Warmtebalans van een biogasinstallatie in de winter: hoeveel warmte het proces verbruikt en waar die vandaan komt

De warmtebalans van een biogasinstallatie in de winter bestaat uit enkele eenvoudige posten: warmte voor het opwarmen van het gedoseerde substraat, verliezen door de scheidingsconstructies van tanks en leidingen, warmte die nodig is voor eventuele hygiënisatie en externe afnemers. Aan de opbrengstenkant staat vooral warmte van het warmtekrachtkoppelingsaggregaat (WKK) en eventueel een ketel. In de winter nemen beide belangrijkste posten van de behoefte toe, terwijl het vermogen van de bronnen om die te dekken helemaal niet toeneemt. Daarom moet de balans worden opgesteld voor de koudste typische week, en niet voor het jaargemiddelde.

Waaruit de warmtebehoefte bestaat

1. Opwarmen van het substraat. Het substraat komt met omgevingstemperatuur in de vergister (kuilvoer, gekoelde spoeling, drijfmest uit een externe tank), terwijl het mesofiele proces doorgaans rond 38–42 °C wordt gevoerd. De energie wordt berekend met de formule Q = m · c · ΔT. Voor substraten met een hoog watergehalte is de soortelijke warmte dicht bij die van water, oftewel ca. 4,2 kJ/(kg·K); bij een hoger drogestofgehalte is die iets lager.

Illustratief voorbeeld voor een soortelijke warmte van 4,18 kJ/(kg·K) (1 kWh = 3,6 MJ):

Bij een dosering van 50 t per etmaal en ΔT = 40 K geeft dit ca. 2,3 MWh per etmaal, oftewel gemiddeld ca. 96 kW thermisch vermogen. In de winter vereist dezelfde massa substraat dus een veelvoud van de energie in vergelijking met de zomer, wanneer het substraat warm is. De waarde is indicatief: de werkelijke hangt af van de samenstelling van het mengsel, het aandeel recirculaat en van het feit of het substraat warm wordt opgeslagen.

2. Verliezen door scheidingsconstructies. De warmtestroom door wand, dak en vloer van de tank bedraagt Q = U · A · ΔT, waarbij U de warmtedoorgangscoëfficiënt is, A het oppervlak en ΔT het temperatuurverschil binnen en buiten. Ter illustratie: 1000 m² oppervlak met U = 0,3 W/(m²·K) bij ΔT = 40 K geeft ca. 12 kW. In werkelijkheid komen daar de invloed van wind, koudebruggen, de toestand van de isolatie (vochtige isolatie verliest haar eigenschappen) en andere thermische omstandigheden van de grond onder de bodem bij. Membraandaken en elementen met geringe massa gedragen zich anders dan betonnen wanden, omdat ze warmte slecht accumuleren.

3. Hygiënisatie en behandeling. Als de installatie materialen verwerkt die hygiënisatie vereisen, is de warmte die nodig is om de hele stroom op te warmen tot de door de regelgeving vereiste temperatuur en deze gedurende de vereiste tijd te handhaven, een grote, kortdurende post. De eisen voor dierlijke bijproducten worden bepaald door Verordening (EU) nr. 142/2011 (o.a. tijd- en temperatuurparameters voor de afzonderlijke categorieën). Warmteterugwinning uit de gehygiëniseerde stroom (regeneratieve warmtewisselaar) vermindert het warmteverbruik aanzienlijk.

4. Externe afnemers. Verwarming van gebouwen, drogerijen, externe warmtecentrale. In de winter concurreren ze met het proces om dezelfde warmte; in de balans moet het proces voorrang hebben, omdat het afkoelen van de vergister weken productie kost, en geen uren.

Aan de kant van de warmtelevering

Een WKK-motor zet de energie van de brandstof om in elektrische energie en warmte; de elektrische en thermische rendementen van typische eenheden bespreken we in de tekst over het rendement van de WKK-motor. De warmte komt in het koelwatercircuit van de motor (mantel en olie) en in de rookgassen terecht. Niet alle warmte is bruikbaar: temperatuur en beschikbaarheid hangen af van het systeem van warmtewisselaars en van het feit of de motor draait. Seizoensgebondenheid en structuur van de warmtebalans van warmtekrachtkoppeling beschrijven we in het artikel restwarmte van WKK.

Drie situaties verstoren de winterbalans in het bijzonder:

• Werking van de motor op verlaagde belasting (vermogensbeperking door de netbeheerder, minder biogas na een daling van de productie): minder warmte, terwijl de behoefte gelijk blijft.
• Stilstand van de motor (storing, onderhoud, te lage gaskwaliteit): de warmte moet in een ketel worden geproduceerd, en als die er niet is, daalt de temperatuur van de vergister.
• Te lage temperatuur van het retourwater of geen afname in het tegenovergestelde seizoen, wat in de winter omslaat: er is warmte, maar de warmtewisselaars zijn te klein gedimensioneerd voor een groot vermogen bij een gering temperatuurverschil.

Hoe een eigen balans op te bouwen

1. Bepaal de koudste typische week voor de locatie en de temperatuur van de substraten in die tijd (kuilvoer uit de kuil, drijfmest uit de tank, spoeling).
2. Bereken de gemiddelde dagelijkse doseringsmassa en de energie voor het opwarmen (tabel hierboven).
3. Tel de verliezen van de scheidingsconstructies op: afzonderlijk tanks, leidingen, warmtewisselaars, pompen, technisch gebouw.
4. Tel hygiënisatie en externe afnemers op.
5. Leg de som naast het thermisch vermogen dat werkelijk beschikbaar is uit de WKK bij de in de winter verwachte belasting en naast het vermogen van de reserveketel.
6. Controleer het scenario van uitval van één bron: of de reserve de procestemperatuur handhaaft gedurende de tijd van een typische reparatie.

Wat de balans verbetert zonder nieuwe bronnen

• Geleidelijk opwarmen van het substraat, bijv. in een voorraadtank die met laagtemperatuurwarmte wordt verwarmd, en vaker doseren in kleinere porties (stabielere temperatuur in de vergister).
• Herstel van de isolatie, windschermen en beperking van koudebruggen op de meest blootgestelde plaatsen.
• Warmteterugwinning uit de uitgaande stroom (warmtewisselaar van digestaat voor het opwarmen van substraat), als dat technisch en hygiënisch haalbaar is.
• Substraten warm houden waar dat rendabel is (bijv. overdekte opslagplaatsen), in plaats van ze pas in de vergister te verwarmen.
• Uitschakelen van externe afnemers in de pieken van de vorst volgens een eerder vastgestelde prioriteit.

Het is raadzaam de warmtevoorraad met metingen te verifiëren: een warmtemeter op het circuit van de vergister en een meter bij de externe afnemers tonen de werkelijke verdeling en maken het mogelijk die met de ontwerpbalans te vergelijken. De procesparameters, waaronder de gevolgen van temperatuurschommelingen, bespreken we in de tekst over de opstart van de vergister.

Typische fouten in warmtebalansen

• Het aannemen van de substraattemperatuur als constant gedurende het jaar: kuilvoer uit de kuil en drijfmest uit een externe tank hebben in de winter doorgaans een temperatuur dicht bij de omgevingstemperatuur.
• Het negeren van verliezen in leidingen, warmtewisselaars en pompen, die in de winter even belangrijk kunnen zijn als de verliezen van de tank.
• Het berekenen van de beschikbare warmte uit de WKK volgens het nominale vermogen, en niet volgens de werkelijke belasting in een bepaald seizoen.
• Het niet rekening houden met de reparatietijd van de warmtebron: de reserve moet volstaan voor de tijd waarin het proces niet mag afkoelen.
• Het behandelen van laagtemperatuurwarmte als gelijkwaardig aan hoogtemperatuurwarmte; een warmtewisselaar vereist een passend temperatuurverschil.

Hoe de balans met metingen aan te vullen

De beste aanvulling op de berekeningen zijn warmtemeters en temperaturen op meerdere punten: aan de ingang en uitgang van de warmtewisselaar van de vergister, op het WKK-circuit, bij externe afnemers en de temperatuur in de vergister zelf. Vergelijking van de winteraflezingen met de berekeningen toont of de verliezen groter zijn dan aangenomen (bijv. door vochtige isolatie) en of het beschikbare vermogen daadwerkelijk overeenkomt met het ontwerpvermogen. De conclusies zijn het waard te worden vastgelegd en elk seizoen herhaald, want met de verandering van het substraatrecept verandert ook de warmtebehoefte.