VERFAHRENSTECHNIK

Produktion im Zeichen des Klimawandels

Mit Abwärmenutzung CO2-Ausstoss halbieren

In Produktionsumgebungen mit einem heissen Dampfnetz kann die Abwärme aus Kälteanlagen oft nicht genutzt werden, und sie wird ungenutzt über das Dach abgeführt. Abhilfe verspricht eine Wärmepumpe und ein paralleles Niedertemperaturnetz, das die Wärmebezüger mit geringeren Temperaturanforderungen versorgt. Ein erster Schritt auf dem Weg zur klimaneutralen Produktion.

Thomas Lang 1

Die Herstellung von Arzneistoffen, biotechnologisch hergestellten Proteinen und hochwirksamen Biopharmazeutika erfordert hohe Wärme- und Kälteleistungen mit exakten Temperaturvorgaben. In hochspezialisierten Behältern, sogenannten Bioreaktoren oder Fermentern, werden die Stoffe sehr schnell erhitzt und ebenso rasch wieder abgekühlt, bis daraus die eigentlichen Produkte gewonnen werden. Die Chemie- und Pharma-Spezialistin Cerbios-Pharma SA produziert in Lugano seit 1976 solche Wirkstoffe. Für die Produktionsanlage betreibt das Unternehmen einen Dampfkessel mit 2100 kW Leistung. Der 175 °C heisse Wasserdampf wird mit einer Fernleitung in die sechs Produktionsgebäude auf dem Firmenareal transportiert. Der Sattdampf wird in Bioreaktoren genutzt, die für die Erwärmung der Prozesse eine Temperatur von mindestens 145 °C benötigen. Zudem beziehen auch

1 EnergieSchweiz Einblick in die Produktion der Cerbios Pharma SA.

Heizung und Lüftung die Wärme aus dem Dampfnetz, wobei die dezentralen Lüftungsgeräte für die Raumkonditionierung mit 60 °C warmem Wasser auskommen, welches in Dampfumformern erhitzt wird. Gleichzeitig stellen zwei Ammoniak-Kälteanlagen für die Kühlprozesse in den Bioreaktoren Kühlwasser in Form eines «Eisbreis» her, das über ein Kälte-Leitungsnetz zu den Produktionsstandorten gepumpt wird. Die Abwärme der Kälteanlagen kann im heutigen System nicht genutzt werden und wird über Dach weggekühlt. Denn sie ist mit 25 bis 40 °C zu «kalt», um im heissen Dampf-

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netz Verwendung zu finden. Da das Unternehmen Energie, Ressourcen und Rohstoffe grundsätzlich sparsam einsetzt und sich seit 20 Jahren in der Energieagentur der Wirtschaft (EnAW) engagiert, war dies ein unbefriedigender Zustand, für den sich im Produktionsalltag aber keine einfache Lösung fand.

Pinch-Analyse bringt Licht ins Dunkle

«Unsere Wärmezentrale, die Verteilung von Wärme und Kälte sowie die Endgeräte befinden sich in einem Top-Zustand und funktionieren absolut zuverlässig», sagt

«Die Pinch-Analyse zeigt mit aller Klarheit auf, wo wir Primärenergie einsparen und wie wir den CO2-Ausstoss reduzieren können.»

Massimo Bossi, Leiter Facility Management bei Cerbios-Pharma SA in Barbegno-Lugano

Massimo Bossi, Leiter Facility Management bei Cerbios-Pharma SA. «Das ist unabdingbar, um die hohen Produktionsstandards in der chemisch-pharmazeutischen Branche ohne Wenn und Aber einzuhalten. Als unser EnAW-Moderator Walter Bisang vorschlug, mit der DM Energieberatung AG ein Pinch-Projekt durchzuführen, hatten wir daher zuerst keine grossen Erwartungen.» Und tatsächlich erwies es sich im Zuge der Pinch-Analyse, dass bei den Prozessen in den bestehenden Bioreaktoren keine nennenswerten Einsparungen bei der Energie möglich sind. Doch diese Prozesse benötigen nur 55% der Wärme aus dem Dampfnetz. Der Rest entfällt auf die Raumluftkonditionierung – also Heizung und Lüftung der Produktionsräume –, die mit einer Temperatur von 60 °C auskommen. Und hier ergaben sich plötzlich interessante Einsparpotenziale.

Niedertemperatur-Verteilung halbiert CO2-Ausstoss

Eine Empfehlung aus der Pinch-Analyse ist, mit dem Zubau einer Niedertemperatur-Wärmeverteilung (NT) die bestehende Abwärme nutzbar zu machen. Diese fällt von den beiden Kältemaschinen, den zwei Wirbelbetttrocknern und weiterer Anlagen an. Die 25 bis 40 °C warme Abwärme kann mit einer Wärmepumpe auf 60 °C gehoben werden. Zudem zeigte die PinchAnalyse auf, wie das Rauchgas aus dem Dampfkessel zusätzlich direkt in den Trocknern genutzt werden kann. Mit dem neuen NT-Verteilnetz, der Wärmepumpe und der Abwärmenutzung aus dem Rauchgas kann der Gasverbrauch von heute 5650 MWh praktisch auf 2700 MWh halbiert werden. Und die ungenutzt «entsorgte» Abwärme lässt sich um über 70% verringern. Das begeistert Massimo Bossi: «Endlich sehen wir einen gangbaren Weg, wie wir die wertvolle Wärmeenergie so umfassend wie möglich nutzen können.» Einziger Wermutstropfen bei dieser Lösung ist der Strombedarf, der sich mit der neuen Wärmepumpe um 560 MWh pro Jahr erhöht.

Die Pinch-Analyse auf einen Blick Die Pinch-Analyse ist eine Methode, um Prozesse abzubilden und die Energie- respektive Wärme- und Kälteströme im Betrieb systematisch und transparent darzustellen. So können die Potenziale für Wärmerückgewinnung aufgespürt und die Prozesse energetisch optimiert werden. Angeboten und umgesetzt werden Pinch-Analysen von spezialisierten Beratungsunternehmen, die mit der Pinch-Software (PinCH) der Hochschule Luzern arbeiten. Das Bundesamt für Energie BFE fördert die Grobanalyse und die Pinch-Analysen mit einem Beitrag von 40 bis zu 60% der Kosten. Weitere Informationen zur Pinch-Methode, zu den Pinch-Experten und den Beiträgen finden Sie auf der Website www.energieschweiz.ch/pinch.

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Differential Scanning Calorimetry (DSC) Accelerating Rate Calorimetry (ARC)

Bild: Zweiweg

Vereinfachtes Schema der Wärme- und Kälteerzeugung: Über ein 175 °C heisses Dampfnetz wird die Wärme in die sechs Gebäude transportiert. Dort wird sie sowohl für die Produktion in den Bioreaktoren wie auch für die Raumkonditionierung eingesetzt. Die Abwärme der Kältemaschinen wird über Dach abgeführt. Die Abwärme der Kältemaschinen (und weitere Abwärmequellen, die zur besseren Verständlichkeit nicht aufgeführt sind) wird mit einer Wärmepumpe nutzbar gemacht und über ein neues Niedertemperatur-Verteilnetz zu den Lüftungs- und Heizungsaggregaten transportiert. Über den Rückkühler wird nur noch ein kleiner Rest an Überschusswärme entsorgt.

Bild: Zweiweg

Platzbedarf – die grosse Herausforderung

Niedertemperaturnetz und Abwärmenutzung machen zusätzliche Kälte- und Wärmespeicher nötig, die ein Volumen von 45 m3 respektive 30 m3 aufweisen. Noch nicht gelöst ist die Frage, wo diese Speicher Platz finden. Mit der heutigen räumlichen Situation ist dies nur unterirdisch oder auf dem Dach möglich. Beide Standorte haben ihre Vor- und Nachteile, bedeuten aber so oder so einen gewissen Aufwand. Aus Kostengründen liegt es zudem auf der Hand, die Verteilleitung über das Dach zu führen. Das ist aus baulicher Sicht optimal, optisch hingegen nicht gerade ein «Hingucker».

Stetige Optimierung ergibt Sinn

Für die Zukunft zeichnet es sich ab, dass nebst den Kältemaschinen mit ihrer Abwärme auch der Druckluftkompressor in das NT-Netz eingebunden wird, sobald er ersetzt wird. Das Niedertemperaturnetz macht es zudem möglich, die Lüftungsgeräte energetisch zu optimieren. Aufgrund der hohen Systemtemperaturen des Dampfnetzes war dies bislang nicht notwendig gewesen. Mit den tieferen Temperaturen des neuen Verteilnetzes können die Wärmetauscher der Lüftungsgeräte beim nächsten Anlageersatz vergrössert und anschliessend die Systemtemperaturen gesenkt werden. Dadurch steigt die Effizienz der Wärmepumpe.

Neue Chancen

Bei gleichbleibendem Gesamtenergiebedarf der Firma und dank der Halbierung der benötigten Heizleistung des Dampfheizkessels kann beim nächsten Ersatz des Wärmeerzeugers ein bedeutend kleineres System installiert werden. Aus langfristiger Sicht ist dies eine wichtige Voraussetzung für einen allfälligen Wechsel auf eine erneuerbare Wärmeerzeugung. Denn es ist gut denkbar, dass es in wenigen Jahren technologische Lösungen mit Holz, Hochtemperatur-Wärmepumpen, Wasserstoff oder Biogas gibt, die den hohen Verfügbarkeitsanforderungen von Chemie- und Pharmaunternehmen wie Cerbios-Pharma SA genügen. Die Investitionen, die Cerbios-Pharma SA für die Umsetzung des Konzeptes tätigen muss, sind mit rund 1 600 000 Franken happig. Auf der anderen Seite spart das Unternehmen so jährlich 120 000 Franken an Energiekosten. Hinzu kommen – zumindest in den nächsten Jahren – noch jährlich 40 000 Franken aus dem Verkauf von CO2-Zertifikaten. Die Payback-Zeit von vierzehn respektive zehn Jahren (mit CO2 Zertifikaten) ist für einen Pharma-Betrieb lange. Doch betrifft ein Grossteil der Investitionen die Grundinfrastruktur, welche unabhängig von den einzelnen Produktproduktions-Prozessen ist und darum auf lange Sicht genutzt werden kann. Sicher braucht Massimo Bossi daneben noch das eine oder andere gute Argument, um das Projekt intern zu «verkaufen». Dabei dürfte das Klimaziel 2050 – «Netto-Null Emissionen» – des Bundesrats ein weiteres starkes Argument sein. Denn für Produktionsbetriebe, wie die Cerbios-Pharma SA lohnt es sich schon heute, sich intensiv Gedanken zu machen über die Produktionszukunft mit «Netto-Null-Emissionen».

Systeme «mit Dampf» in Etappen anpassen

Das Beispiel Cerbios-Pharma unterstreicht, dass es auch in Industrieunternehmen mit Dampfnetzen gangbare Wege gibt, mit denen die Wärmeerzeugung in Etappen umgebaut und so die Abwärme weitgehend genutzt werden kann. Dabei liefert die Pinch-Analyse wertvolle Hinweise und «Rezeptvorschläge» für die Umsetzung.

Kontakt Thomas Lang EnergieSchweiz c/o Zweiweg GmbH Weinbergstrasse 68 CH-8006 Zürich +41 44 261 99 31 thomas.lang@zweiweg.ch www.energieschweiz.ch/pinch

Durable et autosuffisant

Meilleur rendement pour des piles

Des chercheurs de l’EPFL sont parvenus à augmenter le rendement et la longévité de piles à combustible en utilisant un système de recirculateur à paliers aérodynamiques et une turbine à vapeur.

Nathalie Jollien 1

Alimentées avec de l’air et un combustible gazeux comme du gaz naturel ou du biogaz, les piles à combustible à oxyde solide, en anglais « Solid Oxide Fuel Cell » (SOFC), ont la particularité de générer à la fois de l’électricité à haut rendement et de la chaleur, sans émission polluante. Installées dans les immeubles et maisons par exemple, elles pourraient ainsi alimenter le réseau électrique, les chauffages et distributeurs d’eau chaude. Pour l’heure, ce type de pile reste encore peu répandu en Europe (contrairement au Japon, par exemple), faute notamment à des coûts de production non adaptés à une commercialisation à grande échelle. Mais le travail de chercheurs de l’EPFL pourrait changer la donne. Des ingénieurs du Laboratoire de conception mécanique appliquée (LAMD), situé

1 EPFL, Lausanne Patrick Wagner et Jürg Schiffmann.

à Microcity à Neuchâtel, sont parvenus à augmenter le rendement électrique de piles à combustible SOFC destinées à un usage domestique – avec une production de 6 kilowatt électrique (kWe). Leur système unique de recirculation des gaz au sein du système permet en outre d’améliorer la durée de vie des piles. Ce travail est issu d’une collaboration entre le LAMD, le groupe de recherche Group of Energy materials (GEM) de l’EPFL Valais Wallis à Sion dirigé par Jan Van Herle, ainsi que le

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Le mécanisme équipé de paliers aérodynamiques développés au Laboratoire de conception mécanique appliquée (LAMD).

partenaire industriel Solidpower SA d’Yverdon-les-Bains. Il fait l’objet d’une publication dans la revue « Applied Energy ».

Recirculation des gaz

Pour atteindre ces résultats, les chercheurs ont utilisé un dispositif unique de recirculateur des gaz de l’anode. En l’état, les piles à combustible SOFC ne convertissent qu’environ 80 à 85 % du combustible gazeux disponible et les gaz n’effectuent qu’un seul passage dans la pile. L’idée était donc de relier la sortie et l’entrée de la pile pour faire circuler les gaz une deuxième fois. Comme ces piles fonctionnent à des températures de plus de 600 °C, «le recirculateur augmente la pression des gaz d’échappement pour qu’ils soient compatibles avec la pression intérieure de la pile», indique Patrick Wagner, premier auteur de l’étude. Grâce à ce système, les chercheurs ont mesuré une nette augmentation de rendement allant jusqu’à 10 %. « Pour une pile à combustible utilisée à échelle domestique – production en charge partielle à 4,5 kWe – nous avons réussi à atteindre un rendement brut de 66 % », se réjouit Jürg Schiffmann, responsable du LAMD. A titre comparatif, les meilleures centrales thermiques du monde atteignent 63 % de rendement électrique, mais sans produire en même temps de la chaleur utile. De plus, ces centrales fonctionnent à une échelle de plusieurs centaines de MWe, distribué ensuite sur le réseau électrique, ce qui implique des pertes de distribution – de l’ordre de 6 % en Suisse. Cette augmentation d’efficacité va de pair avec une augmentation de la durée de vie de la pile, notamment des catalyseurs qui sont plus stables sous un mélange de gaz recirculé. Le principe de la recirculation du gaz n’est en soi pas nouveau. C’est le système conçu par les chercheurs qui est unique : il est équipé de la technologie de paliers aérodynamiques développés par le laboratoire LAMD et fonctionne avec une turbine à vapeur miniaturisée, elle-même entraînée par la chaleur produite par la pile. En utilisant la technologie de paliers aérodynamiques, les chercheurs s’assuraient de ne pas avoir de contamination. « Les piles à combustible, comme à peu près tous les systèmes catalytiques, sont sensibles aux huiles ou autres fluides de lubrification qui viendraient altérer leur fonctionnement, explique Patrick Wagner. Or, les paliers aérodynamiques n’utilisent pas d’huile. Ce sont des pièces mécaniques qui permettent d’avoir la partie tournante du mécanisme en lévitation sur un coussin d’air généré par la rotation de l’arbre - une autre partie du mécanisme. » Hormis pendant le démarrage et l’arrêt, ce système a également l’avantage de ne provoquer aucune forme d’usure puisqu’il fonctionne sans contact. Le choix de la turbine à vapeur a été motivé par le fait que les gaz sortant des piles à combustible SOFC contiennent toujours un résidu de combustible pouvant être explosif, notamment l’hydrogène. « Composé uniquement d’éléments mécaniques, notre recirculateur ne pose donc aucun danger de sécurité, ce qui n’aurait pas été le cas si nous avions utilisé un moteur électrique », poursuit le chercheur. Adaptée à la taille de la pile à usage domestique, cette turbine à vapeur de 34 W ne mesure que 15 millimètres de diamètre. Ce qui en fait une des plus petites turbines à vapeur du monde. Pour travailler sur le développement commercial de ce système, Patrick Wagner a fondé la start-up OTurb. Un brevet a également été déposé. Cette étude a fait partie du projet «Recogen», financé par le Canton de Vaud à travers son programme « 100 millions pour les énergies renouvelables et l’efficacité énergétique ».

Communiqué EPFL www.epfl.ch

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Ein Ventilator braucht viel Zeit und Energie, bis er Obst und Gemüse trocknet. Natürlich sind die industriellen Ventilatoren aber um einiges effizienter als dieser hier.

Lebensmitteltechnologie

Trocknungsverfahren für die Industrie

Nach der sommerlichen Ernte gelangen Früchte als Trockenobst saisongerecht in den Verkauf. Wird Obst oder Gemüse durch Wärme getrocknet, können jedoch Nährstoffe zerstört werden und Aromastoffe verloren gehen. Deshalb ist das nichtthermische Trocknen von Lebensmitteln – also ohne Erwärmen – in der Industrie besonders beliebt. Ein neues, an der Empa entwickeltes Trocknungsverfahren verspricht nun ein energieeffizienteres, schnelleres und erst noch schonenderes Trocknen von Lebensmitteln.

Mara Hausammann 1

Wenn sich die Rotorblätter eines Ventilators drehen, entsteht ein gleichmässiger Wind. Dieses Phänomen kennt man aus dem Alltag, und so nutzen wir den Ventilator an heissen Sommertagen, um uns Abkühlung zu verschaffen. Ein unerwünschter Nebeneffekt ist dabei das unangenehme Gefühl in den Augen, die durch den künstlich erzeugten Wind immer trockener werden. Diesen Effekt macht sich die Lebensmittelindustrie schon seit längerem zunutze: Früchte und Gemüse werden in der Industrie mit Vorliebe ohne Wärmezufuhr getrocknet, denn Wärme vermindert Nähr- und Aromastoffe.

Bekannte Technologie

Das sogenannte nichtthermische konvektive Trocknen von Lebensmitteln mithilfe grosser Ventilatoren hat aber einen Haken: Die Trocknung benötigt viel Zeit und Energie. Daher sucht die Branche bereits seit langem nach einer energieeffizienteren Methode. Eine Technologie setzt dabei auf den sogenannten Ionenwind. Dies funktioniert zwar bereits im kleinen Massstab, scheiterte bislang allerdings beim Hochskalieren auf Industriemassstab. Empa-Forschende haben nun eine energieeffizientere Trocknungsanlage entwickelt, die auf Ionenwind basiert und sich für die Industrieanwendung eignet.

Der elektrohydrodynamische Luftstrom

Ein Ionenwind wird nicht durch die drehenden Rotorblätter eines Ventilators erzeugt. Er entsteht, indem etwa ein Metalldraht mit einer positiven Hochspannungsquelle von typischerweise 10 000 bis 30 000 Volt verbunden wird. Der Draht lädt sich dadurch positiv auf und ionisiert die umliegende Luft. «Normale» Luft besteht aus verschiedenen Gasen wie Sauerstoff, Stickstoff

oder Kohlendioxid. Die Elektronen dieser Moleküle werden von dem positiv geladenen Draht angezogen, während wiederum die viel schwereren Protonen vom Draht abgestossen werden. Diese elektrostatischen Kräfte sorgen letztlich dafür, dass sich Elektronen aus den Gasmolekülen «abspalten», die verbleibendenden Moleküle sind nun positiv geladen – oder «ionisiert». Die positiven Ionen kollidieren auf ihrem Weg vom Draht weg hin zum darunterliegenden geerdeten Kollektor mit anderen Luftmolekülen und stossen diese an. Durch diesen Impuls beziehungsweise die dadurch ausgelöste Teilchenbewegung entsteht dann der Ionenwind, der auch als elektrohydrodynamischer Luftstrom bezeichnet wird.

Verblüffend einfache Lösung

Diesen Ionenwind versuchten Forschende mit verschiedenen Ansätzen für die industrielle Trocknung von Lebensmitteln zu nutzen – bisher aber ohne bemerkenswerten Erfolg, da eine Hochskalierung nicht möglich war. Thijs Defraeye aus der Abteilung «Biomimetic Membranes and Textiles» und sein Team verfolgten die Idee weiter und variierten diverse Prozessparameter. Als erstes legten die Wissenschaftler die zu trocknenden Lebensmittel nicht wie bisher auf eine Platte, sondern verwendeten ein Gitter. «Das ist jetzt keine ‹Rocket Science›, aber bis jetzt hat noch niemand diese Anpassung bei der Trock-

Durch die Kollision zwischen ionisierten und neutralen Luftmolekülen entsteht ein sogenannter Ionenwind. Dieser trocknet dann die Früchte auf dem Gitter. Werden die Früchte auf ein Gitter gelegt, werden sie durch den Ionenwind schneller und gleichmässiger getrocknet.

nungmittels Ionenwind in Betracht gezogen», meint der Forscher. Was nach einer kleinen Änderung klingt, macht einen riesigen Unterschied: Das Wasser kann nun an allen Seiten des Gemüses und der Früchte entweichen. Dadurch trocknen die Lebensmittel durch den Ionenwind doppelt so schnell wie auf einer undurchlässigen Oberfläche, die bisher von Forschern weltweit verwendet wurde. Vor allem werden die Früchte und das Gemüse aber auf dem Gitter durch den Ionenwind einheitlicher getrocknet. Im Gegensatz zu den bisher verwendeten Ansätzen der elektrohydrodynamischen Trocknung lässt sich die neue Konstruktion zudem besser hochskalieren – und ist daher auch für die Industrie äusserst interessant. Doch lassen sich die Ergebnisse der Computerberechnungen auch in die Praxis umsetzen? Lässt sich das Verfahren so tatsächlich optimieren? In Zusammenarbeit mit Forschenden der kanadischen Dalhousie University wurde dort im Labor ein erster Prototyp der neuen Trocknungsanlage gebaut. Erste Versuche zeigten in der Tat erhebliche Verbesserungen: Das Trocknen mittels Ionenwind ist deutlich schneller und verbraucht weniger als die Hälfte der benötigten Energie im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren. Ausserdem werden die Lebensmittel gleichmässiger getrocknet, und die Nährstoffe bleiben besser erhalten. Und zu guter Letzt kann das Verfahren relativ einfach auf Industriemassstab hochskaliert werden.

Prototyp steht in Kanada

Bei der weiteren Verfeinerung ihres neuen Konzepts setzte das Team auf aufwendige Computersimulationen. Dadurch lassen sich verschiedene weitere Anpassungen und deren Einfluss auf den Trocknungsprozess virtuell durchspielen. So kann die Anlage «in silico» optimiert werden, ohne jedes Mal ein neues Konstrukt physisch erbauen zu müssen. Kontakt Prof. Dr. Thijs Defraeye Biomimetic Membranes and Textiles Empa Lerchenfeldstrasse 5 CH-9014 St. Gallen +41 58 765 4790 thijs.defraeye@empa.ch www.empa.ch