Aardgas is een in de natuur voorkomend mengsel van koolwaterstoffen en niet-koolwaterstoffen, dat zich bij kamertemperatuur en onder atmosferische druk geheel in de gasfase bevindt. Het wordt in en om Nederland op meerdere plaatsen gewonnen, voornamelijk door de NAM, de Nederlandse Aardolie Maatschappij.

Gronings aardgas

Bij Slochteren in Groningen ligt het grootste aardgasveld. Het hoofdbestanddeel van het Groningse aardgas is methaan (CH₄). Ongeveer 3 km diep zit het gas onder hoge druk in een poreuze zandsteenlaag. Met steenzout dat het gas niet doorlaat, wordt het gasreservoir afgesloten. Het gas wordt naar boven gehaald door middel van boortorens. Met een druk van ongeveer 175 bar komt het naar boven. Nadat het gas is gewonnen, moet alleen de zandsteenlaag de bovenliggende 3 km dikke sedimentlagen dragen.

Aardgastransport

Het aardgas wordt gedroogd voordat het getransporteerd wordt naar de verbruikers. Hiervoor gaat het eerst naar een vloeistofafscheider waar de druk wordt verlaagd tot ongeveer 67 bar. Er ligt in Nederland een 11.500 km groot leidingennetwerk waarmee het gas wordt gedistribueerd. Vanuit de hoofdleidingen komt het gas in leidingen met een kleinere diameter terecht en vandaar in woningen, gebouwen en industrieën, enzovoort.

Eigenschappen van aardgas

Voor de stooktechniek zijn vooral de volgende eigenschappen van aardgas van belang:

verbrandings- en stookwaarden;
vlamtemperatuur;
Wobbe-index;
ruikbaarheid van aardgas;
explosiegrenzen;
verbrandingssnelheid

Verbrandings- en stookwaarden

In de verbrandingstechniek zijn twee begrippen belangrijk voor berekeningen:

de verbrandingswaarde ofwel calorische bovenwaarde H_s;
de stookwaarde ofwel calorische onderwaarde H_i.

In documentatie van cv-ketels wordt de belasting, dit is het verbruik aan gas in kW, meestal op onderwaarde opgegeven.

Verbrandingswaarde of calorische bovenwaarde

De verbrandingswaarde of calorische bovenwaarde is de hoeveelheid warmte in kJ of MJ die vrijkomt wanneer een massa-eenheid (1 kg) of volume-eenheid (1 m³(n))

van een brandstof volledig verbrandt bij:

een begin- en eindtemperatuur van 15 °C;
een atmosferische druk van 101,325 kPa/1013 mbar.

Tijdens de verbranding ontstaat waterdamp, H₂O. Wanneer deze condenseert, komt er een bepaalde hoeveelheid warmte vrij, de condensatiewarmte of latente warmte (in kJ of MJ). Die is opgenomen in de calorische bovenwaarde H_s.

Stookwaarde of calorische onderwaarde

Zonder de condensatiewarmte is de energie die vrijkomt lager. We noemen dit de ‘stookwaarde’ of ‘calorische onderwaarde’ H_i van de brandstof. Die kunnen we zo berekenen:

H_i = calorische bovenwaarde H_s – condensatiewarmte

Voor Gronings aardgas is de calorische onderwaarde:

35,17 – 3,46 = 31,71 MJ/(1 m³(n))

Zoals eerder aangegeven, is in Nederland aardgas de meest toegepaste brandstof voor verwarming en warmtapwaterbereiding. Het Groningse aardgas bevat ongeveer 14,35% stikstof en is een laagcalorisch gas. Gassen uit de Noordzee bij Noorwegen bevatten in het algemeen minder stikstof. Maar ze hebben een hoger methaan- en ethaangehalte (respectievelijk ongeveer 86% CH₄ en 5% C₂H₆) en daardoor een hogere calorische waarde dan het Groningse aardgas. Tabel 1 toont de samenstelling van Gronings aardgas.

Tabel 1 Componenten en elementen van Gronings aardgas

Component	Element	Vol%
Methaan	CH₄	81,30
Ethaan	C₂H₆	2,85
Propaan	C₃H₈	0,37
Butaan	C₄H₁₀	0,14
Pentaan	C₅H₁₂	0,04
Hexaan	C₆H₁₄	0,05
Stikstof	N₂	14,35
Zuurstof	O₂	0,01
Kooldioxide	CO₂	0,89

Bij volledige verbranding van methaan (CH₄) komt er waterdamp vrij in de rookgassen.

De calorische onderwaarde kunnen we berekenen met de uitkomsten van de verbrandingsvergelijking, als we de samenstelling en calorische bovenwaarde van het gasmengsel kennen. Een verschil tussen de calorische onder- en bovenwaarde vinden we alleen bij gassen of gasmengsels waarin vrije of gebonden waterstof voorkomt (zie tabel 2).

Tabel 2 Warmte-inhouden van aardgas op onder- en bovenwaarden bij verschillende temperaturen

Brandstof	Calorische waarden	Symbool	Warmte-inhoud	Andere naam
Aardgas	Bovenwaarde bij 0 °C	H_s	35,17 MJ/m³(n)	Verbrandingswaarde
	Onderwaarde bij 0 °C	H_i	31,71 MJ/m³(n)	Stookwaarde
	Bovenwaarde bij 15 °C	H_s	33,30 MJ/m³(n)	Verbrandingswaarde
	Onderwaarde bij 15 °C	H_i	30,00 MJ/m³(n)	Stookwaarde

Voorbeeld

Bij een volledige verbranding van 1 m³(n) Gronings aardgas wordt 1,6839 m³ waterdamp gevormd. Dit rekenen we met de soortelijke massa van waterdamp om naar de hoeveelheid water die ontstaat bij condensatie:

de soortelijke massa van waterdamp ρ_w is 0,833 kg/m³;
de gevormde hoeveelheid water is 1,6839 m³ · 0,833 kg/m³ = 1,403 kg.

De condensatiewarmte die vrijkomt per m³(n) aardgas berekenen we met de verdampingswarmte. De verdampingswarmte bij 15 °C is:

2528,36 – 62,98 = 2465,4 kJ/kg

De vrijgekomen condensatiewarmte is:

1,403 kg · 2465,4 kJ/kg = 3459 kJ/m³(n) = 3,46 MJ/m³(n)

We kunnen in de praktijk rekenen met een verschil van 10% tussen boven- en onderwaarden.

Vlamtemperatuur

De vlamtemperatuur speelt een belangrijke rol in de warmteoverdracht van het verbrandingsgas naar het verwarmingswater. Het uitgangspunt is dat alle warmte die uit de brandstof vrijkomt, en niet als latente warmte in de waterdamp aanwezig is, in het verbrandingsproces wordt opgenomen. Bovendien dient de volledige warmte overgedragen te worden op het verwarmingswater.

De theoretische vlamtemperatuur van Gronings aardgas is ongeveer 1860 °C. Als gevolg van deze hoge vlamtemperatuur kunnen de gasmoleculen in andere moleculen, ionen en atomen uiteenvallen. Dit heet dissociatie. De vlamtemperatuur kun je berekenen met de volgende formule:

T = H_i /q_tot · C_pm

waarbij:

T = de theoretische vlamtemperatuur [°C];
H_i= de warmte-inhoud (voelbare warmte) van de verbrandingsgassen [kJ/m³];
C_pm = de gemiddelde soortelijke warmte bij constante druk over temperatuurtraject (0–T) °C [kJ/m³·K];
q_tot = de hoeveelheid verbrandingsgas [m³/m³ gas].

In de praktijk bedraagt de vlamtemperatuur meestal 1200 tot 1400 °C. Een hogere vlamtemperatuur heeft ongewenste vorming van stikstofoxiden NO_x tot gevolg. Bij volledige verbranding van 1 m³ gas is de warmte-inhoud gelijk aan de calorische onderwaarde.

Wobbe-index

We kunnen verschillende soorten brandstoffen voor verwarmingsketels gebruiken. De Wobbe-index geeft aan hoe uitwisselbaar brandstoffen zoals aardgas en propaan zijn. Het is een maatstaf voor de warmtebelasting (hoeveelheid energie) die aan de brander wordt toegevoerd. Een andere gassoort kan meestal in hetzelfde toestel worden verstookt als de Wobbe-index gelijk is. Gassen met dezelfde Wobbe-index garanderen echter niet altijd een goede werking van de brander, omdat dit ook bepaald wordt door:

de vlamstabiliteit: vlaminslag, afblazen van de vlam en dergelijke;
de volledigheid van de verbranding.

Belangrijk is dat de warmteproductie van het aan de brander toegevoerde gas of gasmengsel min of meer constant is. Twee gassen van verschillende samenstelling maar met een gelijke Wobbe-index, zullen voor hetzelfde spuitstuk bij dezelfde druk een gelijke hoeveelheid energie leveren.

De Wobbe-index is de verhouding tussen de calorische bovenwaarde en de wortel uit de relatieve dichtheid ten opzichte van lucht d:

waarbij:

W = de Wobbe-index [mJ/m³(n)];
H_s = de calorische bovenwaarde van het gas [mJ/m³(n)];
d = de relatieve dichtheid van het gas.

Voorbeeld

Gronings aardgas heeft een calorische bovenwaarde van 35,17 MJ/m³(n). De normaaldichtheid van het gas ρ_n is 0,834 kg/ en die van lucht ρ_n,_lucht is 1,293 kg/m³(n)]

De Wobbe-index:

De Wobbe-index van aardgas (uit Slochteren) zal binnen afzienbare tijd veranderen. Dit komt doordat het Groningse aardgas steeds meer gemengd wordt met aardgaskwaliteiten van andere landen, zoals gas uit Rusland, Noorwegen en Algerije (LNG). Ook zal er in toenemende mate ‘groen gas’ (biogas) worden bijgemengd. De branders zullen hierbij op een andere gas/lucht-verhouding ingesteld moeten worden dan wel dat een zuurstofcorrectieregeling noodzakelijk is.

Ruikbaarheid

Aan aardgas wordt een geurstof toegevoegd, omdat het gas nagenoeg reukloos is. Dit vergroot de veiligheid, omdat het gas dan waargenomen wordt als het onbedoeld vrijkomt bij bijvoorbeeld lekkage. De geur van het gas moet goed waarneembaar zijn bij een concentratie van 1% gas in de lucht. In Gronings aardgas wordt als geurstof tetrahydrothiofeen (THT) toegepast. Dit geeft het aardgas de kenmerkende en alarmerende gaslucht.

Explosiegrenzen

De explosiegrenzen van een gas zijn de laagste en hoogste concentratie van gas in de lucht of in zuurstof, waarboven of waaronder het mengsel niet meer zelfstandig brandt nadat het tot ontsteking is gebracht (zie afbeelding 3). Er zijn dus twee explosiegrenzen:

de onderste explosiegrens L_o = 5,9% voor aardgas: geeft de minimale concentratie van een gas in lucht of zuurstof, waarbij het mengsel nog net zelfstandig brandt, we noemen deze grens ook wel de LEL (lower explosion limit);
de bovenste explosiegrens L_b = 14,9% voor aardgas: geeft de maximale concentratie van een gas in lucht of zuurstof, waarbij het mengsel nog net zelfstandig brandt, we noemen dit ook wel de UEL (upper explosion limit).

Afbeelding 3: Explosiegrenzen en verbrandingssnelheid van propaan en aardgas.

Bij het bereiken van de zelfontbrandingstemperatuur komt het gasmengsel spontaan tot ontbranding, als de gas/lucht-verhouding binnen bepaalde grenzen ligt. Ligt de temperatuur van het gasmengsel beneden de zelfontbrandingstemperatuur, dan zal dit mengsel op een of andere manier ontstoken moeten worden om te ontbranden.

Verbrandingssnelheid

De verbrandingssnelheid is de snelheid waarmee een vlam zich in een stilstaand brandbaar mengsel voortplant (zie ook afbeelding 3). De verbrandingssnelheid dient gelijk te zijn aan de uitstroomsnelheid van het gasmengsel. Als de uitstroomsnelheid van het brandbare gasmengsel groter is dan de verbrandingssnelheid, wordt de vlam afgeblazen. Dit betekent dat de vlam boven het branderbed brandt. Als de uitstroomsnelheid kleiner is, dan bestaat er kans op vlaminslag. Dit betekent dat de vlam in de gasbuis inslaat, wat een explosie tot gevolg kan hebben.

De verbrandingssnelheid en ontstekingsgrenzen zijn afhankelijk van:

de gassoort: aardgas 0,3 m/s, methaan 0,37 m/s en waterstofgas circa 2,7 m/s;
de gas/lucht-verhouding: zie afbeelding 3 voor de onderste en bovenste explosiegrens;
de temperatuur van het gasmengsel: als de temperatuur van het mengsel toeneemt, neemt ook de verbrandingssnelheid toe.

Meer kennisartikelen over klimaattechniek

Dit kennisartikel komt uit hoofdstuk 6: Verbrandingstechnieken van de Vakbase W-installatie, het digitale naslagwerk van gawalo.nl over klimaattechniek

De Vakbase W-installatie bestaat uit twee onderdelen: Klimaatbeheersing 1 bevat informatie over de theorie en praktijktoepassingen van warmtetechnieken en Klimaatbeheersing 2 behandelt luchtbehandeling, ventilatie en koeling.

Abonnees van Gawalo kunnen gratis gebruikmaken van de Vakbase W-installatie.