Symbiose der Gegensätze

Der zeitgleiche Bedarf von Kälte und Wärme prägt kaum eine Branche so sehr wie die lebensmittelverarbeitende Industrie. Einerseits müssen quasi alle Nahrungsmittel konsequent gekühlt werden, andererseits ist für viele Produktionsprozesse der Einsatz von Wärme auf hohem Temperaturniveau vonnöten. Das gilt beispielsweise für das Pasteurisieren von Milch oder das Blanchieren von Gemüse.

Die Wärme für diese Anwendungen stellen üblicherweise mit fossilen Brennstoffen befeuerte Warmwasser- oder Dampferzeuger bereit, während elektrische Kältemaschinen permanent für Kühlung sorgen – und auf der Kondensatorseite Abwärme produzieren. Da drängt sich geradezu die Idee auf, die autarken Systeme zu verbinden, um die Abwärme der Kältekompressoren zu nutzen – wie geschehen bei der Add-on-Wärmepumpe von GEA Refrigeration Technologies.

Die geringe Abwärmetemperatur der Kältekompressoren reicht für Produktionsprozesse nicht aus. Wegen der benötigten Vorlauftemperaturen genügt sie nicht einmal für die Heizung bzw. Warmwasserbereitung. Die Wärmepumpe aber hebt die Abwärme auf ein nutzbares Temperaturniveau von zum Beispiel +65 oder sogar +80 °C. Dazu strömt das Kältemittel der Kältekompressoren auf der warmen Seite des „klassischen“ Kreislaufes zur Kälteerzeugung in eine Sammelleitung und wird dem Kompressor der Wärmepumpe zugeführt, der das gasförmige Kältemittel auf ein höheres Druck- und somit Temperaturniveau verdichtet. Aufgrund dieser Verrohrung des Kältemittelkreislaufs verwendet GEA den Begriff Add-on-Wärmepumpe. Einsatz findet meistens das natürliche Kältemittel Ammoniak, das kein Ozonabbaupotenzial besitzt und der Lösung einen hohen Wirkungsgrad verleiht.

Je nach Anwendung und gewünschtem Temperaturniveau lässt sich das Gesamtsystem unterschiedlich auslegen. Eine Margarinefabrik zum Beispiel benötigt im Sommer wie im Winter Kälte und Wärme. Viele Bestandteile dieses Streichfetts werden im Prozess warm und somit flüssig verarbeitet, erst durch Herunterkühlen entsteht die streichfähige Masse. Außerdem wird Wärme für die Reinigung der Produktionsanlagen, die Hallenheizung sowie Ölleitungen und Tanks benötigt.

Eine Add-on-Lösung mit einer einstufig arbeitenden Wärmepumpe machte das Nutzen der Abwärme von Kältekompressoren möglich und senkte den Primärenergieverbrauch um bis zu 40 %. Für die Margarineproduktion wird die Wassertemperatur auf etwa +65 °C angehoben, sodass der größte Warmwasserbedarf auf diese Weise gedeckt werden kann. Ein kleiner Teil des heißen Wassers wird über Wärmetauscher von konventionellen Kesseln weiter erhitzt – etwa auf +90 °C – und kann so Rohrheizungen und Prozesse, die höhere Temperaturen erfordern, versorgen.

Während in der Margarinefertigung der größte Teil des Wassers bei etwa +65 °C benötigt wird, müssen in der Milchindustrie nahezu +80 °C bereitgestellt werden können. Um diesen größeren Temperatursprung zu meistern, bieten sich zweistufig arbeitende Wärmepumpen an. Das bereitgestellte Wasser eignet sich hervorragend zum Pasteurisieren der Milch, denn dies geschieht bei +74 °C. Die von der Wärmepumpe erzeugten +80 °C übertreffen die erforderliche Temperatur in der Pasteurisieranlage um einige Grad; für die passende Zieltemperatur am Pasteurisierer sind genau regelnde Mischventile installiert, die durch Zumischen von kühlerem Wasser die geforderten +76 °C am Anlageneingang herstellen. Die Wärmeleistung der Ammoniakanlagen genügt oft nicht nur für die Pasteurisierung, sondern kann auch die Clean-in-Place-Anlagen und die Sterilisation bedienen.

Das „Wärme-Recycling“ kann Öl- oder Gaskessel entbehrlich machen oder zur Redundanzanlage degradieren. Die Add-on-Wärmepumpe spart neben Energie und CO2-Emissionen auch Geld: Die Investition in die Wärmepumpe und ihre Installation macht sich in der Regel dank der Energieeinsparung bereits in weniger als zwei Jahren bezahlt, einerseits weil die Gasrechnung nun um einiges geringer ausfällt, andererseits aufgrund des effizienteren Betriebs der Kälteanlage. Letztere profitiert von der Wärmepumpe, weil durch den Wegfall der Kondensatoren auch der zu überwindende Druck auf der warmen Seite geringer ist – der Kälteprozess kommt mit weniger Strom aus. Der Clou: Das Prinzip der „Kälte-Wärme-Kopplung“ bleibt keineswegs neuen Produktionsstätten vorbehalten, es lässt sich bei bestehenden Anlagen umsetzen.

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