Hybridsysteme sind ein vielversprechender Weg, um die wachsenden Herausforderungen von Geothermieprojekten zu bewältigen. Aber was genau sind sie? Und wie lässt sich diese Idee mit dem geothermischen Potenzial verbinden? Dieser Artikel ist der erste in einer Serie über hybride geothermische Systeme, in der wir die Vorteile und Geheimnisse dieser Systeme erforschen werden. In diesem ersten Artikel erläutern wir die Grundlagen von Hybridsystemen, ihre Vorteile und ihren Bezug zum geothermischen Potenzial.
Was sind hybride Systeme?
Bei großen Projekten - wie Mehrzweckgebäuden oder Fernwärmenetzen der 5. Generation - ist der Wärme- und Kältebedarf oft sehr hoch. Um diesen Bedarf allein mit geothermischer Energie zu decken, kann ein großes Bohrfeld erforderlich sein. Dies wirft jedoch wichtige Fragen auf:
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Ist genug Platz für den Einbau des Bohrlochs vorhanden?
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Kann der Haushalt die Kosten für so viele Bohrungen decken?
- Ist eine vollständig geothermische Lösung die beste Option, oder gibt es kostengünstigere Alternativen?
Ein geothermisches Hybridsystem könnte die Lösung sein. Durch Hinzufügen anderer Technologien - wie einer Luft-Wärmepumpe (ASHP) - zum Bohrfeld entsteht ein Hybridsystem, bei dem mehrere Technologien zusammenarbeiten, um Heizung und Kühlung bereitzustellen. Die Kombination von Technologien hängt von mehreren Faktoren ab: dem Heiz- und Kühlbedarf des Gebäudes, dem verfügbaren Platz (z. B. für die Installation einer ASHP auf dem Dach) und den vorhandenen Systemen (z. B. einem Gaskessel bei Renovierungsprojekten).
Vorteile eines Hybridsystems
Hybridsysteme sind manchmal die einzige praktikable Option - zum Beispiel, wenn der Platz für ein Bohrfeld begrenzt ist. Sie bringen aber auch andere Vorteile mit sich.
Niedrigere Investitionskosten: Mit Hybridsystemen können Sie die Stärken verschiedener Technologien kombinieren, um Geld zu sparen. Einige Technologien haben niedrigere Anschaffungskosten, aber höhere Betriebskosten, während die Bohrfelder oft der teuerste Teil des Systems sind. Die Reduzierung der Größe des Bohrlochs um 10% bei einem Hybridsystem kann beispielsweise 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.
!Hinweis
Die Auslegung von Backup-Systemen ist ein separater Aspekt der Planung. In der Regel werden mehr als 100% der zum Heizen oder Kühlen Ihres Gebäudes erforderlichen Leistung installiert. Dadurch wird sichergestellt, dass das System im Falle einer Störung (oder wenn der Heiz- und Kühlbedarf unterschätzt wurde) immer noch die erforderliche Leistung erbringen kann.
Entwurf eines Hybridsystems
Eine wichtige Entscheidung bei der Planung eines hybriden geothermischen Systems besteht darin, herauszufinden, wie viel der Heiz- und Kühllast das Bohrfeld übernehmen soll. Soll es die Hauptquelle sein, oder soll es sich die Last zu gleichen Teilen mit einer anderen Technologie teilen? Die Hauptfrage lautet also: Welchen geothermischen Anteil kann ich mit einer bestimmten Anzahl von Bohrungen erreichen?
Diese Frage ist eng mit dem Konzept des geothermischen Potenzials verbunden.
Was ist das geothermische Potenzial?
Wenn es um das geothermische Potenzial eines Bohrlochs geht, können wir drei Unterscheidungen treffen:
- Potenzial für Macht: Die Fähigkeit, mehr Heiz- oder Kühlspitzen 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 Bohrloch bereits mit seiner vollen Kapazität für Strom und Energie arbeitet.
Geothermisches Potenzial für Strom
Stellen Sie sich vor, Sie haben ein Bohrloch mit einem Temperaturprofil wie in der Abbildung unten. Wie Sie sehen können, stößt das Bohrloch im ersten Betriebsjahr mit der maximalen durchschnittlichen Flüssigkeitstemperatur an seine Grenzen. Es ist nicht möglich, an diesem Punkt mehr Wärme in den Boden zu leiten (d.h. Ihr Gebäude weiter zu kühlen), da dies die Temperaturgrenzen überschreiten würde. Betrachtet man die minimale Flüssigkeitstemperatur, so stellt man fest, dass sie nicht annähernd der minimalen durchschnittlichen Flüssigkeitstemperatur entspricht. Das bedeutet, dass wir dem Erdreich mehr Wärme entziehen und unser Gebäude mit zusätzlicher Heizleistung versorgen können. Daraus können wir schließen, dass dieses Bohrloch folgende Eigenschaften hat Machtpotenzial.
!Hinweis
Wenn Sie mit Temperaturprofilen nicht vertraut sind, lesen Sie unseren ausführlichen Artikel zu diesem Thema hier.
Geothermisches Potenzial für Energie
Wenn wir dies tun, erhalten wir ein Bohrlochfeld wie in der nachstehenden Abbildung dargestellt. Wie Sie sehen können, erreichen wir jetzt sowohl den maximalen als auch den minimalen Temperaturschwellenwert, was es unmöglich macht, dem Bohrlochfeld mehr Kühl- oder Heizleistung hinzuzufügen. Dies liegt daran, dass wir bereits durch die Höchstwerte für Heizung und Kühlung eingeschränkt sind. Diese Begrenzung tritt jedoch nur im ersten Jahr für die Spitzenkühlung und im letzten Jahr für die Spitzenheizung auf. In den früheren Jahren besteht noch die Möglichkeit, dem Boden mehr Wärme zu entziehen, während in den späteren Jahren die Möglichkeit besteht, zusätzliche Wärme einzuspeisen.
Wenn wir auf diesem Bohrfeld zusätzliche geothermische Energie installieren würden, könnten wir mehr Energie mit dem Boden austauschen, aber wir wären nicht in der Lage, in Spitzenzeiten mehr Energie zu gewinnen. Deshalb sagen wir, dass dieses Bohrfeld eine Potenzial für Energie aber nicht für die Leistung, da die Spitzenleistung bereits die Temperaturgrenzen erreicht.
!Hinweis
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
Der letzte Fall, den wir annehmen können, ist die folgende Situation. Wie Sie sehen können, haben wir eine zusätzliche Leistung für dieses Bohrloch installiert, damit wir unser Gebäude in den späteren Simulationsjahren mit etwas mehr Kühlung und in den ersten Betriebsjahren mit etwas mehr Wärme versorgen können. Da das Bohrlochfeld nun in jedem Monat die Temperaturgrenzen erreicht, kommen wir zu dem Schluss, dass dieses Bohrfeld hat kein geothermisches Potenzial, nicht für Energie, nicht für Strom.
!Hinweis
Streng genommen kann man argumentieren, dass für dieses Bohrloch noch ein gewisses Potenzial vorhanden ist, da der Schwellenwert für die maximale durchschnittliche Flüssigkeitstemperatur im Winter und in einigen Frühlingsmonaten nicht erreicht wird. Um dies zu erreichen, müsste man den Gebäudebedarf ändern oder ein weiteres Gebäude an das Bohrloch anschließen. Dies würde jedoch den Rahmen dieses Artikels sprengen.
Verhältnis zwischen Hybridsystemen und geothermischem Potenzial
Was hat das mit Hybridsystemen zu tun? Wie bereits erwähnt, lautet die zentrale Frage bei der Planung von geothermischen Hybridsystemen: Welchen Anteil der Last kann ich mit x Bohrungen abdecken? Die Antwort ist einfach: Es kommt darauf an. Es hängt von Ihrem geothermischen Potenzial ab und davon, wie Sie Ihr Bohrfeld optimieren wollen.
Hybride Systeme mit einem gewissen verbleibenden geothermischen Potenzial für Energie
Eine Möglichkeit besteht darin, das Bohrloch so auszulegen, dass kein Leistungspotenzial mehr vorhanden ist, aber ein gewisses Energiepotenzial verbleibt (die zweite oben beschriebene Situation). In diesem Fall weiß man, dass in jedem Jahr des Simulationszeitraums eine bestimmte Menge an Energie zuverlässig entnommen werden kann. Das Hybridsystem kann dann so ausgelegt werden, dass es den verbleibenden Teil der Last abdeckt. Dieser Ansatz gewährleistet ein System, das 100% der Last ohne Überdimensionierung abdeckt und die Investitionskosten (CAPEX) minimiert.
Der Nachteil dieses Konzepts ist, dass nicht das gesamte Energiepotenzial des Bohrlochs genutzt wird. Durch die Installation zusätzlicher Leistung könnte mehr Energie mit dem Boden ausgetauscht werden. Da die AKW (und insbesondere die passive Kühlung) in der Regel den höchsten Wirkungsgrad innerhalb des HLK-Systems haben, führt die Nichtausnutzung ihres vollen Potenzials zu einer suboptimalen Effizienz. Folglich werden die Betriebskosten (OPEX) höher sein als nötig.
Hybride Systeme, bei denen kein geothermisches Potenzial mehr vorhanden ist
Die andere Möglichkeit besteht darin, das Bohrloch so auszulegen, dass kein Energiepotenzial mehr vorhanden ist (die dritte oben beschriebene Situation). In diesem Fall wird mehr Energie installiert, als in jedem Jahr des Simulationszeitraums genutzt werden kann. Auf diese Weise wird der Energieaustausch mit dem Boden maximiert, sein Potenzial voll ausgeschöpft und keine geothermische Kapazität ungenutzt gelassen. Er gewährleistet den höchsten Anteil an geothermischer Energie im System, was zur besten Gesamtsystemleistung und zu den niedrigsten Betriebskosten führt.
Der Nachteil dieses Ansatzes ist, dass die installierte Leistung nicht immer vollständig genutzt werden kann, so dass ein Ausgleich durch das Hybridsystem erforderlich ist. Dies führt zu einem System mit mehr installierter Leistung als das Gebäude tatsächlich benötigt, was aufgrund der Überdimensionierung zu höheren Investitionskosten führt.
!Hinweis
Überdimensionierung ist nicht immer ein Nachteil. In manchen Fällen kann eine zusätzliche Notstromversorgung wünschenswert sein, um die Zuverlässigkeit des Systems zu erhöhen.
Fazit
In diesem Artikel haben wir die Konzepte der Hybridsysteme und des geothermischen Potenzials vorgestellt. Wir haben gezeigt, dass Bohrfelder entweder geothermisches Potenzial für Strom, geothermisches Potenzial für Energie oder kein geothermisches Potenzial haben können. Diese Konzepte wurden dann mit der Planung von hybriden geothermischen Systemen verknüpft, bei denen die Entscheidung, ein System mit verbleibendem Energiepotenzial oder ohne Potenzial zu konzipieren, zu unterschiedlichen Investitionskosten (CAPEX) und Betriebskosten (OPEX) führt.
Im nächsten Artikel werden wir diese beiden Konzepte näher beleuchten und die Methodik für die Auslegung eines Bohrlochs zur Erschließung des einen oder anderen geothermischen Potenzials erörtern.
Literaturverzeichnis
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