Wie funktioniert eine Gärsteuerung?

Die Herstellung von Wein bei professionellen Erzeugern ist heutzutage ein hoch moderner Prozess. Es wird nichts dem Zufall überlassen und jeder Arbeitsschritt wird durch moderne Anlagen und Analytik unterstützt und überwacht. Da die Gärtemperatur einer der wichtigsten Aspekte der Weinherstellung ist, möchten wir in diesem Artikel gezielt auf die Auswirkungen der Gärtemperatur eingehen und Ihnen einen Überblick geben, welche technischen Aspekte bei der Installation einer Gärsteuerung zu beachten sind. Hierzu beschreiben wir die Gärsteuerung, wie sie bei uns im Keller eingesetzt wird, um Ihnen das Themengebiet möglichst anschaulich zu erklären. In unserem Fall wird zwar Fruchtwein vergoren, allerdings spielt die Art des Getränks für die technische Umsetzung absolut keine Rolle. So kann die Kühlsteuerung in der Praxis auch für Wein oder Bier verwendet werden.

Warum muss ein Wein überhaupt gekühlt werden?

Wenn Sie sich schon mal die technische Beschreibung einer modernen Reinzuchthefe angeschaut haben, so werden Sie bereits festgestellt haben, dass je nach eingesetzter Heferasse eine optimale Gärtemperatur zwischen 12 und 28 Grad Celsius angegeben ist. Der routinierte Winzer kennt vermutlich auch die Faustregel - Weißweine werden kühler vergoren als Rotweine. Die Begriffe Weiß- und Rotwein beziehen sich an dieser Stelle nicht ausschließlich auf die Weintraube, sondern auf alle Früchte, die einen Wein in der entsprechenden Farbe ergeben. So ist ein Kirschwein der Kategorie Rotwein zuzuordnen und Maracuja- oder Ingwerwein der Kategorie Weißwein. (Für Fruchtweinkenner: Himbeerwein fällt eher in die Kategorie Roséwein. Unsere Erfahrung hat gezeigt, dass bei diesem Wein eine kühlere Temperatur von Vorteil ist. Um dennoch möglichst viele Farbstoffe aus den Himbeeren zu holen wird eine Kaltmazeration durchgeführt. Auf dieses Verfahren gehen wir in einem späteren Artikel noch genauer ein.)

Die Temperatur beeinflusst neben dem Geschmack, auch die Dauer der Gärung. Weiterhin spielt natürlich die Raumtemperatur eine Rolle. Ist diese größer als die gewünschte Gärtemperatur, so muss der Tank schon allein deshalb aktiv gekühlt werden. Zudem erzeugt die Hefe während der Gärung Energie, die in Form von Wärme freigesetzt wird. Nach einigen Gesprächen mit Hobbywinzern ist uns aufgefallen, dass diese Energiefreigabe in Form von Wärme oft unterschätzt wird. Deshalb ein Beispiel aus der Praxis: Bei einer Menge von ca. 500 Liter Wein und einer Kellertemperatur von 17°C wurde bereits so viel Wärme erzeugt, dass der Wein Temperaturen von bis zu 28°C erreichte. Eine derart hohe Temperatur ist vor allem bei Weißweinen fatal für das Aroma. Bei einer solch hohen Temperatur kommt es zu einer heftigen Gärung, wodurch die leicht flüchtigen Aromen durch starkes „Blubbern“ im Gärspund nach oben aus dem Tank gedrückt werden. Dadurch hat man später weniger sehr wünschenswerter Aromen im Wein. Der Wein verliert an Komplexität und schmeckt „flach“.

Das Beispiel zeigt sehr deutlich, dass die Energie der Hefe zusätzlich vom Tank kontrolliert und gesteuert werden muss. Dies kann nur durch eine aktive Kühlung geschehen. Da die Gärung unterschiedlich stark verläuft muss vor allem zu Beginn der Hauptgärung stark gekühlt werden. Im Weiteren Gärverlauf muss der Most immer weniger gekühlt werden, um die Temperatur konstant zu halten.

Doch wie steuert man die Temperatur im Gärtank?

Früher waren manuelle Thermometer am Tank installiert, mit deren Hilfe der Kellermeister die Temperatur kontrollieren konnte. Die Kühlung erfolge dann manuell zum Beispiel mithilfe einer Kühlspirale, auf die wir im Laufe dieses Artikels noch genauer eingehen. Solche Thermometer werden aus Kostengründen auch heute noch bei einigen Winzern eingesetzt. Allerdings ist eine manuelle Gärsteuerung für den Kellermeister mit hohem Aufwand verbunden. Außerdem ist es schon aus Zeitgründen schwer abbildbar, die Temperatur ständig manuell zu kontrollieren. Deswegen werden in der moderne Kellereitechnik heutzutage automatisierte Gärsteuerungen installiert und betrieben. Diese sorgen stets für eine konstante Temperatur im Gärtank. Die Temperaturspanne kann dabei genauestens definiert werden, sodass der Wein diese zu jedem Zeitpunkt einhält. Dadurch wird es dem Winzer ermöglicht, alle komplexen Aromen später im Wein zu erhalten. Dies sorgt wiederum für ein deutlich höheres Niveau im fertigen Wein.

Wie betreibt und installiert man eine solche Gärsteuerung?

Eine Gärsteuerung besteht grundsätzlich aus den folgenden vier wesentlichen Komponenten.

• Prozesswasserkühler (umgangssprachlich meist Kühlgerät genannt): Erzeugt das Kühlwasser für den Kühlkreislauf. Eine integrierte Pumpe fördert das Kühlwasser durch den Kühlkreislauf.

• Kühlkreislauf: Ein Kreislauf, der Kühlgerät und Tanks verbindet. Hierzu zählen neben den Schlauchverbindungen auch die Ventile (Motor- oder Magnetventile), die durch die Steuerung je nach Kühl- oder Heizbedarf geöffnet oder geschlossen werden.

• Temperaturmessung: Misst die Temperatur des Tanks stetig und sendet Schaltsignale zur Steuerung. Hier können diverse Parameter, wie zum Beispiel die Solltemperatur des Tanks oder der Modus (Heizen oder Kühlen) eingestellt werden. In der Regel handelt es sich hierbei um eine sogenannte Zweipunktregler.

• Steuerung: Öffnet und schließt Ventile (Motor- oder Magnetventile) die das Kühlwasser zum benötigten Tank lenken. Steuert außerdem die Leistung des Kühlgeräts.

Auf die zuvor kurz beschriebenen Komponenten möchten wir nun im Detail eingehen, da es hier teils unterschiedliche Varianten oder Lösungsmöglichkeiten gibt, die jeweils ihre Vor- und Nachteile haben. Diese muss jeder Winzer für sich selbst abwägen, denn schließlich hat jeder seine persönlichen Gegebenheiten im Keller, die berücksichtigt werden müssen.

Prozesswasserkühler (Kühlgerät)

Das Kühlgerät stellt das gekühlte Wasser für den Kühlkreislauf bereit. Es wird zumeist mit Wasser betrieben, kann aber auch mit Glykol (Frostschutzmittel) angereichert werden, falls sehr geringe Temperaturen notwendig sind. Sollte es tatsächlich erforderlich sein Frostschutzmittel einzusetzen, empfehlen wir zur zusätzlichen Sicherheit die Verwendung eines Kühlmantels. Selbst im unwahrscheinlichen Fall einer Undichtigkeit, ist der Kontakt mit dem Wein ausgeschlossen und es entsteht kein wirtschaftlicher Schaden. Doch wieviel Kühlleistung benötigt der Winzer für seinen Wein? Mit 100%iger Sicherheit kann man diese Frage zwar nicht beantworten, da nicht nur die Weinmenge entscheidend ist, sondern auch weitere Faktoren wie die Außentemperatur und die Phase, in der sich die Gärung befindet. Schließlich wird bei der Hauptgärung deutlich mehr Wärme freigesetzt als in der Endphase. Geht man davon aus, dass sich 50% des Tankvolumens in der Hauptgärung befindet, so reichen ca. 3kW Netto-Kühlleistung für ein Tankvolumen von 15.000 Liter. Diese Menge kann als Richtwert herangezogen werden, jedoch sollten immer die Gegebenheiten vor Ort berücksichtigt werden. Die Netto-Kühlleistung bezeichnet dabei die produzierte Kühlleistung des Kühlgeräts über den Wärmetauscher abzüglich der Energie die z.B. durch Ventilatoren oder die Pumpe benötigt werden. Es handelt sich also bei der Netto-Kühlleistung um die Energiemenge, die tatsächlich im Kühlkreislauf zur Verfügung steht. Neben der Kühlleistung muss die Pumpleistung beachtet werden. Reicht die Leistung der Pumpe nicht aus, kann das Kühlwasser nicht zum Tank befördert werden und die ganze Gärsteuerung kann nicht betrieben werden. Hierbei sollten Sie beachten, dass beim Einsatz von Magnetventilen zusätzlicher Druck von 0,3 Bar benötigt wird, um die Membran des Magnetventils aufzudrücken. Die Förderhöhe der Pumpe muss auch berücksichtigt werden, da bei jedem Meter Höhe ca. 0,1 Bar Pumpenleistung verloren geht.

Kühlkreislauf

Der Kühlkreislauf ist die Verbindung, die zwischen Kühlgerät und dem zu kühlenden Tank installiert wird. Diese Verbindung wird durch Schläuche oder Rohre realisiert, die das Kühlwasser in einem Kreislauf zum Tank befördern. Je nach eingesetztem Weintank gibt es verschiedene Möglichkeiten, die je nach Größe des Tanks Vor- und Nachteile haben. Für kleine Tanks (bis zu 1000 Liter) werden üblicherweise Kühlschläuche oder Kühlplatten verwendet. Diese werden in den Tank eingebracht und ein kühler Wasserkreislauf kühlt den Tankinhalt. Größere Edelstahltanks besitzen meist einen so genannten Kühlmantel oder außen angeschweißte Pillow Plates. Eine weitere Möglichkeit sind Halbrohrschlangen, die entweder im Inneren des Behälters oder auf dem Außenmantel verlegt sind. Egal ob Kühlmantel, Kühlschlauch oder Kühlplatte, das Ziel ist immer identisch - die Wärme des Tanks so effizient wie möglich abgeben. Möchte man beispielsweise Holzfässer mit einer Gärsteuerung ausstatten, so bleibt einem nur der Einsatz eines Kühlschlauchs, da kein Kühlmantel angebracht werden kann und Kühlplatten nicht durch die Bohrung des Fasses gehen. Den Kühlschlauch selbst gibt es in verschiedenen Ausführungen von einem bis zu 10 m. Die Kühlleistung eines Kühlschlauchs ist dabei jeweils angegeben, um die kühlbare Weinmenge einschätzen zu können.

Temperaturmessung

Die Messung der Temperatur erfolgt über einen Temperatursensor der mit Hilfe sogenannter Tauchschafthülsen am Tank installiert wird. Tauchschafthülsen sind zylindrische Metallhülsen, die im Edelstahltank verschraubt werden, wie dies in nachfolgender Abbildung zu sehen ist.

In die Tauchschafthülse wird dann wiederum der Temperatursensor eingeschraubt. Um eine automatische Gärsteuerung zu realisieren, wird ein digitales Thermometer benötigt, welches bei Überschreitung eines Schwellwerts einen elektronischen Schalter schließt. In unserer Gärsteuerung wurde der Gärtemperaturregler „Clip“ von fp sensor systems verwendet, wie in nachfolgender Abbildung zu sehen ist. In diesem Beispiel wurde eine Solltemperatur von 15°C eingestellt (der Wert mit der grünen Beleuchtung), die zum Zeitpunkt der Aufnahme auch genau eingehalten wurde.

Der Gärtemperaturregler ermöglicht verschiedenste Varianten zur Steuerung. Nach Gesprächen mit unzähligen Winzern, scheint der Zweipunktregler am gebräuchlichsten zu sein. Hierbei handelt es sich um eine nicht stetige Gärsteuerung, die einen Sollwert definiert, welcher direkt am Gärtemperaturregler eingestellt wird. Zusätzlich wird in den Einstellungen eine Regelhysterese konfiguriert, die im Auslieferungszustand 0,3°C beträgt und in der Regel nicht verändert werden muss. Die Regelhysterese sorgt dafür, dass die Kühlung nicht ständig an- und ausgeschalten wird, da sich dies negativ auf die Lebensdauer des Kühlgeräts auswirken würde. Durch die beiden Parameter (Sollwert und Regelhysterese), ergibt sich die minimale- und maximale Temperatur, die im Tank vorliegen darf. Angenommen Sie wollen einen Weißwein bei 16° C vergären, dann würden Sie diese Temperatur als Sollwert einstellen. Wenn die Regelhysterese 0,3°C beträgt, würde die Gärsteuerung den Temperaturbereich von 15,7 °C bis maximal 16,3 °C einhalten. Wenn das erste Mal der Schwellwert von 16,3 °C überschritten wird, würde sich das Kühlgerät anschalten und den Wein bis zur minimalen Temperatur von 15,7° C herunterkühlen. Sobald die Minimaltemparatur erreicht wird, schaltet sich das Kühlgerät ab. Durch die laufende Gärung wird die Temperatur dann wieder bis Temparaturhöchstgrenze ansteigen. Dies ist in der nachfolgenden Grafik dargestellt.

Steuerung

Kühlgeräte werden in der Regel mit Dreiphasenwechselstrom (auch Drehstrom oder Starkstrom genannt) betrieben. Der zuvor genannte Temperatursensor mit integrierter Schaltung kann ein Kühlgerät daher nicht direkt steuern. Möchten Sie also dafür sorgen, dass sich das Kühlgerät automatisch abschaltet, sobald keiner der Tanks gekühlt werden muss, müssen Sie eine separate Schaltung installieren. In unserem Fall ist im Temperatursensor (CLIP) bereits ein Schalter integriert. Über einen potentialfreien Kontakt können Sie mit einem einfachen Durchgangsprüfer feststellen, ob der Schalter geöffnet oder geschlossen ist. Wenn der Schalter geschlossen ist, muss das Kühlgerät eingeschaltet werden. Mit einem Relais und einem Schütz, können sie Dreiphasenwechselstrom schalten und somit effektiv das Kühlgerät ein- und ausschalten. Dies spart Energiekosten und lohnt sich vor allem bei kleinen Weingütern mit vergleichsweise wenigen Tanks, da hier die Laufzeiten des Kühlgeräts deutlich vermindert werden können.

Wie wir die Gärsteuerung angeschlossen?

Wie bereits erwähnt besteht eine Gärsteuerung aus den vier Komponenten: Prozesswasserkühler (Kühlgerät), Kühlkreislauf, Temperaturmessung und Steuerung.

Am Kühlgerät muss in den meisten Fällen lediglich der Kühlkreislauf angeschlossen werden. Manche Kühlgeräte bieten erweiterte Möglichkeiten zur direkten elektronischen Steuerung. Dies sollte in jedem Fall vorab geprüft werden, da man sich unter Umständen Arbeit bei der späteren Steuerung ersparen kann.

Wenn feststeht, an welchem Ort die Tanks in Zukunft stehen werden, kann die Anschlussdose für jeden Tank gesetzt werden, die in der nachfolgenden Abbildung zu sehen ist.

An diese Anschlussdose wird später das Motorventil und der Gärtemperaturregler angeschlossen. Jeder Tank der in die Gärsteuerung eingebunden werden soll benötigt also eine Anschlussdose, einen Gärtemperaturregler und ein Motorventil. Wird die Anschlussdose geöffnet, können die vier Schrauben, z.B. an der Wand, montiert werden.

Um den Gärtemperaturregler (Clip) zu betreiben, muss der Deckel der Anschlussdose an die orangene Klemme angeschlossen werden. Die Kabel sind farblich markiert und können daher einfach an den entsprechenden Farbcode der Klemme angeklemmt werden. Der Gärtemperaturregler selbst wird dann mit dem schwarzen Anschluss der Dose verbunden. Dies ist auf der nachfolgenden Abbildung links unten zu sehen.

Das Motorventil wird mit drei Kabeln an der Anschlussdose angeschlossen. Hierbei werden zwei Kabel für die Stromversorgung und ein weiteres für die Signalübertragung benötigt.

Um das Kühlgerät später zu steuern, muss ein potentialfreier Kontakt durch alle Anschlussdosen gelegt werden. In nachfolgender Abbildung ist dies mit „K1 (Kl. C3-C4) Freigabe kühlen“ gekennzeichnet. Sobald einer der Gärtemperaturregler das Signal zum kühlen gibt, wird der potentialfreie Kontakt geschlossen. Aufgrund dieses Signals muss dann das Kühlgerät schalten und das Kühlwasser bereitstellen.

Zu guter Letzt muss noch die Stromversorgung angeschlossen werden. Hierzu ist eine 24VAC-Quelle notwendig, die im Lieferumfang enthalten ist. Laut Bedienungsanleitung wird eine 2,5qmm Leitung für die Stromversorgung empfohlen. Diese Leitungen sind in der unteren Abbildung Braun/Blau markiert und müssen durch alle Anschlussdosen geführt werden. Hierbei muss beachtet werden, dass die Stromversorgung immer im Wechsel durch die Anschlussdosen verlegt wird.

Der Kühlkreislauf besteht aus Schläuchen oder Rohrleitungen, die das Kühlgerät und den Tank verbinden, sodass später Kühlwasser zwischen beiden Teilsystemen fließen kann. Möchte man nur einen Tank kühlen, würde eine einfache Leitung bereits ausreichen. Die Steuerung könnte dann bei Kühlbedarf das Kühlgerät anschalten, sodass Kühlwasser zum Tank gepumpt wird. Doch sobald auch nur ein weiterer Tank in die Gärsteuerung integriert werden soll, tritt folgendes Problem auf – zusätzlich zum Kühlgerät müssen passende Ventile schalten, die das Kühlwasser zum entsprechenden Tank lenken, da ansonsten immer nur beide Tanks gleichzeitig kühlbar sind und nicht einzeln. Ob Sie sich für Magnet- oder Motorventil entscheiden, beeinflusst die Installation nur marginal.

Im letzten Schritt wird noch ein Steuerungskasten benötigt, um die Betriebsstunden des Kühlgeräts auf ein Minimum zu reduzieren. Der Steuerungskasten wird das Kühlgerät aus- und anschalten je nachdem, ob der potentialfreie Kontakt geöffnet oder geschlossen ist. Eine mögliche Lösung ist die Verwendung eines Relais und einem Schütz. Ein Relais ist ein mechanischer Schalter, der durch einen Steuerstromkreis aktiviert wird und einen weiteren Stromkreis schaltet. Die Leistung des zu schaltenden Stromkreises kann dabei deutlich höher sein. In unserem Fall wird das Relais durch den potentialfreien Kontakt aktiviert und schaltet eine 230V Steckdose. In anderen Worten: Ein solches Relais erlaubt die Schaltung einer Steckdose abhängig von Zustand des potentialfreien Kontakts. Ein 230V Anschluss hat dabei lediglich eine Phase, welche das Relais schließt sobald der potentialfreie Kontakt das Relais aktiviert. Das Problem ist nur, dass praktisch jedes Kühlgerät mit ausreichender Kühlleistung für den Einsatz in einem Weinkeller wird mit Dreiphasenwechselstrom betrieben. Das Relais der Starkstromtechnik, welches für erheblich größere Leistungen ausgelegt ist, nennt man Schütz. Im Gegensatz zum Relais, werden bei einem Schütz drei Schalter gleichzeitig betätigt. Dies liegt daran, dass Dreiphasenwechselstrom (Starkstrom), wie der Name schon sagt, aus drei Phasen besteht, die jeweils versetzt zueinander sind. Auch bei einem Schütz gibt es wieder einen Steuerstromkreis, der in unserem Fall bei 230V liegt. Der Aufbau ist daher wie folgt: Der potentialfreie Kontakt wird als Steuerstromkreis für das Relais verwendet, wodurch der Stromkreis der Steckdose (230V) geschaltet wird. Dieser Stromkreis wird wiederum als Steuerstromkreis für das Schütz verwendet, welches zu guter Letzt die drei Phasen des Dreiphasenwechselstroms schalten. Dies bedeutet effektiv, dass der potentialfreie Kontakt eine 400V Starkstrom Steckdose schalten kann. Dadurch wird dafür gesorgt, dass das Kühlgerät nur genau dann läuft, wenn auch tatsächlich eine Kühlleistung an einem der Tanks benötigt wird. Diese Lösung spart einiges an Energie und ist daher umweltfreundlicher als ein Dauerlauf des Kühlgeräts.