Leitfaden zur Kostensenkung mit KrAfT-WärmE-KopplunG in BrAuErEiEnDer Prozess der Bierproduktion ist energieintensiv. Steigende Energiekosten und

wachsender Wettbewerb sorgen dafür, dass Brauereien immer mehr Wert auf eine

kostengünstige und nachhaltige Energieversorgung legen. Moderne Anlagen zur

gekoppelten Erzeugung von Strom und Wärme (KWK) bieten Brauereien die Chance für

einen enormen Effizienzgewinn.

In Deutschland gibt es 1.327 Brauereien. Davon sind gut die Hälfte Gasthausbrauereien (ca. 850), die in der Regel keine Flaschenabfüllung betreiben. Bezogen auf die Erzeugungs-mengen sind die Industriebrauereien von weitaus größerer Be-deutung. Die meisten mittleren Brauereien erzeugen jährlich 10.000 - 100.000 hl. 27 sehr große Brauereien erzeugen mit je mehr als 1 Mio hl über 60 % der Gesamtjahreserzeugung. Die spezifischen Energieverbräuche und -kosten schwanken in den einzelnen Betrieben und hängen neben der Größe der Braustätte und den erzeugten Biersorten insbesondere von der energetischen Struktur und der eingesetzten Technik ab. Wäh-rend der benötigte Strom in der Regel bei einem Energieversor-gungsunternehmen eingekauft wird, kommen für die Versor-gung mit Wärme und Dampf überwiegend Erdgas-gefeuerte Dampferzeuger zum Einsatz.

Der durchschnittliche Anteil der Energiekosten an den Pro-duktionskosten beträgt ca. 5 - 10 %, typische Verbräuche sind 20 - 30 kWh Wärme und 10 - 15 kWh Strom pro hl Verkaufsbier. Die Gesamtenergiekosten einer Brauerei mittlerer Größe liegen bei rund 5 Euro/hl, bei kleinen Brauereien betragen sie leicht das Doppelte.

Energieversorgungsstrukturen in Brauereien: Wo steckt das KWK-potenzial?

Für die Würzekochung wird Dampf mit Temperaturen von 110 - 160 °C eingesetzt. Hier besteht der größte Wärmebedarf im Brauprozess. Daneben gibt es in jeder Brauerei eine Reihe von Wärmeverbrauchern, die Prozesstemperaturen unter 95 °C benötigen.

HocH- und niEdErTEmpErATur (HT und nT)Niedertemperaturwärmesenken (NT):Wärmeträger = WasserTemperaturen < 95 °C

Hochtemperaturwärmesenken (HT):Wärmeträger = Heißwasser, Dampf, ThermoölTemperaturen 95 °C bis max. ca. 490 °C

Diese Verbraucher befinden sich meist in der Flaschenabfüllung (insbesondere die Flaschenreinigungsmaschine). In bestehen-den Anlagen werden diese Verbraucher häufig mit Heißwasser oder Dampf versorgt. Hier existiert für Brauereien ein wesent-liches NT- und damit KWK-Potenzial.

TEilproZEssE in BrAuErEiEn miT nT-poTEnZiAl: Flaschenreinigungsmaschine Kurzzeiterhitzer (Nacherhitzung nach interner Wärmerückgewinnung) Tunnel-Pasteur Brauwassernachheizung nach Brauwasserwärme- rückgewinnung Nachspeisung von CIP-Anlagen (CIP=Cleaning in Process) Allgemeines Warmwasser für Reinigungszwecke Gebäudeheizung

Welche KWK-Technologien eignen sich für Brauereien?

Grundsätzlich eignen sich alle verfügbaren KWK-Technologien für Brauereien:

Motor-Blockheizkraftwerk (BHKW), Gasturbine, Dampfturbine, Dampfmotor

Auch eine Kombination der Technologien ist möglich, z. B. eine Gasturbine für die HT-Versorgung und ein parallel betriebenes BHKW für die NT-Versorgung. Die Brennstoffzelle befindet sich derzeit in der Marktvorbereitungsphase, erste Projekte in der Industrie, unter anderem in einer Brauerei, wurden bereits um-gesetzt. Einzelne Brauereien speisen schon jetzt überschüssige Abwärme in ein Nah- oder Fernwärmenetz ein und versorgen damit andere Gebäude. Welche Technologie sich jeweils am

Aufteilung des Wärmebedarfs in einer modellbrauerei mit 1 mio hl Verkaufsbier und einem Anteil von 70 % mehrwegflaschen (lt. statisti-scher Erhebung der „The Brewers of Europe“, 2002)

Würzekochung 23 %

Maischen 12 %

Kegabfüllung7 %

Flaschenabfüllung30 %

Gärung10 %

Filtration3 %

Sonstige15 %

kW Wärme4.000

2.500

2.000

3.500

3.000

1.500

1.000

500

0:00 6:00 12:00 18:00 24:00

Typischer Tages-Wärmelastgang einer mit dampf versorgten mittel-ständischen Brauerei (500.000 - 600.000 hl/a).

sudhaus (dampf, Hochtemperatur)flaschenabfüllung (Warmwasser, niedertemperatur)

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besten eignet, hängt sowohl von Art und Höhe der Wärme-grundlast als auch vom Temperaturprofil ab. KWK-Anlagen in Brauereien werden üblicherweise in der Wärmegrundlast betrieben. Der Vorteil ist eine Maximierung der jährlichen Be-triebsdauer mit gleichmäßigem und wartungsarmem Betrieb bei hoher KWK-Stromerzeugung und Effizienz. Mit diesem Ansatz können für Brauereien akzeptable Amortisationszeiten erreicht werden. Die energetische Qualität einer KWK-Anlage steigt dabei mit der Höhe des Stromerzeugungsanteils (elekt-rischer Wirkungsgrad).

moTor-BHKWMotor-BHKW bieten sich bei einem ausgeprägten NT-Grund-lastprofil an. Verbrennungsmotoren sind in den für die meisten Brauereien relevanten Leistungsklassen bis 4 MWel verfüg-bar und zeichnen sich durch hohe elektrische Wirkungsgrade (ca. 38 - 43 %) aus. Für den größten Teil der in Deutschland ansässigen Brauereien ist der Einsatz eines Motor-BHKW die passendste Option. Auch für kleine Brauereien besteht ein wirtschaftliches Potenzial für Klein-BHKW, wenn wärmeseitig weitere Energieverbraucher, beispielsweise Gastronomie und Hotelbetrieb, angeschlossen sind.

GAs- odEr dAmpfTurBinELiegt ein ausgeprägtes HT-Grundlastprofil vor, eignen sich be-sonders Gasturbinen oder Gegendruck-Dampfturbinen. Auf den Ausbau eines NT-Wärmesystems kann dann verzichtet werden. Allerdings geht dieser Schritt zu Lasten des elektri-schen Wirkungsgrades (Dampfturbinen 11 - 16 %, Gasturbinen ca. 28 - 38 %). Sattdampfanlagen, wie sie in vielen Brauereien vorkommen, können häufig ohne hohe Investitionen um eine Dampfturbine zur Stromerzeugung ergänzt werden. Der Einsatz von kombinierten Gas- und Dampfturbinen (GuD-Anlagen) ist in der Regel nur für sehr große Braustätten interessant.

Einbindungsmöglichkeiten von BHKW

Es gibt zwei grundlegende Alternativen zur Wärmeauskopp-lung, die zu unterschiedlichen installierten KWK-Stromerzeu-gungsleistungen führen. Eine einstufige Wärmeauskopplung bezeichnet die Auskopplung beider Abwärmequellen Motor-Kühlwasser (95 °C = NT) und Abgasenergie (530 °C = HT) über einen gemeinsamen Heizwasserkreislauf. Die KWK-Anlage er-zeugt dabei nur NT-Wärme, die Dampferzeugung erfolgt über einen separaten Dampfkessel.

BHKW mit einstufiger Wärmeauskopplung in einer Brauerei

Motor-Kühlwasser-energie 443 kW

gasKläE dgasr

rBiogas

i1000 kWelektr scheLeistung

Dampf 6 bar für Sudhaus

hydraulischerSpeicher

BHKW MIT „ZWEISTUFIGER“ WÄRMEAUSKOPPLUNG IN EINER BRAUEREI

G

Dampf aus BHKW - Abgas 600 kW

Notkühler

Heizung Kurzzeit-erhitzer

Tunnelpasteur

CIP Flaschen-reinigung

Nacherhitzer Dampf

hydraulischerSpeicher

Brauwasser-speicher

Brauwasser

Brau-wasser nach Wärme-rückge-winnung

AbgasAbgas

BHKW-Motor

BHKW mit zweistufiger Wärmeauskopplung in einer Brauerei

3

Notkühler

Abgas-energie240 kW

Motor-Kühlwasser-energie 203 kW

Heizung Kurzzeit-erhitzer

Tunnelpasteur

CIP Flaschen-reinigung

Nacherhitzer Dampf

ErdgasKlärgasBiogas

400 kWelektrischeLeistung

Dampf 6 bar für Sudha

Abgas

Abgas

us

hydraulischerSpeicher

Brauwasser-speicher

Brauwasser

Brau-wasser nach Wärme-rückge-winnung

BHKW MIT „EINSTUFIGER“ WÄRMEAUSKOPPLUNG IN EINER BRAUEREI

G BHKW-Motor

Notkühler

Abgas-energie240 kW

Motor-Kühlwasser-energie 203 kW

Heizung Kurzzeit-erhitzer

Tunnelpasteur

CIP Flaschen-reinigung

Nacherhitzer Dampf

ErdgasKlärgasBiogas

400 kWelektrischeLeistung

Dampf 6 bar für Sudha

Abgas

Abgas

us

hydraulischerSpeicher

Brauwasser-speicher

Brauwasser

Brau-wasser nach Wärme-rückge-winnung

BHKW MIT „EINSTUFIGER“ WÄRMEAUSKOPPLUNG IN EINER BRAUEREI

G BHKW-Motor

Eine zweistufige Wärmeauskopplung bezeichnet die getrennte Auskopplung beider Abwärmequellen. Wenn parallel zum NT-Bedarf ein ausreichend hoher HT-Bedarf (z. B. Dampf) existiert, ist die Installation einer zweistufigen Wärmeauskopplung zu empfehlen. Mit dieser Maßnahme kann die installierte elektri-sche KWK-Leistung bei gleichem NT-Wärmebedarf gegenüber der einstufigen Wärmeauskopplung mehr als verdoppelt wer-den. Die Effizienz der Gesamtanlage steigt deutlich an.

Tages-Lastgang der Niedertemperatur-Wärmeerzeugung einer Brauerei für die Flaschenabfüllung ohne und mit Wärmespeicher

kW Wärme2.000

1.500

1.000

500

0:00 6:00 12:00 18:00 24:00

Wärmebedarf einer flaschenabfüllung und lastgang der Wärmebe-darfsdeckung mit BHKW und Wärmespeicher

Wärmebedarfsdeckung mit Wärmespeicher = Wärmeerzeugung bei Kombination von BHKW und Wärmespeicher Wärmebedarfsverlauf = Erzeugung mit Kessel und ohne Wärmespeicher

schritt für schritt zur optimierung - „KWK als Grundlastbaustein“ einer effizienten Energieversorgung

Vor der Planung eines KWK-Projektes sollten sinnvolle Wärme-Effizienzmaßnahmen in den Produktionsprozessen oder Ne-beneinrichtungen der Brauerei festgestellt werden.

BAusTEin 1: ErfAssunG dEr EnErGiEdATEnGrundlegende Informationen der Energieverbräuche, insbe-sondere bezüglich der Wärmegrundlast, ermöglichen eine op-timale Auslegung und eine solide Abschätzung der Wirtschaft-lichkeit einer KWK-Anlage.

Häufig fehlt es Brauereien an erforderlichen Energieda-ten, um den Einsatz einer KWK-Anlage zu bewerten. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Höhe der Wärmegrundlast abzuschätzen:

Analyse der Wärmelastgänge bestehender Dampf- oder Wärmemengenmessungen mittels Datenlogger oder Schreiberaufzeichnungen, Anforderung der stündlichen Verbrauchswerte eines Jahres vom Erdgasversorger, Installation von Dampf- oder Wärmemengenmessern und Ablage der Messdaten auf Datenloggern oder in einem Energiedatenmanagementsystem

Die systematische Erfassung und Bewertung wesentlicher Energiedaten sind für Brauereien grundsätzlich zu empfehlen, da dieses Werkzeug betriebliche Energiekosteneinsparungen für alle Energien und Medien transparent macht.

BAusTEin 2: ErHöHunG dEs nT-AnTEilsJe niedriger das benötigte Temperaturniveau der bereit gestell-ten Wärme ist, umso höhere elektrische Wirkungsgrade lassen sich durch eine KWK-Anlage erreichen.

Wesentliche Voraussetzung für eine effiziente Energieversor-gung ist eine möglichst weitgehende Absenkung der gefahre-nen Temperaturen und eine Minimierung des Dampfeinsatzes. So können die Verbraucher im Flaschenkeller und in der Ab-füllung durch zusätzliche Installation von Heizwasserwärme-tauschern mit NT-Wärme von ca. 90 - 95 °C versorgt und die NT-Quote am Gesamtwärmebedarf deutlich erhöht werden. Der vorhandene Dampferhitzer bleibt dem System erhalten und dient somit als Reserve- oder Spitzenlastnachheizer.

Die dabei erforderlichen zusätzlichen Wärmetauscher können in der Regel in den vorhandenen Heizwasser-Zwischenkreislauf integriert werden, so dass eine Reinigung durch die CIP-Anlage

entfallen kann. In diesem Fall können preisgünstige gelötete Plattenwärmetauscher zum Einsatz kommen.

BAusTEin 3: nuTZunG dEr ABWärmE KWK-Anlagen sind eine ideale Ergänzung zu vorhandenen oder geplanten Wärmerückgewinnungssystemen in Brauereien.

In Brauereien fällt prozessbedingt eine bedeutende Menge Abwärme an. Häufig lassen sich mit prozessübergreifenden Wärmerückgewinnungssystemen freie Effizienzpotenziale zur Nutzung der Prozessabwärme im Temperaturbereich von 60 - 95 °C (NT-Wärme) erschließen. Ein zentrales Element der Brauwasser-Wärmerückgewinnung ist ein großer Speicher, meist der „Brauwassertank“. Er speichert das mittels Wärme-rückgewinnung vorgewärmte Brauwasser. Der verbleiben-de NT-Wärmebedarf kann ideal mit der Abwärme aus einem KWK-Prozess gespeist werden.

BAusTEin 4: VErGlEicHmässiGunG dEs VErBrAucHs Im Bereich der Wärme-Grundlastversorgung entwickeln KWK-Anlagen in Brauereien den größten ökonomischen Effekt.

Um die produktionsbedingten Wärmeabnahmeschwankungen von der KWK-Wärmeerzeugung zu entkoppeln und gleichzeitig eine optimale KWK-Wärmenutzung zu ermöglichen, werden KWK-Anlagen in Brauereien meist mit einem Wärmespeicher ausgerüstet. Der vorhandene oder für die zu errichtende Wär-merückgewinnung geplante Brauwassertank arbeitet dabei wie ein zusätzlicher Wärmespeicher, welcher die NT-Grundlast erhöht. Er kann sowohl von der KWK-Anlage als auch von der zentralen Wärmerückgewinnungsanlage genutzt werden.

Neben den technischen Maßnahmen ist im Rahmen der Arbeits-organisation zu prüfen, ob durch organisatorische Maßnahmen eine Glättung des Wärmebedarfsprofils erreicht werden kann.

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Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung verstärkt Energieeffizienz

Koppelt man eine KWK-Anlage mit einer Absorptionskälte-maschine, erhöht sich nicht nur die Betriebsdauer des BHKW, sondern auch die erzielbare Energieeinsparung.

In Brauereien spielt die Kälteerzeugung klassisch eine gro-ße Rolle, üblicherweise mit Verdichterkälteanlagen, die hohe Stromverbräuche und -kosten verursachen. Die effizientere Al-ternative sind Absorptionskälteanlagen, die die Abwärme einer KWK-Anlage zum Antrieb nutzen. Da Absorptionskälteanla-gen sinnvollerweise zur Grundlast-Kälteversorgung eingesetzt werden, wird durch ihren Betrieb der für die KWK wichtige Wärmegrundlastbereich vergrößert. Das erhöht die Jahres- betriebsstunden der KWK-Anlage und verbessert die Wirt-schaftlichkeit.

Wirtschaftlichkeit von KWK-Anlagen in Brauereien

Die Installation einer hocheffizienten KWK-Anlage bedeutet zwar eine zusätzliche Investition. Dafür senkt der Betrieb ei-ner solchen Anlage die jährlichen Energiekosten erheblich und führt darüber hinaus zu einer Reihe von anderen wirtschaft-lichen Vorteilen.

Der Einsatz von KWK-Anlagen wird gefördert:

• durcheineErstattungderEnergiesteuernaufden Brennstoff und

• miteinemBonusproKilowattstundeKWK-Strom

Den größten Nutzen haben Brauereien, wenn sie mit dem selbst erzeugten Strom den Eigenbedarf decken. Ein weiterer Vorteil entsteht durch die Vergleichmäßigung des Erdgasbe-zuges. Die Amortisationszeiten von realisierten KWK-Anlagen

liegen in der Regel zwischen 2 und 5 Jahren. Für Unternehmen, die für die Optimierung ihrer Energieversorgung keine eigenen finanziellen Mittel aufbringen können oder wollen, besteht die Möglichkeit einer Drittfinanzierung: Bei einem sogenannten Energie-Contracting übernimmt ein Dienstleister Planung, Erstellung, Finanzierung und Betrieb ganzheitlicher Energie-versorgungslösungen, wobei auch weitere Maßnahmen zur Energieeinsparung einbezogen werden können.

Zukunftsfähigkeit von KWK in Brauereien

KWK-Anlagen bringen einen enormen Effizienzgewinn für Brauereien. In Kombination mit Erweiterungen oder Neupla-nungen von zentralen Wärmerückgewinnungssystemen erge-ben sich darüber hinaus sinnvolle Synergien. Mit dem Einsatz von KWK-Anlagen nutzen Brauereien nicht nur die bereits heute positiven technisch-wirtschaftlichen Rahmenbedingun-gen, sondern erschließen sich neue Optionen für die Zukunft.

Beispielsweise können KWK-Anlagen, die mit Erdgas betrieben werden, zukünftig auch biogene Gase, z. B. aus einer anaero-ben Abwasserbehandlungsanlage oder aus einer Treber-Vergä-rungsanlage, als Brennstoff einsetzen. Wird die KWK-Anlage auf regenerative Brennstoffe umgestellt, gelten die attraktiven Ver-gütungskonditionen des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG). Andere aktuelle Entwicklungen, wie die eines Zeolithe-Speichers, werden die Einsatzfähigkeit von KWK in Brauereien weiter ver-bessern und zeigen, dass der Einsatz eines KWK-Systems an ei-nem Brauereistandort bereits heute eine kluge Maßnahme ist, mit der die richtigen Weichen für die Zukunft gestellt werden. Die zu erwartenden weiter steigenden Energiepreise machen Energieeffizienz zukünftig immer wertvoller und erhöhen somit die Notwendigkeit und den Nutzen von KWK in Brauereien.

Beispiel: Anbindung eines KurzzeiterhitzersIn einem Kurzzeiterhitzer wird das Bier auf Temperaturen von ca. 74 - 85 °C erwärmt und anschließend wieder abgekühlt. Auch bei Systemen mit einer effizienten Wärme-rückgewinnung ist dabei die Zufuhr zusätzlicher Heizenergie erforderlich, in der Regel mittels Dampf oder Heißwasser. Üblicherweise wird die Wärme in einen Zwischen-kreislauf übertragen, der eine Temperatur von nur 80 - 90 °C hat. Dieser Heizkreislauf überträgt die Wärme über einen weiteren Wärmetauscher auf das Produkt. Der neue

KWK-Wärmetauscher kommt nicht mit dem Produkt in Kontakt. Somit müssen pro-duktführende Anlagenteile nicht verändert werden. Folglich muss der neue Wär-metauscher nicht von der CIP-Anlage gereinigt werden können. Deshalb kann in diesem Fall ein preisgünstiger, gelöteter Plattenwärmetauscher zum Einsatz kom-men. Die Prozessverfügbarkeit steigt, da der vorhandene Dampferhitzer dem System erhalten bleibt und als Reserve- oder Spitzenlastnachheizer fungiert.

Kurzzeiterhitzer mit optionaler KWK-Heizkreiseinbindung

HeizwasserDampfHeizkreisProduktEiswasser

BierAustritt

BierEintritt

Kühler

optional KWK

Heizkreis

bestehender

Dampftauscher

WärmerückgewinnungErhitzer

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Beispiele für den Einsatz von KWK in Brauereien

HAssErödEr BrAuErEi GmBH, WErniGErodE

BrAuErEi BEcK GmBH & co KG, BrEmEn

WArsTEinEr BrAuErEi HAus crAmEr KG, WArsTEin

Das Unternehmen betreibt seit 1998 eine Gasturbine mit Abhitzekessel und Zusatzfeuerung. Zusätzlich wird biogenes Gas aus einer anaeroben Abwasservor-behandlungsanlage in einem BHKW verstromt, die anfallende Wärmeenergie wird im Unternehmen genutzt. Ca. 50 % des benötigten Stroms kann damit im Unternehmen selbst erzeugt werden.

Gasturbine• elektrische Leistung: 1.200 kW• Elektrischer Wirkungsgrad: 26 %• Brennstoff: ErdgasBHKW• elektrische Leistung: 2 x 450 kW• Elektrischer Wirkungsgrad: 36 %• Brennstoff: Biogas

Die Brauerei betreibt seit 1996 eine Ge-gendruckdampfturbine mit einer elektri-schen Leistung von 4.065 kW. Der Dampf wird zur Versorgung der verschiedenen HT- und NT-Prozesse sowie zum Antrieb einer Absorptionskälteanlage zur Klimati-sierung verwendet.

Gegendruckdampfturbine• Elektrische Leistung: 4.065 kW• Thermische Leistung: 21.750 kW• Elektrischer Wirkungsgrad: 21 %• Thermischer Wirkungsgrad: 52 %• Brennstoff: Erdgas

Die Brauerei betreibt seit 2009 zwei BHKW mit einer elektrischen Leistung von je 1.000 kW. Die Wärme dient der Versorgung der NT-Prozesse wie dem Flaschenkeller.

BHKW mit zwei Modulen• Elektrische Leistung: 2 x 1.157 kW• Thermische Leistung: 2 x 1.159 kW• Elektrischer Wirkungsgrad: 41 %• Thermischer Wirkungsgrad: 43 %• Brennstoff: Erdgas

B.KWK Bundesverband Kraft-Wärme-Kopplung e.V.Markgrafenstraße 56, 10117 BerlinTel. +49 (0) 30 / 270 192 81-0Fax +49 (0) 30 / 270 192 81-99info@bkwk.dewww.bkwk.de

gedruckt auf FSC-zertifiziertem Papier

Fachliche Unterstützung:enable energy solutions GmbHDeutscher Brauer-Bund e.V.Wissenschaftszentrum Weihenstephan der TU München Projektgruppe Industrie des B.KWK

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