In den beiden vorangegangenen Kapiteln wurden zwei verschiedene Algorithmen zur Optimierung eines hybriden geothermischen Systems erörtert: einer, der die geothermische Leistung maximiert und das geothermische Potenzial für die Stromerzeugung eliminiert, und einer, der den geothermischen Energieaustausch maximiert und dabei das geothermische Potenzial für die Energiegewinnung eliminiert. Obwohl beide Methoden ihre eigenen Stärken und Schwächen haben, lautete eine gemeinsame Schlussfolgerung, dass nach der Optimierung noch ein recht großes geothermisches Ungleichgewicht bestehen bleiben könnte. Dies wird mit dieser letzten Optimierungsmethode behoben.
Auf Ausgewogenheit optimiertes Hybridsystem
Wenn das Bohrfeld auf ein maximales geothermisches Gleichgewicht optimiert wird, lautet das Auslegungsziel wie folgt:
Maximieren Sie die Leistung bei Heizung, Kühlung und/oder Warmwasserbereitung, die Sie im Simulationszeitraum jederzeit in den Boden einspeisen oder aus ihm entnehmen können, solange das Gleichgewicht im Boden erhalten bleibt.
Auf den ersten Blick ähnelt das oben genannte Designziel stark dem aus der Optimierungsstrategie für maximale Leistung (Teil 9.2), wobei zusätzlich ein ausgeglichenes Bohrfeld vorausgesetzt wird. Wenn der zulässige Prozentsatz der Unausgeglichenheit auf 100% festgelegt wird, sind die Lösungen beider Optimierungsverfahren identisch.
Wie aus dem obigen Temperaturprofil deutlich ersichtlich ist, ist das Bohrfeld nun (fast) perfekt ausgeglichen, allerdings natürlich auf Kosten eines verbleibenden Leistungspotenzials. Genau wie bei der Optimierung für maximale geothermische Leistung stellt das oben genannte Auslegungsziel jedoch sicher, dass bei einer installierten Leistung von x kW für geothermisches Heizen, Kühlen oder die Warmwasserbereitung diese installierte Leistung über den gesamten Simulationszeitraum hinweg genutzt werden kann. Daher führt dieser Ansatz – genau wie die Optimierung auf Leistung und im Gegensatz zur Optimierung auf Energie – zu keiner Überdimensionierung des Hybridsystems.
Optimisation-Algorithmus
Da die Auslegung hybrider geothermischer Systeme nicht trivial ist und mitunter zu überraschenden Ergebnissen führen kann, ist es wichtig, den zugrunde liegenden Optimierungsalgorithmus gründlich zu verstehen. Die algorithmische Herleitung wird im Folgenden erläutert.
- Gehen Sie von einem stündlichen Bedarfsprofil für Heizung, Kühlung (und optional Warmwasser) sowie einer bestimmten festen Bohrfeldkonfiguration aus.
- Berechnen Sie das stündliche Temperaturprofil unter der Annahme, dass 100% des Gebäudebedarfs durch das geothermische Bohrfeld gedeckt wird.
- Prüfen Sie, ob:
- Die Mindestflüssigkeitstemperatur liegt unterhalb des festgelegten Schwellenwerts oder es liegt ein Ungleichgewicht von mehr als $\alpha$% vor zur Extraktion.
Ist dies der Fall, ist die Abluftleistung zu hoch, sodass sie durch eine Begrenzung entweder des Heizbedarfs oder des Warmwasserbedarfs reduziert werden sollte. Je nachdem, welchen Wert Sie zuerst reduzieren möchten, wird der Heizbedarf oder der Warmwasserbedarf für die gesamte Simulation um den Wert x% verringert.
Liegt die Mindestflüssigkeitstemperatur über dem Schwellenwert, kann der aktuelle Heiz- und Warmwasserbedarf durch das geothermische Bohrfeld gedeckt werden. - Die maximale Flüssigkeitstemperatur liegt über dem festgelegten Schwellenwert oder es liegt ein Ungleichgewicht von mehr als $\alpha$% vor zur Injektion.
Ist dies der Fall, ist die Einspritzleistung zu hoch, was bedeutet, dass die Kühlleistung für die gesamte Simulation um x% reduziert werden sollte.
Liegt die maximale Flüssigkeitstemperatur unterhalb des Schwellenwerts, kann das Bohrfeld die Injektion bewältigen, und es sind keine Änderungen erforderlich.
- Die Mindestflüssigkeitstemperatur liegt unterhalb des festgelegten Schwellenwerts oder es liegt ein Ungleichgewicht von mehr als $\alpha$% vor zur Extraktion.
- Wenn beide Temperaturen aus Schritt (3) innerhalb der Grenzwerte liegen und das Ungleichgewicht ist kleiner als $\alpha$%, werden die geothermischen und hybriden Lasten ermittelt, und der Algorithmus fährt mit Schritt (7) fort. Wird mindestens einer der Temperaturschwellenwerte überschritten, fährt der Algorithmus mit Schritt (5) fort.
- Berechnen Sie die stündliche Belastung des Bohrfeldes unter Verwendung der neuen maximalen Spitzenleistungen für Heizung, Kühlung (und Warmwasserbereitung) neu, wie in Schritt (3) ermittelt. Leiten Sie die Leistung oder Energie, die vom Bohrfeld nicht bewältigt werden kann, auf die Hybridtechnologie um.
- Berechnen Sie das stündliche Temperaturprofil neu und kehren Sie zu Schritt (3) zurück.
- Erledigt.
Der oben beschriebene Optimierungsalgorithmus ähnelt stark dem aus Teil 9.2, ergänzt um den wichtigen Faktor eines zulässigen Ungleichgewichtsanteils. Grafisch lässt sich dies wiederum als Last-Dauer-Kurve darstellen, bei der jedoch der schraffierte Bereich für die Kühlung nun dem schraffierten Bereich für die Heizung und die Warmwasserbereitung entspricht, wie unten dargestellt.
Beispiel in GHEtool
Um die Vor- und Nachteile dieser Methode im Vergleich zum leistungsoptimierten Ansatz zu veranschaulichen, wird dasselbe Beispiel wie im vorigen Kapitel herangezogen. Zunächst wird dasselbe 5×5-Bohrfeld mit einer Bohrtiefe von 100 m betrachtet. Der geothermische Anteil des hybriden geothermischen Systems ist unten dargestellt.
Beim Betrachten der obigen Abbildung wird sofort deutlich, dass eine Optimierung auf Gleichgewicht den Anteil der Erdwärme für Heizzwecke vollständig auf 0 reduziert. Dies liegt daran, dass die Entnahme deutlich größer ist als die Einleitung, sodass eine Optimierung auf Gleichgewicht das System im Grunde durch die Einleitungslast begrenzt. Das Temperaturprofil ist in der folgenden Grafik dargestellt, wo dies deutlich zu erkennen ist.
In der obigen Simulation wurde ein akzeptables geothermisches Ungleichgewicht von 5% zugelassen, und wie aus dem untenstehenden Sankey-Diagramm ersichtlich ist, ist dieses Ungleichgewicht tatsächlich äußerst gering, und der Großteil des Heiz- und Warmwasserbedarfs wird vom Hybridsystem gedeckt.
Wenn die Bohrfeldgröße auf ein 4×4-Bohrfeld reduziert wird, ergibt sich der folgende geothermische Anteil. Nun verbleibt nur noch die Hälfte des Warmwasserbedarfs und 78% des Kühlbedarfs. Dies ist geringer als die 62% bzw. 94% im 5×5-Fall. Der Grund dafür ist, dass das Bohrfeld nun kleiner ist und daher auch die maximale Einspeiseleistung geringer ist, was den Gesamtanteil an der Kühlung verringert und – aufgrund des nur noch erforderlichen Ungleichgewichts von 51 TP21T – auch den Warmwasserbedarf senkt.
Als weitere Variante ist es möglich, die zulässige Unwucht von 5% auf beispielsweise 25% zu erhöhen. Dadurch kann sich der geothermische Anteil am Warmwasser erhöhen, da nun eine größere Unwucht zulässig ist. Dadurch ändert sich der geothermische Anteil an der Warmwasserbereitung sofort von 51% auf 66%, wobei das Temperaturprofil wie unten dargestellt aussieht.
Obwohl das oben dargestellte Profil ein deutlich größeres Ungleichgewicht aufweist (6,7 MWh/Jahr im Vergleich zu 1,0 MWh/Jahr), ist dies dennoch kaum wahrnehmbar. Dies verdeutlicht einmal mehr, dass es bei der Auslegung von hybriden geothermischen Anlagen kein Patentrezept gibt und dass die Methoden an sich sehr flexibel konzipiert sind, sodass Sie als Geothermie-Planer damit experimentieren und die für Ihr konkretes Projekt am besten geeignete Lösung finden können.
Fazit
In diesem Kapitel wurde die dritte Methode zur Auslegung eines hybriden geothermischen Systems vorgestellt, nämlich eine Methode, die die geothermische Bilanz maximiert. Im Grunde handelt es sich bei dieser Methode um eine weiterführende Anpassung der Optimierungsmethode für die Stromerzeugung, wobei zusätzlich eine maximal zulässige geothermische Unausgeglichenheit vorgegeben wird.
In dem besprochenen Beispiel ließ die Optimierung auf den Ausgleich aufgrund der begrenzten Kühllast keinen Spielraum für einen Heizbedarf im Bohrfeld. Der geothermische Anteil sank daher erheblich. Als das zulässige geothermische Ungleichgewicht auf 25% erhöht wurde, stieg der geothermische Anteil an der Warmwasserbereitung von 51% auf 66%. Dies zeigt, dass die Optimierungsmethode zur Erzielung eines maximalen Gleichgewichts ein weiteres Werkzeug in Ihrem Arsenal zur Bewältigung komplexer hybrider geothermischer Anlagengestaltungen darstellt.
In der nächstes Kapitel, wird ein anderer Ansatz vorgestellt, bei dem das Hybridsystem nicht optimiert, sondern simuliert wird.
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]