Hybride Systeme (Teil 2) - Entwurfsmethodik

Hybride Systeme stellen eine mögliche Lösung für die immer komplexer werdenden Geothermieprojekte dar. Multi-Utility-Gebäude und Fernwärmeprojekte der 5. Generation haben oft einen sehr hohen Wärme- und Kältebedarf, was der Auslegung des geothermischen Bohrfeldes eine große Bedeutung verleiht. Im ersten Artikel dieser Serie über die Auslegung von hybriden (geothermischen) Systemen konzentrierten wir uns auf die Frage ‘Was sind hybride Systeme’ und wie dies mit dem Thema ‘geothermisches Potenzial’ zusammenhängt. In diesem zweiten Artikel lernen Sie zwei verschiedene Methoden kennen, um ein solches Hybridsystem zu dimensionieren.

!Hinweis
Dieser Artikel baut auf den Themen auf, die in Teil 1 dieser Serie behandelt wurden. Falls Sie den ersten Artikel noch nicht gelesen haben, können Sie ihn hier nachlesen hier.

Warum sollte man sich für ein Hybridsystem entscheiden?

Wie wir im ersten Teil gesehen haben, werden bei Hybridsystemen mehrere Technologien kombiniert, um den Wärme- und Kältebedarf des Gebäudes zu decken. In der Erdwärmetechnik kann dies verschiedene Kombinationen umfassen, z. B. Erdwärmepumpen mit Luftwärmepumpen, Erdwärmepumpen mit Solarkollektoren oder Erdwärmepumpen mit ASHP und Trockenkühlern. Die Wahl der Technologien hängt von dem jeweiligen Gebäude ab.

Es gibt verschiedene Gründe, warum man sich für ein Hybridsystem entscheiden sollte:

1. Die Investitionskosten zu minimieren oder zu optimieren.
2. Um eine robustere und haltbarere Konstruktion zu erreichen.

Verschiedene Technologien haben unterschiedliche Stärken. Geothermische Bohrfelder bieten in der Regel eine hohe Betriebseffizienz, was sich in niedrigeren Betriebskosten niederschlägt. Allerdings sind die Bohrfelder oft der teuerste Teil des Systems, so dass eine Überdimensionierung vermieden werden muss. Im Gegensatz dazu können andere Technologien, wie ASHPs, niedrigere Investitionskosten, aber eine geringere Betriebseffizienz aufweisen. Bei einem hybriden Design können Sie jede Systemkomponente so dimensionieren, dass die Stärken aller Technologien genutzt werden.

Die Herausforderung: Entwicklung eines Hybridsystems

Im vorigen Artikel wurden die wichtigsten Herausforderungen bei der Planung von Hybridsystemen vorgestellt: “Wenn ich x Bohrungen habe, welchen geothermischen Anteil kann ich erreichen?” Diese Frage stand im Zusammenhang mit dem Konzept der geothermisches Potenzial. Im Allgemeinen gab es zwei Extremfälle bei der obigen Antwort:

• Sie dimensionieren Ihr Bohrloch so, dass es kein Potenzial für Strom gibt
  (aber es bleibt ein Potenzial für Energie).
• Sie dimensionieren Ihr Bohrfeld so, dass überhaupt kein geothermisches Potenzial übrig bleibt.

Die erste Option führt, wie wir beim letzten Mal besprochen haben, zu einem System ohne Überdimensionierung und damit zu den niedrigsten Investitionskosten. Das zweite System hingegen hat höhere Investitionskosten (aufgrund einer höheren installierten Gesamtkapazität), aber niedrigere Betriebskosten. Bevor wir uns mit wirtschaftlichen Fragen befassen können, müssen wir verstehen, wie ein Bohrfeld so gestaltet werden kann, dass es entweder kein Energiepotenzial oder überhaupt kein geothermisches Potenzial aufweist. Dies wird in diesem Artikel anhand der Methodik ‘Optimierung für maximale geothermische Leistung’ bzw. ‘Optimierung für maximale geothermische Energie’ erläutert, die jeweils weiter unten erläutert werden.

Optimieren für Leistung

Wenn Sie sich für die Optimierung der Leistung entscheiden, ist Ihr Entwicklungsziel

Um die Energie zu maximieren, die Sie (beim Kühlen) in den Boden einspeisen oder (beim Heizen) aus dem Boden entnehmen können, müssen Sie jederzeit

Die Optimierung mit diesem Ziel stellt sicher, dass, wenn wir x kW geothermische Heizung oder Kühlung installieren, wir sicher sein können, dass unser Bohrfeld diese x kW in jedem Ihrer Simulationszeiträume liefern wird (vorausgesetzt, unsere Lastannahmen sind korrekt). Wir wissen also, dass bei einem Gebäudebedarf von 100 kW und der Installation von x kW geothermischer Energie unser Hybridsystem so ausgelegt werden kann, dass es uns (100-x) kW liefert, da unser geothermisches System so ausgelegt ist, dass es uns diese x kW liefert.

Methodik

Die Methodik, nach der dieses System aufgebaut ist, ist die folgende:

1. Beginnen Sie mit einem stündlichen Wärme- und Kältebedarfsprofil und einem festen Bohrlochdesign.
2. Berechnen Sie das stündliche Temperaturprofil, als ob 100% des Gebäudebedarfs auf das Bohrlochfeld gelegt würden.
3. Sie prüfen, ob
   1. Die durchschnittliche Mindesttemperatur der Flüssigkeit fällt unter einen bestimmten Schwellenwert. Wenn dies der Fall ist, ist die Entnahmeleistung zu hoch, so dass die Spitzenheizleistung um x% reduziert werden muss. Liegt die minimale mittlere Flüssigkeitstemperatur über dem Schwellenwert, kann das Bohrloch die Entnahme bewältigen, und die Spitzenheizleistung kann unverändert bleiben.
   2. Die maximale durchschnittliche Flüssigkeitstemperatur überschreitet einen bestimmten Schwellenwert. Wenn dies der Fall ist, ist die Einspritzleistung zu hoch, so dass die Spitzenkühlleistung um x% reduziert werden muss. Liegt die maximale Durchschnittstemperatur der Flüssigkeit unter dem Schwellenwert, kann das Bohrlochfeld die Einspritzung bewältigen, und es sind keine Änderungen erforderlich.
4. Wenn beide Temperaturen aus Schritt (3) innerhalb der Grenzwerte liegen, ist die geothermische und hybride Last bestimmt, und Sie können mit Schritt (7) fortfahren. Wenn nicht, fahren Sie mit Schritt (5) fort.
5. Neuberechnung der stündlichen Last für das Bohrlochfeld unter Verwendung der in Schritt (3) ermittelten neuen maximalen Spitzenleistungen für Heizung und Kühlung. Leiten Sie die Leistung oder Energie, die vom Bohrloch nicht bewältigt werden kann, auf die Hybridtechnologien um.
6. Berechnen Sie das stündliche Temperaturprofil neu und kehren Sie zu Schritt (3) zurück.
7. Erledigt

Beispiel

Wendet man diese Methode auf ein größeres Gebäude mit mehreren Versorgungseinrichtungen und einem Spitzenbedarf von 536 kW für Heizung und 676 kW für Kühlung an, das von 80 Bohrlöchern versorgt wird, erhält man die unten stehenden Zahlen.

!Hinweis
Dieser Artikel konzentriert sich auf die Methodik selbst. In einem Folgeartikel werden wir uns eingehender mit dem praktischen Entwurf hybrider Systeme unter Verwendung von GHEtool Cloud befassen.

Die obige Last-Dauer-Kurve veranschaulicht den Heiz- und Kühlbedarf des Gebäudes, wobei der schraffierte Bereich den Anteil der Last darstellt, der geothermisch gedeckt werden kann. In diesem Fall können wir 259 kW geothermische Heizleistung und 169 kW geothermische Kühlleistung installieren, wobei sichergestellt ist, dass diese Kapazitäten ständig mit dem Erdreich ausgetauscht werden können. Der restliche Strom- und Energiebedarf muss durch Hybridtechnologien gedeckt werden.

!Hinweis

Bei dieser Methode wird die Konfiguration der Hybridtechnologie nicht spezifiziert, da dies nicht in den Bereich der geothermischen Planung fällt. Diese Flexibilität macht die Optimierungsmethode anpassungsfähig an verschiedene Szenarien.

Bei der Untersuchung des obigen Temperaturprofils stellen wir fest, dass sowohl die minimale als auch die maximale durchschnittliche Flüssigkeitstemperatur erreicht wird. Dies deutet darauf hin, dass die Installation zusätzlicher Leistung entweder für die Heizung oder die Kühlung diese Grenzwerte überschreiten würde. Das resultierende Profil ist also in der Tat für maximale Leistung optimiert. Weitere Einzelheiten zu Temperaturprofilen finden Sie unter unser Artikel zur Interpretation von Temperaturprofilen.

Es ist jedoch anzumerken, dass bei diesem Optimierungsansatz ein gewisses geothermisches Potenzial ungenutzt bleibt. In den späteren Betriebsjahren besteht eine erhebliche Kapazität für zusätzliche Wärmeeinspeisung (d. h. Kühlung), während das Bohrfeld in den ersten Jahren eine höhere Heizlast bewältigen könnte. Die Nutzung dieses ungenutzten Potenzials würde eine energetische Optimierung erfordern, die im nächsten Abschnitt erörtert wird.

Optimieren für Energie

Wenn Sie sich für die Energieoptimierung entscheiden, ist Ihr Ziel die Planung:

Maximierung der Energie, die Sie während des gesamten Simulationszeitraums (beim Kühlen) in den Boden einspeisen oder (beim Heizen) aus dem Boden entnehmen können

Eine Optimierung mit diesem Ziel führt zu einem System, bei dem wir bei der Installation von x kW geothermischer Heiz- oder Kühlleistung sicherstellen, dass das Bohrloch die größtmögliche Menge an Heiz- oder Kühlenergie liefert im Laufe der Zeit. Dieser Ansatz ist jedoch nicht garantieren, dass das Bohrloch zu jeder Zeit x kW Leistung liefert. Wenn Sie also ein Gebäude mit einem Spitzenstrombedarf von 100 kW haben und x kW geothermische Energie installieren, sollte Ihr Hybridsystem größer sein als (100-x) kW, da wir nicht sicher sein können, dass wir diese geothermische Energie in jedem Jahr bekommen können, so dass wir dies durch die Installation von mehr Hybridstrom kompensieren müssen.

Methodik

Die Methodik für die Energieoptimierung unterscheidet sich von der für die Leistungsoptimierung und geht wie folgt vor:

1. Beginnen Sie mit einem stündlichen Wärme- und Kältebedarfsprofil und einem festen Bohrlochdesign.
2. Rechnen Sie die stündliche Last in eine monatliche Last um, wobei der Energiebedarf und die Spitzenleistungen für jeden Monat gleich bleiben.
   !Hinweis
   Zwar ist es theoretisch möglich, diese Methode direkt mit stündlicher Auflösung anzuwenden, doch würde die Berechnung mehrere Stunden in Anspruch nehmen, ohne dass sich die Genauigkeit wesentlich verbessert.
3. Iterieren Sie durch jeden Monat (i) des Simulationszeitraums und führen Sie dabei die folgenden Schritte durch:
   1. Berechnen Sie das monatliche Temperaturprofil
   2. Prüfen Sie, ob:
      1. Die minimale durchschnittliche Flüssigkeitstemperatur für Monat (i) liegt unter dem Mindestschwellenwert. Ist dies der Fall, ist die Entnahmeleistung zu hoch, so dass die Spitzenheizleistung um x% reduziert wird, allerdings nur für Monat (i). Liegt die Temperatur über dem Schwellenwert, kann das Bohrloch die Entnahme bewältigen, so dass die Spitzenheizleistung für Monat (i) unverändert bleibt.
      2. Die maximale durchschnittliche Flüssigkeitstemperatur für Monat (i) liegt über dem maximalen Schwellenwert. Ist dies der Fall, ist die Einspritzleistung zu hoch, so dass die Spitzenkühlleistung um x% reduziert werden muss, allerdings nur für Monat (i). Liegt die Temperatur unter dem Schwellenwert, kann das Bohrloch die Einspritzung bewältigen, so dass für den Monat (i) keine Anpassung erforderlich ist.
   3. Wenn alle Flüssigkeitstemperaturen innerhalb der Grenzwerte liegen, bestimmen Sie die Spitzenleistung und die entsprechende Energie, die das Bohrloch für den Monat (i) liefern kann. Die verbleibende Leistung und Energie muss von der Hybridlösung geliefert werden. Fahren Sie mit Schritt (3.5) fort.
   4. Wenn die Flüssigkeitstemperaturen außerhalb der Grenzwerte liegen, passen Sie die stündliche Last an die in Schritt (3.2) ermittelten neuen Spitzenleistungen an. Rekonvertieren Sie die stündliche Belastung in eine monatliche Belastung und kehren Sie zu Schritt (3.1) zurück.
   5. Wenn alle Temperaturen für Monat (i) akzeptabel sind, gehen Sie zu Monat (i+1) über.
4. Erledigt

Beispiel

Wenn wir dasselbe Projekt mit 80 Bohrungen betrachten, können wir die installierte geothermische Leistung auf 536 kW zum Heizen und 388 kW zum Kühlen erhöhen. Dies ermöglicht es uns, in den ersten Jahren mehr Wärme aus dem Boden zu entnehmen (zum Heizen) und in den späteren Jahren mehr Wärme in den Boden zu leiten (zum Kühlen). Auf diese Weise maximieren wir den gesamten Energieaustausch mit dem Bohrfeld.

Im Gegensatz zum vorherigen Hybridsystem können wir jedoch nicht garantieren, dass das Bohrloch immer 536 kW zum Heizen und 388 kW zum Kühlen liefert. Die nachstehende Abbildung veranschaulicht die Verteilung der Heiz- und Kühllasten über die Zeit. Wie gezeigt, nehmen aufgrund des Ungleichgewichts im System sowohl die Grundlast- als auch die Spitzenheizleistung während der Lebensdauer des Bohrlochs ab, während der Anteil der Kühlung zunimmt.

!Hinweis
Es besteht ein wesentlicher Unterschied zwischen den auf Leistung und den auf Energie optimierten Anlagen. Bei einer stromoptimierten Anlage bleibt der jährliche geothermische Ertrag konstant, da die Spitzenleistung immer erreicht wird. Bei einem energieoptimierten System hingegen entwickelt sich der geothermische Ertrag im Laufe des Simulationszeitraums und spiegelt die Schwankungen der Heiz- und Kühllasten wider.

Vergleich

Die nachstehenden Kreisdiagramme veranschaulichen das gleiche Konzept. In den Ergebnissen auf der linken Seite, die das Hybridsystem darstellen, das mit ‘optimiert für Leistung’ ausgelegt ist, werden etwa 75-80% des Bedarfs des Gebäudes durch das Bohrfeld gedeckt. Im Gegensatz dazu erreicht das Diagramm auf der rechten Seite, das das Hybridsystem darstellt, das mit der Option ‘optimiert für maximale Energie’ ausgelegt wurde, dank der höheren installierten Spitzenleistung einen Anteil von bis zu 95% an geothermischer Energie über den gesamten Simulationszeitraum. Das bedeutet, dass unser Hybridsystem, das mit einem energieoptimierten Bohrfeld ausgelegt ist, aufgrund des höheren Anteils der geothermischen Energie wahrscheinlich niedrigere Betriebskosten aufweist. Andererseits ist, wie Sie sehen, die installierte Gesamtleistung in diesem Fall viel größer (die Erdwärmepumpe hat 536 kW und macht nur 2/3 der installierten Gesamtleistung aus). Dies führt zu höheren Investitionskosten im Vergleich zu einem für die Stromerzeugung optimierten Bohrfeld.

Fazit

Im obigen Artikel wurden die theoretischen Grundlagen und die Auslegungsmethodik für ein Hybridsystem beschrieben. Es wurde unterschieden zwischen Hybridsystemen mit einem Bohrfeld, das so ausgelegt ist, dass es kein Energiepotenzial hat, und Hybridsystemen mit einem Bohrfeld, das so dimensioniert ist, dass es überhaupt kein geothermisches Potenzial hat. Die Auslegungsmethoden wurden jeweils als ‘Energieoptimierung’ und ‘Energieoptimierung’ bezeichnet.

Im nächsten Teil werden wir untersuchen, wie diese Auslegungsmethoden in GHEtool Cloud für ein spezifisches Projekt angewendet werden können. Außerdem werden wir uns mit Strategien zur Begrenzung der geothermischen Spitzenleistung befassen, um eine Überdimensionierung des Systems zu verhindern.

Literaturverzeichnis

• Sehen Sie sich unsere Videoerklärung auf unserer YouTube-Seite an, indem Sie klicken hier.