Wärmerückgewinnung mittels Abluftreinigungsanlage

So lässt sich mit Abluftreinigungsanlagen Wärme gewinnen

Seitenansicht eines Ferkelaufzuchtstalls der eine Abluftreinigungsanlage und einen Wärmetauscher im Dachraum einsetzt. — Abluftreinigungsanlagen mindern umweltrelevante Emissionen der Schweinehaltung, sind aber mit einem zusätzlichen Bauaufwand, hohen Anschaffungskosten und gestiegenen Betriebskosten verbunden. Bild: Deeken

Steigende Anforderungen und Auflagen hinsichtlich Nachhaltigkeit, Klimawandel und Tierwohl rücken in der Schweinehaltung weiter in den Fokus. Wie sich durch Nutzung der regenerativen Energiequelle "Abluftreinigungsanlage" Synergien hinsichtlich Wärmegewinnung erzielen lassen, zeigt das Institut für Landtechnik der Universität Bonn.

Ein Element dieser Änderung ist die Abluftreinigungsanlage, die bald von vielen Betriebe verpflichtend eingesetzt werden muss. Doch dies muss nicht ausschließlich als Risiko aufgefasst werden, welches mit hohen Kosten verbunden ist, sondern kann auch als Chance verstanden werden. Mehrere Firmen nutzen Abluftwäscher sowie die Bündelung der Abluftführung, um Wärme rückzugewinnen und auf diesem Wege Brennstoffe einzusparen. Daraus ergibt sich ein mehrfacher Nutzen im Sinne der Nachhaltigkeit: besseres Stallklima, weniger CO2-Emissionen und reduzierte Heizkosten.

Abluftreinigung steigert Energiebedarf der Schweinehaltung

Abluftreinigungsanlagen werden als Stand der Technik klassifiziert, um umweltrelevante Emissionen wie Ammoniak, Staub und Geruch zu mindern. Viele Mast- und Zuchtbetriebe werden diese Anlagen im Zuge der Novellierung der TA-Luft nachrüsten müssen. Daraus resultieren hohe Anschaffungskosten, ein Anstieg des Stromverbrauchs und zusätzliche Betriebskosten. Dies beeinflusst die Wirtschaftlichkeit der Tierhaltung, welche beispielsweise aufgrund der stark gestiegenen Energiepreise für Strom und Heizung bereits unter Druck steht.

Ein großer Anteil des Energiebedarfs mechanisch-belüfteter Stallanlagen entfällt auf die Stallheizung und somit auf die Bereitstellung thermischer Energie für optimale Lufttemperaturen in den Tierabteilen. Dies gilt insbesondere für die Ferkelaufzucht, aber auch für andere Produktionsabschnitte. Der weitere Energiebedarf entfällt auf die Stromkonsumenten, wobei die Lüftungsanlage als größter Verbraucher aufgezählt werden kann.

Wärmerückgewinnung: Einfaches Konzept, vielseitige Umsetzung

Gleichzeitig sorgt die Lüftungsanlage durch Sicherstellung der Raumlast- und Abluftabfuhr für hohe Wärmeverluste. Die warme Abluft enthält kostbare thermische Energie, die viel zu häufig ungenutzt an die Umwelt abgegeben wird. Anlagen zur Wärmerückgewinnung können einen Teil dieser Energie im Stallgebäude halten, auf die Frischluft übertragen und so für einen Energiekreislauf sorgen.
Die am häufigsten eingesetzte Technik sind Luft-Luft-Wärmetauscher, welche den warmen Abluftstrom und den kalten Frischluftstrom aneinander vorbeiführen. Hierbei kommt es zu dem passiven Energieübergang von der warmen auf die kalte Luft im Zuge physikalischer Gesetzmäßigkeiten: Die Temperaturen der Abluft sinken, die der Frischluft steigen an.

Die Wärmetauscher werden direkt in die Lüftungsanlage des Stalls integriert. Die höchsten Leistungen werden erreicht, wenn sie bei der Planung des Lüftungskonzept berücksichtigt werden, es sind aber auch Nachrüstungen bei zentraler Abluftführung möglich.

Das Forschungsprojekt EnergARA der Universität Bonn

Seitenansicht eines Tauschwäschers, eines in den Abluftwäscher integrierten Wärmetauscher inklusive Beschriftung der Luftmassen. Klick führt zu Großansicht im neuen Fenster. — Wärmetauscher können direkt in den Abluftwäscher (1) integriert werden. Hierdurch erfolgt die Wärmeübertragung von der warmen Abluft und dem Prozesswasser auf die kalte Frischluft. Die Anlagentechnik mittels gerippter Kunststoffrohre ist einfach, vergleichsweise kostengünstig und effizient (2 & 3). Bild: Lengling

Das Forschungsprojekt EnergARA, das vom Ministerium für Umwelt, Landwirtschaft, Natur- und Verbraucherschutz des Landes Nordrhein-Westfalen gefördert wurde, hatte in seiner 3,5-jährigen Laufzeit das Ziel, die Kombinationsfähigkeit von Anlagen zur Abluftreinigung und Wärmerückgewinnung wissenschaftlich zu untersuchen.

In drei Langzeit-Versuchen wurden die variierenden Anlagen dreier Hersteller in Ferkelaufzucht- und Schweinemastställen unter die Lupe genommen. Hierzu wurden unter anderem Temperatursensoren, Messventilatoren zur Luftratenbestimmung oder Stromzähler verbaut. Die drei Systeme kombinieren Abluftreinigung und Wärmerückgewinnung in unterschiedlichen Bauformen.

Bei der ersten Anlage handelte es sich um einen Luft-Luft-Wärmetauscher. Der Biowäscher wurde nach dem Wärmetauscher betrieben, hierbei handelt es sich also um eine zweistufige Kombination einzeln einsetzbarer Anlagen.

Das zweite System nutzt das Prozesswasser eines Abluftwäschers, welches die thermische Energie der warmen Abluft aufgenommen hat. Diese Energie wird dann mittels Wärmetauscher und eines weiteren Wasserkreislaufs auf die einströmende Frischluft übertragen.

Im dritten System wird ein sogenannter Tauschwäscher direkt in die Abluftreinigungsanlage eingesetzt: Das Modul fungiert zwischen Füllkörper und Wasserdüsen sowohl als Wärmetauscher als auch als Füllkörper zur Emissionsabscheidung. Hierbei wird die Wärme von Abluft und Prozesswasser übertragen.

Bei den Systemen zwei und drei nimmt die Abluftreinigungsanlage also die Rolle einer regenerativen und rekuperativen Energiequelle ein.

Verbesserung der Stallluftqualität

Wasser-Luft-Wärmetauscher im Dachraum inklusive der registerspezifischen Wasserleitungen. Klick führt zu Großansicht im neuen Fenster. — Wasserbasierte Wärmerückgewinnungsanlagen sind energieeffizient und flexibel beim Installationsort. Die Wasser-Luft-Wärmetauscher können z.B. giebelseitig im Dachraum installiert werden. Die Frischluft strömt erst durch die Wärmetauscher und dann durch die Rieseldecke in die Tierabteile. Bild: Deeken

Die Untersuchungen im Jahresverlauf zeigten bei allen Systemen einen fast durchgängigen Betrieb während der Wintermonate.

Doch auch in den Sommermonaten waren Auslastung und Nutzen hoch, wenn Temperaturschwankungen im Tagesverlauf reduziert werden können.

Die Wärmetauscher sorgen dafür, dass die fallenden Frischlufttemperaturen in den kälteren Nachtstunden kompensiert werden und, dass die Unterschiede zwischen Tageshöchst- und -tiefsttemperaturen der Zuluft deutlich kleiner werden. Die Tiere profitieren von einem gleichmäßigeren Stallklima, welches zu einer Senkung von Zugluftrisiken führt.

Der Anstieg der Zulufttemperaturen sorgt zudem dafür, dass höhere Luftraten gefahren werden können. So können Raumlasten wie Ammoniak, Luftfeuchte und andere vermehrt abgeführt werden und die Stallluftqualität verbessert sich zum Wohle der Tiere und Arbeitskräfte.

Steigerung der Energieeffizienz und Nachhaltigkeit

Alle untersuchten Wärmerückgewinnungsanlagen überzeugten im Praxiseinsatz und verbesserten die Energieeffizienz der Tierhaltung. Zwar ist ein erhöhter Stromverbrauch notwendig, um zum Beispiel die Ventilatoren und Wasserpumpen zu betreiben, doch pro eingesetzter Kilowattstunde Strom wird ein Vielfaches an Wärmeenergie zurückgewonnen.

Die anlagenspezifischen Leistungszahlen, sprich der Quotient von rückgewonnener Wärmeenergie pro eingesetzte elektrische Energie, lagen bei 6,9 – 32,1 im Jahresmittel. Die maximalen Heizleistungen von bis zu 170 kW führten zu deutlichen Gaseinsparungen.

So konnten beispielsweise pro Ferkelaufzuchtplatz und Jahr rund 6,5 bis 9,2 L Flüssiggas eingespart werden. Dies führt zu deutlich geringeren CO2-Emissionen im Zuge reduzierter Gasverbrennung. Einsparungen von 9,3 bis 14,0 kg CO2-Emissionen pro Ferkelplatz und Jahr waren möglich.

Die Stromkosten des Betriebs der Lüftungs- und Abluftreinigungsanlagen konnten in rund 35 Prozent des Jahres durch Heizkosteneinsparungen aufgefangen werden. Insbesondere bei Stallneubauten überzeugt die Installation von Wärmerückgewinnungsanlagen auch mit kurzen Amortisationszeiträumen.

Dies ist zum einen darauf zurückzuführen, dass die Gaspreise im Untersuchungszeitraum teils auf einem hohen Niveau lagen (4,8 - 17,5 Cent pro kWh), und zum anderen darauf, dass in Ställen mit Wärmerückgewinnung kleinere Heizungsanlagen verbaut werden können und es dadurch eher zu einer Kostenverschiebung als zu Mehrkosten kommt.

Wärmerückgewinnung rechnet sich

Wärmetauscher und PV-Anlage im Sonnenuntergang. Klick führt zu Großansicht im neuen Fenster. — Wärmerückgewinnungsanlagen verbessern die Energieeffizienz, die Stallluftqualität, die CO₂-Emissionen und die Wirtschaftlichkeit der Schweinehaltung. Eine Kombination mit hofeigener Stromerzeugung ist möglich und verbessert die Nachhaltigkeit zusätzlich. Bild: Deeken

Der Einsatz von Wärmerückgewinnungsanlagen in mechanisch-belüfteten Schweineställen kann die Energieeffizienz und Nachhaltigkeit der verschiedenen Produktionsrichtung verbessern.

Dies entspricht den aktuellen Bestrebungen, Produktionsprozesse hinsichtlich der Zukunftsfähigkeit zu prüfen und entsprechend anzupassen – dies gilt auch für die Schweinehaltung.

Für die Betreiber versprechen diese Anlagen zeitgleich deutliche Energiekosteneinsparungen, wie für die Ferkelaufzucht und Schweinemast gemessen wurde. Die möglichen CO2-Einsparungen können gerade in der Direktvermarktung ein zusätzliches Marketingargument sein.

Die Untersuchungen zeigten, dass die Anlagenkombinationen von Wärmerückgewinnung und Abluftreinigung verschiedener Hersteller in der Praxis einsetzbar sind und mit variierenden Vor- und Nachteilen zu einer zukunftsfähigen Tierhaltung beitragen können. So können bevorstehende Nachrüstungen von Abluftreinigungsanlagen als Chance genutzt werden, das Energiekonzept des Betriebes zu prüfen und zu optimieren.

Dieser Beitrag ist von Hauke F. Deeken, Alexandra Lengling, Manuel S. Krommweh, Wolfgang Büscher.