/Regelung bekämpft, um eine unnötige Alterung der Wärmepumpe zu vermeiden.
Gemäss Messdaten …
… läuft die Wärmepumpe während der Woche konstant mit einer Heizleistung von ca. 300 kW (max. 400 kW im Januar). Jeweils am Wochenende und an Feiertagen wird die Heizleistung in den Winter-Monaten auf ca. 100 kW und ab April bis auf das Minimum reduziert, um ausschliesslich den Heizbedarf der Gebäude zu decken. Während der Übergangszeit im April bis Mai ist der Heizbedarf sehr gering und es kommt zum häufigen Takten der Wärmepumpe (Grafik 2). Dies ist in den Messdaten mit 15 Minuten Zeitauflösung gut ersichtlich.
Grafik 3 zeigt einen solchen Zeitabschnitt mit häufigem Takten. Da die Wärmeleistung während des Taktens auf einem sehr niedrigen Wert läuft, dürfte es sich um ein hydraulisches Problem mit zu geringer Speicherkapazität handeln. Hierzu wäre eine Lösung mit Pufferspeicher überlegenswert. Zurzeit verfügt der Gebäude-Heizkreislauf über keinen Pufferspeicher, somit kann das häufige Takten nur bedingt steuertechnisch verbessert werden. Es werden folgende Massnahmen weiterverfolgt:
- Die Gebäudebeheizung wird mit einer grösseren Temperaturhysterese gefahren.
- Ein zusätzliches Gebäude wird an das Heizsystem angeschlossen. Dies wird das Wasservolumen im System vergrössern und bei einem geringen Heizbedarf das Takten reduzieren. Zudem wird die Wärmepumpe auch während dem Wochenend-Betrieb in den Wintermonaten besser ausgenutzt.
Effizienz der Wärmepumpe und Dimensionierung der Peripherie
Im Volllastbetrieb läuft die Wärmepumpe mit einer konstanten Kondensationstemperatur von ca. 75 °C, die Verdampfungstemperatur variiert dabei zwischen 10 °C und 20 °C (Grafik 4, links), direkt abhängig von der Quellenrücklauftemperatur. Der COP der Wärmepumpe ist stark vom Temperaturhub abhängig. Pro 1 K Hub sinkt der COP um etwa 2,7% (Grafik 4, rechts).
Die Kondensationstemperatur der Anlage ist von der Heizwasser-Vorlauftemperatur im Tunnelpasteur direkt abhängig. Um diese möglichst tief zu halten, wird in der Anlage die Vermischung von kälterem Rücklaufwasser aus den Heizzonen des Tunnelpasteurs auf das Minimum reduziert. Dies senkt die Kondensationstemperatur und erhöht somit die Effizienz der Wärmepumpe.
Die kleine Temperaturspreizungen von 1,5 K bis 4 K im Vor- und Rücklauf von Kondensator und Verdampfer sowie an dem Plattenwärmetauscher PWT_40 (=Plattenwärmetauscher zwischen Heizwasserverteilsystem für Tunnelpasteur und Sekundärkreislauf von der Wärmepumpe an der Senkenseite - Grafik 1) sprechen für eine gute Auslegung der Wärmepumpe und Peripherie.
Fazit: 270 t CO2 pro Jahr einzusparen
Der Einsatz einer Wärmepumpe für den Tunnelpasteur bei Feldschlösschen erweist sich als sehr sinnvoll. Der stabile Arbeitspunkt hat eine gute Dimensionierung der Wärmepumpe ermöglicht. Dies wird durch einen hohen im Feld gemessenen Gütegrad von ca 50% bestätigt. Die Wärmepumpe erreicht eine gute Effizienz von ca. 3,2 bei einem Temperaturhub von etwa 57 K und einer Kondensationstemperatur von 73 °C. Die Temperaturabstände in den Wärmetauschern sind klein und die Messdaten sind vertrauenswürdig.
Im Normalbetrieb sind die Laufzeiten der Wärmepumpe sehr gut, nur im tieferen Lastbereich kommt es zu einem häufigeren Takten des Kompressors. Hierzu werden bereits seitens Feldschlösschen Supply einige Massnahmen ergriffen.
Obwohl die Datenlage keine abschliessende Analyse erlaubt, scheint die Wärmepumpe insgesamt aber gut integriert zu sein. Unter Annahme einer mittleren Heizleistung der Wärmepumpe von ca. 230 kW lassen sich etwa 270 t CO2 pro Jahr einsparen.
Bei der aktuellen turbulenten Lage auf dem Energiemarkt lässt sich die Rückzahlung der Investition schlecht abschätzen. Die gesamte Investitionssumme für die Aufrüstung der Pasteuranlage mit der 400-kW-Wärmepumpe liegen bei rund 500 000 Franken, inklusiv der umfangreichen Messtechnik für die ingenieurtechnische Auswertung der Anlage durch die Fachhochschule. (etwa 20% der Gesamtkosten).
Bei Gas- und Strompreisen für Industriekunden in der Schweiz von etwa 15 Rp/kWh zum Zeitpunkt der Installation würde die Wärmepumpe sich in etwa 7,5 Jahren amortisieren. Dank einer BFE-Förderung von rund 30% reduziert sich diese Frist auf etwa 5,5 Jahre. Die stetig steigenden Gaspreise werden die bis jetzt eher geringe Wirtschaftlichkeit einer solchen Aufrüstung in Zukunft sehr wahrscheinlich noch deutlich verbessern.
* beide von der OST-Ostschweizer Fachhochschule