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CA- & Kältetechnik, 10.03.2012

OBSTLAGERUNG - MÖGLICHKEITEN DER ENERGIEEINSPARUNG

Welche technischen und strategischen Möglichkeiten der Energieeinsparung gibt es bei der Obstlagerung?
Entwicklungen im Bereich der Obstlagerung in den vergangenen Jahrzenten machen es heute möglich, dem Konsumenten über das ganze Jahr verteilt eine breite Palette an Obstarten anzubieten. Zudem haben sich die Möglichkeiten der Qualitätserhaltung während der Lagerung, auch über längeren Zeitraum, mit Hilfe moderner Technologien deutlich verbessert.
Eine stetige Intensivierung in der Landwirtschaft in den vergangenen Jahrzenten hat jedoch nicht nur zu einer Verbesserung des Angebotes sowie zu einer kontinuierlichen Belieferung des Marktes beigetragen, sondern auch zu einem zunehmenden Energieaufwand für die Herstellung und Lagerung gartenbaulicher bzw. landwirtschaftlicher Produkte geführt.
Steigende Energiepreise sowie zunehmende Diskussionen zum Thema CO2- Ausstoß im Zuge des Klimawandels geben Anlass dazu, sich auch im Bereich der Obstlagerung Gedanken zum Thema Energieeinsparung zu machen. Neben dem ökologischen Aspekt ist aber dabei auch der Wettbewerb von heimischem Obst mit Importware aus Übersee nicht zu vernachlässigen. So werden in den Medien häufig Energiebilanzen im Vergleich zwischen heimischer und Importware beschrieben, in denen das hier produzierte Obst nicht immer positiv abschneidet. Schlagwörter wie “nachhaltige Erzeugung“ oder “CO2- Foodprint“ werden in Zukunft vermutlich auch im Bereich von Agrarprodukten an Bedeutung gewinnen.
 

Energieverbrauch während der Obstlagerung

In Untersuchungen am Kompetenzzentrum Obstbau Bodensee wurde während einer fünfeinhalb monatigen CA-Lagerung der Energieverbrauch für Kühlung, Ventilation, Abtauen der Verdampfer sowie CO2-Adsorption gemessen. Die Versuche wurden dabei im Praxismaßstab in einem kommerziellen CA-Lager mit 200 t Äpfeln durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass jeweils ca. 40% der Energie (5826 kWh) für die Kühlung sowie für die Ventilation (5707 kWh) benötigt wurde. Für elektrisches Abtauen der Verdampfer und CO2-Adsorption wurden jeweils ca. 10% aufgebracht. Der Energieaufwand für das Herunterkühlen der Ware bei Lagerbegin sowie für sonstige elektrische Einrichtungen (N2-Generator, Beleuchtung usw.) wurde in der Studie nicht berücksichtigt.


Abbildung 1: Energieverbrauch (kWh) zur Lagerung von 200 t Äpfel während 5,5 Monaten CA-Lager

Maßnahmen zur Energieeinsparung bei der Obstlagerung
Im Folgenden sollen verschiedene Maßnahmen zur Energieeinsparung bei der Obstlagerung genauer beschrieben werden. Neben technischen bzw. baulichen Maßnahmen werden dabei auch lagerstrategische Aspekte besprochen. Bei Anwendung verschiedener Maßnahmen sollte jedoch immer die Erhaltung der Fruchtqualität im Vordergrund stehen.

Dimensionierung der Kälteanlage
Während der Lagerung erfolgt eine Wärmebelastung in den Räumen auf verschiedenen Wegen. Der Großteil der Kälteleistung einer Anlage wird zu Beginn der Lagerung benötigt, wenn die Feldwärme der Früchte auf die spätere Lagertemperatur gekühlt werden muss. Laut Untersuchungen nach Osterloh (1996) beträgt dieser Anteil in einem Apfellager ca. 70%. Der restliche Wärmeeintrag geschieht während der Lagerung größtenteils über die Wände bzw. den Boden sowie durch die Atmungswärme der Äpfel und durch sonstige Faktoren, wie der Abwärme elektrischer Geräte (z.B. der Beleuchtung).
Tendenziell ist der Energieverbrauch bei indirekter Kühlung (Verdampfer befindet sich außerhalb des Kühlraumes) höher zu bewerten als bei direkter Kühlung (Kältemittelverdampfer im Raum, Luftstrom wird direkt abgekühlt), hängt jedoch auch vom Wirkungsgrad des jeweiligen Kältemittels ab. Die Investitionskosten liegen zudem bei indirekter Kühlung um ca. 20 bis 25% höher als bei direkter Kühlung. Der Vorteil der indirekten Kühlung liegt vor allem in der geringeren Entfeuchtung der Räume, da hier zwischen den Kühlintervallen geringere Temperaturschwankungen im Raum auftreten.
Das Problem bei der Dimensionierung der Kälteanlage besteht darin, dass eine volle Auslastung der Anlage nur zu Beginn der Lagerung erfolgt, also von September bis ca. November, später diese jedoch nur noch bei ca. 20% liegt. Das heißt die Kältemaschine muss auf den Spitzenbedarf zur Einlagerung ausgelegt werden. Somit sind die Energiesparmöglichkeiten bei der Dimensionierung der Anlage relativ begrenzt. Die Verwendung stromsparender Ventilatoren, eine Optimierung der Nachlaufzeiten, sowie eine optimale Dämmung der Räume können einen Beitrag zur Reduzierung des Energieverbrauches leisten. Auch eine Bodenisolierung ist von Vorteil, da sie neben dem Energieverbrauch auch den Wasserverlust bodennaher Früchte reduzieren und somit den Erhalt der Fruchtqualität verbessern kann.
Von großer Bedeutung ist die Luftführung im Lager. Durch gezieltes Leiten des Luftstromes, z.B. durch Abschotten der Verdampfer, durch das Einhalten von Abständen zwischen den Kistenstapeln sowie durch gezieltes Anbringen von Luftleitblechen an der Decke gegenüber den Verdampfern, kann der Kontakt zwischen gekühlter Luft und den Früchten verbessert werden.
 

(A) Abschotten der Verdampfer; der Luftstrom wird gezwungen über die Kistenstapel zuströmen 


(B) Anbringen von Luftleitblechen in den  
Ecken gegenüber der Verdampfer.   



(C) beim Einlagern Stapelplan beachten.
                                                                  
Abbildung 2: Maßnahmen zur Optimierung der Luftführung
 
Abtauen der Verdampfer
Durch Gefrieren von Kondenswasser an den Lamellen kommt es häufig zum Vereisen der Verdampfer, wodurch der Wärmeaustausch zwischen Verdampfer und Raumluft behindert wird. Der Wirkungsgrad der Anlage sinkt, die Solltemperatur im Raum kann letztlich nicht mehr gehalten werden. Zum Abtauen der Verdampfer stehen verschiedene technische Möglichkeiten zur Verfügung:
Elektrische Abtauung: Lamellen am Verdampfer werden elektrisch beheizt 
=> effizient, aber sehr energieaufwendig
Lüfternachlauf: Lüfter läuft bei abgeschaltetem Verdampfer ca. 5-10 Minuten nach
=> günstigste Variante, aber nur bis ca. 0,5°C möglich
Heißgasabtauung: kurzzeitige Umkehrung des Kältekreislaufes→ Verdampfer wird zum Kondensator (heißes Kältemittel wird kurzzeitig in Verdampfer gepumpt)
=> energetisch günstig, aber höherer technischer Aufwand + anfälliger)
Wasserabtauung:  Warmwasser wird durch Abwärme am Kondensator erhitzt u. zum Abtauen der Verdampfer verwendet
=> energetisch günstig, aber rel. hohe Investitionskosten
 

Abbildung 3: elektrisches Abtauen der Verdampfer, effizient, aber energieaufwendig
 
N2- Generatoren und CO2-Adsorber
Im Bereich der N2-Generatoren sind in der Praxis vor allem PSA- Generatoren (Druckwechseladsorbtion) sowie VPSA (Vakuum-PSA)- Generatoren zu finden. Beide Verfahren sind als energetisch günstig zu bewerten, wobei die VPSA- Technik bis zu 30% Energieeinsparung bringen kann und deshalb bei bereits vorhandener Verfügbarkeit von Druckluft von Vorteil ist. Ein gewisses Einsparpotential ermöglicht auch das Einspeisen der Stickstoff- reicheren, abgeblasenen Lagerluft in den N2-Generator anstatt von Frischluft. 
Bezüglich der CO2-Adsorber bieten sich technisch wenig Energiesparmöglichkeiten. Wichtig ist hier ebenfalls die richtige Dimensionierung und Einstellung sowie regelmäßige Wartung der Anlage (Ersetzen der Aktivkohle).


Abb.4: Bezüglich der CO2-Adsorber bieten sich technisch wenig Energiesparmöglichkeiten. 
Wichtig: richtige Dimensionierung und Einstellung sowie regelmäßige Wartung durch Überprüfen und nötigenfalls Ersetzen gebrauchter Aktivkohle in den Filtern
 
Lagerstrategische Maßnahmen
Neben den bisher beschriebenen technischen Möglichkeiten gibt es eine Reihe “lagerstrategischer“ Maßnahmen zur Reduzierung des Energieverbrauches.
Wie bereits beschrieben wird die Kälteanlage vor allem zu Beginn der Lagerung zur Abfuhr der Feldwärme ausgelastet. Mit Hilfe niedriger Nachttemperaturen kann die Ware bereits vor Einlagerung vorgekühlt werden. Bei Einlagerung sollte dann bereits von Anfang an für eine optimale Luftführung gesorgt werden (Luftleitbleche, Stapelplan, richtige Anordnung der Verdampfer usw.). Eine sehr einfache, ab dennoch oft vergessene Maßnahme ist das Schließen der Türen, da gerade im Sommer der Wärmeeintrag durch offene Türen nicht zu vernachlässigen ist. Eine konsequente ULO-Lagerung, das heißt bei konsequent niedrigen Sauerstoffwerten (~0,8%-1%), verringert nicht nur die Atmungsintensität und somit die Produktwärme und führt zu einer verbesserten Haltbarkeit der Früchte, sondern kann auch höhere Lagertemperaturen (↑0,5°C-1°C) kompensieren. Um die Adsorberlaufzeiten zu reduzieren, sollten die CO2-Werte im Lager je nach Sorte nicht niedriger als notwendig gefahren werden. Für eine kurze bis mittellange Lagerdauer bietet eine Kühllagerung in Kombination mit SmartFreshTM (1-MCP) eine mögliche Alternative zur ULO-Lagerung. Bestimmte Sorten, welche eine gute Lagerstabilität aufweisen und während der Lagerung einen nur geringen Festigkeitsabbau aufweisen, wie z.B. `Fuji´ oder `Pinova`, können für ebenfalls kurze bis mittellange Lagerdauer auch bei höheren Temperaturen (2°C-3°C) gelagert werden. Kälteempfindliche Sorten, wie z.B. `Kanzi` sollten zur Vermeidung von Fruchtfleisch- Verbräunungen sowieso bei höheren Temperaturen (~3°C) aufbewahrt werden.
 
Energieeinsparung durch Lagerung bei höheren Temperaturen in Kombination mit 1-MCP (SmartFreshTM)
Eine weitere Möglichkeit zur Energieeinsparung, die seit 2008 am Kompetenzzentrum Obstbau Bodensee intensiv untersucht wird, ist die Lagerung bei höheren als den praxisüblichen Temperaturen in Kombination mit SmartFreshTM (1-MCP). Die reifehemmende Wirkung von 1-MCP und deren mögliche Vorteile in der Erhaltung der Fruchtqualität während der Lagerung sind auf Grund zahlreicher Untersuchungen und praktischer Erfahrungen weitgehend bekannt. Ergebnisse aus den vergangenen Jahren haben zudem gezeigt, dass der Einsatz von 1-MCP neben einem verbesserten Qualitätserhalt im Lager auch Möglichkeiten zur Energieeinsparung bieten kann.
Bei der Lagerung in “kontrollierter Atmosphäre“ (CA bzw. ULO) werden die Reifeprozesse der Früchte vor allem durch tiefe Lagertemperaturen in Kombination mit niedrigen O2- Werten sowie erhöhten CO2- Werten im Lager verzögert. Neben der Atmungsintensität wird bei klimakterischen Früchten wie Apfel oder Birne außerdem die Bildung und Wirkung von Ethylen, welches eine entscheidende Rolle für das Auslösen und die Regulierung von Reifeprozessen spielt, gehemmt. Die Lagertemperatur wurde dabei in der Vergangenheit immer “so tief wie möglich“ gewählt, um eine maximale Hemmung der Reifeprozesse zu ermöglichen, jedoch “hoch genug“, um Kälteschäden an den Früchten zu vermeiden. In der Regel werden Äpfel bei 1°C bis 2°C, kälteempfindliche Sorten wie `Cox Orange`, `Boskoop` oder `Kanzi` bei 3°C bis 4°C gelagert. Abgesehen von den genannten Faktoren gibt es seit einigen Jahren auch die Möglichkeit, die reifefördernde Wirkung von Ethylen durch den Einsatz von 1-MCP (SmartFreshTM) zu verzögern. In Untersuchungen am KOB in Bavendorf wird deshalb untersucht, in wie weit es möglich ist bei verschiedenen Sorten in Kombination mit 1-MCP die Lagertemperatur anzuheben, ohne qualitative Einbußen während der Lagerung zu verursachen und somit den Energieaufwand sowie die Energiekosten zu reduzieren. Seit 2008 wurden dazu mehrere Versuche mit den Sorten `Gala`und `Jonagold` im Praxismaßstab durchgeführt. Die Äpfel gleicher Herkunft wurden dazu jeweils in zwei baugleichen, kommerziellen CA-Räumen (ca. 200t) eingelagert, wobei jeweils ein Raum als Kontrolle bei “normalen“ Temperaturen (~1,5°C) ohne 1-MCP und der andere bei erhöhten Temperaturen (2,5 -3°C) in Kombination mit 1-MCP gefahren wurde. Für beide Räume wurden die Laufzeiten der Maschinen, die zur Kühlung, Ventilation, CO2-Adsorption sowie zum Abtauen der Verdampfer notwendig sind, separat erfasst und daraus der Energieverbrauch ermittelt. Das Abkühlen der Äpfel zu Beginn der Lagerung sowie der Energieverbrauch für Stickstoff- Erzeugung und Beleuchtung wurden dabei nicht berücksichtigt. Neben Analysen der Fruchtqualität wurden zudem Verkostungen durchgeführt, um eventuelle Geschmacksunterschiede festzustellen.


Abb. 5: Bei der Verkostung der Äpfel nach einer Woche bei 20°C im Anschluss an die Lagerung wurden die mit SmartFreshTMbehandelten und wärmer gelagerten Früchte etwas besser bewertet als die Kontrollfrüchte
 
Die Ergebnisse zeigten bei Gala in zweijährigen Versuchen eine Energieeinsparung in der bei höheren Temperaturen gelagerten 1-MCP Variante von bis zu 35% während 6 monatiger Lagerung, bei `Jonagold` betrug das Einsparpotential während 7,5 Monaten 26%. In Bezug auf Fruchtqualität sowie Präferenz der Konsumenten bei der Verkostung schnitt die 1-MCP Variante trotz höherer Lagertemperaturen selbst nach einer einwöchigen Nachlagerung bei 20°C im Anschluss an die Lagerung besser ab als die Kontrolle. Es konnte kein negativer Einfluss auf das Auftreten physiologischer Erkrankungen oder Fruchtfäulen festgestellt werden. Der Gewichtsverlust der Früchte war zum Teil niedriger als in der Kontrolle. Um zum Energieverbauch in CA-Räumen mit erhöhter Temperatur in Kombination mit SmartFreshTM auch für andere Apfelsorten praxisrelevante Aussagen zu bekommen, werden in den nächsten Jahren weitere Untersuchungen zu diesem Thema durchgeführt werden.


Abb. 6: Energieverbrauch und Energiekosten bei kommerzieller CA-Lagerung von ‚Gala‘ Äpfeln während 5,5 Monaten bei verschiedenen Temperaturen mit und ohne  SmartFresh (Lagermenge je Raum: 210 t)
 

Zusammenfassung

Zur Reduzierung des Energieverbrauches während der Obstlagerung stehen eine Reihe verschiedener Maßnahmen zur Verfügung (siehe Abb. 7). Im Optimal- Fall beginnt das Energiesparkonzept bereits bei der Planung der Lagereinrichtung mit der richtigen Auswahl der technischen Ausstattung. Neben einer Reihe oft einfach zu realisierender Maßnahmen, die z.B. die Luftführung im Lager und somit die Nutzung der erzeugten Kälte verbessern, gibt es jedoch auch weitere, lagerstrategische Maßnahmen, wie z.B. der Lagerung bei erhöhten Temperaturen in Kombination mit 1-MCP (SmartFreshTM). Im Zuge steigender Energiekosten sowie der Diskussion um nachhaltig produzierte Lebensmittel gewinnen Maßnahmen zur Reduzierung des Energieverbrauches, auch im Bereich der Obstlagerung, in Zukunft zunehmend an Bedeutung.


Abb. 7: Zusammenfassung: Maßnahmen zur Energieeinsparung bei der Obstlagerung
 
 

Medium


„Besseres Obst“  ist die Fachzeitschrift für Erwerbsobstbauern und alle am Obstbau Interessierten. Neben Beiträgen zur Technik bringt das Fachmagazin zielgerichtete Informationen und Fachartikel zu Produktion, Pflanzenschutz, Sorten, Ernte, Lagerung und Vermarktung von Tafelobst sowie zur Obstverarbeitung.
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