Wie Wärmepumpen zur Energieeffizienz der Bierproduktion beitragen

Bier gehört zu den beliebtesten Getränken in der Schweiz, wobei immer mehr Menschen Bier in Dosen trinken. Während der Anteil des Dosenbiers 1980 nur gerade ein halbes Prozent ausmachte, waren es im Jahr 2000 bereits 10 % – und heute sind es stolze 44 %. Jährlich konsumieren Herr und Frau Schweizer an die 400 Millionen Dosen Bier.

Gegenüber Glas bieten Dosen grosse Vorteile: So sind sie leichter und bieten einen höheren Lichtschutzfaktor. Für Bier, welches kühl und dunkel gelagert werden sollte, ist das ideal. Doch Dosen müssen aufgrund ihrer Konstruktion nach dem Füllen zusätzlich in einem Pasteur wärmebehandelt werden. So wird das Bier haltbar gemacht. Grosse Brauereien setzen dafür oft einen Tunnelpasteur ein, der hohe Volumen verarbeiten kann.

250 Millionen Flaschen und Dosen pro Jahr
Bei Feldschlösschen in Rheinfelden steht ein solcher Tunnelpasteur. Der eindrucksvolle Apparat ist stolze 20 Meter lang und knapp 6 Meter breit. In der Stunde kann er bis zu 55‘000 Dosen oder Flaschen pasteurisieren. Dazu werden die Gebinde auf einem 4.5 Meter breiten Förderband in den Pasteur geführt. Dieser ist in zehn Zonen unterteilt. In den ersten drei Zonen werden die verschlossenen Dosen und Flaschen mit warmem Wasser berieselt und so auf ca. 53°C erwärmt. In den nächsten vier Zonen werden die Flaschen und Dosen weiterhin mit Wasser berieselt. So wird während des Durchlaufs ihre Temperatur zwischen 62°C und 64°C (Pasteurisationstemperatur) gehalten. In den letzten drei Zonen werden die Gebinde schliesslich mit kühlem Wasser langsam auf rund 28°C abgekühlt. Der Durchlauf durch den ganzen Apparat dauert rund 40 Minuten, währenddessen die Gebinde etwa 20 Minuten warmgehalten werden müssen. Entsprechend benötigt der Prozess einerseits viel Energie für das Erhöhen und Halten der Temperatur während der Pasteurisation. Andererseits müssen die Dosen vor der Verarbeitung und Verpackung gekühlt werden, was wiederum energieintensiv ist. Rund 250 Millionen Flaschen und Dosen durchlaufen diesen Prozess jährlich bei Feldschlösschen in Rheinfelden.

Bis anhin bezog Feldschlösschen die Wärme für den Tunnelpasteur vollständig von der zentralen Wärmeerzeugung aus dem Kesselhaus. Hier wird die Wärme zu 70% mit erneuerbaren Energien (Biogas und Alkohol aus der Bierproduktion) und zu 30% mit Erdgas bereitgestellt. Ein Kühlwasserkreis führt die Abwärme aus dem Pasteur ab. Bei kalten Aussentemperaturen kühlt ein Kühlturm den Kühlwasserkreis, ansonsten muss der Prozess mit Frischwasser gekühlt werden.

Neu erwärmt Feldschlösschen das Wasser für den Pasteur mit einer 400 kW Wärmepumpe. So verbessern sie die Energieeffizienz des Prozesses und verringern ihren CO2-Ausstoss. Zudem dient die Wärme aus dem Abkühlprozess des Pasteurs der Wärmepumpe als Wärmequelle und auch die Abwärme der Druckluftkompressoren verwertet die Wärmepumpe. Damit setzte man sich bei der Planung das Ziel, den CO2-Ausstoss um bis zu 400 Tonnen pro Jahr zu reduzieren. Gleichzeitig achtete man auf einklimafreundliches Kältemittel für die Wärmepumpe. Die Wahl fiel auf das HFO-Kältemittel R1234ze, das ein Global Warming Potential (GWP) von 3 aufweist und damit im Bereich der natürlichen Kältemittel liegt.

Umsetzung wurde wissenschaftlich begleitet
Die Spezialisten von Feldschlösschen planten die Umsetzung der Konzeptidee intern und setzten das Projekt zusammen mit dem langjährigen Installateur sowie dem Lieferanten der Wärmepumpe um. Thomas Janssen, Leiter Sustainability Development der Feldschlösschen Supply AG liess den Umbau der Energieversorgung des Tunnelpasteurs zudem durch das Institut für Energiesysteme der Ostschweizer Fachhochschule wissenschaftlich begleiten und auswerten.

Die Resultate einer fünfmonatigen Ausmessung durch Dr. Ekaterina Möhr, wissenschaftliche Mitarbeiterin an der FH Ost, zeigten: Die Wärmepumpe arbeitet sehr effizient und erreicht einen COP von 3.2 – dies bei einer Kondensationstemperatur von 73°C und einem Temperaturhub von 57°C. Die neue Anlage ist gut ins System integriert und liefert eine mittlere Heizleistung von 230 kW. Während der Laufzeit des Tunnelpasteurs von 5‘200 Stunden konnte im ersten Betriebsjahr mit der Wärmepumpe 275 Tonnen CO2 eingespart werden. Dies ist etwas weniger als ursprünglich berechnet. Dafür sinkt entsprechend der Gasverbrauch.

Feldschlösschen bewältigte bei der Integration der Wärmepumpe in den Produktionsprozess zwei grosse Herausforderungen.Einerseits benötigten Thomas Janssen und sein Team eine gewisse Zeit, bis sie die unterschiedlichen Betriebsbedingungen im Winter und im Sommer im Griff hatten. Denn die Wärmepumpe und die Peripherie-Systeme mussten sorgfältig auf die verschiedenen Prozessbedingungen abgestimmt werden. Andererseits war die Einbindung in die gesamte Prozessteuerung anspruchsvoll. Doch gerade solche Herausforderungen sind für Thomas Janssen und sein Team spannend. Mit seiner langjährigen Prozesserfahrung ordnet Thomas Janssen das Projekt als eine neue Wissensquelle ein, die dem Unternehmen in Richtung «netto Null» weiterhelfen kann.

Im geopolitischen Umfeld des Jahres 2022 ist die Beurteilung der Wirtschaftlichkeit schwierig. Beim Projektstart im Jahr 2020 ging man von Investitionskosten von rund 500‘000 Franken und einer Payback-Zeit von 7.5 Jahren aus. Dank eines Förderbeitrags des Bundes wurde die Payback-Zeit auf etwa fünf Jahre reduziert. Ob eine noch kürzere Payback-Zeit möglich ist, hängt von der Entwicklung der Preise von Strom und Gas ab. Zusätzliches Potential sieht das Team in einer weiteren Verbesserung der Einstellung der Betriebsparameter und der zusätzlichen Einbindung der Gebäudeheizung als Wärmeverbraucher, um die angestrebte Emissionsreduktion von 400 t CO2 zu erreichen.