CHP-motor in een biogasinstallatie: elektrisch en thermisch rendement en bedrijf bij deelbelasting

Een zuigermotor die op biogas draait in een warmtekrachtkoppelingseenheid (WKK) zet doorgaans 36–44% van de chemische energie van de brandstof om in elektrische energie, en nog eens 40–50% wordt teruggewonnen als warmte uit het koelwater, de uitlaatgassen en de olie. Het totale rendement bedraagt dus circa 85–90%, maar alleen als de warmte daadwerkelijk wordt benut. Het elektrisch rendement neemt af bij bedrijf met deelbelasting, bij een laag methaangehalte en bij onjuiste motorafstellingen.

Waaruit bestaat de energiebalans

De toegevoerde energie in de brandstof verdeelt zich over vier stromen: elektrisch vermogen aan de klemmen van de generator, warmte uit de koeling van de mantel en olie, warmte uit de uitlaatgassen en verliezen (straling, niet-teruggewonnen warmte uit uitlaatgassen, wrijving, verliezen in de generator). Fabrikanten geven het rendement op voor nominale omstandigheden, bij een vastgestelde gassamenstelling en luchttemperatuur. De operationele waarden liggen vaak enkele procentpunten lager.

De genoemde marges zijn indicatief en afhankelijk van het vermogen van de unit: grotere motoren hebben doorgaans een hoger elektrisch rendement.

Hoe berekent u de energie uit biogas

De stookwaarde van methaan bedraagt circa 35,8–35,9 MJ/m³ onder normaalcondities (0 °C), oftewel circa 9,95–9,97 kWh/m³; in voorbeelden gaan we uit van 9,97 kWh/m³, en in globale berekeningen wordt dit afgerond naar 10 kWh/m³. Voor biogas met een CH₄-gehalte van 52% levert dit circa 5,2 kWh/m³ op (waarbij de bijdrage van sporenelementen buiten beschouwing wordt gelaten).

Voorbeeld met duidelijke aannames: biogasdebiet van 250 m³/h, CH₄-gehalte van 52%, elektrisch rendement van 40%, thermisch rendement van 44%.

• brandstofvermogen: 250 × 0,52 × 9,97 ≈ 1 296 kW,
• elektrisch vermogen: 1 296 × 0,40 ≈ 518 kW (een aggregaat met een nominaal vermogen van circa 500–530 kW is een geschikte keuze),
• thermisch vermogen: 1 296 × 0,44 ≈ 570 kW,
• na aftrek van het eigen warmteverbruik voor het verwarmen van vergisters (bijv. 150–250 kW in de winter, minder in de zomer) resteert de overige warmte voor benutting.

Deelbelasting

Het elektrisch rendement van een gasmotor is het hoogst bij een belasting dicht bij 100%. Bij 75% vermogen bedraagt de daling doorgaans circa 1–2 procentpunten, en bij 50% enkele procentpunten of meer, afhankelijk van het ontwerp. Daarnaast bevordert bedrijf bij lage belasting de vorming van koolstofafzettingen en vervuiling van de bougies. Daarom is het, als de installatie twee aggregaten heeft, handiger om met één aggregaat op vol vermogen te werken dan met twee op halve kracht. Bij het ontwerp is het verstandig om het vermogen af te stemmen op de gemiddelde gasproductie, en niet op de piek.

Invloed van de gaskwaliteit

Temperatuur en omgevingsomstandigheden

Hoge luchttemperatuur en hoogte boven zeeniveau verminderen het motorvermogen (zogenaamde derating, oftewel vermogensreductie). De meeste fabrikanten geven vermogensreductiekrommen op. Bij locaties in Nederland leidt een typische zomer niet tot een drastisch verlies, maar slechte ventilatie van de machinekamer kan dit verergeren.

Hoe evalueert u uw aggregaat

1. Meet de elektrische energie met de WKK-meter en de hoeveelheid gas (debietmeter) en het CH₄-gehalte — bereken het rendement over een periode van bijvoorbeeld een maand.
2. Meet de afgegeven warmte (warmtemeter) en vergelijk deze met het thermisch rendement.
3. Vergelijk met de cataloguswaarden: een afwijking van meer dan 2–3 procentpunten duidt meestal op een probleem (gaskwaliteit, regeling, slijtage).
4. Controleer de bedrijfstijd en het aantal starts; frequente starts verslechteren de balans.

Fouten bij de evaluatie

• elektrisch rendement vergelijken met totaalrendement,
• berekenen van de "geproduceerde" warmte in plaats van de "benutte" warmte,
• verwaarlozing van het eigen elektriciteitsverbruik van de biogasinstallatie (roerders, pompen, ventilatoren), wat het nettorendement verlaagt,
• ontbreken van correctie voor de stookwaarde van het gas bij verandering van het methaangehalte.\n Een betrouwbare energiebalans vormt de basis voor beslissingen over modernisering: soms levert een betere benutting van de warmte meer op dan vervanging van de motor door een model met 1–2 procentpunten hoger rendement.

Checklist bij aanschaf of modernisering van een aggregaat

• Vraag naar het elektrisch rendement bij 100%, 75% en 50% belasting, niet alleen het nominale rendement.
• Controleer de eisen ten aanzien van het gas: minimaal CH₄-gehalte, maximaal H₂S, relatieve vochtigheid, drukbereik.
• Informeer naar de gegarandeerde beschikbaarheid (in % per jaar) en de garantievoorwaarden, inclusief limieten voor de gaskwaliteit.
• Verifieer de uitstoot van uitlaatgassen (NOₓ, CO) en de noodzaak van een katalysator of naverbranding, als de vergunningen dit vereisen.
• Vergelijk de totale kosten over de levensduur: aanschafprijs, onderhoud per kWh, revisies, olieverbruik.

Waarom het nettorendement berekenen de moeite waard is

Een biogasinstallatie verbruikt eigen elektrische energie voor roerders, pompen, ventilatoren, toevoersystemen en automatisering — doorgaans enkele tot tientallen procenten van de productie. Het nettorendement is dus lager dan het rendement van het aggregaat. Bij het vergelijken van installaties moet u altijd aangeven of het getal betrekking heeft op de klemmen van de generator of op het aansluitpunt op het net.