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Wissensbasierte Reduzierung des Energie- und Wasserbedarfs bei der Weinerzeugung mittels informationstechnologischer Hybride auf der Grundlage von Referenz-Petri-Netzen

Projekt

Umwelt- und Ressourcenschutz

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Umwelt- und Ressourcenschutz


Förderkennzeichen: AiF 18358 N
Laufzeit: 01.01.2015 - 31.12.2017
Fördersumme: 539.700 Euro
Forschungszweck: Angewandte Forschung

Im Unterschied zu anderen Branchen der Getränkeindustrie sind die Betriebe der Weinwirtschaft sehr stark an die Saisonalität der Traubenerzeugung gebunden. Viele Prozessaggregate, wie beispielsweise Maischeerhitzungsanlagen, Pressen, Gärkühlungen, Filter oder Abfüllanlagen, werden nur wenige Wochen übers Jahr genutzt. Aufgrund dieser temporär stattfindenden und voneinander isolierten Verfahrensschritte sind Wärmerückgewinnungssysteme häufig nur schlecht ausgelastet und die Bereitstellung von Kälte und Wärme kann mit hohen Stand-by-Verlusten zu Buche schlagen. Sowohl durch die diskontinuierliche Prozessführung als auch durch historisch gewachsene Betriebsstrukturen fehlt es in vielen Betrieben an energietechnischen und wasserwirtschaftlichen Abstimmungen von Anlagen bei der Traubenverarbeitung, im Gärkeller oder in der Abfüllung. Am Beispiel anderer Getränkesparten zeigt sich, dass sich Verkettungen von Teilprozessen in signifikanten Einsparpotentialen an Energie und Wasser niederschlagen. Effiziente Prozessketten, z.B. in Brauereien, sehen eine Aufbereitung und Mehrfachverwendung von Reinigungs- oder Kühlwasser vor, beinhalten innovative Energiegewinnungs- und Energierückgewinnungssysteme über Parallelprozesse und sind nach Prozessablaufplänen optimiert, indem Wärmetauschernetzwerke zur Wärmerückgewinnung, Energieversorgung und Prozessbedingungen aufeinander abgestimmt werden. Die großen Schwankungen im Strom- und Wasserbedarf sowie im Anfall von Abwässern während der Weinbereitung verdeutlichen, dass ein enormes Potential zur Steigerung der Energie- und Wassereffizienz vorhanden ist und die Betriebe der Weinwirtschaft aus ökonomischer, ökologischer und sozialer Verantwortung einen Beitrag zur Effizienzsteigerung leisten können. Bisherige Ansätze, den Energie- und Wasserbedarf in der Weinerzeugung über den simplen Vergleich mit branchenspezifischen Zahlen zu reduzieren, scheiterten in der Vergangenheit an den großen Unterschieden in den Betriebsstrukturen. Die Schwierigkeit, belastbare Benchmarks für die Weinproduktion zu finden, sind vor allem auf die Unterschiede in der Produktionstiefe, auf die Unterschiede im Produktportfolio, auf unterschiedliche Produktionsrichtungen und auf unterschiedliche Distributionswege zurückzuführen. Auch der Zu- und Verkauf von verschiedenen Erzeugungsstufen ist bei vielen Betrieben gängige Praxis. Betriebsstätten variieren darüber hinaus erheblich in Größe, Alter, Struktur und Lage, was die Betriebsausstattung und die Kostenstruktur unmittelbar beeinflusst. Zusätzlich sind in höherem Maße als bei anderen Getränkesparten die großen Jahrgangsunterschiede im Traubenertrag und in der Traubenqualität zu nennen, die sehr unterschiedliche Verfahrenstechniken nach sich ziehen und dementsprechend den Energie- und Wasserbedarf der Weinproduktion stark beeinflussen. Trotz der zahlreichen forschungsorientierten Untersuchungen zu innovativen und alternativen Verfahrenskonzepten in der Weinbereitung liegen Betrachtungen unter energie- und wasserwirtschaftlichen Gesichtspunkten nur in sehr begrenztem Umfang vor und zielen keineswegs auf gesamtheitliche Energiekonzepte in Weinwirtschaftsbetrieben ab. Beispielsweise wird in der Literatur berichtet, dass durch den Einsatz der Elektrodialyse zur Weinsteinstabilisierung ein Einsparungspotential an elektrischer Energie von 87,5 % und ein Einsparungspotential an Wasser von 65 % gegenüber der konventionellen Kaltstabilisierung möglich ist. Weiterhin geht eine andere Literaturquelle davon aus, dass durch den Einsatz der innovativen Kühlturm-Technologie zur Gärkühlung ein Einsparungspotential an elektrischer Energie von bis zu 70 % gegenüber konventionellen Verdichter-Kältemaschinen vorhanden ist. Während die in den Weinwirtschaftsbetrieben anfallenden Gesamtverbrauchsmengen an Wasser und Energie einfach zu beziffern sind, ist der tatsächliche Verbrauch einzelner Teilprozesse weitgehend unbekannt. Grund hierfür ist die häufig fehlende oder unzureichende Mess- und Automatisierungstechnik in der Weinherstellung, wodurch die Stoffströme sämtlicher Weinbereitungs- und Energieprozesse intransparent bleiben, was u.a. durch den hohen Grad der Saisonalität zu erklären ist. Die prozessbegleitende Messtechnik beschränkt sich auf die analytische Charakterisierung der Trauben bzw. des Mostes mittels Refraktometer oder FT-MIRMessungen, die Messung der Temperatur während der alkoholischen Gärung und vereinzelt mittels Messung der Gäraktivität durch Erfassung des CO2-Ausstoßes. Eine auf prozessbegleitenden Messungen basierende Visualisierung des Weinbereitungsprozesses sowie die Mengenerfassung und analytische Charakterisierung von Frisch- und Abwässern sind in den Weinwirtschaftsbetrieben in der Regel nicht zu finden. Die Zuordnung des Energieverbrauchs auf Teilprozesse über empirische oder errechnete Kennzahlen kann aufgrund der großen prozess- und betriebstechnischen Schwankungsbreiten in der Weinbereitung allenfalls als Näherung dienen. Dementsprechend ist eine Ermittlung von Einsparpotenzialen bisher nur überschlagsmäßig möglich. Ziel des Forschungsvorhabens ist die Reduzierung der Energie- und Wasserbedarfs bei der Weinerzeugung. Dazu soll ein hybrides, informationstechnologisches Werkzeug basierend auf Referenz-Petri-Netzen entwickelt werden, das in die Prozessleitebene der Betriebe integrierbar ist und auf im Prozess erfassten Daten eine Echtzeit-Abbildung und Visualisierung des Gesamtprozesses realisieren kann.

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