In diesem Teil dreht sich alles um Hybridsysteme und insbesondere um hybride geothermische Systeme. In diesem Kapitel wird das Konzept der Hybridsysteme vorgestellt und es werden die Vor- und Nachteile erläutert. Anschließend wird das Konzept des geothermischen Potenzials näher beleuchtet sowie der Unterschied zwischen Systemoptimierung und Systemsimulation erläutert.
Was sind hybride Systeme?
Bei größeren Anlagen (man denke beispielsweise an ein Multi-Utility-Gebäude oder Fernwärme- und Fernkältenetze der 5. Generation) ist der kumulierte Bedarf der Gebäude oft sehr hoch, sowohl hinsichtlich des Jahresbedarfs als auch hinsichtlich der daraus resultierenden Spitzenleistung. Sollte 100% dieser Last durch nur eine einzige Technologie (in unserem Fall das Bohrfeld) gedeckt werden, würde dies wahrscheinlich umfangreiche Bohrarbeiten erfordern. Möglicherweise steht jedoch nicht genügend Platz für die Installation eines Bohrfelds der erforderlichen Größe zur Verfügung, oder das Budget dafür reicht nicht aus. Oder – was noch häufiger der Fall ist – gibt es eine kostengünstigere Alternative.
Genau hier kommt das Konzept der hybriden geothermischen Systeme ins Spiel. Ein Hybridsystem wird in GHEtool wie folgt definiert: eine Kombination aus mehreren Technologien, die gemeinsam den erforderlichen Bedarf des Gebäudes decken. Bei einem hybriden geothermischen System spielt, wie der Name schon sagt, die Geothermie eine zentrale Rolle. Dies wird in der folgenden Abbildung veranschaulicht.
Das Schöne an Hybridsystemen ist, dass es keine Rolle spielt, welche Technologien kombiniert werden. Oft lässt sich ein Bohrfeld mit einer Erdwärmepumpe mit einer Luftwärmepumpe kombinieren, um in Spitzenzeiten zu unterstützen, oder es steht ein Fernwärmenetz zur Verfügung, um den verbleibenden Teil des Bedarfs zu decken. Die ideale Kombination der Technologien hängt ausschließlich vom Bedarf Ihres Gebäudes ab (benötigen wir beispielsweise eine Technologie, die bei hohen Spitzenlasten aushilft, oder reicht eine Technologie, die die Grundlast abdeckt?), vom verfügbaren Platz (ist Platz für die Installation einer Luftwärmepumpe vorhanden?) oder von bereits vorhandenen Anlagen (z. B. einem Gaskessel bei Sanierungsprojekten).
Vorteile eines Hybridsystems
Hybride geothermische Anlagen sind manchmal die einzige praktikable und realisierbare Option für ein Projekt, beispielsweise wenn die verfügbare Bohrfläche begrenzt ist. Sie bieten jedoch auch weitere Vorteile:
Geringere Investitionskosten: Mit Hybridsystemen lassen sich die Stärken verschiedener Technologien kombinieren, um Kosten zu sparen. Einige Technologien weisen geringere Anschaffungskosten, dafür aber höhere Betriebskosten auf, während Bohrfeldern aus Investitionssicht oft der teuerste Teil des Systems sind, aber eine hervorragende Effizienz für die Erdwärmepumpe bieten. So kann beispielsweise die Verkleinerung des Bohrfelds um 10% durch eine Hybridkonstruktion die Investitionskosten (CAPEX) erheblich senken und das Projekt erschwinglicher machen.
Erhöhte Zuverlässigkeit des Systems: Durch den Einsatz mehrerer Technologien bieten hybride Systeme ein natürliches Backup. Wenn ein Teil ausfällt, kann der andere die Anforderungen des Gebäudes weiterhin erfüllen.
Design – Herausforderungen eines Hybridsystems
Die Auswahl der idealen Kombination von Technologien ist natürlich eine erste, aber eher einfache planerische Herausforderung, da diese oft durch die Projektrahmenbedingungen (verfügbare Dachfläche, Lärmschutzvorschriften, Verfügbarkeit von Fernwärme …) vorgegeben ist. Die größte Herausforderung besteht darin, die erforderliche Größe der einzelnen Technologien so zu bestimmen, dass man am Ende das beste System erhält. Da sich in diesem Kurs alles um die Planung von geothermischen Bohrfeldern dreht, lautet die zentrale Planungsfrage für jedes hybride geothermische System: “Wie hoch ist der geothermische Anteil, den wir mit einer bestimmten Anzahl von Bohrlöchern erzielen können?”
Das führt uns direkt zum Konzept von geothermisches Potenzial.
Was ist das geothermische Potenzial?
Was das geothermische Potenzial eines Bohrfeldes angeht, gibt es drei verschiedene Möglichkeiten:
- Potenzial für Macht: die Möglichkeit, bei Spitzenlasten mehr Heiz- oder Kühlleistung bereitzustellen.
- Potenzial für Energie: die Fähigkeit, im Laufe der Zeit mehr Energie mit dem Boden auszutauschen, auch wenn der Spitzenbedarf bereits gedeckt ist.
- Kein geothermisches Potenzial: wenn das Bohrfeld sowohl hinsichtlich der Leistung als auch der Energie bereits mit voller Kapazität arbeitet.
Diese drei Optionen werden im Folgenden kurz erläutert.
Geothermisches Potenzial für Strom
Stellen Sie sich ein Bohrfeld mit einem Temperaturprofil wie in der folgenden Abbildung vor. Wie deutlich zu erkennen ist, stößt das Bohrfeld bereits im ersten Betriebsjahr an seine Grenzen, was die maximale Flüssigkeitstemperatur betrifft. Eine Erhöhung der Wärmeeinleitungsleistung ist nicht möglich, da dadurch die Temperaturgrenzwerte überschritten würden. Betrachtet man hingegen die minimale Flüssigkeitstemperatur, so liegt diese noch weit unter dem Grenzwert für die minimale Flüssigkeitstemperatur. Das bedeutet, dass wir mehr Wärme aus dem Boden entziehen und unser Gebäude mit zusätzlicher Heizleistung versorgen können. Daraus lässt sich schließen, dass dieses Bohrfeld Machtpotenzial, in diesem Fall die Absaugleistung.
Geothermisches Potenzial für Energie
Wenn die Entnahmelast auf das oben abgebildete Bohrfeld erhöht wird, ergibt sich das unten dargestellte Temperaturprofil. Nun erreicht die Flüssigkeitstemperatur sowohl im ersten als auch im letzten Jahr des Simulationszeitraums die festgelegten Grenzwerte, sodass eine weitere Erhöhung der Einspeise- oder Entnahmeleistung nicht mehr möglich ist, da sonst die Grenzwerte für die Flüssigkeit erneut überschritten würden. Diese Einschränkung tritt jedoch nur im ersten Jahr bei maximaler Einspeisung und im letzten Jahr bei maximaler Entnahme auf. In den früheren Jahren besteht noch das Potenzial, mehr Wärme aus dem Boden zu entnehmen, während in den späteren Jahren das Potenzial besteht, zusätzliche Wärme einzuspeisen.
Wenn wir in diesem Bohrfeld zusätzliche geothermische Leistung installieren würden, könnten wir zwar mehr Energie mit dem Boden austauschen, wären jedoch nicht in der Lage, in Spitzenzeiten mehr Leistung zu entnehmen. Deshalb sagen wir, dass dieses Bohrfeld Potenzial für Energie aber nicht für die Leistung, da die Spitzenleistung bereits die Temperaturgrenzen erreicht.
In einigen Fällen kann, wie oben gezeigt, die Installation zusätzlicher Kühlleistung zur Einspeisung zusätzlicher Wärme in das Bohrfeld in späteren Jahren auch die geothermische Heizleistung erhöhen. Indem wir mehr Wärme in den Boden einspeisen, korrigieren wir das Ungleichgewicht im Boden und schaffen so zusätzliches Heizpotenzial. In einem solchen Szenario würde das Bohrloch in die vorherige Kategorie zurückfallen, wodurch ein gewisses Potenzial für Heizleistung wiedergewonnen würde.
Da dies jedoch als ein Effekt “zweiter Ordnung” angesehen wird, wird er in der Regel bei der Namensgebung vernachlässigt. Daher stufen wir dieses Bohrfeld als ein Feld ein, das kein Potenzial für zusätzliche Spitzenleistung hat, aber ein Potenzial für zusätzlichen Energieaustausch bietet.
Kein geothermisches Potenzial
Aus dem untenstehenden Temperaturprofil geht deutlich hervor, dass es kein geothermisches Potenzial mehr vorhanden, da die Flüssigkeitstemperaturen in jedem Jahr des Simulationszeitraums sowohl die Höchst- als auch die Mindestwerte erreichen.
- Das Konzept des geothermischen Potenzials steht immer im Verhältnis zum erforderlichen Gebäudebedarf. Wenn das Gebäude im Winter keinen Kühlbedarf hat, besteht kein Potenzial für eine höhere Einspeiseleistung, da kein Bedarf besteht.
- Es ist jedoch möglich, über den Tellerrand hinauszuschauen und nach Gebäuden in der Nähe zu suchen, die von einem Anschluss an dasselbe Bohrfeld profitieren könnten. Dies gilt beispielsweise für Gebäude mit gegensätzlichen Lasten, wie Wohn- und Bürogebäude oder Schwimmbäder und Eislaufbahnen.
Der Unterschied zwischen der Optimierung und der Simulation eines Hybridsystems
In diesem Abschnitt werden zwei verschiedene Ansätze zur Auslegung von Hybridsystemen erörtert, nämlich die Optimierung und die Simulation von Hybridsystemen. Obwohl sich beide Ansätze ergänzen, ist es wichtig, ihre grundlegenden Unterschiede zu verstehen, um zu wissen, wann welcher Ansatz anzuwenden ist.
Optimierung von Hybridsystemen
Bei der Optimierung einer hybriden geothermischen Anlage lautet die zentrale Frage stets: “Was lässt sich mit einer bestimmten Bohrfeldgröße erreichen?”, wodurch die Auslegung der Anlage direkt mit dem Konzept des geothermischen Potenzials verknüpft wird. Mit anderen Worten, es handelt sich um eine „Borefield-First“-Methodik wobei das Ziel darin besteht, zunächst so viel Leistung wie möglich zu erzielen (Teil 9.2) oder Energie (Abschnitt 9.3) aus dem geothermischen Bohrfeld, und was dieses nicht liefern kann, sollte durch etwas anderes bereitgestellt werden. Es geht darum, das Beste aus Ihrer (wahrscheinlich) teuersten Komponente herauszuholen.
Simulation hybrider Systeme
Bei der Simulation eines hybriden geothermischen Systems sieht die Sache etwas anders aus. Hier legen Sie a priori die Größe der einzelnen Hybridtechnologien sowie den Temperaturschwellenwert fest, oberhalb oder unterhalb dessen die jeweilige Hybridtechnologie zugeschaltet werden soll. Wenn die Außenlufttemperatur beispielsweise über 12 °C liegt, ist es wahrscheinlich effizienter, eine Luft-Luft-Wärmepumpe anstelle einer Erd-Luft-Wärmepumpe zu betreiben. In diesem Fall können Sie einfach festlegen, dass sich eine Luft-Luft-Wärmepumpe mit einer Leistung von x kW bei Temperaturen über 12 °C einschaltet. Dieser Ansatz kann auch als Hybrid-First, da es auf der Grundlage der festgelegten Schwellenwerte zunächst einen Teil der Belastung vom Bohrfeld abzieht, woraufhin das Bohrfeld einfach wie bisher simuliert werden kann.
Dieser Simulationsansatz ist schneller als der Optimierungsansatz, liefert jedoch nicht denselben geothermischen Anteil, da er nicht direkt mit dem Konzept des geothermischen Potenzials verknüpft ist. Dies wird in Teil 9.5.
Fazit
In diesem Kapitel wurde das Konzept der Hybridsysteme vorgestellt und dabei sowohl auf die Vor- als auch auf die Nachteile eingegangen; außerdem wurde das Konzept des geothermischen Potenzials erläutert. Es wurde erörtert, dass die Auslegung dieser Hybridsysteme – insbesondere die Frage, wie hoch der geothermische Anteil in einem bestimmten geothermischen Hybridsystem ist – keineswegs trivial ist und dass es unterschiedliche Herangehensweisen an dieses Problem gibt, je nachdem, ob man das Hybridsystem optimieren oder lediglich simulieren möchte.
In den folgenden Kapiteln werden verschiedene Entwurfsmethoden für Hybridsysteme behandelt, die jeweils ihre eigenen Anwendungsfälle, Vor- und Nachteile aufweisen. Zusammen bilden sie eine Art Werkzeugkasten, aus dem der Bohrfeldplaner die für ihn relevanten Elemente auswählen und kombinieren kann, um eine fundierte Entscheidung über das endgültige System zu treffen.
Literaturverzeichnis
- Peere, W. (2025). Drei Ansätze zur Auslegung eines hybriden geothermischen Heiz- und Kühlsystems für ein Bürogebäude. In Tagungsband der Geo-Rin-Konferenz. Benasque (Spanien), 2. bis 6. Juni 2025. [online]