Massa- en energiebalans van een biogasinstallatie: rekenvoorbeeld van substraat tot kilowattuur

De massa- en energiebalans van een biogasinstallatie wordt in zes stappen uitgevoerd: verse massa → droge stof (DS) → organische droge stof (oDS) → methaanproductie (opbrengst per kg oDS) → chemische energie van de brandstof (calorische waarde) → elektrische en thermische energie na verrekening van het WKK-rendement en het eigen verbruik. Hieronder volgt een volledig voorbeeld met expliciete aannames; alle getallen zijn illustratief en moeten worden vervangen door eigen gegevens uit analyses en metingen.

Stap 1: dagelijkse dosering

De opbrengsten zijn aangenomen praktijkwaarden op technische schaal, lager dan de potentiëlen uit BMP-tests (zie het artikel over het verschil tussen BMP en technische schaal).

Stap 2: methaanproductie

• snijmaïs: 6.270 kg × 0,34 = 2.132 m³ CH₄/d,
• drijfmest: 1.920 × 0,20 = 384 m³,
• gras: 1.350 × 0,30 = 405 m³.

In totaal ≈ 2.921 m³ CH₄/d. Bij een CH₄-gehalte van 53% in het biogas ontstaat ca. 5.512 m³/d (230 m³/h). Gemiddelde opbrengst: 2.921 / 9.540 ≈ 0,31 m³ CH₄/kg oDS — geloofwaardig (ligt onder de theoretische maxima voor deze substraten).

Stap 3: chemische energie

Neem een calorische waarde van methaan van 9,97 kWh/m³ (normaalomstandigheden). Energie van de brandstof: 2.921 × 9,97 ≈ 29.120 kWh/d, oftewel ≈ 1.213 kW thermisch vermogen van de brandstof (gemiddeld).

Stap 4: WKK

Bij een elektrisch rendement van 38% en een thermisch rendement van 45% (typische waarden voor gasmotoren van deze klasse; de werkelijke waarden hangen af van model en belasting):

• bruto elektrische energie: 29.120 × 0,38 ≈ 11.066 kWh/d (≈ 461 kW),
• warmte: 29.120 × 0,45 ≈ 13.104 kWh/d (≈ 546 kW).

Stap 5: eigen verbruik

Neem aan dat het eigen elektriciteitsverbruik 8% van de productie bedraagt, oftewel ≈ 885 kWh/d; de netto energie naar het net is ≈ 10.181 kWh/d. De eigen warmte voor het verwarmen van de vergister hangt af van het seizoen; neem gemiddeld 25% van de WKK-warmte aan (≈ 3.276 kWh/d). De voor afnemers beschikbare warmte is ≈ 9.828 kWh/d, maar slechts een deel wordt in de praktijk daadwerkelijk benut (seizoensgebondenheid).

Stap 6: massabalans van het digestaat

Het verlies aan oDS in het proces bedraagt doorgaans enkele tientallen procenten van de ingevoerde oDS, afhankelijk van mengsel en HRT; neem in dit voorbeeld 60% aan. Van 9,54 t oDS blijft dan ca. 3,8 t oDS over in het digestaat, waaraan het anorganische deel van de droge stof en water worden toegevoegd. De massa van het digestaat is gelijk aan de gedoseerde massa verminderd met de massa van het biogas. Bij een biogasdichtheid van de orde van 1,2 kg/m³ en een productie van 5.512 m³/d bedraagt de gasmassa ca. 6,6 t/d, dus het digestaat is ca. 48 t/d (55 − 6,6 ≈ 48,4). Het resultaat moet worden meegenomen in het plan voor opslag en afvoer van digestaat.

Controle van de juistheid

Gevoeligheidsanalyse

Een verandering van de maïsopbrengst van 0,34 naar 0,30 m³ CH₄/kg oDS verlaagt de methaanproductie met ca. 250 m³/d (−8,6%) en de elektrische energie met ca. 950 kWh/d. Een verandering van het drogestofgehalte van de kuil van 33% naar 30% verkleint de oDS met ca. 9%, en heeft dus bijna even grote invloed. Daarom zijn de nauwkeurigheid van DS- en oDS-analyses en het wegen van substraten cruciaal.

Conclusies

De balans is een instrument voor planning en controle. Maandelijks herhaald met werkelijke gegevens laat zij zien waar de installatie energie verliest: in onvolledige afbraak van het substraat, in de fakkel, in een laag WKK-rendement, in overmatig eigen verbruik of in onbenutte warmte.

Opmerkingen bij de aannames

De WKK-rendementen hangen af van model, belasting, onderhoudstoestand en omgevingstemperatuur; werking bij deellast verlaagt het elektrisch rendement. De opbrengsten op technische schaal zijn doorgaans lager dan de BMP-resultaten, omdat een deel van het materiaal te snel door de vergister gaat en het mengen onvolmaakt is. Het drogestofgehalte van de kuil verandert met de partij en het oogsttijdstip. De eigen warmte voor het verwarmen van de vergister is het grootst in de winter, en in de zomer zijn er vaak weinig warmteafnemers — daarom is het raadzaam de jaarlijkse warmtebalans maand voor maand te berekenen.

Hoe het voorbeeld in een instrument om te zetten

Bouw een spreadsheet waarin u de massa's van de substraten, de DS- en oDS-waarden en de opbrengsten invoert, terwijl de overige velden met formules worden berekend. Voeg kolommen toe die plan en werkelijkheid vergelijken (gasmeting, energiemeter). Verschillen van enkele procenten zijn normaal; grotere verdienen onderzoek.