ORC in biogasinstallaties: hoeveel elektriciteit kan worden teruggewonnen uit afvalwarmte

ORC (Organic Rankine Cycle) is een thermodynamische cyclus waarbij in plaats van water een organisch medium met een laag kookpunt circuleert, waardoor elektriciteit kan worden opgewekt uit warmte met een temperatuur van 80–300 °C. Voor warmte uit een biogasmotor levert een ORC-module doorgaans enkele tot ruim tien procent van de warmte-energie als elektrische energie terug — bij een overtollige warmte van 300–400 kW betekent dit enkele tientallen kW elektrisch vermogen. Het is alleen zinvol als de warmte niet goedkoper en eenvoudiger kan worden verkocht.

Werkingsprincipe

Het medium (bijvoorbeeld koolwaterstoffen, fluorkoolwaterstoffen, siliconenoliën — afhankelijk van de fabrikant) wordt verdampt in een warmtewisselaar met afvalwarmte, expandeert in een turbine of expander die een generator aandrijft, condenseert vervolgens in een condensor gekoeld door lucht of water en keert terug naar de pomp. Het rendement vloeit voort uit de beperkingen van de tweede hoofdwet van de thermodynamica: hoe kleiner het temperatuurverschil tussen de bron en de koeling, hoe lager het rendement (Carnot-limiet). Bij een brontemperatuur van 90 °C en een koeltemperatuur van 25 °C bedraagt de theoretische limiet ongeveer 18%, terwijl het praktische rendement aanzienlijk lager ligt.

Warmtebronnen in een biogasinstallatie

Modules die specifiek zijn ontworpen voor biogasinstallaties werken vaak met heet water of thermische olie die wordt verwarmd door rookgassen.

Rekenvoorbeeld

Aannames: WKK-eenheid 500 kW el., overtollige warmte voor ORC 300 kW, netto ORC-rendement 8%, beschikbaarheid 7 500 h/jaar.

• netto elektrisch vermogen: 300 × 0,08 = 24 kW,
• jaarlijkse productie: 24 × 7 500 = 180 MWh,
• bij een hypothetische verkoopprijs van energie (bijv. 400 zł/MWh) zou de opbrengst 72 duizend zł/jaar bedragen; bij 800 zł/MWh — 144 duizend zł.

Het resultaat toont aan dat de investering in een module (in de orde van honderdduizenden tot meer dan een miljoen złoty voor dergelijke schalen) alleen rendabel is bij voldoende hoge energieprijzen of ondersteuning en lage onderhoudskosten. De prijzen in het voorbeeld zijn hypothetisch; de evaluatie dient gebaseerd te zijn op eigen prijzen en omstandigheden.

Voor- en nadelen

Wanneer ORC zinvol is

• geen lokale warmteafnemers (of lage verkoop),
• hoge elektriciteitsprijs of beschikbare ondersteuningsregeling,
• stabiele werking van de warmtekrachtkoppeling (>7 500 h/jaar),
• mogelijkheid tot koeling met water op lage temperatuur.

Wanneer goedkopere benutting van warmte mogelijk is (drogen, verwarming), heeft dat meestal de voorkeur.

Exploitatieaspecten

• werkmedia: beoordeling van veiligheid (ontvlambaarheid, toxiciteit, GWP) en wettelijke eisen voor het medium,
• bescherming tegen drukstijging en lekkages,
• onderhoud: vervanging van afdichtingen, controle van de turbine, reinheid van warmtewisselaars,
• integratie met de automatisering van de biogasinstallatie en beschikbaarheid van remote monitoring,
• aansluitvoorwaarden voor het net voor het extra vermogen (formaliteiten).

Vragen aan de leverancier

1. Wat is het netto rendement onder ontwerpomstandigheden en het gemiddelde jaarlijkse rendement?
2. Welke temperaturen en warmtestromen zijn vereist?
3. Hoe ziet de garantie eruit en wat zijn de onderhoudskosten?
4. Welke referenties zijn er voor vergelijkbare installaties?
5. Hoe gedraagt de module zich bij deellast?

Een degelijke analyse vereist een vergelijking van scenario's: verkoop van warmte, drogen, ORC, geen investering. Pas wanneer de kasstromen met een realistische opbrengst worden vergeleken, wordt duidelijk of ORC gerechtvaardigd is. Een vereenvoudigde indicator: de kosten van de geproduceerde kilowattuur met ORC over de gehele levensduur, vergeleken met de verkoop- of inkoopprijs van energie.

ORC en andere manieren om rookgassen te benutten

Rookgassen uit de motor kunnen ook worden gebruikt voor het opwekken van processtoom of thermische olie voor drogers. Deze variant biedt een hoger energiegebruik dan ORC, mits er een procesafnemer is. ORC wordt gekozen wanneer de warmte op een andere manier 'nutteloos' is. Het is ook de moeite waard te overwegen of het niet beter is te investeren in een hoger elektrisch rendement van de WKK-eenheid zelf (grotere motor, betere mengselkoeling).

Financiële risico's

Het grootste risico is het aannemen van een te optimistisch rendement en beschikbaarheid van de module. Vraag om een opbrengstgarantie en vermeld in het contract de meetmethode. Houd rekening met een daling van de efficiëntie op warme dagen, de kosten voor het vervangen van het medium, het onderhoud van warmtewisselaars en de verwachte energieprijzen gedurende de gehele terugbetalingsperiode. Als de ondersteuningsregeling voor energie uit biogas een beperkte looptijd heeft, evalueer dan ook de kasstromen na afloop daarvan.

Keuze van de modulegrootte

Een ORC-module wordt gekozen op basis van de constante overtollige warmte, niet op piekwaarden. Een te grote module werkt onder het optimum, een te kleine benut het potentieel niet. Doorgaans omvat de module de warmte die gedurende het grootste deel van het jaar beschikbaar is na aftrek van de eigen behoefte voor het verwarmen van de vergisters. Omdat de eigen behoefte in de winter toeneemt, is de overtollige warmte voor ORC dan het kleinst — wat betekent dat de werkelijke jaarproductie vaak lager is dan het product van het nominale vermogen en het aantal uren.

Samenvatting van de beslissing

ORC is een goede optie voor installaties met een grote, constante overtollige warmte, zonder lokale afnemers. Voor de meeste agrarische biogasinstallaties moeten de prioriteiten liggen bij: verbetering van het elektrisch rendement, verkoop of gebruik van warmte en pas daarna ORC als aanvulling.