Im vorangegangenen Kapitel wurden die Vorteile eines hybriden geothermischen Systems sowie die damit verbundenen Herausforderungen bei der Auslegung erörtert. In diesem Kapitel wird die erste Optimierungsstrategie zur Dimensionierung hybrider geothermischer Systeme behandelt, nämlich die Methode, bei der die maximale geothermische Leistung optimiert wird.
Leistungsoptimiertes Hybridsystem
Wenn das Bohrfeld auf maximale geothermische Leistung optimiert wird, lautet das Auslegungsziel wie folgt:
Maximieren Sie die Leistung bei Heizung, Kühlung und/oder Warmwasserbereitung, die Sie im Simulationszeitraum zu jedem Zeitpunkt in den Boden einspeisen oder aus ihm entnehmen können.
Die Konstruktionsphilosophie der Methodik läuft daher darauf hinaus, ein Bohrfeld zu schaffen, das kein Leistungspotenzial mehr aufweist, sondern nur noch Energiepotenzial. Sie stellt sicher, dass bei der Installation von x kW geothermischer Heiz-, Kühl- oder Warmwasserleistung diese installierte Leistung über den gesamten Simulationszeitraum hinweg genutzt werden kann. Ein Beispiel für ein sich daraus ergebendes Temperaturprofil nach der Optimierung hinsichtlich der Leistung ist unten dargestellt.
Wie aus dem obigen Temperaturprofil ersichtlich ist, erreicht die Flüssigkeitstemperatur beide Temperaturgrenzwerte, was darauf hindeutet, dass kein geothermisches Potenzial zur Stromerzeugung mehr vorhanden ist.
Der Vorteil dieses Algorithmus besteht darin, dass er die Gesamtkonzeption des Hybridsystems recht unkompliziert gestaltet. Wenn das Gebäude beispielsweise einen Heizbedarf von 100 kW hat und die Optimierung ergibt, dass während des gesamten Simulationszeitraums 60 kW Erdwärme zur Verfügung stehen, kann die Hybridtechnik einfach so ausgelegt werden, dass sie die restlichen 40 kW liefert, wodurch eine Überdimensionierung des Systems vermieden wird.
Es ist wichtig zu beachten, dass die Aussage, wonach die optimierte Leistung während des Simulationszeitraums stets verfügbar ist, davon ausgeht, dass die Das Lastprofil bleibt unverändert. Wenn Sie Ihr Hybridsystem entsprechend einem bestimmten Lastprofil auslegen, stellt der Algorithmus tatsächlich sicher, dass die berechnete Leistung im Simulationszeitraum stets verfügbar ist. Ändert sich dieses Profil, kann dies nicht mehr gewährleistet werden.
Tatsächlich handelt es sich hierbei um genau dieselbe Argumentation wie bei der Auslegung eines beliebigen geothermischen Systems mit stündlicher Last: Bei einer bestimmten stündlichen Lastverteilung lassen sich die Temperaturgrenzen einhalten, während ein anderes Lastprofil zu einem unterdimensionierten Bohrfeld führen könnte.
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 Mindesttemperatur der Flüssigkeit liegt unter dem festgelegten Schwellenwert.
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.
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 Mindesttemperatur der Flüssigkeit liegt unter dem festgelegten Schwellenwert.
- Liegen beide Temperaturen aus Schritt (3) innerhalb der Grenzwerte, werden die geothermische und die Hybridlast ermittelt, und der Algorithmus springt zu Schritt (7). Wird mindestens einer der Temperaturgrenzwerte 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.
Vereinfacht ausgedrückt sucht der Algorithmus in der Last-Dauer-Kurve nach der maximalen Leistung für Heizung, Kühlung und Warmwasserbereitung und begrenzt die Last auf diese Leistung. Alles unterhalb dieser maximalen Leistung kann vom Bohrfeld bereitgestellt werden, während der nicht schraffierte Bereich durch eine andere Quelle gedeckt werden sollte.
Aus dem obigen Profil geht hervor, dass die maximale Leistung für die Heizung auf etwa 20 kW und für die Kühlung auf etwa 45 kW begrenzt ist, während die Warmwasserversorgung vollständig durch die Erdwärmepumpe mit einer maximalen Leistung von 30 kW erfolgen kann.
Beispiel in GHEtool
Um die Leistungsfähigkeit dieser Methode zu veranschaulichen, wird ein Wohngebäude mit einer Heizleistung von knapp 50 kW und einer Kühlleistung von 100 kW sowie einem jährlichen Energiebedarf von 92,5 MWh bzw. 24 MWh herangezogen. Darüber hinaus wird auch der stündliche Warmwasserbedarf berücksichtigt, der eine Spitzenleistung von 30 kW und einen jährlichen Warmwasserbedarf von 60 MWh aufweist.
Der Erdwärmetauscher besteht aus einem doppelten U-Rohr mit DN32, 25 v/v% MPG und einem variablen Durchfluss, basierend auf einer Temperaturdifferenz von 3 °C über die Wärmepumpe. Die minimalen und maximalen durchschnittlichen Medientemperaturen betragen über einen Zeitraum von 40 Jahren 0 °C bzw. 17 °C.
Wenn 100% der Last durch das Bohrfeld bereitgestellt werden soll, ist ein Bohrfeld mit 40 Bohrlöchern von jeweils 100 m Tiefe erforderlich. Leider steht für dieses Projekt weder der Platz noch das Budget zur Verfügung, und es stellt sich die Frage, welchen geothermischen Anteil man mit höchstens 30 Bohrlöchern erzielen kann.
Zunächst wird ein Bohrfeld mit 5×5 Bohrlöchern von 100 m Tiefe betrachtet. Wie zu erwarten ist, ist dieses Bohrfeld zu klein, wie aus dem obigen Temperaturprofil ersichtlich ist, in dem sowohl der minimale als auch der maximale Schwellenwert für die Fluidtemperatur überschritten wird. Es ist offensichtlich, dass in diesem Fall ein Hybridsystem erforderlich ist.
Wenn dieses Hybridsystem auf maximale Leistung ausgelegt und optimiert wird, ergibt sich folgendes Ergebnis.
Bei 5×5 Bohrlöchern kann das gesamte Warmwasser tatsächlich weiterhin durch die geothermische Anlage bereitgestellt werden, ebenso wie 89,51 TP21T des gesamten Heizbedarfs bei einer maximalen Leistung von 25 kW. Weitere 22,5 kW aus einer Hybrid-Heiztechnik werden benötigt, um die verbleibenden 10,5% des Heizbedarfs zu decken. Auch der Kühlbedarf (97%) kann fast vollständig durch das geothermische Bohrfeld gedeckt werden, allerdings ist ein Hybridsystem mit einer Leistung von 43 kW erforderlich, um die höchsten Kühlspitzen im Sommer abzudecken.
Das daraus resultierende Temperaturprofil ist unten dargestellt, wobei tatsächlich kein Leistungsreservepotenzial mehr vorhanden ist.
Um die Investitionskosten weiter zu senken, wird die Größe des Bohrfeldes auf 20 Bohrlöcher in einem 4×5-Raster reduziert. Die sich daraus ergebende Energieverteilung für das Hybridsystem ist unten dargestellt.
Wenn die Größe des Bohrfeldes reduziert wird, sinkt der Anteil der Geothermie bei der Heizung auf 73% und bei der Kühlung auf 92%, während der Anteil bei der Warmwasserbereitung unverändert bei 100% bleibt. Wird das Bohrfeld noch weiter auf 16 Bohrlöcher reduziert – was einem Rückgang von 60% gegenüber den ursprünglichen 40 Bohrlöchern entspricht –, kann das Bohrfeld immer noch 57% der Heizlast, 851 TP21T der Kühllast und 1001 TP21T des Warmwasserbedarfs decken. Die Lastdauerkurve für diesen 4×4-Fall ist unten dargestellt.
Dies verdeutlicht genau die Vorteile eines hybriden geothermischen Systems: Selbst mit einem deutlich kleineren Bohrfeld lässt sich ein erheblicher Teil des Energiebedarfs Ihres Gebäudes über das Bohrfeld decken.
Wenn dasselbe 4×4-Bohrfeld beibehalten wird, die Optimierung nun jedoch so eingerichtet ist, dass zunächst der Warmwasserbedarf und anschließend die Heizlast reduziert wird, ergibt sich folgender geothermischer Anteil.
Bei dieser Konfiguration wird der gesamte Warmwasserbedarf sowie 3,14% des Heizbedarfs durch ein Hybridsystem gedeckt. Der Grund dafür ist, dass eine bloße Reduzierung des Warmwasserbedarfs auf 0 kW nicht ausreicht, um die Flüssigkeitstemperaturen während der Entnahme innerhalb der Grenzwerte zu halten. Daher ist eine weitere Reduzierung der Heizleistung erforderlich. Der Anteil der geothermischen Kühlung beträgt 78,41 TP21T. Das resultierende Temperaturprofil, das dem Ergebnis der Optimierung mit 5×5 Bohrlöchern sehr ähnlich sieht, ist unten dargestellt.
Betrachtet man das obige Temperaturprofil, so ist noch kein geothermisches Potenzial zur Stromerzeugung vorhanden, da die Flüssigkeitstemperatur sowohl die maximale als auch die minimale Temperaturgrenze erreicht. Es bleibt jedoch noch ein beträchtliches Energiepotenzial, genauer gesagt für Heizzwecke in den ersten Jahren und für Kühlzwecke in den späteren Jahren. Darauf wird im nächsten Kapitel eingegangen, in dem es um die Optimierung von Hybridsystemen zur Maximierung des Energieertrags geht.
Fazit
In diesem Kapitel wurde die erste Methode zur Auslegung eines hybriden geothermischen Systems für maximale Leistung vorgestellt. Durch die Reduzierung der maximalen Spitzenleistung bei Heizung, Warmwasserbereitung und/oder Kühlung in der Lastdauer-Kurve lässt sich ein Lastprofil erzielen, bei dem das resultierende Temperaturprofil stets innerhalb der Temperaturgrenzwerte bleibt.
Der Vorteil der Optimierung auf die maximale Leistung besteht darin, dass das gesamte Hybridsystem nicht überdimensioniert wird. Die berechnete geothermische Leistung steht nämlich während des gesamten Simulationszeitraums zur Verfügung, sodass das Hybridsystem einfach so ausgelegt werden kann, dass es genau den Anteil liefert, den das geothermische System nicht decken kann.
Der Nachteil dieser Methode besteht darin, dass dabei ein Teil des geothermischen Energiepotenzials ungenutzt bleibt. Darauf wird im nächstes Kapitel.
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]