Individuele en collectieve boorvelden

Geothermische boorvelden kunnen in veel verschillende scenario’s worden ingezet, maar een algemeen onderscheid wordt gemaakt tussen individuele en collectieve geothermische systemen. In dit hoofdstuk worden drie verschillende soorten geothermische systemen besproken, variërend van volledig individueel tot volledig collectief, en wordt aangegeven wanneer het ene systeem een betere keuze zou kunnen zijn dan het andere. De onderscheidingen in dit hoofdstuk zullen helpen om het concept van gelijktijdigheid en interferentie in het volgende hoofdstuk beter te begrijpen.

Drie soorten geothermische boorveldsystemen

Wanneer je een project hebt met verschillende units of gebouwen, zoals een nieuwbouwwijk of een appartementengebouw dat je wilt voorzien van aardwarmte en -koeling, sta je voor de vraag: installeren we een collectief of een individueel systeem? In de afbeelding hieronder worden drie algemene soorten oplossingen getoond.

Aan het ene uiterste bevindt zich de volledig individuele oplossing (links). Hier beschikt elk appartement of elke wooneenheid over een eigen verwarmings- en koelsysteem (d.w.z. een eigen grondwarmtepomp) dat is aangesloten op een eigen, afzonderlijke boorput of boorveld.

Aan het andere uiterste bevindt zich de volledig collectieve oplossing (rechts). Hier worden de verwarming en koeling centraal geproduceerd en naar de verschillende wooneenheden gedistribueerd. Wanneer de wooneenheden zich in afzonderlijke gebouwen bevinden (bijvoorbeeld een hele wijk), vormt deze oplossing het traditionele verwarmings- en koelingsnetwerk.

De laatste optie is om te werken met afzonderlijke productie-eenheden voor verwarming en koeling die zijn aangesloten op een centraal boorveld. Deze oplossing, die de laatste tijd veel belangstelling heeft gewekt in regio’s zoals Nederland, lijkt op wat ‘vijfde generatie stadsverwarming en -koeling’ (5DHC) wordt genoemd, waarbij de geothermische temperaturen worden gedeeld door verschillende gebruikers die zelf kunnen beslissen of ze deze willen gebruiken voor verwarming of koeling.

Alle drie de bovenstaande opties hebben hun eigen toepassingsgebieden, voor- en nadelen. In de volgende paragrafen wordt elk van deze opties nader besproken, waarbij de nadruk ligt op de ontwerpaspecten van geothermische energie (piekvermogen en onbalans) en op algemene aandachtspunten (kosten, onderhoud en maatschappelijke gevolgen).

Individuele productie, individueel boorveld

Wanneer al je gebouwen of wooneenheden (zoals appartementen) beschikken over een eigen, afzonderlijk aardwarmtepompsysteem, is het ontwerp identiek aan wat we eerder in deze cursus hebben behandeld. Conceptueel gezien moet u ervoor zorgen dat elke geothermische boorput (of boorveld) zowel 100% van de piekbelasting van het gebouw als de jaarlijkse energiebehoefte kan leveren. De combinatie van deze effecten kan het ontwerp van de afzonderlijke boorvelden behoorlijk onder druk zetten.

In tegenstelling tot collectieve geothermische systemen liggen individuele boorgaten of boorvelden vaak verder uit elkaar dan bij een traditioneel boorveld met een vaste afstand tussen de boorgaten. Stel je bijvoorbeeld een wijk voor waarin elk afzonderlijk huis zijn eigen geothermische boorgat of boorgaten heeft. Doorgaans liggen deze boorgaten verder uit elkaar dan wanneer ze gecentraliseerd zouden zijn in één enkel veld. Deze grotere afstand kan helpen om de onbalans op te vangen, zoals besproken in Deel 5.5.

Het feit dat uw boorvelden zijn aangesloten op afzonderlijke installaties, betekent echter niet dat ze volledig los van elkaar staan. Net zoals de verschillende boorgaten binnen één veld elkaar beïnvloeden, is er ook bij elk paar geothermische boorvelden sprake van een zekere mate van thermische interferentie. Dit wordt besproken in Deel 8.2.

Conclusie

Samenvattend kan worden gesteld dat de totale boorgatlengte die nodig is voor een volledig individueel systeem wordt bepaald door drie factoren:

• Een hoger resulterend piekvermogen (100% van de gebouwbelasting).
• Een grotere geothermische onbalans.
• Een mogelijk geringere invloed van de onbalans, als gevolg van de afstand tussen de boorgaten.

Hoewel het relatieve belang van deze drie factoren per project kan verschillen, kan men stellen dat bij appartementsgebouwen, waar de boorgaten vanwege de beperkte ruimte relatief dicht bij elkaar liggen, een individuele oplossing tot meer boorgatmeter zal leiden. In het geval van een woonwijk, waar de boorgaten verder uit elkaar liggen, kan de individuele oplossing iets kleiner uitvallen.

Wat de onderhoudskosten betreft: deze zijn relatief hoog voor dit soort oplossingen, aangezien het onderhoud van meerdere warmtepompen tot hogere totale kosten leidt. Bovendien zal het feit dat elk gebouw over een eigen verwarmings- en koelinstallatie beschikt, leiden tot hogere piekbelastingen op het elektriciteitsnet, waardoor er meer capaciteit nodig is (zoals besproken in Deel 1.1).

Individuele productie, collectief boorveld

Een tweede oplossing die steeds populairder wordt, is om de grondwarmtepompen te decentraliseren, maar ze wel aan te sluiten op één boorveld. Dit kan met name interessant zijn in gevallen waarin, bijvoorbeeld vanwege ruimtebeperkingen, de boorgaten al vrij dicht bij elkaar liggen, of in de context van een stadsverwarmingsnetwerk van de vijfde generatie met zowel verwarmings- als koelingsgedomineerde gebouwen. Er zijn twee belangrijke voordelen bij het werken met een gecentraliseerd boorveld:

1. Aangezien alle eenheden nu zijn aangesloten op dezelfde geothermische bron, hoeft bij het ontwerp van het boorveld alleen rekening te worden gehouden met de cumulatieve onbalans. Deze onbalans zal altijd gelijk zijn aan of kleiner zijn dan de som van de individuele onbalansen van elke eenheid, bijvoorbeeld in het geval van een gebouw met meerdere verdiepingen met beneden een winkel met een hoge koelbehoefte en daarboven woonappartementen. Het resulterende boorveld zal daarom evenwichtiger zijn dan in het individuele geval, waarin elk boorgat de individuele onbalans zou moeten kunnen opvangen.
2. Aangezien niet alle warmtepompen tegelijkertijd in bedrijf zijn, kan het daaruit voortvloeiende piekvermogen op de grond ook kleiner zijn. Dit effect wordt ‘simultaneïteit’ genoemd en zal later worden besproken in Deel 8.3.

Conclusie

Bij het werken met een collectief boorveld kan eventueel rekening worden gehouden met een lager piekvermogen en een grotere onbalans, wat tot een zuiniger ontwerp kan leiden. Als de boorgaten nu echter dichter bij elkaar liggen dan in het individuele geval, kan de invloed van de onbalans groter zijn. De uiteindelijke beslissing of dit al dan niet voordelig is, hangt uiteindelijk af van het specifieke project.

Over het algemeen geldt dat voor appartementencomplexen waar de boorgaten al vrij dicht bij elkaar liggen, een collectief boorveld waarschijnlijk kostenefficiënt is. Voor wijken is dit meestal niet het geval, vanwege de hoge investeringskosten van de distributieleidingen voor het 5e-generatie stadsverwarmings- en -koelingsnetwerk, tenzij de onbalans van het gehele systeem sterk wordt verminderd door het collectieve karakter ervan.

Aangezien er nog steeds meerdere warmtepompen zijn geïnstalleerd, blijven de cumulatieve onderhoudskosten van deze oplossing relatief hoog, evenals het totale benodigde piekvermogen op het elektriciteitsnet. Omdat gelijktijdigheid niet kan worden gegarandeerd en de regeneratie in dit geval iets complexer is, is het boorveld over het algemeen groter dan bij de volgende optie.

Collectieve productie, collectief boorveld

De laatste optie is om te kiezen voor een gecentraliseerde verwarmings- en koelingsproductie in combinatie met een gecentraliseerd boorveld. Dit is in feite het traditionele concept van een stadsverwarmings- en -koelingsnetwerk met een gecentraliseerd productiesysteem. Door het gecentraliseerde karakter van de bron kan het ontwerp profiteren van een over het algemeen kleinere onbalans in vergelijking met de afzonderlijke ontwerpen.

In tegenstelling tot het collectieve boorveld met afzonderlijke warmtepompen betekent het gebruik van een gecentraliseerd productiesysteem echter dat we nu zeker kunnen zijn van een lager piekvermogen, zowel thermisch als hydraulisch, aangezien deze gecentraliseerde warmtepomp doorgaans kleiner zal zijn dan de som van alle afzonderlijke installaties.

Vanwege het gecentraliseerde ontwerp liggen de boorgaten waarschijnlijk dichter bij elkaar, wat het effect van onbalans kan vergroten. Aangezien we echter ook beschikken over een gecentraliseerde productie-eenheid, is het relatief eenvoudig om dit te ondervangen door een hybride systeem op te zetten of regeneratie toe te passen, zoals in deel 9 en 10 zal worden besproken.

Conclusie

Een volledig collectief systeem leidt tot een lagere piekbelasting op het boorveld en doorgaans een kleinere onbalans. Daarom zal deze oplossing, in vergelijking met het scenario met afzonderlijke productie-eenheden en een collectief boorveld, over het algemeen leiden tot kleinere geothermische systemen, hoewel dit nog steeds afhangt van het specifieke project en de geometrie van het boorveld. Over het algemeen is deze oplossing kostenefficiënter voor appartementen, terwijl deze voor wijken duurder kan uitvallen vanwege de noodzaak van geïsoleerde distributieleidingen voor verwarming en koeling in de 4e generatie stadsverwarming en -koeling.

Aangezien we nu slechts één systeem hoeven te onderhouden, zijn de totale onderhoudskosten lager en is ook de benodigde stroomcapaciteit uit het elektriciteitsnet kleiner. Collectieve systemen zijn gemakkelijker te optimaliseren en vormen daarom soms de voorkeursoptie van een Energy Service Company (ESCO).

Conclusie

In dit hoofdstuk zijn drie verschillende geothermische oplossingen besproken: het volledig individuele systeem (waarbij zowel de warmtepomp als de boorgaten individueel zijn), het volledig collectieve systeem (met een collectieve warmtepomp en een gezamenlijk boorveld) en een gecombineerde oplossing, waarbij afzonderlijke warmtepompen per eenheid zijn aangesloten op een centrale geothermische bron.

Hoewel de concrete kostenbesparingen die voortvloeien uit de overstap van individuele naar collectieve systemen kunnen afhangen van de kenmerken van elk project, biedt de overstap naar een collectief boorveld het voordeel dat er met een gecombineerde onbalans wordt gewerkt in plaats van deze per gebouw aan te pakken. Bovendien kan het centraliseren van de productie helpen de onderhoudskosten te verlagen, het piekvermogen op het boorveld te beperken en de benodigde elektrische capaciteit te verlagen.

In de volgend hoofdstuk, Er zal worden ingegaan op het concept van interferentie tussen verschillende, hydraulisch gescheiden geothermische systemen.

Vragen

Referenties

• Lund, H., Werner, S., Wiltshire, R., Svendsen, S., Thorsen, J.E., Hvelplund, F., Mathiesen, B.V. (2014). Stadsverwarming van de 4e generatie (4GDH): Integratie van slimme warmtenetten in toekomstige duurzame energiesystemen, Energie, Jaargang 68, blz. 1-11, 0360-5442, https://doi.org/10.1016/j.energy.2014.02.089.