Microschaal bioLNG-installaties: koeltechnologieën en selectiecriteria

Microschaal bioLNG-installaties zijn systemen met een capaciteit van enkele tot enkele tientallen tonnen vloeibaar biomethaan per dag, die gezuiverd biomethaan afkoelen tot ongeveer −162°C. Ze werken in één van drie configuraties: een stikstofcyclus (omgekeerde Brayton-cyclus), een cyclus met een mengsel van koelmiddelen of een cascadecyclus. De keuze hangt af van de schaal, de vereiste efficiëntie, de investeringskosten en de benadering van veiligheid. Alle systemen vereisen een zeer nauwkeurig gezuiverd invoergas.

Etappen van het vloeibaar maken

1. Eindzuivering: verwijdering van CO₂ tot enkele tientallen ppm (CO₂ bevriest bij lage temperaturen), water onder 1 ppm, H₂S, kwik en zware koolwaterstoffen, indien aanwezig.
2. Voorafkoeling: water of mechanische koeling.
3. Vloeibaar maken: een cryogene warmtewisselaar waarin biomethaan warmte afgeeft aan het koude koelmiddel.
4. Nakoeling en expansie: om verdamping tijdens opslag te beperken.
5. Opslag: een vacuümgeïsoleerde tank, belading in tankwagens.

Technologieën

Bij kleine schaal wordt meestal gekozen voor stikstofcycli of vereenvoudigde mengsels, omdat eenvoud, veiligheid en lage onderhoudskosten belangrijk zijn. Bij grotere installaties neemt het belang van efficiëntie toe en worden mengsels van koelmiddelen toegepast.

Selectiecriteria

1. Schaal. Bij kleine producties van bioLNG wegen energiekosten minder zwaar ten opzichte van CAPEX, dus is eenvoud belangrijk; bij grotere installaties wordt efficiëntie belangrijker.
2. Energieverbruik. Typische waarden in de literatuur voor kleine verdampingsinstallaties liggen rond 0,4–0,8 kWh/kg bioLNG, afhankelijk van schaal en cyclus.
3. Veiligheid. Een niet-ontvlambaar koelmiddel (stikstof) vereenvoudigt het verkrijgen van vergunningen en de veiligheidsmaatregelen.
4. Belastingsflexibiliteit. Het is gunstig als de verdampingsinstallatie kan werken bij een variërende aanvoer van biomethaan.
5. Beschikbaarheid van service. Ondersteuning voor turbo-expanders, compressoren en warmtewisselaars is vereist.
6. Integratie met zuivering. Combinatie met CO₂-vloeibaarmaking (cryogene scheiding) kan voordelig zijn.
7. Beschikbaarheid. Cryogene installaties vereisen regelmatig onderhoud en ontdooiing.

Voorbeeld van energievergelijking

Aannames: verdampingsinstallatie van 10 t/dag (417 kg/u), 8000 u/jaar. Stikstofcyclus 0,7 kWh/kg, cyclus met mengsel 0,5 kWh/kg (illustratieve aannames). Jaarlijks verbruik: 417 × 8000 × 0,7 ≈ 2335 MWh vs 417 × 8000 × 0,5 ≈ 1668 MWh. Verschil: ca. 667 MWh, wat bij 600 zł/MWh neerkomt op ca. 400.000 zł per jaar. Als de hogere efficiëntie 2 miljoen zł meer aan CAPEX kost, bedraagt de eenvoudige terugverdientijd ongeveer 5 jaar – dit is een voorbeeld van een evaluatiemethode die moet worden herhaald voor daadwerkelijke offertes.

Typische operationele problemen

• bevriezing van warmtewisselaars door verontreinigingen (CO₂, water),
• verdampingsverliezen en de noodzaak om verdampingsgas terug te voeren,
• onderschat energieverbruik tijdens hittegolven, wanneer koeling minder efficiënt is,
• opstarten en stilleggen, die energie verbruiken en tijd vergen voor afkoeling.

Integratie met logistiek

Een verdampingsinstallatie staat niet op zichzelf: deze moet samenwerken met opslagtanks, laadarmen en een tankwagenvloot. De capaciteit is zinvol als de afname gelijkmatig is. Plan een buffertank die overeenkomt met enkele dagen productie, zodat het vloeibaar maken niet wordt onderbroken door vertraging van een tankwagen.

Vereisten voor nutsvoorzieningen

Naast elektriciteit heeft een microschaal verdampingsinstallatie water of luchtkoeling nodig (afvoer van compressiewarmte), instrumentlucht of stikstof, een ontluchtingssysteem en terugwinning van verdampingsgas, evenals noodstroomvoorziening voor beveiligingen. Bij zomerse temperaturen daalt de koelingsefficiëntie, dus in ontwerpen wordt uitgegaan van de slechtste omstandigheden, niet van het jaarlijkse gemiddelde. Noodstroom is belangrijk, omdat een onderbreking in de besturing of koeling zonder gecontroleerde afsluiting kan leiden tot drukstijging in de tanks.

Vragen aan de leverancier

Vraag naar het gegarandeerde energieverbruik in kWh/kg bij zomertemperaturen, het minimale belastingsniveau (turndown), de opstarttijd vanuit koude en warme toestand, het vereiste CO₂-gehalte bij invoer, referenties van installaties met vergelijkbare schaal en de levertijd van kritieke onderdelen. Spreek ook af wie verantwoordelijk is voor het verdampingsgas en hoe dit wordt verwerkt, omdat zonder oplossing hiervoor methaanemissies of productverliezen optreden. Beoordeel ook het risico op een service-monopolie: hoe meer propriëtaire technologie, hoe belangrijker een serviceovereenkomst met gegarandeerde responstijd.

Samenvatting

De keuze van de vloeibaarmakingstechnologie is een afweging tussen efficiëntie enerzijds en eenvoud en veiligheid anderzijds. In kleine agrarische biogasinstallaties wint vaak de stikstofcyclus, terwijl bij grotere installaties systemen met mengsels van koelmiddelen worden toegepast. Vergelijk altijd de totale kosten, niet alleen de aanschafprijs van de apparatuur.