Vorstellung Veredlungstechnik
Langzeituntersuchung: Triple-EEE Wärmerückgewinnung mit Kühl- und Heizsystem von Inno+
Inno+ nutzt die im Waschwasser einer Abluftreinigung enthaltene Energie zum Heizen der Stallungen. Was davon zu halten ist, verrät eine Langzeitstudie der Universität Bonn.
Die Universität Bonn untersuchte das System von Inno+ zur Rückgewinnung von Wärmeenergie aus dem Waschwasser einer Abluftreinigung. (Bildquelle: Tovornik, Zäh)
Ferkelerzeuger stehen aktuell vor großen Herausforderungen. So hat die Novelle der TA-Luft (Technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft) oft die Anschaffung oder die Nachrüstung einer Abluftreinigungsanlage zur Folge.
Gleichzeitig wächst der finanzielle Druck aufgrund steigender Strom- und Heizkosten. Ein denkbarer Lösungsansatz für betroffene Betriebe ist das Rückgewinnen der im Waschwasser von Abluftreinigungsanlagen enthaltenen Wärmeenergie. Das gleiche System lässt sich auch zum Kühlen der Stallungen verwenden. Denn nicht nur kalte Winter, sondern auch längere Hitzeperioden belasten hochleistende Sauen.
Wärmerückgewinnung — der Status Quo
Das Prinzip der Wärmerückgewinnung ist für Schweinehalter im Grunde ein „alter Hut“. Das bekannteste System ist der Luft-Luft-Wärmetauscher. Mit Hilfe der warmen Abluft heizt dieser an kalten Tagen die einströmende Außenluft auf. Die sonst verlorene Wärme kommt so zu einem Teil wieder bei den Tieren im Stall an — was Einsparungen an fossilen Brennstoffen in bedeutenden Umfang ermöglicht.
Den möglichen Spareffekt von Anlagen zum Rückgewinnen von Wärme aus der Abluft untersuchte das Institut für Landtechnik der Universität Bonn im Rahmen des Forschungsprojekts EnergARA. Im Fokus der Forschungsarbeit stand, inwieweit Abluftreinigungsanlagen sinnvoll als Energiequelle genutzt werden können. Insgesamt wurden dafür die Anlagenkonzepte von drei Stalllüftungs- und Wärmerückgewinnungsanlagen untersucht.
An einem der Tests ist auch die niederländische Firma Inno+ beteiligt, die zur Big Dutchman-Gruppe gehört. Mit der Heizung Triple-EEE (profi 6/2016) und der Kühlung Indico (profi 9/2022) bietet Inno+ inzwischen zwei kombinierbare Systeme an, die Wasser für den Übertrag von Wärmeenergie aus der Abluft bzw. zur Frischluftkühlung verwendet.
Wenngleich vor allem das Triple-EEE-System schon länger praktiziert wird, fehlten bislang wissenschaftlich fundierte Daten zur Bewertung der Effizienz von Triple-EEE und Indico. Diese liegen nun nach Auswertung der Langzeit-Messungen im Rahmen des EnergARA-Projektes vor.
Die Versuchsbetriebe
Die Versuche liefen auf zwei Betrieben mit Ferkelerzeugung und -aufzucht bei Venlo (Niederlande). Die Messungen umfassen das gesamte Jahr 2021. Die Forschenden zeichneten Luft- und Wassertemperaturen, Luftraten der Ventilatoren und Stromverbrauche im zehnminütigen Intervall auf.
Betrieb 1 nutzt ein Triple-EEE-System, bei dem die im Waschwasser der Abluftreinigung enthaltene thermische Energie über ein Leitungssystem inklusive Wärmetauscher zurück zum Eingangsbereich der Zuluft gebracht wird.
Betrieb 2 besitzt ebenfalls das Triple-EEE-System. Zusätzlich kombiniert der Betrieb das System mit der nachgerüsteten Klimaanlage Indico von Inno+.
Im Aufzuchtstall von Betrieb 1 befanden sich während der Untersuchung 7 680 Tierplätze. Die komplette Abluft der Stallungen wird im Betrieb 1 zwei chemischen Abluftwäschern zugeführt. Die Anlagentechnik des Triple-EEE-Systems mit Pumpen und Wärmetauscher ist in einem Nebengebäude untergebracht.
Die aus der Abluft rückgewonnene Energie wird über einen Wasser-Luft-Wärmetauscher übertragen, welcher giebelseitig im Dachraum installiert ist. Bypass-Klappen erlauben, dass an heißen Tagen die Außenluft ungehindert in den Dachraum gelangt. Aus dem Dachraum strömt die Zuluft über eine Rieseldecke zu den einzelnen Tierabteilen. Die Abluftführung erfolgt per Unterdruck-Oberflur-Absaugung.
Auf Betrieb 2 erhalten 360 Sauen im Abferkelbereich und 135 Sauen im Deckzentrum an heißen Tagen gekühlte Frischluft, die mit einem Kühlaggregat, einem Kaltwasserspeicher und einem Wärmetauscher bereitgestellt wird. Die Tauscher zum Konditionieren der Außenluft sind hier auf der Nordseite des Stalls traufseitig installiert.
Die Technik
Das Triple-EEE-System dient dem Heizen der Abteile durch ein Anwärmen der Zuluft, während mit Indico (indirect cooling) das Kühlen der Zuluft möglich ist. Beide Anlagen sind nachrüstbar und können einzeln sowie kombiniert betrieben werden. Die Kombination beider Systeme verspricht einen ganzjährigen Nutzen, wobei das Indico-System idealerweise die Peripherie eines bereits vorhandenen Triple-EEE-Systems verwendet.
Basis eines Triple-EEE-Systems sind zwei Wasserkreisläufe. Der erste Wasserkreislauf dient der Aufnahme thermischer Energie aus dem Waschwasser einer Abluftreinigungsanlage. Die Energie im Waschwasser entspricht der, die von der Abluft auf das Waschwasser übergeht. Das Waschwasser zirkuliert über eine Pumpe zu einem Platten-Wärmetauscher. Um Korrosion zu vermeiden, besteht das Material des Plattentauschers aus Titan. Mit ihm erfolgt der Wärmeübertrag auf den zweiten Wasserkreislauf, welcher die Energie von der Heizzentrale in den Zuluftbereich der einzelnen Abteile transportiert. Der Transfer der Heizenergie auf die Außenluft erfolgt mit Wasser-Luft-Wärmetauschern. Die kalt einströmende Frischluft nimmt dabei thermische Energie auf, so dass sie angewärmt in das Stallabteil gelangt.
Beheizen der Ferkelnester
Sofern die im Waschwasser enthaltene Wärmeenergie nicht ausreicht, um die Abteile bzw. Funktionsbereiche passend zu temperieren, kann der zweite Wasserkreislauf optional mit einer Wärmepumpe (Wasser-Wasser-System) ergänzt werden. Die Wärmepumpe entzieht dem Waschwasser zusätzliche Wärmeenergie, gleichzeitig steigt das Temperaturniveau. Mit Temperaturen bis 55 °C können so Ferkelnestheizungen effizient mit Warmwasser versorgt werden. Das untersuchte Triple-EEE-System enthielt jedoch keine Wärmepumpe.
Nachrüstbares Kühlsystem
Das Indico-System im Betrieb 2 entspricht in weiten Teilen der Technik im Betrieb 1. Nur mit dem Unterschied, dass das System um einen dritten Wasserkreislauf ergänzt wurde. Zentrale Elemente des dritten Kreislaufs sind ein Kühlaggregat (thermische Leistung bis zu 160 kW, elektrisch bis zu 75 kW) und ein Kaltwasserspeicher. Das Kaltwasser kann über Ventile in das reguläre Leitungssystem des Triple-EEE-Systems und damit auch zum Platten-Wärmetauscher geleitet werden. An heißen Tagen ist so über die zum Beheizen der Zuluft installierten Wasser-Luft-Wärmetauscher eine Kühlung der Zuluft möglich.
Für die elektronische Anlagensteuerung bedeutet dies: Liegen die Außentemperaturen unter der Solltemperatur von 16 °C, wird über das Triple-EEE-System Wärme aus dem Waschwasser zurückgewonnen. Übersteigen die Außentemperaturen 18 °C, schaltet das System auf den dritten Wasserkreislauf mit dem Indico-Kühlaggregat um. Das Umschalten erfolgt automatisch per internetfähigem Klimacomputer.
Betrieb 1: die Ergebnisse
Während der Langzeituntersuchung wärmten die im Zuluftbereich installierten Wärmetauscher die Außenluft zu 70 % des Jahres an. In den kalten Monaten Januar bis April 2021 lag die Auslastung der Anlage gar bei 96 %. In den warmen Monaten Juni bis August war die Wärmerückgewinnung zu 27 % der möglichen Betriebszeit in Aktion. In den Sommermonaten ging das System vor allem in den kühlen Nachtstunden in Betrieb, so dass mögliche Temperaturstürze in den Stallabteilen gedämpft werden konnten. Als Folge stellten sich gleichmäßige Zulufttemperaturen ein, die sich positiv auf die Steuerung der Lüftungsanlage und auf die Luftverteilung in den Abteilen auswirkten.
In den kältesten Nächten des Jahres konnte die Temperatur der Zuluft von minus 8 °C auf 1 °C angehoben werden — macht eine Differenz von 9 Kelvin (K). Im Jahresmittel hob das Triple-EEE-System im Testbetrieb die Außenluft um 4 K auf durchschnittlich 12,2 °C an. Die maximale Außenlufterwärmung wurde mit 12,7 K gemessen, die damit in Verbindung stehende Heizleistungen mit bis zu 170 kW.
Hohe Energieeffizienz
Neben der absoluten Leistung untersuchten die Forschenden auch die Energieeffizienz der Wärmerückgewinnung, da das Triple-EEE-System einen zusätzlichen Einsatz von elektrischer Energie erfordert — etwa für den Betrieb der Pumpen.
Auskunft über die Effizienz gibt die Leistungszahl, auch COP-Wert genannt. Die von Wärmepumpen bekannte Leistungszahl ist der Quotient aus rückgewonnener Heizleistung pro eingesetzter elektrischer Leistung. Eine Leistungszahl bzw. ein COP-Wert von 3 gibt beispielsweise an, dass mit 1 KW Strom 3 kW Wärme gewonnen werden. Werden die eingesetzten und rückgewonnenen Energiemengen im Jahresverlauf verglichen, spricht man von der Jahresarbeitszahl.
Die Auswertung im Betrieb 1 brachte beim Betrieb des Triple-EEE-Systems über das Jahr eine mittlere Leistungszahl (Jahresarbeitszahl) von 27,1 hervor. Zum Vergleich: Bei Luft-Wasser-Wärmepumpen für ein Einfamilienhaus werden aktuell Jahresarbeitszahlen von 4,5 erreicht.
Die mögliche Heizleistung sowie die dafür erforderliche elektrische Leistung hängen stark von der vorliegenden Außentemperatur ab. Dabei gilt: Die Heizleistung steigt mit abnehmenden Außentemperaturen, da die wachsende Temperaturdifferenz zwischen Außenluft und Wasserkreislauf einen größeren Wärmetransfer ermöglicht. Gleichzeitig führt der bei Temperaturen unter 4 °C erforderlich Frostschutz des Wasserkreislaufes zu einem erhöhten Strombedarf der Pumpen — als Folge fällt der COP-Wert messbar kleiner aus.
Betrieb 2: die Ergebnisse
Im Betrieb 2 war im Auswertungszeitraum das Triple-EEE-System in 68 % der Zeit aktiv. Das Indico-System erzielte zusätzlich eine Auslastung von 22 %. Die Kombination aus Heizung und Kühlung konditionierte so die Außenluft fast durchgängig.
Die Literatur gibt für Deckzentrum und Abferkelstall Solltemperaturen von 14 bis 20 °C vor: Tatsächlich hätten ohne Konditionierung die Außentemperaturen im Auswertungszeitraum nur zu 25 % in diesem Temperaturbereich gelegen. In 64 % der Zeit war es kälter, in 12 % wärmer.
Mit dem Triple-EEE-System in Kombination mit Indico lagen 49 % der Zulufttemperaturen im Zielbereich, 51 % lagen unterhalb und nur 0,1 % oberhalb des Zielbereichs von 20 °C. Damit konnte der Anteil optimaler Zulufttemperaturen verdoppelt werden. Zu erwarten ist, dass dieser Effekt in Regionen mit einer größeren Spanne zwischen Winter- und Sommertemperaturen größer ausfällt als im Testbetrieb, der in einer milden Klimazone liegt.
Von den Ergebnissen im Betrieb 2 ausgehend ist die ganzjährige Konditionierung der Zuluft auch für Mastbetriebe sowie für geschlossene Systeme mit Ferkelerzeugung und Mast interessant. Hier kann sogar der in der Mast anfallende Wärmeüberhang zum Heizen von Ferkelnestern und Aufzuchtabteilen verwendet werden.
Inwieweit die Tiere vom verbesserten Stallklima durch ein vermindertes Zugluftrisiko im Tierbereich und höheren Lüftungsraten profitieren, konnte im Rahmen des Forschungsprojekts nicht erfasst werden. Gleiches gilt für den Effekt der Kühlung im Sommer durch eine Reduzierung von Hitzestress. Auf Basis von Praxisberichten sind etwaige Vorteile aber durchaus naheliegend, sie lassen sich nur weder quantifizieren noch statistisch belegen.
Energieeffizienz und Nachhaltigkeit
Im Betrieb 1 führen die hohen Leistungszahlen des Triple-EEE-Systems dazu, dass über das Jahr mit 14 775 kWh Strom ganze 400 068 kWh Wärme zurückgewonnen werden konnten. Dies entspricht einer Einsparung von 50,2 kWh pro Tierplatz und Jahr — ein Äquivalent von 4,8 l Heizöl oder 6,9 l Flüssiggas je Tierplatz.
Die Verbesserung der Energieeffizienz wirkt sich auch positiv auf den Carbon Footprint und auf die Direktkosten der Ferkelhaltung aus. Nimmt man die aktuellen Emissionsfaktoren für den deutschen Strommix (0,427 kg CO2 pro kWh) und für die Wärmeerzeugung mittels Flüssiggasverbrennung (0,237 kg CO2 pro kWh) an, spart Betrieb 1 jährlich 11,6 kg CO2 pro Tierplatz ein. Dies ist ein positiver Beitrag zum Klimaschutz, steigert die ökologische Nachhaltigkeit der Tierhaltung und kann in der Direktvermarktung ein Argument sein.
Heizen für 1,29 ct/kWh
Ähnlich vorteilhaft zeigt sich auch die ökonomische Betrachtung: 2021 sparte der Betrieb 1 durch das Triple-EEE-System Energiekosten von 3,49 Euro pro Tierplatz ein. Der Berechnung liegt ein Strompreis von 27,17 ct/kWh und ein Flüssiggaspreis von 8,0 ct/kWh zugrunde. Würden die hohen Energiepreise von April 2022 (Strompreis 32,3 ct/kWh, Gas 17,4 ct/kWh) für eine Berechnung herangezogen, ergäben sich sogar Einsparungen von 8,43 Euro pro Tierplatz und Jahr. Die Einsparungen bewegen sich damit in etwa auf dem Niveau eines klassischen Luft-Luft-Wärmetauschers (profi 2/2023).
Die spezifischen Heizkosten des Triple-EEE-Systems lagen 2021 im Jahresmittel bei 1,29 ct/kWh Wärme. Folglich heizte es in 98,5 % des Betriebszeitraums wesentlich günstiger als für 8,0 ct/kWh eine vergleichbare Flüssiggasheizung.
Auf der anderen Seite führt die umfangreiche Anlagentechnik des Triple-EEE-Systems zu höheren Anschaffungskosten. In einer vereinfachten Kalkulation für den Betrieb 1 liegen diese bei 185000 Euro inklusive Montage und Baunebenkosten ohne Mehrwertsteuer. Bei Neubauten können rund 81000 Euro durch Einsparungen bei der Heizungsanlage kompensiert werden. Die Mehrkosten von 101000 Euro amortisieren sich in der Modellkalkulation auf Basis des Energiepreisniveaus von 2021 nach etwa sieben Jahren.
Fazit
Das Institut für Landtechnik an der Universität Bonn untersuchte das Triple-EEE-System von Inno+ 2021 in einer Langzeituntersuchung. Das System nutzt die im Waschwasser einer Abluftreinigungsanlage enthaltende Wärmeenergie sehr effizient, so dass die Abluftreinigung als eine regenerative bzw. rekuperative Energiequelle fungiert und so zur Einsparung von fossilen Energieträgern beitragen kann. Als Folge reduziert die Anlagenkombination nicht nur die Emissionen von Ammoniak, Staub und Gerüchen, sondern auch die von CO2. Die systembedingt höheren Betriebskosten konnten im Testbetrieb durch reduzierte Heizkosten kompensiert werden.
Mit Blick auf das Tierwohl ist das Triple-EEE-System durch eine Konditionierung der Zuluft als vorteilhaft zu bewerten. Denn insbesondere bei der Haltung von Sauen in Kombination mit dem Kühlsystem Indico lassen sich messbar über das Jahr Zuluft- und Stalltemperaturen erzielen, die für die Tiere vorteilhaft sind bzw. Stress minimieren.
Die Auswertung der Leistungszahlen ergab eine sehr gute Energieeffizienz und deutlich reduzierte Energiekosten. Letztere ließen sich durch die Nutzung von selbst erzeugtem Photovoltaik-Strom für den Antrieb der Pumpen oder des Kühlaggregats weiter verbessern.
Das Forschungsprojekt EnergARA wurde gefördert vom Ministerium für Umwelt, Landwirtschaft, Natur- und Verbraucherschutz des Landes Nordrhein-Westfalen (Kennziffer 41.2019.01).
