In dit deel staat alles in het teken van hybride systemen en, meer specifiek, hybride geothermische systemen. In dit hoofdstuk wordt het concept van hybride systemen geïntroduceerd, waarbij de voor- en nadelen worden toegelicht. Vervolgens wordt het concept van geothermisch potentieel nader toegelicht, evenals het verschil tussen systeemoptimalisatie en systeemsimulatie.
Wat zijn hybride systemen?
Bij grotere systemen (denk bijvoorbeeld aan een multifunctioneel gebouw of stadsverwarmings- en -koelingsnetwerken van de 5e generatie) is de totale vraag van het gebouw vaak zeer hoog, zowel wat betreft de jaarlijkse vraag als de daaruit voortvloeiende piekvermogenbehoefte. Als 100% van deze belasting door slechts één enkele technologie (in ons geval het boorveld) zou moeten worden geleverd, zou dat waarschijnlijk veel boorwerk vereisen. Maar misschien is er niet genoeg ruimte om het benodigde boorveld te installeren, of is er onvoldoende budget voor. Of, wat nog vaker het geval is, is er een kosteneffectiever alternatief.
Dit is precies waar het concept van hybride geothermische systemen in beeld komt. Een hybride systeem wordt in GHEtool gedefinieerd als een combinatie van verschillende technologieën die samen voorzien in de benodigde vraag van het gebouw. Bij een hybride geothermisch systeem speelt, zoals de naam al aangeeft, de geothermische technologie een centrale rol. Dit wordt hieronder grafisch weergegeven.
Het mooie van hybride systemen is dat het niet uitmaakt welke technologieën worden gecombineerd. Vaak kan een boorveld met een grondwarmtepomp worden gecombineerd met een luchtwarmtepomp om tijdens de piekuren bij te springen, of is er een stadsverwarmingsnet beschikbaar om het resterende deel van de vraag te dekken. De ideale combinatie van technologieën hangt volledig af van de vraag van uw gebouw (hebben we bijvoorbeeld een technologie nodig die kan bijspringen tijdens hoge piekbelastingen of alleen een technologie die de basisbelasting kan dekken?), de benodigde ruimte (is er ruimte om een luchtwarmtepomp te installeren?) of bestaande systemen (bijvoorbeeld een gasketel bij renovatieprojecten).
Voordelen van een hybride systeem
Hybride geothermische systemen zijn soms de enige praktische en haalbare optie voor een project, bijvoorbeeld wanneer de beschikbare boorruimte beperkt is. Ze bieden echter ook nog andere voordelen:
Lagere investeringskosten: Met hybride systemen kunt u de voordelen van verschillende technologieën combineren om geld te besparen. Sommige technologieën hebben lagere initiële kosten maar hogere exploitatiekosten, terwijl boorvelden vanuit investeringsoogpunt vaak het duurste onderdeel van het systeem zijn, maar een uitstekende efficiëntie bieden voor de grondwarmtepomp. Door bijvoorbeeld de omvang van het boorveld met 10% te verminderen door middel van een hybride ontwerp, kunnen de kapitaaluitgaven (CAPEX) aanzienlijk worden verlaagd en wordt het project betaalbaarder.
Grotere betrouwbaarheid van het systeem: Door gebruik te maken van meerdere technologieën bieden hybride systemen een natuurlijke back-up. Als één onderdeel uitvalt, kan het andere nog steeds aan de behoeften van het gebouw voldoen.
Design: uitdagingen van een hybride systeem
Het kiezen van de ideale combinatie van technologieën is natuurlijk een eerste, maar vrij eenvoudige ontwerpuitdaging, aangezien dit vaak wordt bepaald door de projectgrenzen (beschikbaar dakoppervlak, geluidsbeperkingen, beschikbaarheid van stadsverwarming …). De grootste uitdaging is hoe je de benodigde omvang van elke technologie kunt bepalen, zodat je uiteindelijk het beste systeem krijgt. Aangezien in deze cursus alles draait om het ontwerp van geothermische boorvelden, is de centrale ontwerpvraag voor elk hybride geothermisch systeem: “Wat is het geothermische aandeel dat we kunnen behalen met een bepaald aantal boorgaten?”
Dit brengt ons meteen bij het begrip geothermisch potentieel.
Wat is geothermisch potentieel?
Als het gaat om het geothermische potentieel van een boorveld, zijn er drie verschillende opties:
- Potentieel voor macht: de mogelijkheid om tijdens piekuren extra verwarming of koeling te leveren.
- Potentieel voor energie: het vermogen om in de loop van de tijd meer energie met de grond uit te wisselen, zelfs als aan de piekbehoeften al is voldaan.
- Geen geothermisch potentieel: wanneer het boorveld al op volle capaciteit draait, zowel wat betreft vermogen als energie.
Deze drie opties worden hieronder kort toegelicht.
Geothermisch potentieel voor energie
Stel je een boorveld voor met een temperatuurprofiel zoals in de onderstaande afbeelding. Zoals duidelijk te zien is, bereikt het boorveld al in het eerste bedrijfsjaar zijn grenzen wat betreft de maximale vloeistoftemperatuur. Het is niet mogelijk om het warmte-injectievermogen te verhogen, aangezien dat de temperatuurgrenzen zou overschrijden. Kijken we daarentegen naar de minimale vloeistoftemperatuur, dan komt deze nog lang niet in de buurt van de ondergrens. Dit betekent dat we meer warmte uit de grond kunnen onttrekken en ons gebouw van extra verwarmingsvermogen kunnen voorzien. Daarom kunnen we concluderen dat dit boorveld potentieel voor macht, in dit geval het afzuigvermogen.
Geothermisch potentieel voor energie
Wanneer de onttrekkingsbelasting op het bovenliggende boorveld wordt verhoogd, ontstaat het onderstaande temperatuurprofiel. De vloeistoftemperatuur bereikt nu zowel in het eerste als in het laatste jaar van de simulatieperiode de vastgestelde grenswaarden, waardoor het onmogelijk is om het injectie- of onttrekkingsvermogen verder te verhogen, aangezien de vloeistofgrenswaarden dan opnieuw zouden worden overschreden. Deze beperking doet zich echter alleen voor in het eerste jaar bij piekinjectie en in het laatste jaar bij piekwinning. In de eerdere jaren is er nog steeds potentieel om meer warmte uit de grond te winnen, terwijl er in de latere jaren potentieel is om extra warmte te injecteren.
Als we op dit boorveld extra geothermische capaciteit zouden installeren, zouden we meer energie met de bodem kunnen uitwisselen, maar zouden we tijdens piekperiodes niet meer vermogen kunnen opwekken. Daarom zeggen we dat dit boorveld potentieel voor energie maar niet voor vermogen, omdat het piekvermogen al de temperatuurlimieten bereikt.
In sommige gevallen, zoals hierboven getoond, kan het installeren van extra koelvermogen om in latere jaren extra warmte in het boorveld te injecteren ook het geothermische verwarmingsvermogen verhogen. Door meer warmte in de grond te injecteren, corrigeren we de onbalans in de grond en creëren we extra potentieel voor verwarming. In zo'n scenario keert het boorveld terug naar de vorige categorie, waardoor er weer wat potentieel voor verwarmingsvermogen ontstaat.
Omdat dit echter als een "tweede-orde" effect wordt beschouwd, wordt het meestal verwaarloosd in de naamgeving. Daarom classificeren we dit boorveld als een gebied zonder potentieel voor extra piekvermogen, maar met potentieel voor extra energie-uitwisseling.
Geen geothermisch potentieel
Uit het onderstaande temperatuurprofiel blijkt duidelijk dat er er is geen geothermisch potentieel meer, aangezien de vloeistoftemperaturen in elk jaar van de simulatieperiode zowel de maximale als de minimale grenswaarden bereiken.
- Het begrip ‘geothermisch potentieel’ staat altijd in verhouding tot de benodigde belasting van het gebouw. Als het gebouw in de winter geen koelbehoefte heeft, is er geen potentieel voor een hogere injectiebelasting, aangezien die er niet is.
- Het is echter mogelijk om buiten de gebaande paden te denken en op zoek te gaan naar gebouwen in de buurt die baat zouden kunnen hebben bij aansluiting op hetzelfde boorveld. Dit geldt bijvoorbeeld voor gebouwen met tegengestelde belastingen, zoals woon- en kantoorgebouwen of zwembaden en ijsbanen.
Het verschil tussen het optimaliseren en het simuleren van een hybride systeem
In dit deel worden twee verschillende benaderingen voor het ontwerpen van hybride systemen besproken, namelijk de optimalisatie en de simulatie van hybride systemen. Hoewel beide benaderingen elkaar aanvullen, is het belangrijk om de fundamentele verschillen tussen beide te begrijpen, zodat men weet wanneer welke benadering moet worden toegepast.
Optimalisatie van hybride systemen
Bij het optimaliseren van een hybride geothermisch systeem is de centrale vraag altijd: “Wat kunnen we bereiken met een boorveld van een bepaalde omvang?”, waarbij het ontwerp van het systeem rechtstreeks wordt gekoppeld aan het begrip geothermisch potentieel. Met andere woorden, het is een de ‘borefield-first’-methode waarbij het doel is om eerst zoveel mogelijk vermogen te krijgen (Deel 9.2) of energie (Deel 9.3) uit het geothermische boorveld, en wat het niet kan leveren, moet door iets anders worden geleverd. Het wil het maximale halen uit uw (waarschijnlijk) duurste onderdeel.
Hybride systemen simuleren
Wanneer je een hybride geothermisch systeem simuleert, ligt het iets anders. Hier kies je vooraf de omvang van elke hybride technologie en de temperatuurdrempel waarboven of waaronder de hybride technologie moet worden ingeschakeld. Als de buitenluchttemperatuur bijvoorbeeld hoger is dan 12 °C, is het waarschijnlijk efficiënter om een lucht-luchtwarmtepomp te gebruiken in plaats van een grond-luchtwarmtepomp. In dat geval kun je eenvoudigweg aangeven dat x kW aan lucht-luchtwarmtepompcapaciteit wordt ingeschakeld bij temperaturen boven 12 °C. Deze aanpak kan ook worden gezien als hybride-eerst, aangezien het, op basis van de ingestelde drempelwaarden, eerst een deel van de belasting van het boorveld wegneemt, waarna het boorveld gewoon zoals voorheen kan worden gesimuleerd.
Deze simulatiemethode is sneller dan de optimalisatiemethode, maar levert niet hetzelfde aandeel geothermische energie op, aangezien deze niet rechtstreeks verband houdt met het begrip geothermisch potentieel. Dit wordt besproken in Deel 9.5.
Conclusie
In dit hoofdstuk werd het concept van hybride systemen geïntroduceerd, waarbij zowel de voor- als nadelen werden toegelicht, evenals het concept van geothermisch potentieel. Er werd besproken dat het ontwerp van deze hybride systemen, met name de vraag wat het aandeel van geothermische energie in een bepaald hybride geothermisch systeem was, verre van triviaal was, en dat er verschillende manieren zijn om dit probleem te benaderen, afhankelijk van of men het hybride systeem wil optimaliseren of alleen maar simuleren.
In de volgende hoofdstukken worden verschillende ontwerpmethodieken voor hybride systemen besproken, elk met hun eigen specifieke toepassingsgebied, voor- en nadelen. Samen vormen ze een soort gereedschapskist waaruit de ontwerper van boorvelden kan kiezen en combineren wat hij nodig heeft om een weloverwogen beslissing te nemen over het uiteindelijke systeem.
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]