Kälteerzeugung

In einer Welt, in der der technische Fortschritt und die Klimaerwärmung einen festen Platz haben, lohnt es sich Gedanken über die richtige Wahl der Klimatisierungsanlage zu machen.

So werden sich zukünftig die betrieblichen Kühllasten tendenziell erhöhen.

Klimaanlagen im konventionellen Sinne waren bisher in der Regel Absorptionskältemaschinen oder Kompressionskälteanlagen. Aber auch innovative Systeme wie solares Kühlen sind auf dem Vormarsch. Bei diesem System wird die Sonnenstrahlung zum Kühlen genutzt.

Im Bereich des Weinbaus gibt es neben variierenden Zieltemperaturen auch unterschiedliche, zu kühlende Medien. Zum Beispiel die Raumluft oder den Wein im Tank. Deshalb kann es sein, dass mehrere Kälteerzeuger zum Einsatz kommen müssen. Die Kühlung nimmt in der Weinbereitung, den größten Anteil am Stromverbrauch ein.

Grundätzlich gilt, eine intelligente Steuerung der Kühlung kann viel Strom sparen.

Auf dieser Seite werden grundsätzliche Arten der Kälteerzeugung vorgestellt.

Kompressionskältemaschine

Eine Kompressionskältemaschine besteht im Wesentlichen aus folgenden Bauteilen:

  • Verdampfer
  • Kondensator
  • Expansionsventil
  • Kältemittel
  • Kompressor

Der Verdampfer nimmt vom zu kühlenden Medium (In der Regel Luft oder Wasser) Wärme auf. Das darin enthaltene Kältemittel verdampft.

Das verdampfte Kältemittel wird mit einem Kompressor verdichtet und dabei auf ein höheres Temperatur- und Druckniveau gebracht.

Als Kompressoren kommen Kolbenkompressoren, Turbokompressoren, Schraubenverdichter, Rohrkolbenverdichter oder Drehkolbenverdichter zum Einsatz.

Im Kondensator wird das warme, unter hohem Druck stehende Kältemittel abgekühlt und dabei kondensiert. Die Wärme wird entweder an Luft oder Wasser weitergegeben. Das Expansionsventil entspannt das kondensierte Kältemittel auf ein niedrigeres Druckniveau. Das Kältemittel strömt in den Verdampfer, der Kreislauf kann von vorne beginnen

Auslegung der Leistung

Welche Leistung braucht meine Kältemaschine für die Kühlung von Weißwein?

Die Auslegung der Kältemaschine zum abführen der Gärwärme sollte am besten ein Kälte- und Klimatechnikexperte übernehmen. Grob kann jedoch von einer elektischen Leistung von 20 Watt pro hl ausgegangen werden.

Das heißt für beispielsweise 200.000 l werden ca. 40 kW benötigt.

Solares Kühlen

Der Begriff „solares Kühlen“ erscheint bei erstmaliger Betrachtung evtl. manchem Leser etwas suspekt.

Es ist jedoch so, dass ausgerechnet zu der Zeit, in der die Sonne am meistens scheint, auch der Kühlbedarf am höchsten ist.

Bei genauer Betrachtung der solaren Strahlung und der Spitzenzeit für Kühllasten am Mittag wird auffällig, das die auftretenden Kühllasten nicht zeitgleich mit der höchsten solaren Einstrahlung am Mittag stattfindet, sondern leicht verzögert. Das heißt, dass das Gebäude eine thermische Trägheit aufweist.

Mit Hilfe von Photovoltaik Modulen wird mit lokal erzeugtem Strom eine Kältemaschine angetrieben.

Vorteile: Es wird keine fossile Energie zum Betrieb der Klimaanlage benötigt. Die Anlage wird zusätzlich an das Stromsystem angeschlossen, um auch außerhalb der Sommermonate produzierten, jedoch nicht zur Kühlung benötigten Strom ins lokale Stromnetz einzuspeisen.

Raumkühlung

Für die Dimensionierung der Kältemaschine, spielt die Raumkühlung im Weinbau, nur eine geringe Rolle. Um die Luft in einem Raum mit 100 m2 und 4 m Höhe, (in einer Stunde) von 20 auf 10°C zu kühlen, benötigt man nur 1,3 kW Leistung. Um die Temperatur in dem Raum zu halten (bei 10 cm Polyurethan Dämmung), nur 0,9 kW. Um 1000 kg Trauben (in 4 Stunden) von 25 auf 10°C zu kühlen, braucht man ca. 5 kW. Da Gärkühlung und Kühlung des Leseguts, sich meist nicht überschneiden, muss keine zusätzliche Kälteleistung für den Kühlraum bereitgestellt werden.

Der jährliche Energieverbrauch für Kühlräume kann nur schwer abgeschätzt werden, da die einzelnen Betriebe Kühlräume sehr unterschiedlich auslasten und die Dämmung des Raums eine große Rolle spielt. Es kann jedoch von einem hohen Energieverbrauch ausgegangen werden. Wo es geht sollte daher auf Raumkühlung verzichtet werden.

Für die Kühlung des Flaschenlagers können laut Messungen des DLR-RLP jährlich ca. 2,8 kWh pro hl angenommen werden. Aufgrund des großen Energiebedarfs wird eine zeitgesteuerte Lüftung empfohlen, die Nachts kalte Luft in das Flaschenlager bläst.

Weinsteinstabilisierung

Um Weine füllfertig und weinsteinstabil zu machen, kann das sogenannte Kontaktverfahren angewandt werden. Der Wein wird auf ca. 0°C abgekühlt und mit Impfkristallen versetzt, welche die Kristallbildung beschleunigen. Nach 2 bis 4 Stunden ist der Vorgang abgeschlossen. Um einen Hektoliter Wein von ca. 20°C auf 0°C abzukühlen, sind 2,3 kWh thermischer Energie nötig. Mit der Leistungszahl 3 und unter Berücksichtigung der Kälteverluste in Leitungen und über die Tankoberfläche, kann von ungefähr 1 - 2 kWh elektrischer Energie pro hl ausgegangen werden.

Berieselung mit Brunnenwasser

Um die elektrische Energie einzusparen, die für die Gärkühlung nötig ist, eignet sich eine Tankberieselung mit Brunnenwasser oder Zisternenwasser. Die Berieselung setzt gute wärmeleitende Materialien (dünnwandige Edelstahltanks) voraus. Die Kühlung des Mostes erfolgt durch Verdunstungskälte (2260 kJ/l Wasser bei Verdampfung). Je kleiner die Tröpfchen sind, desto höher ist der Wirkungsgrad. Für eine effiziente Kühlung wird ein Temperaturunterschied des Wassers zur Most-Solltemperatur von 5 °C vorausgesetzt. Bei gleichmäßiger Verteilung erfordert 1 l zu kühlender Most etwa 0,5 bis 1,5 l Wasser.

Viele Gemeinden schreiben zu jedem Förderbrunnen auch einen zusätzlichen Sickerbrunnen vor. So wird vermieden, dass Grundwasser ins Abwasser, Flüsse und letztendlich Meere gelangt und so verloren geht. Stattdessen wird es wieder dem Grundwasser zugeführt. Ein zusätzlicher Brunnen ist jedoch mit hohen Kosten verbunden.

Der erhöhte Wasserverbrauch kann jedoch als weniger kritisch angesehen werden, weil die Gärkühlung im Herbst stattfindet, wo Wassermangel in der Landwirtschaft und im Weinbau ein geringeres Problem darstellt.

Kühlturm

Aus der Industrie und der Kraftwerktstechnik ist das Prinzip bekannt.

Grundsätzlich wird das vom Verbraucher kommende warme Wasser im Kühlturm intensiv mit Luft in Berührung gebracht. Das Wasser wird hierbei mit Düsen versprüht und erfährt dadurch eine Oberflächenvergrößerung und verdunstet leichter. Die so entstehende Verdunstungskälte kann dann zur Kühlung genutzt werden.

Einfache Kühltürme können aus Edelstahl gebaut werden und sind einfach, preisgünstig und wartungsarm.

In Rheinhessen wurden bereits mehrere Kühltürme in Weingütern installiert. Hier kann viel Energie eingespart werden, wenn der erhitzte Rotmost zurückgekühlt werden muss.

Die Investitionskosten für einen kleinen Kühltürm sind im Vergleich zu einer Kältemaschine sehr gering. Ein zusätzlicher Vorteil ist die geringere Lautstärkebelastung. Ein Betrieb in Rheinland Pfalz konnte fast 70 % der Energie, durch sein Kühlturmkonzept einsparen

Kühltürme sollten nur verwendet werden, wenn keine extrem niedrigen Temperaturen nötig sind. Typische Anwendugen sind die Weißweinvergärung bei 20 °C oder das Rückkühlen von erhitzten Rotmosten.

Trockeneis

Neben den kontinuierlichen Kühlmethoden wird in der Weinbereitung auch auf Trockeneis zurückgegriffen. Trockeneis ist festes Kohlendioxid, das in der Regel in Form von Pellets gepresst verfügbar ist. Trockeneis sublimiert bei Erwärmung direkt vom festen in den gasförmigen Aggregatzustand, wodurch dem umliegenden Material Sublimationsenergie entzogen wird. Dadurch wird der Most oder die Maische gekühlt und gasförmiges Kohlendioxid entweicht in den Raum. Neben dem Vorteil der Flexibilität in der Kühlleistung hat der Einsatz von Trockeneis jedoch auch einige Nachteile. Trockeneis sublimiert bei etwa -78°C, wodurch es bei Kontakt mit der Haut und den Augen zu schweren Kälteverbrennungen kommen kann. Kann eine mit Trockeneis gekühlte Maische nicht ausreichen gemischt werden, kommt es lokal zu extrem niedrigen Temperaturen und zur Zerstörung von Zellgewebe. Außerdem ist Trockeneis verglichen mit anderen Kühltechniken verhältnismäßig energieaufwändig und sollte daher nur für außergewöhnliche Zwecke eingesetzt werden, während der restliche Kühlbedarf mit Kompressionskältemaschinen erzeugt wird.

Mit Trockeneis zu kühlen ist ca. 40 mal so teuer wie die Kühlung über eine Kältemaschine bei 25 ct/kWh