Als laatste hoofdstuk in dit deel bespreken we een van de meest voorkomende uitdagingen bij het ontwerp van geothermische boorvelden: onbalans. Welke hulpmiddelen hebben wij, als ontwerpers, tot onze beschikking om het boorveldontwerp zodanig aan te passen dat we hiermee om kunnen gaan terwijl de investeringskosten beheersbaar blijven?
Onbalans en boorveldontwerp
Onbalans, het verschil tussen de onttrekkingsvraag en de injectievraag van het boorveld, is een gegeven voor een boorveldontwerper. Wanneer een project wordt ontworpen, is dit meestal een gegeven, omdat het direct verband houdt met de bouwvraag en dus met architecturale keuzes. Hoewel het soms mogelijk is om bepaalde aspecten van het gebouwontwerp te veranderen, is het meestal iets waar geothermische ontwerpers mee te maken krijgen.
Onbalans legt druk op de langetermijntemperaturen van het boorveld. Als de temperaturen binnen bepaalde grenzen moeten blijven, zal een temperatuurdrift uiteraard het ontwerp beïnvloeden en de investeringskosten doen toenemen.
In de volgende secties worden verschillende ontwerpkeuzes besproken die van invloed zijn op de manier waarop een boorveld omgaat met onbalans. Deze opties worden onderverdeeld in oplossingen die altijd werken en oplossingen die soms werken.
Altijd goed voor de onbalans
Zoals besproken in deel 2 kan de thermische respons van een boorveld worden onderverdeeld in twee tijdschalen: langetermijneffecten en kortetermijneffecten.
Aangezien onbalans een fenomeen is dat op lange termijn problemen veroorzaakt, is het aanpassen van het ontwerp om deze langetermijneffecten te verbeteren een logische eerste stap. Wat in eerste instantie misschien verrassend is, is dat kortetermijneffecten ook een positieve invloed kunnen hebben op het onbalansprobleem. De ontwerpkeuzes die het gedrag van het boorveld op lange en korte termijn beïnvloeden, worden in de volgende twee paragrafen besproken. Een derde paragraaf zal...
Beter gedrag op lange termijn
Het langetermijneffect beschrijft hoe de boorgatwandtemperatuur in de loop der jaren verandert en hier wordt de directe invloed van de onbalans zichtbaar. Hoe meer energie er op jaarbasis wordt onttrokken, hoe lager de boorgatwandtemperatuur op de lange termijn zal worden, en omgekeerd voor systemen met injectie.
Zoals besproken in Deel 2.3, Dit langetermijneffect wordt bepaald door de g-functies, die de thermische interactie tussen de verschillende boorgaten in het veld en tussen het veld en de omgeving belichamen. Om de drift in de boorgatwandtemperatuur te minimaliseren, moet het ontwerp worden aangepast om de laagst mogelijke g-functie te bereiken.
Zoals in bovenstaande figuur te zien is, zijn er verschillende manieren om de g-functies te beïnvloeden. Eén optie, links weergegeven, is het aanpassen van de afstand tussen de boorgaten. Hoe verder de boorgaten uit elkaar worden geplaatst, hoe beter ze energie kunnen uitwisselen met de omringende grond, hoe kleiner hun onderlinge thermische interferentie wordt en hoe kleiner bijgevolg de impact van de onbalans op het systeem.
Dezelfde redenering geldt voor het voorbeeld rechts. Als de boorgatconfiguratie wordt gewijzigd in een meer open opstelling, zoals een lijn of een L-vorm in plaats van een rechthoek, kan het boorveld effectiever energie uitwisselen met de grond, waardoor de invloed van de onbalans afneemt. Dit effect werd ook waargenomen in de voorgaand hoofdstuk, bij het bespreken van het belang van het werken met boorgatcoördinaten.
Gekantelde boorgaten
Een andere manier om de afstand tussen boorgaten kunstmatig te vergroten is door ze te laten hellen. Deze aanpak is al gebruikelijk in Scandinavische landen en heeft geleid tot concepten als Celsius Energie‘s Energie Piramide en de Geostar concept ontwikkeld door Fraunhofer IEG.
Naast het voordeel dat er een kleinere voetafdruk nodig is, waardoor het eenvoudiger wordt om grotere geothermische systemen te installeren in dichtbebouwde gebieden, worden de gemiddelde afstanden tussen de boorgaten groter als ze diep genoeg zijn, waardoor de thermische interactie tussen de boorgaten kleiner wordt en de invloed van de onbalans op het uiteindelijke ontwerp kleiner.
Beter kortetermijngedrag
Het kortetermijngedrag, zoals besproken in Deel 2.2, wordt beschreven door de effectieve boorgatthermische weerstand, die de relatie uitdrukt tussen de boorgatwandtemperatuur, bepaald door de g-functies zoals hierboven besproken, en de vloeistoftemperatuur, die binnen bepaalde grenzen moet blijven. Het is precies deze relatie die de boorgatweerstand belangrijk maakt bij het omgaan met onbalans.
Om dit te begrijpen, bekijken we het onderstaande temperatuurprofiel voor een boorveld dat bestaat uit 5 boorgaten van elk 113 m diep.
Zoals in bovenstaande figuur te zien is, is het verschil tussen de vloeistoftemperatuur tijdens de piekverwarming en de boorgatwandtemperatuur, dat in dit geval nauwelijks zichtbaar is, vrij groot door een relatief lage effectieve thermische boorgatweerstand van 0,1820 mK/W tijdens de winning. Het bovenstaande boorveld zou een geothermische onbalans van 15,2 MWh/jaar in de winning kunnen verwerken.
Wanneer het boorveld ongewijzigd blijft en de boorgatweerstand wordt verbeterd tot een waarde van 0,0718 mK/W, komen de vloeistoftemperaturen veel dichter bij de boorgatwandtemperatuur. Dit betekent dat de boorgatwandtemperatuur in de loop van de tijd nog iets verder zou kunnen dalen terwijl de vloeistoftemperaturen nog steeds binnen hun grenzen blijven. Het blijkt dat in dit geval hetzelfde boorveld met 5 boorgaten een onbalans van 32,0 MWh/jaar in de extractie zou kunnen verwerken met deze verbeterde boorgatweerstand.
Met andere woorden, als de boorgatweerstand laag is, kan een grotere onbalans effectiever worden beheerd omdat energie gemakkelijker kan worden overgedragen tussen de vloeistof en de grond.
Soms gunstig voor de onbalans
Naast de bovenstaande ontwerpkeuzes die over het algemeen gunstig zijn bij het omgaan met onbalans, zijn er andere ontwerpkeuzes die in bepaalde gevallen ook gunstig kunnen zijn.
Extra boorgaten
Een oplossing die vaak wordt voorgesteld om onbalans aan te pakken, is het boren van extra boorgaten. De redenering hierachter is vrij eenvoudig: met meer boorgaten kan meer energie worden uitgewisseld met de grond. Dit volgt dezelfde logica die eerder is besproken met betrekking tot de afstand tussen en configuratie van boorgaten. Er is hier echter een belangrijke nuance met betrekking tot de boorgatweerstand.
Een belangrijke parameter die de effectieve thermische weerstand van het boorgat beïnvloedt, is het stromingsregime, laminair of turbulent. Wanneer het aantal boorgaten in het systeem verandert, wordt het totale debiet verdeeld over een groter aantal boorgaten, wat resulteert in een lager debiet per boorgat. In de onderstaande grafiek komt dit overeen met een verschuiving naar lagere Reynoldsgetallen.
Wanneer een boorveld in de transiënte zone werkt, tussen Re = 2300 en Re = 4000, kan het verlagen van het debiet per boorgat de boorgatweerstand aanzienlijk verhogen en op zijn beurt het vermogen van het boorveld om onbalans op te vangen verminderen, zoals besproken in de vorige paragraaf. Dit betekent dat, hoewel het langetermijngedrag verbetert door de verbeterde warmteoverdracht met de omringende grond, dit voordeel teniet kan worden gedaan door een slechtere warmteoverdracht in het boorveld zelf.
Daarom is het bij het toevoegen van meer boorgaten altijd belangrijk om de boorgatweerstand in de gaten te houden en waar mogelijk het debiet te verhogen of de boorgatconfiguratie aan te passen, zoals kiezen tussen een enkele en dubbele U-buis of het aanpassen van de pijpdiameter, om de weerstand zo laag mogelijk te houden.
Diepere boorgaten
Een laatste redmiddel voor geothermische ontwerpers bij het omgaan met onbalans is het boren van diepere boorgaten. Dit verandert de g-functies en dus het langetermijngedrag enigszins, omdat diepere boringen ook meer ruimte bieden voor warmte-uitwisseling met de grond. Bovendien betekent een dieper boorgat over het algemeen een hogere gemiddelde bodemtemperatuur. Deze hogere temperatuur verschuift alle lijnen in de bovenstaande temperatuurgrafiek naar boven, waardoor het gemakkelijker wordt om onbalans op te vangen.
Er moet worden opgemerkt dat deze oplossing alleen effectief is voor boorvelden die gedomineerd worden door extractie. Wanneer een boorgat problemen ondervindt met betrekking tot de maximale gemiddelde vloeistoftemperatuur, is dieper boren over het algemeen geen goede oplossing, omdat de hogere bodemtemperaturen voor extra uitdagingen zullen zorgen.
Conclusie
In dit hoofdstuk werden verschillende strategieën besproken voor het omgaan met onbalans in het ontwerp van geothermische boorvelden. Er werd aangetoond dat onbalans vooral het langetermijngedrag van het boorveld beïnvloedt door een temperatuurdrift te veroorzaken, waardoor de vereiste omvang van het boorveld en de investeringskosten kunnen toenemen.
Er werden verschillende oplossingen gepresenteerd. Verbetering van het langetermijngedrag door grotere boorgatafstanden, meer open configuraties of hellende boorgaten helpt de thermische interferentie te verminderen, terwijl verbetering van het kortetermijngedrag door een lagere effectieve thermische boorgatweerstand het systeem in staat stelt grotere onevenwichtigheden effectiever te beheren. Extra boorgaten of diepere boorgaten kunnen ook helpen, hoewel deze oplossingen niet altijd gunstig zijn en sterk afhangen van de specifieke projectomstandigheden.
De belangrijkste conclusie is dat er geen universele oplossing is voor onbalans. Elk project vereist een zorgvuldige balans tussen thermische prestaties, hydraulisch gedrag en investeringskosten.