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Bauen von Rohren: Das perfekte Rezept

Die Geberit Fabrication SA in Givisiez (FR) stellt Verbundrohre für den Trinkwassertransport her. Durch die Optimierung ihrer Verfahren und den Wechsel zu anderen Rohstoffen konnte sie ihren Gasverbrauch um 90 Prozent senken und ihren CO2-Fussabdruck wesentlich verbessern.

Polyäthylen, Aluminiumband und Klebstoff sind die Bestandteile eines Verbundrohres zum Trinkwassertransport.

“Das Polyäthylen strömt als hochflüssige Paste (Mitte) aus einem Extruderkopf. Unmittelbar danach härtet die Paste aber schon als geformtes Rohr aus”, erklärt Olivier Jeanbourquin, Leiter Qualität und Umwelt.

Olivier Jeanbourquin, Leiter Qualität und Umwelt.

Die Geberit Fabrication SA in Givisiez ist eine der Produktionsstätten des europäischen Marktführers für Sanitärprodukte. Sie ist auf die Herstellung von Verbundrohren im Trinkwasserbereich spezialisiert. 1991 ersetzte sie ein erstes Werk, das 1981 in Marly für die Fluid Air Energy (FAE) gebaut und 1988 durch einen Brand zerstört worden war. 1987 beteiligte sich die Geberit-Gruppe an der FAE und übernahm sie 2001. Das neue Gebäude wurde 2004 und 2008 um zusätzliche Hallen erweitert. Auf 20 000 Quadratmetern befinden sich heute fünf Rohrproduktionslinien, umgeben von Verpackungsbereichen. In den Werkstätten und Büros arbeiten 56 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter im Dreischichtbetrieb – denn Erfolg verpflichtet.

80 Meter bis zur vollen Reife

Ein Trinkwasserrohr muss hohen technischen Anforderungen genügen und alle Normen des jeweiligen Ziellandes erfüllen. Olivier Jeanbourquin, Standortleiter für Qualität und Umwelt, zeigt uns den Produktionsablauf eines starren Stangenrohrs für kleine Leitungen. Wir befinden uns im Bereich der Sanitärtechnik, mit anderen Grössenverhältnissen als bei grossen Rohrleitungen. «Unsere Produktion besteht zur Hälfte aus Stangenrohren, die modellabhängige Durchmesser von 16 bis 75 Millimeter aufweisen. Die kleineren Rohre mit Durchmessern von 16 bis 32 Millimeter bestehen zu einem Viertel aus Rollenrohren ohne Isolation und zu einem weiteren Viertel aus Rollenrohren mit einer Polyäthylen-Isolation», erklärt der Techniker.

Die Produktion beginnt mit kleinen PE-RT-Granulaten, einem Polyäthylen. Werden Granulate erhitzt, entsteht daraus eine hochflüssige Paste, die aus einem Extruderkopf herausströmt und sich um einen Metallzylinder legt. Diese sprudelnde, beinahe dampfförmige Kunststoffmasse ist jedoch sehr kurzlebig, denn schon nach wenigen Zentimetern wird die Paste im nächsten Raum ausgehärtet: Ein Vakuum stabilisiert die Rohrmasse, das Wasser kühlt sie ab. Danach muss sie nur noch die 80 Meter der Produktionslinie durchlaufen. «Linie» ist eine sehr treffende Bezeichnung für diese Strecke, die je nach Produktionsgeschwindigkeit mal gerade, mal gekrümmt ist und mit einem Sägeschnitt jäh endet. Unterwegs wird das Rohr zuerst mit einer dünnen Klebschicht überzogen, dann mit einem von unten zugeführten Aluminium-Endlosband umhüllt. Das Band wird zylinderförmig umgeschlagen und verschweisst – je nach Produktionslinie kommt das Wolfram-Inertgas-Verfahren oder ein Laser zum Einsatz. Durch kurze Erhitzung wird nun die Klebeschicht fixiert, und schon kommt ein weiterer Klebstoff auf das Aluminium, bevor eine letzte Extrusion alles mit einer PE-RT-Aussenschicht verkleidet – auf PE-RT werden wir übrigens noch zurückkommen. Dann nähert sich das vollständig abgekühlte Rohr der Säge, die es auf die gewünschte Länge zuschneidet, je nach Produkt sind dies 3, 5, 25, 50, 100, 120, 200 oder 250 Meter. Vorher aber werden mit Tintenstrahl oder Laser die Produktinformationen und die Konformität mit nationalen und internationalen Normen vermerkt.

Ein fehlerhaftes Rohr kann jederzeit auftreten, erklärt Jeanbourquin: «Konformität und Qualität werden permanent geprüft. Auf der ganzen Produktionslinie werden die Durchmesser automatisch gemessen und in Echtzeit auf einem Monitor angezeigt. Sobald ein Toleranzwert überschritten ist, wird der defekte Rohrabschnitt automatisch identifiziert und am Ende der Linie aussortiert.» Ausserdem liefert die Produktionslinie in regelmässigen Abständen Muster, die einer visuellen Kontrolle unterzogen und gemessen werden. In standardisierten Tests wird unter anderem die Haftung der Klebstoffe geprüft. Die Tests finden in einem klimatisierten Raum statt, der sich inmitten der Produktionslinien befindet. Die Testergebnisse werden im IT-System erfasst und erscheinen in Rot auf den Überwachungsmonitoren, wenn ein Wert ausserhalb des Toleranzbereichs liegt. Danach werden die Muster für Druckprüfungen ans Labor weitergeleitet.

Gemessen wird in Kilometern

Die validierten Stangen- und Rollenrohre, letztere zwischen 50 und 250 Meter lang, werden anschliessend versandfertig verpackt. Jährlich liefern die Produktionslinien aus Givisiez über 20 000 Kilometer Rohre aus. Die ganze Produktion wird an das Logistikzentrum Pfüllendorf in Baden-Württemberg geschickt, wo 1955 die erste ausländische Geberit-Filiale eröffnet wurde. Alle Waren der Gruppe fliessen in der strategisch gelegenen Zentrale zusammen. «Da die Verteiler und Baustellen meistens Produkte aus mehreren spezialisierten Produktionsstandorten benötigen, können die Transporte dank der Zentralisierung optimiert und verkürzt werden, was für Wirtschaft und Umwelt von Vorteil ist», erläutert Jeanbourquin.

Auch die Umwelt- und Klimaziele des Werks in Givisiez stehen im Einklang mit den Entscheiden, die am Sitz des Mutterhauses in Rapperswil-Jona getroffen werden. Ein Teil der ergriffenen Massnahmen sind inzwischen schon zu «Klassikern» geworden. «Wir haben unsere Beleuchtung auf LED umgestellt und verwenden zertifizierten Ökostrom. Und seit 2013 decken 3048 Quadratmeter Solarpanels im Contracting-Verfahren elf Prozent unseres Strombedarfs. Auf dem Dach befinden sich auch unsere Free-Cooling-Anlagen, die wir für die Kühlung der Rohre in der Produktion benötigen. Und dann läuft seit 2014 ein Programm, mit dem wir die Gleichstrommotoren durch energieeffizientere Wechselstrommotoren ersetzen», erzählt Jeanbourquin weiter. Weitere Massnahmen sind standortspezifisch, beispielsweise der Übergang vom Elektroden- zum Laserschweissen, denn «Laser sind schneller und produzieren weniger Ausschuss, was Zeit und Energie spart». Gleiches gilt bei der Rohrmarkierung, wo das Laserverfahren den Tintenstrahldruck ablöst, der eine Plasmabehandlung und eine regelmässige Druckkopfreinigung erfordert. Auch hier werden Ausschuss und Zeitverluste minimiert, auf Lösungsmittel kann sogar ganz verzichtet werden.

«Als PE-RT in die Normen aufgenommen wurde, eröffneten sich uns ganz neue Energieperspektiven.»

Olivier Jeanbourquin, Leiter für Qualität und Umwelt

Enormer Fortschritt dank Fortschritt der Normen

Eine Verfahrensoptimierung und der Wechsel auf andere Materialien haben im Werk zu massgeblichen Energieverbesserungen geführt. Lange wurde PE-Xb als Rohstoff eingesetzt, ein sogenannt vernetztes Polyäthylen. Um die Vernetzung des Materials zu aktivieren, mussten die Rohre eine besondere Produktionsstufe durchlaufen. «Die Rohre lagen während acht Stunden bei 110 Grad und einem Druck von zwei Bar im Wasser eines Autoklaven, was sehr energieintensiv war», erklärt Jeanbourquin. «Wir hatten eine Lösung gefunden, um das Warmwasser zu entgasen und wiederzuverwenden und dadurch den Gas- und Wasserverbrauch um 60 beziehungsweise 90 Prozent reduziert.»

Das Aufkommen des bereits erwähnten PE-RT hat die Situation nochmals verbessert. RE-RT gehört zur gleichen chemischen Gruppe wie PE-Xb, weist ebenfalls eine gute Warmwasserbeständigkeit auf, benötigt jedoch zur Vernetzung keine Autoklav-Behandlung am Ende der Produktionslinie. «Als PE-RT in die ISO-Normen für Trinkwasserrohre aufgenommen wurde, eröffneten sich uns ganz neue Energieperspektiven. Es erforderte allerdings auch etwas Geduld», unterstreicht Jeanbourquin. «Zuerst mussten uns die Akkreditierungsstellen die Zulassung für unsere PE-RT-Verbundrohre erteilen. Dazu waren Tests in zugelassenen Labors erforderlich, was ungefähr zwei Jahre dauerte. Erst dann konnten wir unsere Einrichtungen anpassen.» Der Einsatz von PE-RT in unserer Produktion begann 2016 und hatte eine erneute Reduktion unseres Gasverbrauchs um 60 Prozent zur Folge. Die Emissionen unseres Werks entsprechen heute, in CO2-Äquivalenten ausgedrückt, einem Sechstel des Ausstosses von 2013. Seit 2003 wurde der Gasverbrauch für die Produktion eines Laufmeters Rohr um beinahe 90 Prozent verringert.

Neben den direkten Massnahmen, die bei Herstellungsprozessen und Produkten zur Reduktion des Energieverbrauchs und des CO2-Fussabdrucks ergriffen werden können, sind Normen ein guter Ansatz für die Dekarbonisierung, können bisweilen aber auch zu einer Bremse werden. Ebenfalls im Bereich der neuen Materialien, aber diesmal nicht in Givisiez, sind gewisse Überregulierungen beim Zement zu erwähnen: So schreiben die Normen den Einsatz reinen Zements vor, wo gemischte Zemente aus Recyclingstoffen mit einer erheblich besseren CO2-Bilanz ausreichen würden. Zurück bei den Trinkwasserrohren betont Jeanbourquin zum Schluss: «Geberit ist in vielen EU- und Nicht-EU-Ländern vertreten, die alle eigene Normen haben. Wie unsere Umstellung auf PE-RT gezeigt hat, ist jede Veränderung der Materialzusammensetzung mit einem langen, kostspieligen und komplizierten Zulassungsprozess verbunden.»

Liefe doch alles so flüssig wie die stetige Abfolge der Verbundrohre, die wir während unseres Besuchs in Givisiez beobachten konnten…


Geberit Fabrication SA
Givisiez (FR)

Die weltweit tätige Geberit Gruppe ist europäischer Marktführer für Sanitärprodukte. Sie verfügt in den meisten Ländern Europas über eine starke lokale Präsenz und bietet sowohl auf dem Gebiet der Sanitärtechnik als auch im Bereich der Badezimmerkeramiken einzigartige Mehrwerte.

Die Fertigungskapazitäten umfassen 29 Produktionswerke, davon 23 in Europa, drei in den USA und drei in Asien. Der Konzernhauptsitz befindet sich in Rapperswil-Jona in der Schweiz. Mit rund 12 000 Mitarbeitenden in rund 50 Ländern erzielte Geberit 2020 einen Nettoumsatz von drei Milliarden Franken. Die Geberit Aktien sind an der SIX Swiss Exchange kotiert und seit 2012 Bestandteil des SMI (Swiss Market Index).

WEITERE INFORMATIONEN

Fünf Schritte sind bei der Umsetzung einer CO2-freien Produktion Erfolg versprechend:

Schritt 3: Prozessumstellung

In vielen Fällen können Prozesse auf weniger hohe Temperaturanforderungen, oft verbunden mit einem geringeren Energiebedarf, umgestellt werden. Solche Prozessumstellungen können sich lohnen, aber auch teuer und risikobehaftet sein. Entsprechend ist hier eine gewisse Zurückhaltung zu spüren. Begründungen wie: «wir lassen es so – so hat es immer funktioniert» oder «lass die Finger von den Einstellungen, das habe ich von meinem Vorgänger so übernommen» sind häufige und nachvollziehbare Reaktionen. In die Black-Boxen der Prozesse hineinschauen und dafür das nötige interne oder externe Fachwissen einsetzen, gewisse Risikobereitschaft und -fähigkeit, viel Innovation, Forschung und Entwicklung spielen für emissionsreduzierende Prozessumstellungen eine wichtige Rolle. Möglicherweise braucht es darüber hinaus Instrumente zur Absicherung von Risiken, um die Umsetzung von emissionsreduzierenden Prozessumstellungen anzustossen. Dies könnten Risikogarantien für grosse Technologiesprünge sein.

Entwicklung und Anpassungsfähigkeit sind herausragende Eigenschaften der Metalcolor AG in Forel (VD), die zu grossen Teilen mit der Verbesserung der Energieeffizienz zusammenhängt. Metalcolor wurde 1981 gegründet und ist auf das «Coil coating», die kontinuierliche Bandbeschichtung von Aluminium, spezialisiert, das hauptsächlich bei der Herstellung von Lamellenstoren zum Einsatz kommt. «Es ist das wirksamste, sicherste, aber auch umweltverträglichste Verfahren, um hochwertige Farben auf Metalloberflächen anzubringen», erklärt Chemieingenieur Denys Kaba, General Manager der Metalcolor AG.

Die industrielle und kommerzielle Stärke von Metalcolor liegt in der Leistungsfähigkeit ihrer Produktion und im durchdachten Betriebskonzept, deren Kombination kurze Lieferfristen und massgeschneiderte Produkte in einer unbegrenzten Farbauswahl ermöglichen. Zwei Beschichtungsanlagen, von denen eine 2021 mit einem zusätzlichen Beschichtungsabschnitt ausgerüstet werden soll, liefern Chargen von 100 Kilogramm bis mehreren Dutzend Tonnen. Ergänzt werden sie durch zwei Spaltanlagen. Die Jahresproduktion, die zu 93 Prozent in die Europäische Union exportiert wird, ist seit 2004 von 8000 auf 16 000 Tonnen gestiegen. Die Aufhebung des Euro-Mindestkurses 2015 hat diese Entwicklung kaum behindert.

In der Summe liegt der Erfolg

In dieser Zeit hat Metalcolor es geschafft, seinen Gasverbrauch bei gleichbleibender Produktion um zwei Drittel zu verringern, und zwar durch Erneuerung der Anlagen, Optimierung ihrer Nutzung, durch ständige Verbesserung der Rezepturen und systematische Wärmerückgewinnung. «Wir haben ausserdem die Abläufe in Abstimmung mit unseren Werksarbeitern für eine schlanke Produktion optimiert und so die manuellen Eingriffe, Bewegungsabläufe, Zeitaufwand und Rohmaterialverbrauch verbessert», erklärt Kaba. Auf einer unserer Beschichtungsanlagen wurde beispielsweise ein neues Verfahren eingeführt, mit dem die Neustartzeit der Maschinen beim Übergang zur nächsten Bestellung mit Farbwechsel verringert wird. «Dank dieser Energie- und Zeitgewinne konnten wir, wie mit den übrigen Massnahmen, unseren ökologischen Fussabdruck und gleichzeitig auch unsere Kosten reduzieren. So haben wir 2015 dem Schock standgehalten.»

Ständige interne Verbesserung

Die Verbrennung der Lösungsmittel ist ein Paradebeispiel für die ständige Weiterentwicklung der Verfahren. Nach mehreren Optimierungen wurde die Verbrennungsanlage 2018 durch ein regeneratives Modell ersetzt, das bei geringerem Strom- und Gasverbrauch und tieferem CO2-Ausstoss einen besseren Lösungsmittelabbau ermöglicht. Das Warmwasser aus der ebenfalls verbesserten Wärmerückgewinnung dient der Beheizung der neuen Lager- und Versandhalle, die sich über 2800 Quadratmeter erstreckt, der Produktionshalle und der bisher ölbeheizten Büroräume.

Eine weitere Neuerung ist die digitale Steuerung der Druckluftanlage, die «eine grosse Energieeinsparung» bringt, wie ISO-Koordinatorin Morgane Bourdon erklärt. Und damit sind die Effizienzsteigerungen bei Metalcolor noch längst nicht abgeschlossen. Geplant sind eine 1100 Kilowatt-Peak Photovoltaikanlage auf dem Dach, die Optimierung der Warmluftrückgewinnung in den Öfen, ein zusätzlicher Beschichtungsabschnitt auf den Beschichtungsstrassen und damit weitere Gas- und Stromeinsparungen.

Dämmung – Immer aktuell

Unweit von Forel, in Châtel Saint-Denis (FR), arbeitet Chemieingenieur Jacques Esseiva, der technische Direktor von swisspor Romandie, an einem neuen Projekt zur Erreichung der CO2-Neutralität in den Werken Châtel I und II. Wie in Châtel I, das Dämmstoffe aus expandiertem Polystyrol herstellt, möchte er in Châtel II die Wärmerückgewinnung bei der Produktion der Polyurethan-Isolationsplatten optimieren.

Beim Dämmspezialisten swisspor beginnt Energieeffizienz selbstverständlich mit optimaler Gebäudeisolation und Dächern, die grossflächig mit Photovoltaik-Modulen bedeckt sind. Die Wärmerückgewinnung in den zwei Werken beheizt neben den Hallen und Büros auch die Einfamilienhäuser neben Châtel I. In Châtel II dienen die 12 500 Quadratmeter des Betonbodens zwischen der Produktionshalle im Erdgeschoss und der darüberliegenden Lagerfläche als Wärmespeicher und Puffer bei saisonalen Schwankungen.

Die Einrichtungen werden bei jeder Geräteanpassung systematisch auf beste Energieeffizienz eingestellt. Neue Verfahren liefern ausserdem ebenfalls beeindruckende Ergebnisse. «In Châtel I hat ein Technologiewechsel bei der Verarbeitung von Pentangas eine jährliche Verminderung des Erdgasverbrauchs von 400 000 Kubikmetern gebracht», erklärt Esseiva. Der restliche Gasverbrauch ist heute CO2-neutral zertifiziert.

Wärme vorgelagert nutzen

In der grossen Produktionshalle von Châtel II werden jährlich 2 600 000 Quadratmeter Polyurethan in verschiedenen Dicken hergestellt. Der Prozess beginnt mit einer leicht schaumigen Masse, die bei der Vermengung von Polyalkohol mit einem Isocyanat und der Beigabe eines Treibmittels, hier Pentan, entsteht. Der Schaum härtet innerhalb weniger Sekunden und muss deshalb sehr schnell in Platten abgeformt und anschliessend ober- und unterseitig kaschiert werden. Die Platten werden zuerst in 7.2 Meter lange Stücke geschnitten und durchlaufen danach einen 1.7 Kilometer langen Weg, der zuerst nach oben und schliesslich nach unten zu den Schneide- und Verpackungsanlagen führt. «Auf diesem Weg», erklärt Esseiva, «setzen die Platten nach und nach die Wärme aus der stark exothermen chemischen Reaktion frei. Diese Wärme wird heute in einem Kühlturm gespeichert und für die Raumheizung und Warmwassererzeugung genutzt. Mit einer vorgelagerten Rückgewinnung könnten wir aber den Erdgasverbrauch sogar auf Null senken.» Fortsetzung garantiert…

Andere Geschichte, gleiches Thema

Die Blanchisserie du Léman hat ihren Sitz seit 2011 in der Industriezone von Satigny (GE), wo sie einen Teil einer grossen Halle nutzt. Schon beim Einzug war Energieeffizienz ein wichtiger Aspekt, der mit modernen Einrichtungen und Konzepten umgesetzt wurde.

Auf den ersten Blick wirkt die Wäscherei wie ein riesiger Bienenstock. Unter der LED-Beleuchtung, wo früher 450 Leuchtstoffröhren hingen, wimmelt es nur so. Täglich kommen hier bis zu 20 Tonnen Wäsche und Kleider aus Hotellerie und Gesundheitswesen zusammen. Alles wird sorgfältig sortiert, denn «jedes Wäschelos kann Überraschungen enthalten, seien es Gläser, Besteck oder auch mal einen Fisch!» lacht Direktor Denis Mauvais. Ein Teil der Wäsche wird den kleinen Waschmaschinen für Spezialitäten wie besondere Hygienebedürfnisse zugeführt, der Rest gelangt in einen der zwei grossen Waschtunnels, die sich über rund 15 Meter erstrecken. Die Wäsche wird in 50-Kilo-Säcke geladen, über ein schwebendes Schienensystem transportiert und fällt dann Sack für Sack in das erste der dreizehn Module des Waschtunnels. Jedes Los wird über eine riesige Schraube im Innern des Waschtunnels von einem Modul zum andern befördert. Die Anlage verarbeitet stündlich 1200 Kilogramm Wäsche. Alles ist bis ins letzte Detail softwaregesteuert: Kundenzuweisung, Wäscheart, hochpräzise Dosierung der chemischen Zusätze.

Die Einhaltung einiger weniger Regeln garantiert einen ebenso sparsamen Wasserverbrauch. Jede Maschine läuft voll beladen, sauberes Wasser wird nur wo nötig eingesetzt und das Spülwasser wird für die Vorwäsche ein weiteres Mal verwendet. Auch die Warmwasserproduktion wird streng kontrolliert. Über einen Wärmetauscher heizt das Abwasser aus den Waschtunnels das einlaufende Frischwasser vor. «Die Blanchisserie du Léman verbraucht durchschnittlich 600 Kubikmeter Wasser pro Woche fürs Waschen, Bügeln und Falten von 80 bis 100 Tonnen Wäsche. Das entspricht einem Verbrauch von rund 6.5 Liter Wasser pro Kilogramm Wäsche, zwei- bis dreimal weniger als bei haushaltsüblichen Geräten», erklärt Mauvais.

Einer der ersten und wichtigsten Energieentscheide ist jedoch viel unauffälliger als die Waschtunnels oder die Bildschirme der Steuerzentrale. Verschwunden sind die Hochdruckheizkessel, die früher mit 12 Bar in jeder Grosswäscherei 180 Grad heissen Wasserdampf für das Bügeln und Falten der Wäsche erzeugten. «Wir haben hier fünf kleine Heizkessel, die gleich neben den Mangeln stehen. Sie gewährleisten einen kurzen Tiefdruckkreislauf, in dem die benötigte Wärme mit Thermoöl verteilt wird.»

Die Entscheide der Anfangsphase und die späteren technischen und arbeitsspezifischen Anpassungen, beispielsweise kürzere Aufstart- und Betriebszeiten, haben es ermöglicht, von 2013 bis 2019 «den Erdgas- und Stromverbrauch insgesamt konstant zu halten, während das Wäschevolumen gleichzeitig um satte 44 Prozent zunahm». Im Lauf der Jahre ist also der Energiebedarf für die Verarbeitung eines Kilogramms Wäsche von anfänglich 1.7 auf unter 1.1 Kilowattstunden gesunken. Die positiven Effekte dieser Entwicklung waren Kostenminderungen, ein finanzielles Plus aus der Rückerstattung der CO2-Abgabe und schliesslich eine Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit.

Ein guter Grund also, diese Leistung nicht auf die Wäscherei zu beschränken. Mauvais dazu: «Wir setzen alles daran, um Abhol- und Lieferfahrten zu reduzieren, fokussieren uns bewusst auf lokale Kunden und setzen bei der Wahl unserer Lastwagen immer auf die beste Norm.»

Industrielle Arten in der Evolution: ein Nachwort

Unternehmen entwickeln sich als eine Art «Industriespezies» von Generation zu Generation weiter, um den stetigen Wandel ihres wirtschaftlichen und rechtlichen «Ökosystems» und ihrer Umwelt nachzuvollziehen. Dabei verbessern sie ihre «Lebensweise» mit immer neuen Infrastrukturen und Strategien, die den optimalen Einsatz von Energie- und Materialressourcen und den eigentlichen Unternehmenszweck einer effizienten Produktion sicherstellen. Wichtigster Trend ist heute die Aufrüstung der unternehmerischen «Nervensysteme» mit Rechnern, die den Betrieb der verschiedenen Anlagen anhand von Sensoren und technologischen Innovationen optimieren und aufeinander abstimmen. Ein Blick in die Natur zeichnet ein faszinierendes und vielversprechendes Bild: Seit fast vier Milliarden Jahren ist eine ausgewogene, wirksame Entwicklung auch ein Zeichen für Nachhaltigkeit. In industrieller Hinsicht verfügen wir ausserdem über die wertvolle Möglichkeit, diese Entwicklung zu beeinflussen und zu steuern.

«Hochtemperatur-Wärmepumpen liefern Prozesswärme bis 160 Grad Celsius»

Interview mit Dr. sc. techn. Cordin Arpagaus, Fachhochschule OST (ehemals NTB) in Buchs, Institut für Energiesysteme (IES)

Herr Arpagaus, welche Bedeutung haben Wärmepumpen für die Schweizer Industrie?

Wärmepumpen werden heute in neuen Wohn- und Gewerbeliegenschaften sehr oft zur Bereitstellung von Heizwärme und Warmwasser eingesetzt. In der Industrie erzeugen sie Prozesswärme von typischerweise 80 Grad Celsius. Mit der Nutzung industrieller Abwärme können Wärmepumpen aus einer Kilowattstunde elektrischer Energie – idealerweise aus erneuerbaren Quellen – vier Kilowattstunden Prozesswärme bereitstellen. Sie leisten damit einen wichtigen Beitrag zur Energieeffizienz und zur CO2 Reduktion durch Austausch von Gas- und Ölheizungen, die heute meistens zur Herstellung von Prozesswärme eingesetzt werden. Viel mehr als die Hälfte des Energiebedarfs der Schweizer Industrie ist Prozesswärme.

In welchen Branchen werden Wärmepumpen bisher eingesetzt?

Ein typisches Anwendungsgebiet ist die Lebensmittelindustrie. Hier kommen vielerorts Kältemaschinen zum Einsatz. Deren Abwärme kann von Wärmepumpen genutzt werden, um Prozesswärme im Bereich von 80 bis 90 Grad Celsius bereitzustellen, wie sie in der Lebensmittelindustrie vorzugsweise gebraucht wird. In der Schweiz werden jedes Jahr rund 200 grosse Wärmepumpen mit über 100 Kilowatt Heizleistung installiert. Sie kommen unter anderem in diversen Industriebranchen und Fernwärmenetzen zum Einsatz. Nicht selten stellt eine Wärmepumpe die Grundlast sicher, während ein Gaskessel die Spitzenlast abdeckt.

Prozesswärme wird in vielen Fällen bei Temperaturen von 100 und mehr Grad benötigt.

Moderne industrielle Hochtemperatur-Wärmepumpen stellen Prozesswärme in Form von heissem Wasser und Dampf auf unterschiedlichen Druckniveaus bis 160 Grad Celsius bereit. Das erweitert die Einsatzmöglichkeiten von Wärmepumpen in der Industrie enorm, insbesondere bei Trocknungsprozessen oder zur Sterilisation und Pasteurisation. Neben der Lebensmittel- und Getränkeindustrie sind die Papier-, Chemie-, Metall- und Kunststoffindustrie angesprochen, aber auch die Holz- und Futtermittelindustrie.

Wie stellt ein Unternehmen fest, ob der Einsatz einer Wärmepumpe sinnvoll ist?

Am Anfang sollte eine gesamtheitliche thermische Betrachtung aller Heiz- und Kühlprozesse stehen. Ich empfehle dafür eine Pinch-Analyse. Sie zeigt, welche Prozesse sich gut miteinander koppeln lassen und wo Potenzial für Wärmerückgewinnung vorhanden ist. Die Berücksichtigung der Pinch Temperatur ermöglicht eine Auslegung des Wärmepumpen-Systems mit maximaler Effizienz. Der Energieverantwortliche des Unternehmens sollte für eine Pinch-Analyse erfahrene Berater zuziehen und die nötige Zeit dafür vorsehen; sie kann bis zu drei Monate in Anspruch nehmen. Die Analyse wird vom Bundesamt für Energie finanziell unterstützt.

Lohnt sich der Einsatz einer Wärmepumpe finanziell?

Eine industrielle Wärmepumpe ist in der Anschaffung zwar teurer als ein Gaskessel, über den ganzen Lebenszyklus hinweg betrachtet mit langer Betriebszeit fährt der Nutzer unter Berücksichtigung der tieferen Betriebskosten aber oft günstiger. Die Wirtschaftlichkeit einer Wärmepumpe steigt mit tieferem Preisverhältnis von Strom zu Gas und höherer Leistungszahl (COP). Zusätzlich zu berücksichtigen sind Umweltabgaben auf CO2-Emissionen, die insbesondere bei fossilen Brennstoffen zukünftig noch deutlich steigen können.

Literaturhinweis:
Dr. Cordin Arpagaus: Hochtemperatur-Wärmepumpen: Marktübersicht, Stand der Technik und Anwendungspotenziale, ISBN 978-3-8007-4550-0 (Print), 978-3-8007-4551-7 (E-Book), VDE Verlag, 2019.

WEITERE INFORMATIONEN

26 Landwirte verbessern die Effizienz ihrer Geflügelmastställe. Ein Erfolgsbeispiel, das zeigt, wie mit der richtigen Gruppendynamik nicht nur CO2 und Kilowattstunden eingespart werden.

Erich Jungo, der gebürtige Freiburger, ist der Präsident des Vereins GMDK und will mit der Nachhaltigkeit der Region etwas zurückgeben. Der Familienbetrieb führt er in der fünften Generation.

Die grosse Fotovoltaikanlage auf dem Landwirtschaftsbetrieb Jungo ist von Weitem erkennbar. Uns interessiert, welches Effizienzsteigerungspotenzial sich darunter im Gefügelstall verbirgt.

Der Geflügerstall in Schönholzerswilen punktet durch eine hohe Effizienz. Seit Oktober 2018 wird er von Legehennen bewohnt.

Als Initiator der Gruppe lässt Markus Zürcher in seinem Betrieb in Schönholzerswilen kaum einen Prozess ungetestet.

Fünf Schritte sind bei der Umsetzung einer CO2-freien Produktion Erfolg versprechend:

SCHRITT 1: EFFIZIENZSTEIGERUNG

Insbesondere bei der Umsetzung von Massnahmen in den Prozessen ist das Potenzial für die Reduktion des CO2-Ausstosses durch Effizienzverbesserungen immer noch hoch. Durch Betriebsoptimierungen, den Einsatz verbesserter Technologien und Innovationen, prozessinterne Wärmerückgewinnung und Abwärmenutzung mit PinCH-Design können die Emissionen heruntergefahren werden. Die Effizienzsteigerungsmassnahmen für den klimaschonenden Einsatz von Prozesswärme und Prozessen sind für viele Betriebe häufig auch die kosteneffizientesten Massnahmen.

Weitere Schritte


Zugegeben, ein Geflügelmaststall ist auf den ersten Blick energietechnisch wenig komplex. Eine Halle, eine Gebäudehülle, eine Heizung und eine Beleuchtung. Das ist alles, was es an Haustechnik für den Betrieb braucht. Dennoch fällt durch den Geflügelstall ein permanenter Heiz- und Stromverbrauch an. Der erste logische Schritt? Effizienzverbesserungen – natürlich stets der Maxime des Tierwohls und der artgerechten Haltung folgend.

EINE LÖSUNG MUSS HER

Gerade im Kleinbetrieb fehlt aber oft das nötige Know-how, die personellen Ressourcen oder der finanzielle Anreiz über die Rückerstattung der CO2-Abgabe, um die Energiebilanz zu verbessern. Man könnte meinen, die Geschichte ende hier. Weit gefehlt. Denn damit gab sich der gelernte Landwirt, Kaufmann und studierte Betriebsökonom Markus Zürcher nicht zufrieden. Für seinen Landwirtschaftsbetrieb in Schönholzerswilen im Thurgau suchte er 2012 deshalb nach einer Lösung – noch unwissend, dass sich daraus ein brancheninternes Musterbeispiel etablieren würde. Der Plan entwickelte sich im gemeinsamen Austausch mit dem EnAW-Berater und Mitglied der EnAW-Geschäftsleitung Stefan Krummenacher: Ist der Betrieb allein zu klein für die Rückerstattung der CO2-Abgabe, müssen mehrere Betriebe her. Aber ob Massnahmen und Modelle, die für Grossbetriebe konzipiert sind, auch in Kleinbetrieben funktionieren?

GEMEINSAM VIEL EINGESPART

Um das herauszufinden, schloss sich Zürcher mit dem befreundeten Landwirt Erich Jungo aus Düdingen im Kanton Freiburg zusammen. Denn eines war klar: Genügend Geflügelmastbetriebe bringt man nur mit guten Beziehungen und gesamtschweizerisch zusammen. Im Frühsommer 2014 war es so weit: Als Gruppe Geflügelmastbetriebe Dritter Kraft (GMDK) haben 26 Betriebe aus der ganzen Schweiz – insbesondere aus der Ost- und Westschweiz – über das Energie-Modell der EnAW eine gemeinsame Zielvereinbarung mit dem Bund abgeschlossen und damit den Grundstein für die Verbesserung der Energiebilanz ihrer Ställe gelegt. Mit Erfolg: Seither konnte der CO2-Ausstoss im Vergleich zum Ausgangsjahr um 21.8 Prozent respektive 276 Tonnen reduziert werden. Die Energieeffizienz konnte im gleichen Zeitraum um 22 Prozent gesteigert werden. Die Einsparungen, so Krummenacher, resultieren direkt aus der Massnahmenumsetzung der einzelnen Betriebe. Ein Beweis dafür, dass Kleinvieh auch Mist macht – und das nicht nur im Hühnerstall.

Gerade als Kleinbetrieb sind wir auf den Austausch angewiesen.

Erich Jungo, Landwirt und Präsident des Vereins GMDK

GASKANONEN UND ENERGETISCHE TEUFELSKREISE

Das Raumklima ist bei Stallungen ein sensibles Thema. Energietechnische und thermodynamische Zusammenhänge müssen verstanden sein. Die Hühner mögen es gerne warm und nicht zu feucht – Heizen und Lüften machen also die Prozesse aus. Um die richtigen thermodynamischen Anforderungen zu finden, braucht es Fingerspitzengefühl. Als Markus Zürcher auf dem Hof in Schönholzerswilen im Thurgau 2002 seinen Stall für die Geflügelmast baute, war klar, dass die Wärmeerzeugung über Gaskanonen laufen wird – der damalige Standard in der Branche. «Das ist einfach und kostengünstig in der Investition», so der Landwirt. Gaskanonen erzeugen Wärme über die Verbrennung von Gas und blasen diese – wie es der Name sagt – durch ein Rohr in den Stall. Aber neben der heissen Luft gelangen bei herkömmlichen Gaskanonen auch Verbrennungsabgase, namentlich CO2, in den Stall. «Den CO2-Wert gilt es für das Tierwohl und den Betrieb aber tief zu halten», weiss Zürcher. Um das CO2 und die durch das Propangas entstehende Feuchtigkeit aus dem Stall zu ziehen, muss regelmässig gelüftet werden. Das führt wiederum je nach Wetter zu tieferen Temperaturen und einer höheren Feuchtigkeit, weshalb wieder mehr geheizt werden muss. «Wir haben es hier mit einem Teufelskreis zu tun», erklärt er.

AUF DIE ISOLATION KOMMT ES AN

Ansätze, wie man diesen thermodynamischen Teufelskreis aufbrechen kann, gibt es mehrere. Eine einfache, aber wirkungsvolle Effizienzsteigerung liefert die Gebäudehülle: «Als wir den Stall gebaut haben, haben wir eine 60 Millimeter dünne Decke gebaut. So etwas ist heute gar nicht mehr erlaubt», so Zürcher. Als erste Effizienzmassnahme hat er deshalb sämtliche Fenster ausgewechselt, die Isolation der Decke auf 120 Millimeter verdoppelt und komplett geschäumt, sprich luftdicht gemacht. «Den Energiebedarf konnten wir allein durch diese Massnahme um mehr als 20 Prozent senken, da die Wärme nicht mehr entweicht und weniger Feuchtigkeit eindringt.» Das entspricht einer durchschnittlichen Reduktion von 15 Tonnen CO2 pro Jahr.

Doch die Gaskanonen liefen weiter. Gerade in kalten Monaten waren sie im Dauerbetrieb, der Gasverbrauch entsprechend verbesserungsbedürftig. Die Lösung: eine Bodenheizung. Dadurch, dass dort geheizt wird, wo die Wärme gebraucht wird – nämlich am Boden beim Tier –, kann die Heizleistung fast halbiert werden. Eine Massnahme, die sich nicht nur energetisch lohnt und das Budget schont, sondern auch die Hühner freut. Denn «wie wir Menschen haben auch die Hühner nicht gerne kalte Füsse», schmunzelt Zürcher.

DOPPELT PUNKTEN

Mit den hohen Heizkosten und dem dadurch verbundenen CO2-Ausstoss suchte auch Erich Jungo für seinen Betrieb in Düdingen nach einer besseren Lösung. Bereits zwei Jahre nach dem Bau der Geflügelmasthalle investierte er deshalb in einen Wärmetauscher. Und punktet damit gleich zweifach. Die Zuluft von aussen wird über den Wärmetauscher durch die warme Stallabluft vorgewärmt. Dadurch wird für die Wärmeerzeugung einerseits weniger Energie gebraucht und somit weniger CO2 ausgestossen. Andererseits ist die Luft, die durch den Wärmetauscher geht, weniger feucht. «Weniger Feuchtigkeit bedeutet ein trockneres Klima. Dadurch muss ich dem Stall weniger Feuchtigkeit entziehen und weniger heizen», erklärt Jungo.

Der Teufelskreis im Heizsystem ist durchbrochen, der CO2-Ausstoss vermindert. Das war ihm aber nicht genug. Just in diesem Jahr nahm er seine Holzschnitzelheizung in Betrieb und verbannte auch den letzten Verbrauch an fossilen Brennstoffen vom Hof. «Die Holzschnitzelheizung gibt weder CO2 noch Feuchtigkeit ab. Wir müssen also weniger lüften und sparen dadurch auch noch Strom», sagt Jungo und ergänzt, dass er diese Massnahme getroffen habe, um seine Vision von einer ökologischen und lokalen Produktion zu verwirklichen. Wirtschaftlich rechnen tut sie sich nicht – zumindest noch nicht. Was sich für beide Landwirte rechnet ist die lokale Produktion von Strom. Jungo, der heute sämtliche Energieträger betriebsintern erzeugt, hat seinen Geflügelstall und das Gebäude der Holzschnitzelheizung mit Fotovoltaikanlagen ausgestattet. Bei Zürcher ist die Remise von Solarmodulen eingekleidet, der Geflügelstall folgt in den nächsten Jahren.

EIN LICHT(LEIN) GEHT AUF

Apropos Strom: Dass die LED-Technik in der Energieeffizienz stark ist, wissen die Landwirte. Aber ein falsches Lichtspektrum beeinflusst das Verhalten der Tiere negativ. «Stimmt das Licht nicht, werden die Hühner nervös», so Jungo. Einem Kollegen aus der Gruppe GMDK sei genau das passiert. «Die Lampen mussten wieder abmontiert werden.» LED wird immer noch heiss diskutiert in der Gruppe. Jungo, der selbst auch auf LED-Lampen umgesattelt hat, weiss: «Auch Misserfolge bringen wertvolle Erkenntnisse.» Gerade Kleinbetriebe seien auf den Austausch mit anderen angewiesen, um zu lernen und Fehlinvestitionen zu vermeiden.

Der CO2-Wert muss tief sein – für den Betrieb und das Tierwohl im Stall.

Markus Zürcher, Landwirt und Betriebsökonom

DIE RICHTIGE DYNAMIK

Dieser wertvolle Austausch macht die Gruppe aus. Einmal jährlich – auf halber Strecke zwischen der Ost- und Westschweiz im Kanton Aargau – treffen sich die Landwirte zu ihrer Generalversammlung. Generalversammlung? Ja. Die Gruppe GMDK hat 2017 den gleichnamigen Verein gegründet, um die Prozesse und die Administration in der Gruppe möglichst reibungslos zu gestalten. Unter der Leitung von Präsident Jungo, Zürcher und EnAW-Berater Krummenacher tauschen sich die Landwirte über neue Projekte, die aktuelle Gesetzeslage sowie die Finanzierungsmöglichkeiten aus. Es wird rege und konstruktiv diskutiert. «Wir stellen diesen Mehrwert des Wissenstransfers allen Mitgliedern zur Verfügung», sagt Jungo. Die Entscheidungsfreiheit betreffend Massnahmenumsetzung liege aber bei jedem Mitglied selbst – ein Aspekt, den Jungo und Zürcher mehrfach betonen. Es werde nicht einfach ein Versuchskaninchen erkoren, um neue Massnahmen umzusetzen. «Das ist gar nicht nötig», sagt Zürcher. Denn einer sei immer an einer Massnahme dran. Auch entwickeln die Mitglieder eigene Ideen und neue Ansätze, die wiederum allen anderen etwas bringen könnten.

Diskutiert werden sie dann an der GV, mit der geschätzten fachlichen Beurteilung durch den EnAW-Energiespezialisten Krummenacher. Ob die Zweisprachigkeit denn gar kein Hindernis sei? Im Gegenteil. Das schweizweite Netzwerk sei sogar eine Chance. «Wir sind trotz Sprachbarrieren ein Miteinander », meint Jungo. Und wenn es doch mal hapern sollte, schlüpft der Präsident einfach in die Dolmetscherrolle. Auch Zürcher freut’s: «Diese Eigendynamik, die sich bei uns eingebürgert hat, die ist wirklich sehr sympathisch.»

«WIR SPAREN MEHR ALS NUR CO2 UND KWH EIN.»

Die Gruppenarbeit bietet noch mehr Vorteile als der reduzierte CO2-Ausstoss und die gesteigerte Energieeffizienz. Der regelmässige Austausch im Verein helfe, eine Betriebsblindheit zu unterbinden. «Wir befassen uns mit dem Energiethema und verschiedenen Massnahmen, werden nachhaltiger und sparen Geld – das ist das, was uns verbindet», meint der Präsident. Der Verein animiere dazu, auch mal ein Projekt umzusetzen, mit dem einer allein sich nicht befassen würde. Er ist überzeugt: «Diese Gruppendynamiken sind sicherlich ein Grund, weshalb unsere Zahlen so gut sind.» Ein zusätzlicher Motivator, um Effizienzmassnahmen umzusetzen, liefere die Rückerstattung der CO2-Abgabe. Im Jahresdurchschnitt erhält die Gruppe rund 80 000 Franken rückerstattet – Schweizer Franken, die wiederum in die Verbesserung der Energiebilanz investiert werden. Wie der Betrag aufgeteilt wird?

«Aufgrund des Solidaritätsgedankens in der Gruppe haben wir uns gegen einen Verteilschlüssel mit Provision entschieden. Das würde den falschen Anreiz setzen», findet Zürcher. Es gibt eine Pauschale nach dem Solidaritätsprinzip, die jeder bekommt. Denn es braucht die «kleinen» wie auch die «grossen» Verbraucher. Der Rest wird je nach Fläche des Stalls aufgeteilt. Jungos Gesamtbilanz: «Mit den gemeinsamen Effizienzsteigerungen machen wir etwas Nachhaltiges für die Region, bleiben wettbewerbsfähig, verbessern das Image und kurbeln die bilaterale Vernetzung unter Gleichgesinnten an.» Die Gruppe Geflügelmastbetriebe Dritter Kraft (GMDK) steht also für viel mehr, als reine CO2– und Kilowattstundenreduktionen.


«MOTIVIERT, NEUE WEGE ZU GEHEN.»

Im Interview mit Stefan Krummenacher, Mitglied der EnAW-Geschäftsleitung und Bereichsleiter

Herr Krummenacher, Sie beraten und begleiten die Gruppe der Geflügelmastbetriebe Dritter Kraft (GMDK) seit Beginn. In der Gruppe hat sich eine gute Eigendynamik entwickelt. Worin besteht Ihre Aufgabe als Gruppenmoderator?

Adrian Zimmermann und ich versuchen, Prozesse anzustossen, indem wir Daten vergleichen. Wir vergleichen beispielsweise einen Stall mit und ohne W.rmerückgewinnung und zeigen an der Generalversammlung dann auf, was die Landwirte mit der Massnahmenumsetzung gewinnen können. Auch beobachten wir den Markt: Was funktioniert in anderen Ställen, beispielsweise in einem Viehstall? Kann man etwas «abkupfern»? Wir orientieren uns dabei auch an anderen Branchen. Wenn wir neue Ideen oder Ansätze haben, bringen wir sie an die Generalversammlung mit. Die Erfahrung zeigt, dass vieles, was in grösseren Betrieben funktioniert, unter den richtigen Rahmenbedingungen auch im Kleinbetrieb funktioniert.

In der Theorie spielt bei Effizienzsteigerungsmassnahmen auch die PinCH-Analyse eine Rolle. Ist das im Hühnerstall eine Option?

Nein, das wäre mit Kanonen auf Spatzen geschossen. Die PinCH-Analyse kommt dann zum Zuge, wenn die Energieflüsse komplexer werden. Das ist eher in grösseren Betrieben der Fall, wie beispielsweise bei den Grastrocknern. Die landwirtschaftliche Energie-Modell-Gruppe der Grastrockner und die Gruppe Käsereien (Fromarte) haben uns übrigens zur Initialisierung der Gruppe GMDK inspiriert.

Weshalb ist die Gruppe GMDK ein Erfolgsbeispiel?

Für mich gibt es drei Gründe. Erstens haben die Betriebe tatsächlich etwas davon. Die CO2-Reduktionen sind beträchtlich und die finanziellen Rückflüsse erfreulich. Das Geld investieren die Landwirte häufig in neue Massnahmen, was auch zur Stärkung der Wettbewerbsfähigkeit beiträgt. Der zweite Punkt ist der gesellschaftliche Aspekt: Das jährliche Zusammenkommen an der Generalversammlung ermöglicht einen regelmässigen Erfahrungsaustausch, fördert die gegenseitige Motivation und kurbelt Diskussionen rund um Energiethemen an. Gerade im Erfahrungsaustausch zeigt sich der Vorteil der Gruppenintelligenz gegenüber der Einzelintelligenz sehr schön: Die Teilnehmer sind wirklich motiviert, auch neue Wege zu gehen. Drittens profitieren alle: die Landwirte, die EnAW und die Umwelt. Das ist einfach EnAW vom Feinsten!

Hat das Modell das Potenzial, expandiert zu werden?

Eindeutig! Allerdings müssen bestimmte Voraussetzungen erfüllt sein. Die Gruppenmitglieder müssen in der Energieintensität und der Betriebsstruktur eine gewisse Homogenität haben. Dann braucht es eine tragfähige Struktur, in der die Gruppe beheimatet ist.

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