☘︎ Duurzaam brouwen: Brouwketel isoleren

Vorige maand beschreef ik mijn experiment waarbij ik mijn ketel een avond voorafgaande aan mijn brouwdag vulde met de benodigde hoeveelheid maischwater zodat dit aan de omgeving op kon warmen teneinde energie te besparen. Dat was een aardige herhalingsoefening van de natuurkundelessen lang, lang geleden. Deze maand wilde ik eens kijken wat het effect was van het isoleren van mijn brouwketel. Voor de Brewmonks, Grainfathers en aanverwante automatische brouwketels zijn isolatiemantels verkrijgbaar maar daar ik in gewone ketels brouw moest ik zelf iets bedenken. Een praktische en goedkope oplossing vond ik in radiatorfolie. Deze folie bestaat uit bubbeltjesplastic met aan één zijde een hoog glanzende laag mylar die de warmte reflecteert.

De proefopstelling

Mijn proefopstelling was gelijk aan onze standaard brouw setup: een RVS pan en een inductiekookplaat van P= 3500 Watt. De ketel werd gevuld met 20 liter water (m = 20kg) en gedurende het experiment was de omgevingstemperatuur Ta = 20°C +/- 1°C.
Tijdens het experiment heb ik het vermogen en het verbruik gemeten met een verbruiksmeter. Gedurende het experiment is het deksel op de pan gebleven om verdamping te voorkomen. De radiatorfolie is als isolatie aangebracht met de reflecterende zijde naar de pan gekeerd om de warmte ‘binnen’ te houden.
 
proefopstelling

Het experiment

De proef is twee keer uitgevoerd. Eerst met een ongeïsoleerde ketel en daarna nogmaals maar met de ketel voorzien van de radiatorfolie 3x om de ketel gewikkeld. Beide keren werd 20 liter water van ca. 20°C opgewarmd tot aan de kooktemperatuur waarna het aan de omgeving kon afkoelen. Gedurende het hele proces is met regelmatige intervallen de temperatuur vastgelegd waarna een grafiek gemaakt kon worden.

Voorafgaande aan het experiment wilde ik eerst eens berekenen hoeveel tijd ik nodig zou hebben om mijn water van 20°C naar 100°C op te warmen (ΔT = 100 – 20 = 80°C) . Eerst berekenen we de hoeveelheid benodigde energie weer met de formule:

Q = ( m * c * ΔT * η ) / 3600

Waarin:

Q = Energie in kWh
m = massa in kg
c = Specifieke warmtecapaciteit in kJ·kg⁻¹·K⁻¹ (c = 4,2 voor water en 1,6 voor mout)
ΔT = Verschil temperatuur in K of °C
η = Verliesfactor (η = 1,2 bij een aangenomen verlies van 20%)

Q = ( 20 * 4,2 * 80 * 1,2 ) / 3600 = 2,24 kWh

Delen we de uitkomst door het vermogen van de warmtebron P = 3,500 kW dan weteen we hoeveel uur benodigd is om het kookpunt te bereiken.

t = 2,24 / 3,5 = 0,64 uur = 38,4 minuten

De uitvoering

Thermometer klaar? Timer klaar? Verwarmen maar! Het eerste dat mij opviel was dat het werkelijk opgenomen vermogen van mijn inductiekookplaat ongeveer 200 Watt minder is dan het typeplaatje vermeldt. Bovendien fluctueert het een beetje. De fluctuatie lijkt afhankelijk te zijn van de netspanning die ook niet constant is. Om tot het kookpunt te komen is dus langer nodig dan de berekende 38,4 minuten. Terwijl ik de temperatuur log lijkt de temperatuur te stijgen met om en nabij 2°C per minuut. Uiteindelijk wordt na 43 minuten het kookpunt bereikt. Wanneer ik mijn berekening opnieuw maak met het werkelijk geleverde vermogen van 3,29kW kom ik uit op een tijd van: t = 2,24 / 3,29 = 0,68 uur = 40,9 minuten.

In de praktijk duurde het echter langer. Waarschijnlijkheid is het rendement minder en het verlies dus groter dan 20%. De veronderstelde verliesfactor van η = 1,2 moet dus naar boven bijgesteld worden. De gemeten werkelijk toegevoerde energie bedroeg Q = 2,32kW.

De verliesfactor komt dan uit op:

η = (Q * 3600) / ( m * c * ΔT )→η = (2,32 * 3600) / ( 20 * 4,2 * 80 ) = 1,24
 
 
Grafiek opwarmen
 
Vervolgens heb ik het geheel aan de omgeving af laten koelen en 7 uur lang om de 10 minuten een temperatuurmeting gedaan. De volgende ochtend was het water afgekoeld naar 25°C (dus ΔT = 100 – 25 = 75°C), heb ik de ketel geïsoleerd met de radiatorfolie en het proces herhaald. Tijdens het loggen van de temperatuur bleek er bij het opwarmen van de geïsoleerde ketel maar heel weinig verschil te zijn met het opwarmen van de ongeïsoleerde ketel. Het ging slechts een klein beetje sneller. Ook hier is de stijging ca. 2°C per minuut. Het rendement is net ietsje beter. De verliesfactor:
 
η = (2,14 * 3600) / ( 20 * 4,2 * 75 ) = 1,22
 
Het minieme verschil is te verklaren doordat de toegevoerde energie tijdens het verwarmen vele male groter is dan het energieverlies. Ongeacht of de ketel nu wel of niet geïsoleerd is.

 
Grafiek afkoelen
 
Een duidelijker verschil tekent zich af als we de verwamingsbron uitschakelen. De curve van de temperatuurdaling van de ongeïsoleerde ketel laat een snellere daling zien dan bij de geïsoleerde ketel. Bij de geïsoleerde ketel daalt de temperatuur ca. 25% langzamer. Van 100°C naar 74°C  in 150 minuten tegen 120 minuten ongeïsoleerd. Van 78°C naar 58°C in 190 minuten tegen 240 minuten ongeïsoleerd.

Conclusie en bevindingen

Tijdens het snel opwarmen van maisch- of spoelwater of het aan de kook brengen van het wort is het voordeel van isolatie gering. Wanneer de energiebron lager gezet wordt tijdens het maischen of om eenmaal kokende wort aan de kook te houden, is isolatie zeker een methode om energie te besparen.

Recent heb ik tijdens een 5°C koude brouwdag gebrouwen met geïsoleerde ketels. Normaliter zijn we bij een langere maischstap, zelfs bij hogere buitentemperaturen, genoodzaakt 2 of 3 keer bij te warmen. Dit keer slechts eenmaal.

Ook wanneer je een elektrische ketel hebt met wat minder vermogen zal een isolatiemantel zijn diensten bewijzen. Doordat je de temperatuur constanter kan houden, verkrijg je een beter reproduceerbaarder bier.

Ondanks de huidige hoge energieprijzen houd je zelf van het thermisch isoleren niet direct veel euro’s over. Ook de vermindering van uitstoot is minimaal. Uiteindelijk zijn het toch alle kleine beetjes die helpen dus: DOEN! Let op! Deze manier van isoleren is niet te gebruiken wanneer je op gas brouwt i.v.m. brandgevaar!

Wil je ook meedenken over duurzaam brouwen? Meld je aan bij de Initiatiefgroep Duurzaamheid. Dat kan via redactie@twortwat.nl.