Traditionell wird Malzwhisky chargenweise in kupfernen Brennblasen destilliert. Nachdem der Kessel eines Destillierapparates mit der vergorenen Maische gefüllt wurde, wird dieser mit Wasserdampf beheizt. Mit Erdgas oder Kohle befeuerte Dampfkessel liefern die hier notwendige Prozesswärme. „Die Destillation dauert normalerweise mehrere Stunden und ist sehr energieintensiv", erklärt Gregor Schumm, Leiter der Verfahrenstechnik bei Piller Blowers & Compressors.

Neben den sehr hohen Energiekosten ist die Befeuerung der Dampfkessel mit fossilen Brennstoffen mit hohen CO₂-Emissionen verbunden. Bedauerlicherweise wird der Großteil der Energie, die für das Destillationsverfahren verwendet wird, bei der Kondensation des Alkohols in erster Linie über Kühlkreisläufe an die Umwelt abgeführt.

„Nach der Analyse des Destillationsprozesses im Hinblick auf unser Ziel, eine klimaneutrale Destillation bis 2026 zu erreichen, ist die Idee entstanden, die hocheffiziente Technologie der Mechanischen Brüdenverdichtung (MBV) als Ergänzung zu unserer üblicherweise verwendeten Thermischen Brüdenverdichtung (TBV) einzusetzen", sagt Neil Fraser, technischer Direktor bei Chivas Brothers.

Die Wärmerückgewinnung mittels Wärmepumpentechnologie ermöglicht es Chivas Brothers, die Energie aus dem Alkoholdampf, die vorher über die Kühltürme verloren ging, zurückzugewinnen und für das Beheizen der Brennblasen zu nutzen, was die Kohlendioxidemissionen deutlich verringert.

„Unser Kompressionswärmepumpen-Kreislauf basiert auf zwei Hauptkomponenten - ein vertikaler Kondensator und ein Verdichtersystem bestehend aus drei PILLER VapoFans in einer Reihe", erklärt der technische Direktor von Chivas Brothers Neil Fraser. In der neuen Konfiguration wird die latente Wärme der Produktdämpfe, die die Brennblase verlassen, durch den vertikalen Kondensator zurückgewonnen. Dieser Wärmetauscher produziert Niederdruckdampf, dessen Temperatur ein paar Grad geringer ist als die Kondensationstemperatur des Produkts.

Der Schlüssel zu einem hohen Wirkungsgrad ist es, die Unterkühlung und Druckverluste auf beiden Seiten zu vermeiden. Daher sind Fallfilmverdampfer ideal zur Rückgewinnung von Dampf aus der Kondensation. In diesem Fall liefert der Dampferzeuger 1500 bis 1600 kg/h bei etwa 80 Grad Celsius. Dieser Niederdruckdampf wird über ein dreistufiges VapoFan-System verdichtet und anschließend mit höherem Druck und höherer Temperatur dem Verdampfer des Destillationsapparats zum Heizen zugeführt. „Durch 90 kW elektrische Energie wird eine Brennblase rund 1 MW Heizleistung am Verdampfer zur Verfügung gestellt", ergänzt Gregor Schumm von PILLER. Die integrierte Wassereindüsung der VapoFans sättigt den Dampf, der anschließend zum Heizen der Brennblase dient, und erhöht den Wirkungsgrad.


Wärmepumpentechnologie

Durch die hohe Flexibilität im Betrieb und den Antrieb mit Frequenzumrichtern der VapoFans erfüllt die auf der Mechanischen Brüdenverdichtung basierende Wärmepumpentechnologie von PILLER perfekt die Anforderungen von Chivas Brothers. „Das Wärmepumpensystem passt sich den stetig ändernden Prozessbedingungen während der Destillation an und liefert dabei jeweils die Verdichtung, die in jeder Phase des Prozesses benötigt wird", betont Gregor Schumm. Beginnend mit einer hohen Temperaturdifferenz über den Prozess zu Beginn der Charge, wird die Geschwindigkeit zum Ende hin reduziert, wobei immer mehr Wasser am Dampferzeuger kondensiert wird. Der höhrere Wassergehalt im Kopfstrom erhöht die Destillattemperatur und ermöglicht einen höheren Sättigungsdruck am Eintritt des Verdichtersystems.

„Die fortwährende Anpassung an die Anforderungen des Prozesses steigert den Wirkungsgrad noch weiter. Die Charge beginnt mit einem COP von 9 und endet mit einem COP von 20, was zu einem durchschnittlichen COP von 12 führt", sagt Prozessingenieur Oscar Sgrott von PILLER. Der COP einer Wärmepumpe ist definiert als das Verhältnis zwischen der gelieferten thermischen Heizleistung (kW_th) und der elektrischen Leistungsaufnahme (kW_el). Sobald die Charge nach einigen Stunden destilliert ist, werden die VapoFans in zwei Minuten heruntergefahren und sind für die nächste Charge bereit. Die Verdichtung nach Bedarf gepaart mit hocheffizienten MBV-Maschinen führen zu beachtlichen COP-Zahlen. Neil Fraser von Chivas Brothers nennt noch einen weiteren großen Vorteil für Chivas Brothers: „Wasser als Kältemittel direkt an der Prozesseinheit ist der ideale Weg, um Produkt- und Umweltsicherheit mit hohem Wirkungsgrad einer Wärmepumpe zu kombinieren".

Ein erfolgreiches Pilotprojekt der MBV-Technologie wurde 2021 in der Glentauchers-Brennerei in Mulben, Schottland umgesetzt. Das Projekt, das teilweise durch den Scottish Industrial Energy Transformation Fund finanziert wurde, führt zu einer Energieeinsparung von 88% bei einer einzelnen Brennblase. Aufgrund dieses Erfolges entschied sich Chivas Brothers, zwei weitere MBV-Wärmepumpen an Brennblasen am Glentauchers-Standort zu installieren.

Das Teilen der Daten aus dem Pilotprojekt mit PILLER führte zu einer Verbesserung der Ventilatorenauslegung und -auswahl und letztlich zum Erreichen des durchschnittlichen COP von 12 zwischen Phase 1 und Phase 2. Bis heute haben die Installationen zusammen mit TBV-Technologie an den Brennblasen den Gesamtenergieverbrauch in der Glentauchers-Brennerei von Chivas Brothers in der Nähe von Keith im schottischen Speyside um fast die Hälfte (48 %) gesenkt und damit die Kohlendioxidemissionen um 53 % reduziert.

Bei voller Produktionsleistung wurden die Kohlendioxidemissionen von 8.290 Tonnen CO₂ auf 3.970 Tonnen CO₂ pro Jahr gesenkt. Da die MBV-Technologie als ein wichtiger Schritt hin zum ehrgeizigen Ziel einer klimaneutralen Whisky-Destillation bis 2026 bei Chivas Brothers gilt, hat das Unternehmen kürzlich im Rahmen seiner Finanzergebnisse für das Geschäftsjahr 2023 im September eine Investition von mehr als £60 Millionen in den nächsten drei Jahren angekündigt, um sein Ziel der klimaneutralen Destillation zu erreichen.