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Effizienzsteigerung in der Pommes-frites-Produktion

Mit der durch das Bundesamt für Energie (BFE) geförderten Pinch-Methode konnten wichtige Weichen zur Reduktion des Energieverbrauchs für den Produktionsprozess gestellt werden.

Auslauf des Vortrockners. (Bild zvg)

Seit dem Jahr 1951 ist die Firma KADI AG für die Herstellung von innovativen Kartoffelprodukten und anderen Tiefkühlspezialitäten bekannt. Mit rund 180 Mitarbeitenden werden in Langenthal eine Vielzahl von Tiefkühlprodukten in hoher Qualität hergestellt. Der regionale Bezug der Rohwaren spielt dabei eine wichtige Rolle. Neben den kulinarischen Weiterentwicklungen und den produktionstechnischen Lösungsfindungen ist das Unternehmen immer wieder aufs Neue gefordert, sich auf veränderte gesetzliche und gesellschaftliche Rahmenbedingungen einzustellen. Im Zusammenhang mit dem geltenden CO2-Gesetz und den kantonalen Auflagen für Grossverbraucher hat sich KADI auf die neuen Herausforderungen eingelassen und sich über eine Zielvereinbarung mit der Energie-Agentur der Wirtschaft (EnAW) auf einen nachhaltigen Weg zur schrittweisen Steigerung der Energieeffizienz begeben. Dadurch ist es der Firma möglich, die Energiekosten zu senken, die finanziell bedeutende CO2-Abgabe auf den fossilen Brennstoffen zurückzufordern und die kantonalen Bestimmungen zu erfüllen.

Pinch-Analyse für neue Produktionsanlagen
Zusammen mit Peter Büeler, dem Leiter Technik, hat der verantwortliche Moderator Pascal Fotsch von der EnAW einen Massnahmenplan über zehn Jahre zur kontinuierlichen Senkung der CO2-Emissionen und zur Erhöhung der Energieeffizienz erarbeitet. Dabei standen unter anderem die verbrauchsrelevanten Frittierlinien und die vor- resp. nachgelagerten Prozesse im Fokus. Durch die Komplexität der Anlagen und die unterschiedlichen Heiz- und Kühlbedürfnisse im Prozess hat sich die Analyse mit der bewährten Pinch-Methode (siehe www.energieschweiz.ch) angeboten. Das BFE hat in den letzten Jahren gemeinsam mit Partnern viel unternommen, um das systematische Vorgehen zur Steigerung der Gesamteffizienz der thermischen Prozesse zu etablieren und stellt dafür wertvolle Fördermittel für Firmen wie die KADI AG zur Verfügung. Aufgrund des Alters der Frittier­linien 1 respektive 2 und der eingeschränkten Flexibilität bezüglich Chargengrösse wurde seitens Unternehmensleitung entschieden, die Erneuerung der Produktionsanlagen in Kombination mit einer vorgelagerten Pinch-Analyse voranzutreiben. Dadurch sollen wertvolle konzeptionelle Rahmenbedingungen und technische Vorgaben für den Beschaffungsprozess generiert werden. Das Team von Lemon Consult AG, welches durch den Pinch-Experten Florian Brunner unterstützt wurde, hat sich bei der Prozessanalyse konsequent auf die Prozesse Vortrocknen und Frittieren konzentriert. Auf einer weiteren Ebene wurden allfällige Restmengen von Abwärme für naheliegende Infrastrukturanlagen wie Heizung, Waschwasser, etc. eingebunden. Die Untersuchung hat gezeigt, dass die beim Frittieren entstehenden Brüden aus wirtschaftlichen Überlegungen vorzugsweise in die thermischen Nachverbrennung (TNV) eingeleitet werden. Dieser energetisch intensive Behandlungsschritt für die geruchsbelastete Prozessabluft ist nötig, um die anfallenden Emissionen wirkungsvoll zu reduzieren. Die Alternative der vollständigen Auskondensation der Brüden mit einem Abwärmepotenzial von rund 490 MWh/a hätte zu grosse Investitionen in den Infrastrukturanlagen ausgelöst und eine kostspielige Aufbereitung des oelhaltigen Abwassers zur Folge gehabt. Basierend auf der Brüdenbehandlung in der TNV-Anlage wurde die weitere Systemoptimierung in drei Varianten evaluiert. Es kristallisierte sich die Rauchgasnutzung aus der TNV für die Vortrocknung und den Frittierprozess in Kombination mit einer Hochtemperatur-Wärmepumpe mit Abwärme aus den Kälteprozessen (Ölkühlung) als beste Lösung heraus (siehe vereinfachtes Prinzipschema).
Weniger Energiekosten, weniger CO2-Ausstoss
Laut Kalkulation können auf Stufe Endenergie mit diesem Konzept 3,7 GWh/a direkt und mittels Einsatz einer Hochtemperatur-Wärmepumpe und dem Aufwand von 0,4 GWh/a Strom weitere 1,3 GWh/a eingespart werden. Die Energiekosten senken sich um rund 10% und der CO2-Ausstoss kann jährlich um rund 1000 t vermindert werden. Von Vorteil ist zudem, dass sich der Teil der Wärmepumpe inkl. Speichersystem gut etappieren lässt, sprich auch in einem zweiten Schritt nachrüstbar ist. Die Tragweite der Optimierung lässt sich vor allem dann besser einordnen, wenn der Vergleich mit den Gesamtemissionen gezogen wird. Bei einer erfolgreichen Umsetzung sämtlicher Ausbauschritte wird das Projekt die CO2-Emissionen der Firma KADI AG um rund 34% (Basis 2016) reduzieren. Die Energieeffizienz kann andererseits bei Vollausbau um 15% (Basis 2016) gesteigert werden. Aufgrund eines Brandfalles im Februar 2016, welcher gerade auch die oben beschriebenen Prozesse schwerwiegend getroffen hat, musste die Linienerneuerung rasch vorangetrieben werden. Dafür wurden für die Definition der Systemanforderungen und die Verhandlungen mit den Anbietern die Erkenntnisse aus der Pinch-Analyse beigezogen. Von der Unternehmensführung wurde entschieden, die Umsetzung der Abwärmenutzung wie vorgeschlagen in drei Etappen auszulösen. Aus Sicht der Leitung Technik von KADI AG ist die Pinch-Analyse eine ausgezeichnete Methodik zur systematischen Optimierung des Energieverbrauchs in komplexen Systemen. Für die Durchführung der Analyse sind vertiefte Prozesskenntnisse inklusive aller relevanten Prozessanforderungen (Temperaturen, Massenströme, usw.) erforderlich. Um realisierbare und praktische Optimierungslösungen zu erhalten, wird dies insbesondere von den Pinch-Fachleuten erwartet. Das Modellieren der verschiedenen Prozesse und deren Betriebszustände ist sehr aufwändig. Deshalb wurde die Analyse auf die Produktionsprozesse der Hauptprodukte konzentriert, wo die KADI AG rund 30 verschiedene Rezepturen herstellt. Diese unterscheiden sich in der Form, Zubereitungsart und in der Stundenleistung. Die Pinch-Analyse hat aufgezeigt, dass eine zusätzliche Abwärmenutzung im Abgasstrom der TNV auf einem Niveau von 80°C, welche bisher nicht vorgesehen war, wirtschaftlich Sinn macht und technisch lösbar ist. Ausserdem waren die Ergebnisse für die Gespräche und Verhandlungen mit den einzelnen Anlagelieferanten sehr wertvoll. Im Rahmen der Umsetzung hat sich jedoch herausgestellt, dass die ermittelten Einsparpotenziale zu optimistisch kalkuliert wurden, da die Pro­duktionsprozesse mit reduzierter Stundenleistung zu wenig konsequent berücksichtigt wurden. Der im Abgasstrom eingebaute Economiser arbeitet seit der Inbetriebnahme im Jahr 2017 einwandfrei. Das erste Betriebs­jahr weist Einsparungen von 711 MWh/a auf. In einer nächsten Etappe soll eine bessere Nutzung des entspannten Dampfes im Kondensat des Vortrockners erfolgen. Diese Anpassung ist mit einem Einsparpotenzial von 340 MWh/a veranschlagt. Auf dem Weg zur konsequenten Steigerung der Ressourceneffizienz ist die KADI AG dadurch wieder einige Schritte vorangekommen.

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