Eine Publikation der Swissprofessionalmedia AG
Ausgabe 10/2013, 08.10.2013

Nachhaltiges Energiemanagement in der Lebensmittelindustrie

Für die Fachstelle Nachhaltigkeit und Energie an der ZHAW in Wädenswil sind Lebensmittel als «Mittel zum Leben» unverzichtbar. Der dafür notwendige Energieaufwand sollte aber möglichst nahe beim physikalischen Minimum liegen, das sich berechnen lässt. Dieses Energieminimum bezeichnet die Fachstelle als Benchmark. Ein daran orientiertes Energiemanagement lässt sich als nachhaltig bezeichnen.

Dr. Jürg Buchli
Zürcher Hochschule für angewandte Wissenschaften, Institut für Lebensmittel- und Getränkeinnovation; Leiter Fachstelle Nachhaltigkeit und Energie

Zur Produktion von Lebensmitteln ist Energie notwendig. Doch der Energieaufwand sollte möglichst nahe beim physikalisch notwendigen Minimum liegen, das sich theoretisch berechnen lässt. Zum Beispiel muss für die Herstellung eines Brotes der Teig aufgeheizt, Wasser verdampft, die Stärke verkleistert und die Kruste geröstet werden. Die dafür errechnete Mindestenergie kann mit dem tatsächlichen Energieaufwand des Prozesses verglichen werden. Bei grossen Abweichungen liegt ein entsprechendes Optimierungspotenzial vor. Die Energie, die mindestens benötigt wird, bezeichnet die Fachstelle Nachhaltigkeit und Energie der ZHAW als «Benchmark». Die Fachstelle berechnet laufend Benchmarks für die verschiedensten Verfahren und Produkte. Auch nachhaltiges Energiemanagement bedeutet systematische, laufende Überprüfung aller Aktivitäten rund um Energie. Energiemanagementsysteme können seit 2012 normiert aufgebaut und zertifiziert werden. Dabei sind Verbrauchsoptimierungen ein fester Bestandteil eines Energiemanagementsystems.

Energie-Benchmark. Der Bedarf an objektiven Energievergleichen ist gross. Viele Betriebe kennen ihre Energieverbräuche im Detail nicht, aber die Energiekosten scheinen hoch. Die Geschäftsleitung gibt über das implementierte Energiemanagement hohe Einsparvorgaben vor und die Verantwortlichen stehen vor der Frage, bei welchen Prozessen ökologisch und ökonomisch noch Investitionen in Energiesparmassnahmen vernünftig sind. Oft versuchen Unternehmen, Vergleiche mit gleichen oder ähnlichen Herstellverfahren beizuziehen. Dies scheitert aber am Hauptproblem, dass keine genauen Daten im gewünschten Detaillierungsgrad vorhanden sind, oft weder im eigenen noch im Vergleichsbetrieb.

Mit der Methode des Energie-Benchmarks wird der Fokus zur Beurteilung des Energieverbrauchs auf das Produkt und nicht auf den Prozess gelegt. Endprodukteigenschaften wie Zusammensetzung, Haltbarkeit, Denaturierungsgrad, Sensorik und weitere Qualitätsparameter dienen als Vorgabe. Daraus errechnet der Spezialist die thermodynamisch erforderliche Mindestenergie. Diese theoretische Zahl stellt das absolute Energieverbrauchsminimum dar und kann nicht für Kalkulationen von reellen Produkten herangezogen werden, da die wirklichen Energieverbräuche in der Praxis erheblich höher sein können.

Berechnung und Bewertung von Energie-Benchmarks. Grundsätzlich werden Energie-Benchmarks auf der Basis des Produktes berechnet. Oft müssen aber mögliche Verfahrensvarianten einbezogen werden. Als gutes Beispiel seien Eindampfer genannt, die sowohl mehrstufig als auch mit mechanischer Brüdenverdichtung betrieben werden können. Als Benchmark wird in einem solchen Fall das Verfahren mit dem geringsten spezifischen Energieverbrauch gewählt. Tabelle 1 zeigt beispielhaft die Methode der Berechnung und die zu verwendenden physikalischen Formeln. Die Resultate werden auf kg Produkt bezogen. Um Werte mechanischer und thermischer Verfahren gerecht vergleichen zu können, multiplizieren die Wissenschaftler die mechanischen Energieverbräuche (Elektrizität) analog zum energetischen Wert (Wirkungsgrad guter thermischer Kraftwerke) mit Faktor 2. In Tabelle 2 sind die hauptsächlichen Verfahren der Lebensmittelverfahrenstechnik und die rechnerisch notwendige Mindestenergie als Benchmark für die reellen Prozesse dargestellt. Eindampf- und Trocknungsprozesse sind energieintensiv, was mit der hohen Verdampfungsenergie von Wasser erklärbar ist.

Konzentrieren und Trocknen. Für die Eindampfung von Milch von 12 auf 48 Prozent Trockensubstanz (TS) müssen 70 Prozent des Wassers verdampfen. Dabei werden 1734 kJ/kg aufgewendet. Für die anschliessende Trocknung von nur mehr 30 Prozent des Wassers sind noch 1164 bis 1441 kJ/kg Produkt notwendig. Allerdings kann die Eindampfung mehrstufig erfolgen und verbraucht dann theoretisch mit 6 Stufen 289 kJ/kg oder mit mechanischer Brüdenverdichtung nur 44 kJ/kg. Die Trocknung auf einem Walzentrockner benötigt 1164 kJ/kg, auf einem Sprühtrockner 1441 kJ/kg. In der Praxis sind für Walzentrockner 10 bis 20 Prozent, für Sprühtrockner bis 100 Prozent höhere Werte zu erwarten. Aus diesem Grund ist es wichtig, möglichst viel Wasser durch Eindampfen zu entfernen und erst das Konzentrat zu trocknen. Die praktische Grenze liegt bei der Pumpbarkeit des fertigen Konzentrates.

Pasteurisieren. Die Pasteurisation eines flüssigen Produktes erfordert thermodynamisch 287 kJ/kg, allerdings ist mit Wärmerückgewinnung viel Energie direkt im Prozess wieder zurückzugewinnen, was den Energieverbrauch auf 58 kJ/kg reduziert. Mechanische Pasteurisation mit HPP (High Pressure Pasteurisation) ist mit 380 kJ/kg im Vergleich dazu energieaufwendig.

Extrudieren. Für die Extrusion berechnet sich die mechanische Energie (P = pxV) unter der Annahme eines maximalen lokalen Druckes von 200 bar mit 92 kJ/kg und über die Erhitzung unter Annahme einer maximalen Temperatur von 170 °C mit 300 kJ/kg. Der Unterschied zwischen mechanischer und thermischer Energie von 208 kJ/kg bedeutet, dass zwei Drittel der mechanischen Energie für Reibungsverluste in den Schnecken und an der Manteloberfläche aufgebracht werden müssen.

Transportieren. Transportprozesse von Flüssigkeiten und Schüttgütern mit Pumpen oder Schneckenförderung sind aus Benachmark-Sicht kleine Energieverbraucher. Allerdings können Transportprozesse insbesondere von Pulvern in der Praxis aus Angst vor Unterbrüchen (Verstopfungen) extrem ineffizient betrieben werden und bieten ein grosses Einsparpotenzial. Andererseits ist die Optimierung auf Kosten der Zuverlässigkeit der Anlage sinnlos, da Unterbruchs-, Reparatur- und Qualitätskosten die Energieeinsparungen schnell übersteigen.

Reale Prozesse. Reale Systeme sind verlustbehaftet. Diese Verluste werden erst aus effektiven Energiemessungen ersichtlich. Die Grösse der Abweichung zum Energie-Benchmark muss beurteilt werden und kann Hinweise für die Optimierung des Verfahrens geben. Ein grosser Vorteil des Denkens in Energie-Benchmarks ist die Möglichkeit der Priorisierung der Projekte auf Basis der Benchmarks oder auf Basis der möglichen Einsparungen (Effizienzsteigerung) des Verfahrens.
Die Benchmark-Betrachtungen zeigen, dass Verfahren, die Wasser verdampfen, in erster Linie im Radar des Energieverantwortlichen liegen müssen. Dabei darf er auch thermische Prozesse mit hohen Abwassertemperaturen und Hilfsprozesse, wie zum Beispiel Reinigung und die Drucklufterzeugung, nicht vergessen.

Energiemessung. Energiemessungen an Verfahren sind notwendig, um den spezifischen Verbrauch des Herstellverfahrens zu ermitteln und ihn mit dem errechneten Benchmark vergleichen zu können. Energiemessungen sind nicht einfach durchzuführen und müssen gut geplant sein. Anfangs ist das Bilanzgebiet der Energiemessung festzulegen. Effektiv gemessen wird die Leistung, meist als Input in einen Prozess. Die Technik der Leistungsmessung ist abhängig von den verwendeten Energieträgern. Die verbrauchte Energie ergibt sich aus der Integration der Leistung über die Messzeit. Die genauen Prozessbedingungen für die Herstellung des Produktes sowie die Produktionsmengen sind simultan aufzunehmen. Daraus lässt sich die spezifische Energie in kJ/kg Produkt ermitteln. Auch bei Prozessen mit hohem thermischem Energieverbrauch dürfen die elektrischen Verbraucher, oft als vernachlässigbar betrachtet, nicht ausser Acht gelassen werden. Ventilatoren im Dauerbetrieb zum Beispiel können beträchtliche Energiekonsumenten sein.

» Lesen Sie mehr darüber in der aktuellen Ausgabe LT 10/13.



Schrittweise Energieoptimierung bei Prozessen