Hoe berekent u de capaciteit van de vergister voor het geplande vermogen van de installatie: balans stap voor stap

De capaciteit van de vergister voor het geplande vermogen van de installatie wordt berekend via een keten van balansen: van het elektrische vermogen (of de biomethaanstroom) via het rendement van de apparatuur en de stookwaarde van methaan naar de dagelijkse methaanbehoefte, vervolgens naar de massa van het substraat en ten slotte naar het volume, bepaald door de gekozen verblijftijd (HRT). Het resultaat wordt gecontroleerd aan de hand van de organische belasting (OLR). Dit is een voorlopige berekening, maar het stelt u in staat snel te beoordelen of het beoogde substraat en de tank bij elkaar passen.

Stap 1: vermogen → energie in brandstof

Voor een installatie met warmtekrachtkoppeling is het uitgangspunt het elektrische vermogen van de aggregaat. Dit wordt gedeeld door het elektrische rendement van de WKK (definities en typische waarden worden beschreven in het artikel over rendement van de WKK-motor). Het resultaat is het brandstofvermogen, oftewel de energiestroom die met het biogas naar de motor moet worden gevoerd.

Voor een biomethaaninstallatie is het uitgangspunt de methaanstroom in het product (biomethaanstroom maal het CH₄-gehalte), waarbij de methaanverliezen bij de opwerking worden opgeteld (zie methaanslip) en het methaan dat in de ketel wordt verbrand voor eigen warmte.

Stap 2: energie → methaanstroom

De onderste verbrandingswaarde van methaan bedraagt ongeveer 9,97 kWh/Nm³ (Nm³ onder normale omstandigheden: 0 °C, 101,325 kPa). De methaanstroom in Nm³/h is het brandstofvermogen in kW gedeeld door deze waarde; vermenigvuldigd met 24 h levert dit de dagelijkse stroom op. Het is handiger om direct met methaan te rekenen, omdat de opbrengst van substraten op deze manier wordt opgegeven (bijv. in BMP-tests, zie theoretisch methaanpotentieel).

Stap 3: methaan → massa substraat

De massa van de voeding wordt bepaald door de methaanopbrengst per ton verse massa (FM). De waarden in de eerste drie rijen zijn afkomstig uit de opbrengsttabel in de FNR Leitfaden Biogas (2013); de laatste rij is een illustratieve aanname. Voor een specifieke installatie moeten eigen onderzoeksresultaten worden gebruikt:

De opbrengst van afval varieert zo sterk dat het beter is deze te vervangen door het resultaat van een BMP-test (zie Hoe leest u een BMP-onderzoeksrapport).

Stap 4: massa → werkvolume

Het werkvolume [m³] is de dagelijkse massa van de voeding [t/d] vermenigvuldigd met de HRT [d], gedeeld door de dichtheid [t/m³] (voor waterige mengsels ca. 1). De HRT is afhankelijk van het substraat en de temperatuur; in agrarische installaties met een groot aandeel plantaardige biomassa bedraagt deze meestal enkele tientallen dagen (zie HRT en SRT). Het resultaat wordt geverifieerd aan de hand van de OLR, dat wil zeggen de massa organische droge stof per m³ per dag (zie OLR in de praktijk). In agrarische biogasinstallaties ligt deze vaak in het bereik van ca. 2–4 kg oDS/(m³·d) (afhankelijk van de installatie); hogere waarden vereisen een zeer goede menging en procesbeheersing.

Het totale volume wordt bepaald door bij het werkvolume de gasruimte en de reserve voor schuim en niveauvariaties op te tellen; in de voorbeelden bedraagt het werkvolume 85% van het totale volume.

Voorbeeld 1: 500 kW elektrisch, kuilvoer met drijfmest

Aannames: elektrisch rendement WKK 40%, continue bedrijf (bij een jaarbalans moet rekening worden gehouden met de werkelijke bedrijfstijd), HRT 60 dagen.

1. Brandstofvermogen: 500 / 0,40 = 1250 kW.
2. Methaanstroom: 1250 / 9,97 ≈ 125,4 Nm³/h, oftewel ca. 3009 Nm³/d.
3. Mengsel: 30 t/d drijfmest levert 30 × 14 = 420 Nm³ CH₄/d. De rest, 2589 Nm³/d, wordt aangevuld met kuilvoer: 24,4 t/d levert ca. 2586 Nm³/d. Samen ca. 3006 Nm³/d, wat praktisch het doel is.
4. Massa voeding: 24,4 + 30 = 54,4 t/d.
5. Werkvolume: 54,4 × 60 / 1,0 ≈ 3264 m³; totaal 3264 / 0,85 ≈ 3840 m³.
6. Controle OLR: oDS = 24,4 × 0,33 × 0,95 + 30 × 0,10 × 0,8 ≈ 7,6 + 2,4 = 10,0 t/d; OLR = 10,0 / 3264 ≈ 3,1 kg oDS/(m³·d), wat binnen het gebruikelijke bereik voor agrarische installaties valt.

Conclusie: bij dit mengsel geven HRT en OLR een vergelijkbaar resultaat; bij een groter aandeel drijfmest zou de HRT beperkend zijn, bij alleen kuilvoer de OLR.

Voorbeeld 2: 250 Nm³/h biomethaan, gemengde substraten

Aannames: biomethaan met 97% CH₄, methaanverliezen bij opwerking 1% van het methaan in het ruwe biogas, voor eigen warmte wordt 6% van dit methaan verbrand, HRT 70 dagen.

1. Methaan in product: 250 × 0,97 = 242,5 Nm³/h.
2. Methaan in ruw biogas: 242,5 / (1 − 0,01 − 0,06) ≈ 260,8 Nm³/h, oftewel ca. 6258 Nm³/d (beide verliezen zijn fracties van dezelfde stroom).
3. Mengsel: 40 t/d stalmest (40 × 44 = 1760 Nm³ CH₄) en 60 t/d drijfmest (840) leveren 2600 Nm³/d. Het ontbrekende, 3658 Nm³/d, wordt aangevuld met 34,5 t/d kuilvoer.
4. Massa voeding: 134,5 t/d. Werkvolume: 134,5 × 70 ≈ 9415 m³; totaal ca. 11 100 m³ (bijv. twee tanks van ca. 5500 m³ elk).
5. OLR: oDS = 34,5 × 0,33 × 0,95 + 40 × 0,25 × 0,8 + 60 × 0,10 × 0,8 ≈ 10,8 + 8,0 + 4,8 = 23,6 t/d; OLR ≈ 2,5 kg oDS/(m³·d).

Eigen warmte en opwerkingsverliezen verhogen de benodigde productie, en daarmee ook het volume van de vergister, met ca. 7% (1/0,93).

Voorbeeld 3: voedselafval, volume bepaald door OLR

Aannames: 250 kW elektrisch, rendement 40%, afval met 20% DS en een opbrengst van 120 Nm³ CH₄/t FM, toelaatbare OLR 2,5 kg oDS/(m³·d) conservatief aangenomen vanwege het risico op verzuring en ammoniak (zie Chen et al. 2008).

1. Brandstofvermogen 625 kW; methaan: 625 / 9,97 ≈ 62,7 Nm³/h ≈ 1505 Nm³/d.
2. Massa afval: 1505 / 120 ≈ 12,54 t/d; oDS = 12,54 × 0,20 × 0,90 ≈ 2,26 t/d.
3. Volume volgens OLR: 2260 kg/d / 2,5 kg/(m³·d) ≈ 900 m³ werkvolume.
4. Controle HRT: zonder verdunning 900 / 12,54 ≈ 72 dagen. Als het substraat echter moet worden verdund tot een pompbare droge-stofgehalte van ca. 12% (droge stof 12,54 × 0,20 = 2,51 t/d, voeding 2,51 / 0,12 ≈ 20,9 t/d), daalt de HRT tot ca. 43 dagen. Dit kan nog voldoende zijn, maar vereist verificatie van de kinetiek en het risico op inhibitie.

Bij substraten met een hoge opbrengst en een laag watergehalte wordt het volume bepaald door de OLR, terwijl de HRT moet worden gecontroleerd na toevoeging van proceswater.

Tot slot

Gebruik opbrengstwaarden uit eigen onderzoeken van substraten, houd rekening met proceswater en recirculaat, controleer tegelijkertijd HRT, OLR en ammoniak en houd een reserve aan voor slechtere partijen substraat. Een volledige massa- en energiebalans van een biogasinstallatie toont het rekenvoorbeeld, en de keuze van substraten wordt beschreven in het artikel over planning van de mix.