In de voorgaande twee hoofdstukken zijn twee verschillende algoritmen besproken om een hybride geothermisch systeem te optimaliseren: één die het geothermisch vermogen maximaliseert en het geothermisch potentieel voor vermogen elimineert, en één die de geothermische energie-uitwisseling maximaliseert en het geothermisch potentieel voor energie elimineert. Hoewel beide methoden hun eigen sterke en zwakke punten hebben, was een conclusie voor beide dat er na optimalisatie nog een behoorlijke geothermische onbalans kon blijven bestaan. Dat zal met deze laatste optimalisatiemethode worden verholpen.
Hybride systeem, geoptimaliseerd voor evenwicht
Wanneer het boorveld wordt geoptimaliseerd voor een maximale geothermische balans, is de ontwerpdoelstelling als volgt:
Maximaliseer de hoeveelheid warmte voor verwarming, koeling en/of warm water voor huishoudelijk gebruik die je op elk moment tijdens de simulatieperiode in de grond kunt injecteren of uit de grond kunt onttrekken, zolang de grond in evenwicht blijft.
Op het eerste gezicht lijkt de bovenstaande ontwerpdoelstelling sterk op die uit de optimalisatiestrategie voor maximaal vermogen (Deel 9.2), met als extra vereiste dat het boorveld in evenwicht is. Wanneer het toegestane percentage onbalans wordt ingesteld op 100%, zijn de oplossingen van beide optimalisatiemethoden zelfs identiek.
Zoals duidelijk te zien is in het bovenstaande temperatuurprofiel, is het boorveld nu (bijna) perfect in evenwicht, maar uiteraard ten koste van een resterend vermogenspotentieel. Net als bij de optimalisatie voor maximaal geothermisch vermogen zorgt de bovenstaande ontwerpdoelstelling er echter voor dat, als x kW aan geothermische verwarming, koeling of warm water voor huishoudelijk gebruik wordt geïnstalleerd, dit geïnstalleerde vermogen gedurende de gehele simulatieperiode kan worden benut. Daarom leidt deze aanpak, net als de optimalisatie voor vermogen en in tegenstelling tot de optimalisatie voor energie, niet tot overdimensionering van het hybride systeem.
Optimisation-algoritme
Aangezien het ontwerpen van hybride geothermische systemen geen eenvoudige zaak is en soms tot verrassende resultaten kan leiden, is het belangrijk om het onderliggende optimalisatiealgoritme grondig te begrijpen. De algoritmische redenering wordt hieronder toegelicht.
- Begin met een vraagprofiel per uur voor verwarming, koeling (en eventueel warm water voor huishoudelijk gebruik) en een bepaald, vast ontwerp van het boorveld.
- Bereken het temperatuurprofiel per uur met 100% van de warmtebehoefte van het gebouw die door het geothermische boorveld wordt geleverd.
- Controleer of:
- De minimumvloeistoftemperatuur ligt onder de ingestelde drempelwaarde of er is sprake van een onevenwicht van meer dan $\alpha$% voor extractie.
Als dat het geval is, is het afzuigvermogen te hoog, dus moet dit worden verlaagd door ofwel de verwarmingsbehoefte ofwel de vraag naar warm water voor huishoudelijk gebruik te beperken. Afhankelijk van wat je als eerste wilt verminderen, wordt de verwarmingsbehoefte of de vraag naar warm water voor huishoudelijk gebruik gedurende de gehele simulatie met x% verlaagd.
Als de minimumvloeistoftemperatuur boven de drempelwaarde ligt, kan de huidige vraag naar verwarming en warm water voor huishoudelijk gebruik worden gedekt door het geothermische boorveld. - De maximale vloeistoftemperatuur ligt hoger dan de ingestelde drempelwaarde of er is sprake van een onevenwicht van meer dan $\alpha$% voor injectie.
Als dat het geval is, is het injectievermogen te hoog, wat betekent dat het koelvermogen voor de gehele simulatie met x% moet worden verlaagd.
Als de maximale vloeistoftemperatuur onder de drempelwaarde ligt, kan het boorveld de injectie aan en zijn er geen aanpassingen nodig.
- De minimumvloeistoftemperatuur ligt onder de ingestelde drempelwaarde of er is sprake van een onevenwicht van meer dan $\alpha$% voor extractie.
- Als beide temperaturen van stap (3) binnen de grenzen liggen en de onbalans is kleiner dan $$%, worden de geothermische en hybride belastingen bepaald, waarna het algoritme doorgaat naar stap (7). Als ten minste één van de temperatuurdrempels wordt overschreden, gaat het algoritme verder met stap (5).
- Bereken de uurbelasting voor het boorveld opnieuw aan de hand van de nieuwe maximale piekvermogens voor verwarming, koeling (en warm water voor huishoudelijk gebruik), zoals vastgesteld in stap (3). Leid het vermogen of de energie die niet door het boorveld kan worden verwerkt, om naar de hybride technologie.
- Herbereken het uurlijkse temperatuurprofiel en keer terug naar stap (3).
- Klaar.
Het bovenstaande optimalisatie-algoritme lijkt sterk op dat uit Deel 9.2, met als belangrijke toevoeging een aanvaardbaar onbalanspercentage. Grafisch gezien komt dit opnieuw neer op een belasting-duurcurve, maar nu wel een waarbij het gearceerde gebied voor de koeling gelijk is aan het gearceerde gebied voor de verwarming en het warm water voor huishoudelijk gebruik, zoals hieronder weergegeven.
Voorbeeld in GHEtool
Om de voor- en nadelen van deze methode ten opzichte van de optimalisatie op basis van vermogen te illustreren, wordt hetzelfde voorbeeld als in het vorige hoofdstuk besproken. Om te beginnen wordt uitgegaan van hetzelfde 5×5-boorveld met een boordiepte van 100 m. Het geothermische aandeel van het hybride geothermische systeem wordt hieronder weergegeven.
Wat meteen opvalt bij het bekijken van de bovenstaande figuur, is dat het optimaliseren op evenwicht het aandeel van geothermische energie voor verwarming volledig tot 0 terugbrengt. Dit komt doordat er veel meer wordt onttrokken dan er wordt geïnjecteerd, waardoor het optimaliseren op evenwicht het systeem in feite beperkt tot de injectielast. Het temperatuurprofiel wordt weergegeven in de onderstaande grafiek, waar dit duidelijk te zien is.
In de bovenstaande simulatie werd een aanvaardbare geothermische onbalans van 5% toegestaan, en als we naar het onderstaande Sankey-diagram kijken, zien we dat de onbalans inderdaad uiterst klein is en dat het grootste deel van de vraag naar verwarming en warm water voor huishoudelijk gebruik door het hybride systeem wordt opgevangen.
Wanneer de omvang van het boorveld wordt teruggebracht tot een 4×4-boorveld, wordt het volgende aandeel van geothermische energie verkregen. Nu blijft slechts de helft van de vraag naar warm water voor huishoudelijk gebruik en 78% van de koelingsbehoefte over. Dit is lager dan de 62% en 94% in het 5×5-scenario. De reden hiervoor is dat, aangezien het boorveld nu kleiner is, het maximale injectievermogen dat het aankan ook lager is, waardoor het totale aandeel in de koeling afneemt en, doordat er slechts 5% onbalans nodig is, ook de vraag naar warm water voor huishoudelijk gebruik.
Als andere variant is het mogelijk om de toegestane onbalans te verhogen van 5% naar bijvoorbeeld 25%. Hierdoor kan het aandeel van geothermische energie in het warm water voor huishoudelijk gebruik toenemen, omdat er nu meer onbalans is toegestaan. Hierdoor verandert het aandeel van geothermische energie in het warm water voor huishoudelijk gebruik onmiddellijk van 51% naar 66%, met een temperatuurprofiel dat eruitziet zoals hieronder weergegeven.
Hoewel er in het bovenstaande profiel sprake is van een aanzienlijk grotere onbalans (6,7 MWh/jaar tegenover 1,0 MWh/jaar), is deze nog steeds nauwelijks merkbaar. Dit illustreert eens te meer dat er geen wondermiddel bestaat bij het ontwerpen van hybride geothermische systemen, en dat de methodologieën als zodanig ook zeer flexibel zijn ontwikkeld, zodat u, als ontwerper van geothermische systemen, ermee kunt experimenteren en de meest geschikte oplossing voor uw specifieke project kunt vinden.
Conclusie
In dit hoofdstuk werd de derde methode voor het ontwerpen van een hybride geothermisch systeem geïntroduceerd, namelijk een methode die de geothermische balans maximaliseert. In wezen is deze methode een verder doorgevoerde variant van de optimalisatiemethode voor vermogen, met als extra vereiste een maximaal aanvaardbare geothermische onbalans.
In het besproken voorbeeld liet de optimalisatie voor het evenwicht geen ruimte voor enige verwarmingsbehoefte op het boorveld, vanwege de beperkte koelbelasting. Het aandeel van geothermische energie daalde daardoor aanzienlijk. Toen de toegestane geothermische onbalans werd verhoogd tot 25%, steeg het aandeel van geothermische energie in de productie van warm water voor huishoudelijk gebruik van 51% naar 66%. Dit toont aan dat de optimalisatiemethode voor maximale balans nog een extra hulpmiddel is in uw arsenaal voor het aanpakken van complexe ontwerpen van hybride geothermische systemen.
In de volgend hoofdstuk, zal er een andere aanpak worden geïntroduceerd waarbij het hybride systeem niet wordt geoptimaliseerd, maar gesimuleerd.
Referenties
- Peere, W. (2025). Drie manieren om een hybride geothermisch verwarmings- en koelsysteem voor een kantoorgebouw te ontwerpen. In Verslag van de Geo-Rin-conferentie. Benasque (Spanje), 2-6 juni 2025. [online]