In het vorige hoofdstuk zijn de voordelen van een hybride geothermisch systeem besproken, evenals de uitdagingen die het ontwerpen ervan met zich meebrengt. In dit hoofdstuk wordt de eerste optimalisatiestrategie voor het dimensioneren van hybride geothermische systemen besproken, namelijk de methode waarbij wordt geoptimaliseerd voor een maximaal geothermisch vermogen.
Hybride systeem, geoptimaliseerd voor vermogen
Wanneer het boorveld wordt geoptimaliseerd voor een maximale opbrengst aan geothermische energie, is de ontwerpdoelstelling als volgt:
Maximaliseer de warmte die je tijdens de simulatieperiode op elk moment in de grond kunt injecteren of uit de grond kunt onttrekken voor verwarming, koeling en/of warm water voor huishoudelijk gebruik.
De ontwerpfilosofie van de methodologie komt er dus op neer dat er een boorveld wordt gecreëerd dat geen vermogen meer kan opleveren, maar alleen nog energie. Dit zorgt ervoor dat, als er x kW aan geothermische verwarming, koeling of warm water voor huishoudelijk gebruik wordt geïnstalleerd, dit geïnstalleerde vermogen gedurende de gehele simulatieperiode kan worden benut. Hieronder wordt een voorbeeld gegeven van een temperatuurprofiel dat ontstaat na de optimalisatie voor vermogen.
Zoals te zien is in het bovenstaande temperatuurprofiel, raakt de vloeistoftemperatuur beide temperatuurgrenzen, wat aangeeft dat er geen geothermisch potentieel meer over is voor energieopwekking.
Het voordeel van dit algoritme is dat het het algemene ontwerp van het hybride systeem vrij eenvoudig maakt. Als het gebouw bijvoorbeeld een verwarmingsbehoefte van 100 kW heeft en uit de optimalisatie blijkt dat er gedurende de gehele simulatieperiode 60 kW aan geothermische energie beschikbaar is, kan de hybride technologie eenvoudig zo worden ontworpen dat deze de resterende 40 kW levert, waardoor overdimensionering van het systeem wordt voorkomen.
Het is belangrijk op te merken dat de bewering dat het geoptimaliseerde vermogen gedurende de simulatieperiode altijd beschikbaar is, uitgaat van de veronderstelling dat de het laadprofiel blijft hetzelfde. Als je je hybride systeem ontwerpt op basis van een bepaald belastingsprofiel, zorgt het algoritme er inderdaad voor dat het berekende vermogen tijdens de simulatieperiode altijd beschikbaar is. Wanneer dit profiel verandert, kan dit niet langer worden gegarandeerd.
Dit is in feite precies dezelfde redenering als bij het ontwerpen van elk geothermisch systeem met een uurbelasting: bij een specifieke uurverdeling kunnen de temperatuurgrenzen worden gehandhaafd, terwijl een ander belastingsprofiel ertoe zou kunnen leiden dat het boorveld te klein is gedimensioneerd.
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.
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.
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.
- Als beide temperaturen uit stap (3) binnen de grenzen vallen, worden de geothermische en hybride belastingen bepaald en gaat het algoritme verder 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.
Om het beeldend uit te drukken: het algoritme zoekt naar het maximale vermogen voor verwarming, koeling en warm water in de belasting-duurcurve en stelt de belasting in op dit vermogen. Alles onder dit maximale vermogen kan door het boorveld worden geleverd, terwijl het niet-gearceerde gebied door iets anders moet worden geleverd.
Uit het bovenstaande profiel blijkt dat het maximale vermogen voor verwarming is begrensd op ongeveer 20 kW en voor koeling op ongeveer 45 kW, terwijl het warm water voor huishoudelijk gebruik volledig door de GSHP kan worden geleverd met een maximaal vermogen van 30 kW.
Voorbeeld in GHEtool
Om de kracht van deze methode te illustreren, wordt een woongebouw besproken met een verwarmingsvermogen van iets minder dan 50 kW en een koelvermogen van 100 kW, met een jaarlijks verbruik van respectievelijk 92,5 MWh en 24 MWh. Daarnaast wordt ook rekening gehouden met de uurlijkse vraag naar warm water voor huishoudelijk gebruik, met een piekvermogen van 30 kW en een jaarlijkse vraag naar warm water voor huishoudelijk gebruik van 60 MWh.
De grondwarmtewisselaar bestaat uit een dubbele DN32 U-buis, met 25 v/v% MPG en een variabel debiet op basis van een temperatuurverschil van 3 °C over de warmtepomp. De minimale en maximale gemiddelde vloeistoftemperaturen bedragen 0 °C en 17 °C over een periode van 40 jaar.
Als 100% van de belasting door het boorveld moet worden geleverd, is een boorveld met 40 boorgaten van 100 m diep nodig. Helaas is deze ruimte (of dit budget) voor dit project niet beschikbaar, en de vraag is welk aandeel aan geothermische energie je kunt behalen met maximaal 30 boorgaten.
Om te beginnen wordt uitgegaan van een boorveld van 5×5 boorgaten met een diepte van 100 m. Zoals te verwachten valt, is dit boorveld te klein, zoals te zien is in het bovenstaande temperatuurprofiel, waarin zowel de minimale als de maximale drempelwaarde voor de vloeistoftemperatuur wordt overschreden. Het is duidelijk dat in dit geval een hybride systeem nodig is.
Wanneer dit hybride systeem wordt ontworpen en geoptimaliseerd voor het maximale vermogen, wordt het volgende resultaat verkregen.
In het geval van 5×5 boorgaten kan het volledige warmwaterverbruik voor huishoudelijk gebruik inderdaad nog steeds door het geothermische systeem worden geleverd, evenals 89,5% van de totale verwarmingsbehoefte, met een maximaal vermogen van 25 kW. Er is nog eens 22,5 kW aan hybride verwarmingstechnologie nodig om de resterende 10,51 TP21T van de verwarmingsbehoefte te dekken. Vrijwel alle koeling (97%) kan eveneens door het geothermische boorveld worden geleverd, maar er is een hybride systeem met een vermogen van 43 kW nodig om de hoogste koelingspieken in de zomer op te vangen.
Het resulterende temperatuurprofiel wordt hieronder weergegeven; daaruit blijkt inderdaad dat er geen vermogen meer beschikbaar is.
Om de investeringskosten nog verder te beperken, wordt het boorveld teruggebracht tot 20 boorgaten in een raster van 4 bij 5. De daaruit voortvloeiende energieverdeling voor het hybride systeem wordt hieronder weergegeven.
Wanneer de omvang van het boorveld wordt verkleind, daalt het aandeel van geothermische energie tot 73% voor verwarming en 92% voor koeling, terwijl het aandeel in de productie van warm water voor huishoudelijk gebruik nog steeds 100% bedraagt. Als het boorveld nog verder wordt verkleind tot 16 boorgaten – een afname van 60% ten opzichte van de oorspronkelijke 40 boorgaten – kan het boorveld nog steeds 57% van de verwarmingsbelasting dekken, 85% van de koelingsbelasting en 100% van de vraag naar warm water voor huishoudelijk gebruik. De belastingsduurcurve voor dit 4×4-scenario wordt hieronder weergegeven.
Dit illustreert precies het voordeel van de keuze voor een hybride geothermisch systeem: met een aanzienlijk kleiner boorveld kun je nog steeds een aanzienlijk deel van de energiebehoefte van je gebouw uit het boorveld halen.
Wanneer hetzelfde 4×4-boorveld wordt gehandhaafd, maar de optimalisatie nu zo is ingesteld dat eerst de vraag naar warm water voor huishoudelijk gebruik wordt verminderd en daarna de verwarmingsbehoefte, kan het volgende aandeel van geothermische energie worden vastgesteld.
Met deze opstelling wordt de volledige vraag naar warm water voor huishoudelijk gebruik gedekt door een hybride systeem, evenals 3,14% van de verwarmingsbehoefte. Dit komt doordat het simpelweg terugbrengen van de vraag naar warm water voor huishoudelijk gebruik tot 0 kW niet voldoende is om de vloeistoftemperaturen tijdens de onttrekking binnen de grenzen te houden. Daarom is een verdere vermindering van het verwarmingsvermogen nodig. Het aandeel van geothermische koeling bedraagt 78,41 TP21T. Het resulterende temperatuurprofiel, dat sterk lijkt op het resultaat van de optimalisatie met 5×5 boorgaten, wordt hieronder weergegeven.
Als we naar het bovenstaande temperatuurprofiel kijken, blijkt er nog geen geothermisch potentieel voor energieopwekking over te zijn, aangezien de vloeistoftemperatuur zowel de maximale als de minimale temperatuurgrens bereikt. Er is echter nog steeds behoorlijk wat potentieel voor energie over, meer bepaald voor verwarming in de eerste jaren en voor koeling in de latere jaren. Dit komt aan bod in het volgende hoofdstuk, dat gaat over de optimalisatie van hybride systemen voor maximale energieopbrengst.
Conclusie
In dit hoofdstuk werd de eerste methode geïntroduceerd voor het ontwerpen van een hybride geothermisch systeem dat gericht is op maximaal vermogen. Door het maximale piekvermogen voor verwarming, warm water en/of koeling in de belastingsduurcurve te verlagen, kan een belastingsprofiel worden verkregen waarbij het resulterende temperatuurprofiel altijd binnen de temperatuurgrenzen blijft.
Het voordeel van de optimalisatie voor het maximale vermogen is dat het hybride systeem als geheel niet te groot wordt gedimensioneerd. Het berekende geothermische vermogen is namelijk gedurende de gehele simulatieperiode beschikbaar, zodat het hybride systeem eenvoudig zo kan worden gedimensioneerd dat het precies dat deel levert wat het geothermische systeem niet aankan.
Het nadeel van deze methode is dat er daardoor een deel van het geothermische energiepotentieel onbenut blijft. Dit komt aan bod in de volgend hoofdstuk.
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]