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Industrieller Dampf aus regionalem Holz

Mit der schweizweit grössten Holzschnitzelfeuerung für Prozesswärme hat der Migros-Betrieb Elsa eine fossile Feuerung zur Erzeugung von Dampf für die Milchverarbeitung ersetzt. Damit reduziert er seinen jährlichen CO2-Ausstoss um 12‘000 Tonnen. Die Integration ins bestehende Dampfversorgungssystem hat umfassende Änderungen mit sich gebracht: sowohl für die Steuerung als auch für die Mitarbeitenden.

Rund 700 Tonnen Milch werden täglich im Migros-Betrieb Elsa in Estavayer-le-Lac verarbeitet. Für die Produktion von UHT-Milch und Joghurt muss die Milch erhitzt werden, teilweise auf bis zu 150 Grad Celsius. Den nötigen Dampf erzeugten bisher fünf zum Teil bivalent betriebene Gas- bzw. Heizölkessel für zwei verschiedene Dampfnetze mit unterschiedlicher Dampfqualität. Als Ersatz einer dieser fossilen Feuerungen übernimmt nun ein neues Holzheizwerk diese Aufgabe und deckt damit zu über 60 Prozent den Wärmebedarf ab. Die vier verbleibenden Gaskessel müssen nur noch für die Lastspitzen und die raschen Laständerungen eingesetzt werden. Mit einer Leistung von 7,8 Megawatt bzw. 12 Tonnen Dampf pro Stunde ist die Anlage die grösste Schweizer Holzschnitzelfeuerung zur Erzeugung von Prozesswärme.

Starke Bezugsschwankungen

Der Bedarf an Dampf variiert in der Produktion bei Elsa stark, da das Unternehmen viele verschiedene Produkte herstellt und die zu verarbeitenden Milchmengen grossen Schwankungen unterliegen. Konkret bedeutet dies, dass der Dampfbezug durchaus innerhalb von wenigen Sekunden um 3 bis 4 Tonnen (also ein Drittel der Dampfleistung der Holzfeuerung) variieren kann. Selbst für die rein fossil betriebenen Dampfkessel stellten diese Schwankungen eine Herausforderung dar. Mit der Umstellung auf die Holzenergie nahm sie jedoch nochmals deutlich zu, da mit der Holzfeuerung Leistungsanpassungen deutlich mehr Zeit in Anspruch nehmen. Dies hat einen grossen Einfluss auf das gesamte Heizsystem, weil bereits kleine Leistungsschwankungen zu grossen Druckveränderungen des Dampfes führen. Weichen Druck, Menge und Qualität des Dampfs plötzlich vom Zielbereich ab, kann es zu grossen Energieverlusten bzw. zur Beeinträchtigung der Produktionsprozesse kommen.

Das neue Holzheizwerk ist in diesem Gebäude untergebracht. Früher standen an diesem Standort zwei Ölzisternen mit je 1,4 Mio. Liter Heizöl, was symbolisch die Transformation zu erneuerbaren Energien illustriert. Quelle: Elsa
Der Kran transportiert die Holzschnitzel von der Abwurfmulde ins Mehrtagessilo und verteilt diese dort möglichst gleichmässig. Quelle: Elsa

 

Rasche Integration im laufenden Betrieb

Die grösste Herausforderung war deshalb die Einbindung der neuen Holzfeuerung in die beiden bestehenden Dampfsysteme mit vier verbleibenden Dampfkesseln und dies während des laufenden Betriebs. Der Wechsel wurde innerhalb weniger Monate vollzogen: Im März 2016 begann der Rückbau der alten Ölzisterne, in deren Auffangwanne das neue Holzheizwerk Ende Dezember 2016 den ersten Dampf produzierte.

Zusammenspiel von Feuer, Wasser und Luft

Für die effiziente Produktion und Nutzung der Prozesswärme ist ein gut abgestimmtes Zusammenspiel der drei Elemente Feuer, Wasser und Luft von zentraler Bedeutung. Die Anlieferung der Holzschnitzel erfolgt in einer Abwurfmulde. Von da transportiert sie ein Kran ins Mehrtagessilo, bevor sie durch hydraulisch angetriebene Schubstangen via Querförderer und Stocker schliesslich in die Feuerbox gestossen werden. Auf einem Vorschubrost werden die Holzschnitzel kontinuierlich und vollständig verbrannt und landen schliesslich im Aschenraum. Der Dampfkessel über der Feuerbox ist mit Wasser gefüllt und wird durch das Rauchgas der Verbrennung zu Dampf erhitzt. Das Rauchgas wird anschliessend über ein mehrstufiges Verfahren abgekühlt und gefiltert. Zuerst im Economiser, wo es das ankommende Wasser von etwa 100 auf 150 Grad Celsius erwärmt. bevor es in den Dampfkessel fliesst. Danach folgt der Luftvorwärmer (LuVo), in dem das Rauchgas die Zuluft für die Verbrennung vorwärmt. Gereinigt wird das Rauchgas in zwei Stufen, zuerst in einem Zyklon, der mittels Luftwirbel Partikel abscheidet, und danach in einem Elektrofilter, der die Feinstaubemissionen reduziert.

Schon in der Planungsphase prüfte das Planungsteam zusammen mit dem Holzkessellieferanten die Flexibilität der Leistungssteuerung. Die Kompatibilität und das Zusammenspiel aller Dampfkessel und der beiden Dampfverteilnetze wurde untersucht und einige Steuerungselemente angepasst und verbessert. Dies hat sich ausbezahlt, denn unter Volllast funktioniert die Holzfeuerung inzwischen sehr gut, auch wenn Optimierungsarbeiten für ein gelungenes Zusammenspiel der fünf Dampferzeuger mit möglichst hoher Energieeffizienz des Gesamtsystems und einer zuverlässigen Dampfleistung noch andauern. Langzeitmessungen der Emissionen in verschiedenen Betriebsphasen haben gezeigt, dass vor allem im Teillastbereich von unter 30 bis 40 Prozent die Steuerung der Feuerung noch Verbesserungen braucht.

Energieeffizienz erhöhen

Das Projektteam prüft zudem, wie der Economiser für die Vorwärmung des Speisewassers noch mehr thermische Energie aus dem warmen Rauchgas rückgewinnen könnte. Denn hier lagert sich im Moment noch etwas zu viel Flugasche ab und reduziert so den Wärmeübertrag und damit den Wirkungsgrad dieser Wärmerückgewinnung. Fossile Feuerungen lassen sich auf Knopfdruck einfach abstellen, während brennende Holzschnitzel auch nach einem Stopp der Materialzufuhr noch längere Zeit viel Wärme produzieren, die abgeführt werden muss. Zudem ist Holz mit seiner schwankenden Feuchtigkeit und wechselnden Anteilen verschiedener Holzarten viel weniger homogen als fossile Brennstoffe. Mitarbeitende mussten sich zuerst an das andere Anlagenverhalten und die Eigenheiten der Holzfeuerungen für Prozesswärme mit raschen Laständerungen gewöhnen.

Investition in die Zukunft

«Unser Holzheizwerk ist komplexer, aufwendiger und bei den aktuellen Gaspreisen auch nicht unbedingt kostengünstiger als eine fossile Feuerung», sagt Didier Bonny, Projektleiter seitens Elsa. «Es ist für uns eine Investition in die Zukunft und ein bedeutender Beitrag für den Klimaschutz.» Natürlich sind finanzielle Anreize für die Abgeltung der CO2-Reduktion wie beispielsweise durch die Stiftung Klimaschutz und CO2-Kompensation  (Klik) wichtige Signale an die Unternehmen und können den Unterschied ausmachen, ob in erneuerbare Energie investiert wird oder nicht.»

Holz sinnvoll für industrielle Dampferzeugung

Das Projektteam der Migros untersuchte vor dem Entscheid für das Holzheizwerk auch andere Lösungen, die auf erneuerbaren Energien basieren. Zum Beispiel Parabolrinnen-Sonnenkollektoren, elektrisch betriebene Dampferzeuger in Kombination mit Photovoltaik sowie Gaskessel mit Biogas. In der Evaluation zeigte sich aber, dass Holz für die industrielle Dampferzeugung die geeignetste erneuerbare Energieerzeugungsart ist. Als Brennstoff wird ausschliesslich Schweizer Holz aus der Region im Umkreis von maximal 50 km verwendet. Um die grossen Mengen an einheimischen Holzschnitzeln transportieren zu können, hat die Elsa extra einen Lieferanten in der Region aufgebaut.