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Darren mit bis zu
100 Prozent Solarenergie?
SOLARMALZDARRE | Das Darren von Grünmalz erfordert große
Mengen an Heizenergie, die heutzutage noch hauptsächlich auf
fossilen Brennstoffen basiert. Bei einem derartigen Energieverbrauch ist es naheliegend, dass der Einsatz nachhaltiger Energiequellen wie Sonnenenergie untersucht werden sollte. In Vietnam
wurde dies nun erstmals an einer Malzdarre getestet.
und in der Folge die Wirtschaftlichkeit nicht
nachgewiesen.
Diese Studie einer solarunterstützten
Malzdarre zur maximalen bis 100-prozentigen Nutzung der Sonnenenergie in Vietnam wurde einer Modellberechnung unterzogen. Durch die Anwendung des Berechnungsmodells auf die Pilotdarre mit Hochrechnung auf den industriellen Maßstab
kann das Systemmodell der Malzindustrie
ein besseres Verständnis bieten und helfen,
die Energiekosten mithilfe der Solarenergie
zu senken.
DIE STUDIE untersuchte den Betrieb einer Solardarre und das geeignete thermische Solarsystem unter den klimatischen
Bedingungen in Vietnam (Südostasien). In
einem Land mit subtropischem Klima wie
Vietnam sind im Vergleich zu Mitteleuropa
die benötigte Darrluftleistung und somit
auch die Heizleistung für das Darren von
Grünmalz höher. Dies liegt an der höheren
Umgebungstemperatur und der höheren
absoluten Luftfeuchtigkeit.
Die standardmäßige Heizquelle für eine
Darre, die indirekt mit einem Lufterhitzer
oder von einem Heizkessel befeuert wird,
ist Primärenergie aus Erdgas, Kohle und
Leicht- oder Schweröl. Auch Biomasse wird
als Alternative eingesetzt, z. B. Holzhackschnitzel oder – in Indien – Reisschalen.
Die Möglichkeit der Nutzung erneuerbarer
Energien ist jedoch relativ unerforscht, obwohl das Potenzial zur Energieeinsparung
besteht.
Auch in Südeuropa wird Solarenergie
nur in wenigen Mälzereien rudimentär genutzt, in anderen Regionen noch weniger.
Jedoch wird in den Regionen, in denen es
höhere Sonnenintensität als in Mitteleuropa gibt, auch weniger Malz produziert. Dies
liegt nicht nur an der höheren Temperatur,
sondern besonders an der Rohstoffverfügbarkeit der Braugerste; so ist es auch in
subtropischen Regionen wie Südostasien.
Dort wurde die Nutzung von Solarenergie
bislang nie ernsthaft in Betracht gezogen
Autoren: Dr. Manfred Hauner (Bild), Nürnberg; Karl Eichhorn, Buchholz/Nordheide
Abb. 1 Übersicht von Kollektoren für Prozesswärmeanwendungen mit Temperaturbereichen
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lGeeignete Solaranlagen
Da beim Schwelken Betriebstemperaturen
zwischen 55 °C und 65 °C und zum Abdarren zwischen 65 °C und 85 °C für Pilsner
Malz herrschen, sollen in dieser Studie nur
die Solarkollektoren betrachtet werden, die
für diese Temperaturen in Frage kommen.
Alternativ kommen einfache Solarkollektoren nur als Vorheizstufe zur Unterstützung einer Primärenergiequelle infrage,
wie vereinzelt bei bestehenden Anlagen.
Quelle: Universität Kassel
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Möglicherweise besteht auch keine Notwendigkeit für ein Heizmedium, da die von
der Sonne erwärmte Luft sofort zum Darren
eingesetzt werden kann. Aber dann kann
die Energie auch nicht gespeichert werden.
Das Heizmedium, das zum Aufheizen
der Darrluft eingesetzt wird, ist wichtig, da
es auch als Speichermedium dient. Wasser
bietet einige Vorteile, da die Energie leicht
transportiert und die von der Sonne erzeugte Wärme gespeichert werden kann. Bei
Bedarf steht es dann für die Totzeiten ohne
Sonne – z. B. bei Regen und Dunkelheit – zur
Verfügung. Wasser ist leicht zu handhaben,
leicht verfügbar, gefriert nicht in Südostasien und hat darüber hinaus einen guten
Wärmekoeffizienten.
Ein Solarkollektor ist eine spezielle Art
von Wärmetauscher, der Sonnenstrahlungsenergie in Wärme umwandelt. Da es
unterschiedliche Kollektortypen auf dem
Markt gibt, ist ein kurzer Überblick sinnvoll. Im Allgemeinen kann zwischen stationären Kollektoren (nicht konzentrierend)
und konzentrierenden Kollektoren unterschieden werden. Für die in dieser Studie
spezifische Anwendung einer industriellen
Solardarre in Südostasien können folgende
Arten von Solarkollektoren in Betracht gezogen werden: Vakuumröhrenkollektoren
(ETC), Flachkollektoren (FPC), Vakuumröhrenkollektoren CPC, ParabolrinnenKollektoren (PTC) und lineare Fresnel-Kollektoren (LFR).
Stationäre Kollektoren werden hauptsächlich zum Erhitzen von Flüssigkeiten
verwendet. Sie sind auch gut in der Stromerzeugung, haben jedoch einen niedrigen
Wirkungsgrad. Die konzentrierenden Kollektoren sind Kollektoren mit höherem Wirkungsgrad und einem hohen Temperaturbereich. Sie eignen sich besser für solarthermische Kraftwerke, da die Kollektoren die
Intensität der Sonnenstrahlung erhöhen
und dadurch die Stromerzeugung mit dem
erhitzten Medium ermöglichen.
Zusätzlich zum Kollektortyp sind als
Auswahlkriterien der maximale Temperaturbereich, der thermische Wirkungsgrad,
Wartungsfreiheit und Investitionskosten zu
berücksichtigen. Schlussendlich haben in
der praktischen Anwendung auch Umgebungsbedingungen wie Klima, verfügbare
Fläche für Solarkollektoren und die Anlagenbedingungen auf die Entscheidung
enormen Einfluss.
Vakuumröhrenkollektoren CPC eignen
sich gut für die Entwicklung des Heizsys-
Abb. 2
Vakuumsolarmodule
nach Tichelmann –
3D-Ansicht
Abb. 3
Schema der
Vakuumröhrenkollektoren CPC
Quelle: Sunbest
tems der Solardarre. Sie sind in der Lage –
bei angemessenen Investitionskosten –, die
Betriebstemperatur von der Sonnenenergie
weit über die maximal notwendige Prozessluft-Temperatur für das Abdarren zu erzeugen. Es könnten aber auch Fresnel-Kollektoren (LFR) eine interessante wirtschaftliche
Option auf der Grundlage der Warmwasserbereitung darstellen.
Angesichts des Bedarfs an Heizleistung,
für beispielsweise eine Charge von 360 t
Gerste, muss das gewählte Solarsystem die
oben genannten Anforderungen und den
erforderlichen Heizbereich sowie die Ener-
gieerzeugung erfüllen, wobei die Heizleistung von großer Bedeutung ist. Die ausreichende Sonnenenergie muss natürlich am
Standort gegeben sein.
Abbildung 1 ordnet im Vergleich die Kollektoren unterschiedlichen Temperaturbereichen zu. Die ausgewählten Vakuumröhrenkollektoren CPC bestehen aus evakuierten Glasröhren mit zwei innenliegenden
Kupferrohren. Diese thermischen Solarkollektoren sind mit einem hohen Wirkungsgrad das effizienteste und gebräuchlichste
System zur solarthermischen Energieerzeugung. Evakuierte Röhren sind als SolarBRAUWELT | NR. 1-2 (2021)
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Abb. 4
Sonnenstrahlung
Quelle: www.esri.com
aufgrund ihres Aufbaus schon bei geringer
und indirekter Sonneneinstrahlung einen hohen Wirkungsgrad. Als Vakuumröhrenkollektoren CPC funktionieren sie
aufgrund des Vakuums wie eine Thermoskanne, indem sie die Solarwärme im Inneren halten und dabei auf deutlich höhere
Temperaturen als der Flachkollektortyp
kommen.
lPhysik der Sonnenstrahlung
Während das Sonnenlicht durch die Atmosphäre strahlt, wird ein Teil davon
absorbiert, gestreut und reflektiert. Dies
nennt man diffuse Sonnenstrahlung. Die
Sonnenstrahlung, die die Erdoberfläche
erreicht, ohne diffundiert zu werden, wird
als direkte Sonnenstrahlung bezeichnet.
Atmosphärische Bedingungen können die
direkte Strahlung an klaren, trockenen Tagen um zehn Prozent und an stark wolkigen Tagen um 100 Prozent reduzieren. In
Abbildung 4 ist die unterschiedliche Sonpanele zusammengesetzt. Um KonvektionsKollektoren, die parabolische Spiegel nenstrahlung dargestellt.
Strahlungsintensität wird gemessen in
und Wärmeleitungsverluste zu reduzieren, direkt an den Röhren verwenden, werden
befinden sich die zwei versiegelten Kupfer- auch als CPC-Kollektoren (Compound kWh/m2. Direkte normale Strahlungsinleitrohre für Vor- und Rücklauf vom Heiz- Parabolic Concentrator) bezeichnet (s. tensität (DNI) ist die Menge an Sonnenstrahmedium Wasser gemäß dem Tichelmann- Abb. 3). Die Spiegel werden als Parabel- lung, die pro Flächeneinheit empfangen
Prinzip in der Vakuumröhre, dargestellt in Form hergestellt und reflektieren die Strah- wird, die immer senkrecht (oder normal)
Abbildung 2. Vakuum ist bekanntermaßen lung auf den Absorber. Das ist die Vaku- zu den Strahlen verläuft. Die diffuse horiein guter Isolator.
umröhre. Diese CPC-Kollektoren erzielen zontale Strahlungsintensität (DHI) ist die
Menge an Sonnenstrahlung,
die gestreut pro Flächeneinheit
und nicht auf einem direkten
Weg von der Sonne ankommt.
Die globale horizontale Strahlungsintensität (GHI) ist die
Gesamtmenge der kurzwelligen Sonnenstrahlung, die von
einer horizontalen Oberfläche
zum Boden auftrifft. Dieser
Wert ist für Photovoltaikanlagen von besonderem Interesse
und umfasst sowohl die direkte
normale Bestrahlungsstärke
(DNI) als auch die diffuse horizontale Bestrahlungsstärke
(DHI).
Verschiedene Solartechnologien können verschiedene
Komponenten der Strahlungsintensität nutzen. Während
Photovoltaik-Kollektoren sowohl direkte Strahlungsintensität als auch diffuse Strahlung
in Elektrizität umwandeln könAbb. 5 Versuchsaufbau für eine solarbetriebene Malzdarre mit Einsatz von Solarkollektoren und elektrischer nen, arbeiten thermische SoZusatzheizung
Quelle: Manfred Hauner, eingetragenes Gebrauchsmuster Nr. 20 2018 004 256 larkollektoren effizienter mit
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Abb. 6 2 CPC-Kollektoren-Panele auf dem Gebäudedach mit Neigungswinkel 30°
Abb. 7 Pilotdarre, Darrlüfter, Heizregister und
Luftleitung
Abb. 8 An den Solarwasserkreislauf angeschlossene Pilotdarre
Abb. 9 Steuerung des Malzkreislaufs
direkter Strahlungsintensität, wodurch
diese Systeme nur bei relativ niedriger Wolkendecke mit hohem Wirkungsgrad gut
wirksam sind.
lPilotdarre
Es wurde entschieden, das Modell mit einem
Pilot-Versuchsaufbau als Solarmalzdarre
zu testen und die Ergebnisse dann auf den
Industriemaßstab zu skalieren. Die Idee war,
die notwendige Heizenergie ausschließlich
aus dem Solarkollektoren-Kreislauf zu erzeugen und in den Tests für die Pilotdarre
mit einem Energiespeicher zu nutzen.
In Abbildung 5 ist der komplette Versuchsaufbau mit der Solarmalzdarre und
dem gewählten thermischen Solarsystem
dargestellt. Die Chargengröße beträgt bis
zu 50 kg Gerste als Grünmalz. Diese moderne Pilotdarre wurde aus rostfreiem Stahlblech mit isoliertem Behälter, Horde aus
Lochblech, Heizregister, Radialventilator
mit Elektroantrieb und Frequenzumrichter sowie Darrluftleitungen montiert. Es
gibt zwei Wasserkreisläufe (Solarkreislauf
und Malzkreislauf), die einen gemeinsamen
Solarwärme-Druckspeicher (Energiespeicher) haben.
Die Versuche wurden zunächst ohne Reserveheizquelle und anschließend mit einer
zusätzlichen elektrischen Heizung im Energiespeicher durchgeführt, um die Darrprozesse kontinuierlich auch bei Regenwetter
betreiben zu können. Abbildungen 6 bis 9
zeigen eingesetzte Anlagenelemente.
lMalzanalysen
Für den Brauer ist es wichtig zu wissen, welche Werte für ein gutes Malz stehen oder
ob Bedenken hinsichtlich der Malzanalyse
nach EBC oder MEBAK bestehen. In Abbildung 10 sind zwei beispielhafte MalzanaBRAUWELT | NR. 1-2 (2021)
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Abb. 10
Übersicht Malzanalysen – Vergleich Industriemälzerei und
Pilotversuch
gezeigt, dass das Grünmalz mit bis zu 100
Prozent oder einem hohen Anteil von Solarenergie gedarrt werden kann. Allerdings
gibt es noch viel Raum für Optimierungen,
um alle Malzspezifikationen für die globalen
Brauer zu erfüllen, insbesondere die Malzfeuchte.
Um die experimentellen Ergebnisse mit
dem computergestützten Simulationsmodell zu vergleichen und zu bestätigen,
wurden die aus den Versuchen erhaltenen
Daten in die Berechnung eingefügt. Es stimmen die berechneten Daten mit den Daten
des Versuchsaufbaus und der Versuche
überein.
Die Leistung einer Solarmalzdarre ist
durch die Verdampfungsrate und den thermischen Wirkungsgrad gekennzeichnet.
Die ermittelten Daten belegen somit, dass
das entwickelte computergestützte Simulationsmodell für die Solarmalzdarre funktioniert.
l
Abb. 11 Spezifische monatliche Darrheizleistung und Erzeugung von Solarenergie pro Tonne
Malz
lysen aus den Versuchen dargestellt. Die
Ergebnisse zeigen relativ normale Werte.
Die Malzanalysen von Test Nr. 12 und Nr.
13 sind in den roten und grünen Spalten zu
finden. Diese Analysen wurden von der Industriemälzerei durchgeführt, aus der auch
das Grünmalz stammt. Die rechte Spalte
enthält jeweils die Analysedaten aus dem
Pilotversuch und die linke Spalte die der
Industriemälzerei zum Vergleich. Obwohl
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die Malzfeuchte im Pilotversuch noch signifikant höher lag als im Vergleich, zeigen
die Ergebnisse normale Werte. Der Grund
für den höheren Feuchtigkeitsgehalt und
die geringere Friabilität liegt darin, dass
die Heiz energie aus dem Energiespeicher
während des Abdarrens begrenzt war. Es
zeigt aber die Tendenz zur Fähigkeit, Qualitätsmalz zu produzieren. Im Allgemeinen
haben die Versuche mit der Solarmalzdarre
Energieleistung und
Einsparpotenziale
Die Ergebnisse der Simulation wurden auf
einer Solardarre für eine Chargengröße von
360 t Gerste als Grünmalz in Vietnam angewandt. Die Zykluszeit beträgt 24 Stunden
und die kalkulierte Schwelkluftleistung beträgt 1 300 000 m³/h bei einer Heizleistung
von 16 000 kW.
Die direkte normale Strahlungsintensität (DNI) von Ho-Chi-Minh-Stadt (Vietnam) wurde mit 4,2 kWh/m² für die tägliche durchschnittliche Gesamtmenge
bestimmt. Mit einer Kollektorfläche von
39 500 m² und einer Ausrichtung von 0°
Süd mit Vakuumröhrenkollektoren CPC
und einer Wärmespeicherkapazität von
1900 m³ können Einsparungen von 99,2
Prozent (trockene Jahreszeit) und 59,8
Prozent (Regenzeit) erzielt werden. Dies
liefert einen Solarenergiebeitrag zwischen
217 250 kWh und 158 000 kWh bei einem Jahresdurchschnitt von 189 600 kWh
(81,3 %) pro Charge.
Um die Ergebnisse der Auslegung der
Darre und des Solarkreislaufs einschließlich der möglichen Einsparung durch Solarenergie anzuzeigen, sind die beiden Kreisläufe (Darrheizung und Solarheizung) mit
allen Geräten wie Darrventilator, Heizregister, Energiespeicher und Solarkollektoren
angezeigt. Die Heizleistung und die Luftleistung basieren auf der Kalkulation zum
Darrprozess. Diese berechneten Daten sind
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abhängig von den Klimadaten am jeweiligen Standort. Mit einem integrierten hxDiagramm können der Luftdurchsatz und
die Heizleistung bei den Luftbedingungen
und der relativen Luftfeuchtigkeit bestimmt
werden.
Mit dem Simulationsmodell wurden die
spezifischen Ergebnisse pro Tonne Malz
ebenso untersucht. Am Bildschirm wird
die Ausgabe sämtlicher Prozessdaten und
spezifischer Werte, wie z. B. der spezifische
Energieverbrauch der Darre, der Anteil der
Nutzung der Solarenergie pro Tonne Malz
sowie die Kollektorfläche und der Energiespeicher, angezeigt.
In Abbildung 11 wird der monatliche
Energiebedarf für das Darren je Tonne Malz
bei durchschnittlicher monatlicher Sonnenstrahlung angezeigt. Es ist ersichtlich,
dass während der trockenen Jahreszeit in
Vietnam 99,2 Prozent der Heizleistung
durch die Sonnenenergie und während der
Regenzeit nur 59,8 Prozent abgedeckt werden können. Für die Dimensionierung der
Solarkollektoren ist der Monat mit der größten Versorgung mit Sonnenenergie einzusetzen, also dieser mit 99,2 Prozent (April).
Zusammen mit den spezifischen Energieeinsparungen ist in Abbildung 12 die
Reduktion der CO2-Emissionen monatlich
dargestellt. Die Einsparungen beim CO2Footprint wurden als Jahresdurchschnitt
von 137,63 kg CO2 pro Tonne Fertigmalz
(Einsparung von Erdgas) und 150,14 kg
CO2 (Einsparung von Heizöl) ermittelt.
lFazit
Die Entwicklung eines computergestützten
Simulationsmodells für eine Solarmalzdarre und Versuche mit einer Solarmalz-Pilotdarre wurden erfolgreich durchgeführt. Die
Machbarkeit einer industriellen Fallstudie
konnte demonstriert werden.
Die Dimensionierung des Solarkreislaufs und die Einsparung von Primärenergie wurden in einer Simulation dargestellt.
Ausgehend von der Auslegungsberechnung der Malzdarre und des Solarkreises
können der prozentuale Anteil und die Einsparungen im Vergleich zur Nutzung von
fossiler Energie in der Simulation dargestellt
werden.
Es kann ein größerer Einfluss der Regenzeit auf den Solarertrag identifiziert werden,
was bei der Auslegung der Anlage und dem
Anlagenbau berücksichtigt werden muss.
Aufgrund des sich im Laufe der Jahreszeiten
ändernden Solarertrags und auch Heizbe-
Abb. 12 Energieeinsparungen (%) und Reduzierung der CO2-Emissionen (kg CO2 pro Tonne
Malz) bei Verwendung von Sonnenenergie zum Trocknen des Malzes
darfs ist eine 100-prozentige konventionelle
Reserveheizung immer unverzichtbar.
Zusammenfassend zeigt die Studie ein erhebliches Einsparpotenzial für den Betrieb
von Mälzereien durch die sich weiterentwickelnde thermische Solartechnik, nicht nur
■
in subtropischen Gebieten!
5.
lQuellen
1. DIN EN 12975-1:2006: Thermische
Solaranlagen und ihre Bauteile – Kollektoren – Teil 1: Allgemeine Anforderungen; Deutsche Fassung, Beuth Verlag,
Berlin, 2006.
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Fassung, Beuth Verlag, Berlin, 2006.
3. Garg, H. P.: Solar Water Heatings Systems, Proceeding of the Workshop on
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4. Goswami, D. Y., et al.: Advances in Solar
6.
7.
8.
Energy – An Annual Review of Research
and Development; American Solar Energy Society, Boulder, CO, USA, Vol. 17,
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Hauner, M., Eichhorn, K., Vearasilp, S.,
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for Industrial Application, Sunbest Valli
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sunbest.solar.
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