Hybride systemen (deel 2) - ontwerpmethodologie

Hybride systemen bieden een potentiële oplossing voor de steeds complexere aard van geothermische projecten. Gebouwen met meerdere nutsvoorzieningen en stadsverwarmingsprojecten van de 5e generatie hebben vaak zeer hoge eisen voor verwarming en koeling, waardoor het ontwerp van het geothermische boorveld van groot belang is. In het eerste artikel in deze serie over het ontwerp van hybride (geothermische) systemen richtten we ons op de vraag ‘wat zijn hybride systemen’ en hoe dit verband houdt met het onderwerp ‘geothermisch potentieel’. In dit tweede artikel leest u meer over twee verschillende methodes om zo'n hybride systeem te dimensioneren.

!Let op
Dit artikel bouwt verder op de onderwerpen uit deel 1 van deze serie. Als je het eerste artikel nog niet hebt gelezen, kun je het bekijken hier.

Waarom kiezen voor een hybride systeem?

Zoals we in het eerste deel hebben gezien, combineren hybride systemen meerdere technologieën om aan de verwarmings- en koelvraag van het gebouw te voldoen. In de geothermische techniek kan dit verschillende combinaties omvatten, zoals grondwarmtepompen (GSHP) met luchtwarmtepompen (ASHP), GSHP met thermische zonnecollectoren of GSHP met ASHP en droge koelers. De keuze van de technologieën hangt af van het specifieke gebouw.

Er zijn verschillende redenen om voor een hybride systeem te kiezen:

1. De investeringskosten minimaliseren of optimaliseren.
2. Om een robuuster en duurzamer ontwerp te realiseren.

Verschillende technologieën hebben verschillende sterke punten. Geothermische boorvelden bieden doorgaans een hoge operationele efficiëntie, wat resulteert in lagere operationele kosten. Borefields zijn echter vaak het duurste onderdeel van het systeem, dus het is cruciaal om te grote boringen te vermijden. Andere technologieën, zoals ASHP's, hebben daarentegen lagere investeringskosten maar minder operationele efficiëntie. Met een hybride ontwerp kunt u elk systeemonderdeel zo dimensioneren dat de sterke punten van alle technologieën worden benut.

De uitdaging: een hybride systeem ontwerpen

Het vorige artikel introduceerde de belangrijkste ontwerpuitdagingen bij hybride systemen: “Als ik x boorgaten heb, welk geothermisch aandeel kan ik dan bereiken?”. Deze vraag was gerelateerd aan het concept van geothermisch potentieel. In het algemeen waren er twee extreme gevallen bij het bovenstaande antwoord:

• Je dimensioneert je boorveld zo dat er geen potentieel is voor stroom
  (maar er blijft een potentieel voor energie).
• Je dimensioneert je boorveld zo dat er helemaal geen geothermisch potentieel overblijft.

De eerste optie, zoals we de vorige keer hebben besproken, geeft ons een systeem zonder oversizing en dus de laagste investeringskosten. Het tweede systeem daarentegen zal hogere investeringskosten hebben (vanwege een hogere totale geïnstalleerde capaciteit), maar lagere operationele kosten. Voordat we antwoord kunnen geven op economische vragen, moeten we begrijpen hoe een boorveld zo ontworpen kan worden dat het ofwel geen potentieel voor energie of helemaal geen geothermisch potentieel heeft. Dit wordt in dit artikel uitgelegd in respectievelijk de methodologie ‘optimaliseren voor maximaal geothermisch vermogen’ en ‘optimaliseren voor maximale geothermische energie’, die hieronder worden toegelicht.

Optimaliseren voor vermogen

Wanneer je ervoor kiest om te optimaliseren voor vermogen, is je ontwerpdoelstelling

Om het vermogen te maximaliseren dat u (tijdens koeling) in de grond kunt injecteren of (tijdens verwarming) er altijd uit kunt halen

Optimaliseren met deze doelstelling zorgt ervoor dat als we x kW geothermische verwarming of koeling installeren, we erop kunnen vertrouwen dat ons boorveld die x kW zal leveren in elke periode van onze simulatie (op voorwaarde dat onze aannames over de belasting nauwkeurig zijn). We weten dus dat als we een gebouwvraag hebben van 100 kW en we installeren x kW geothermische energie, ons hybride systeem ontworpen kan worden om ons (100-x) kW te leveren, omdat ons geothermische systeem ontworpen is om ons deze x kW te leveren.

Methodologie

De methodologie die dit systeem bepaalt, is de volgende:

1. Begin met een vraagprofiel voor verwarming en koeling per uur en een vast boorveldontwerp.
2. Bereken het uurlijkse temperatuurprofiel alsof 100% van de vraag van het gebouw op het boorveld werd geplaatst.
3. Je controleert of
   1. De minimale gemiddelde vloeistoftemperatuur valt onder een bepaalde drempel. Als dit het geval is, is het extractievermogen te hoog, dus moet het piekverwarmingsvermogen met x% worden verlaagd. Als de minimale gemiddelde vloeistoftemperatuur boven de drempel ligt, kan het boorveld de extractie aan en kan het piekverwarmingsvermogen ongewijzigd blijven.
   2. De maximale gemiddelde vloeistoftemperatuur overschrijdt een bepaalde drempel. Als dit het geval is, is het injectievermogen te hoog. Verminder daarom het piekkoelvermogen met x%. Als de maximale gemiddelde vloeistoftemperatuur onder de drempel ligt, kan het boorveld de injectie aan en zijn er geen wijzigingen nodig.
4. Als beide temperaturen uit stap (3) binnen de grenzen vallen, is de geothermische en hybride belasting bepaald en kunt u verder gaan met stap (7). Zo niet, ga dan verder met stap (5).
5. Herbereken de uurbelasting voor het boorveld met behulp van de nieuwe maximale piekvermogens voor verwarming en koeling bepaald in stap (3). Leid het vermogen of de energie die niet door het boorveld kan worden verwerkt om naar de hybride technologieën.
6. Herbereken het uurlijkse temperatuurprofiel en keer terug naar stap (3).
7. Gedaan

Voorbeeld

Wanneer we deze methodologie toepassen op een groter gebouw met meerdere nutsvoorzieningen met een piekvraag van 536 kW voor verwarming en 676 kW voor koeling, ondersteund door 80 boorgaten, komen we uit op de onderstaande cijfers.

!Let op
Dit artikel richt zich op de methodologie zelf. In een volgend artikel gaan we dieper in op het praktische ontwerp van hybride systemen met behulp van GHEtool Cloud.

De belastingsdurencurve hierboven laat de verwarmings- en koelvraag van het gebouw zien, waarbij het gearceerde gebied het deel van de belasting weergeeft waaraan geothermisch kan worden voldaan. In dit geval kunnen we 259 kW geothermisch verwarmingsvermogen en 169 kW geothermisch koelvermogen installeren, waarbij we ervoor zorgen dat deze vermogens consistent kunnen worden uitgewisseld met de grond. In de resterende energiebehoefte moet worden voorzien door hybride technologieën.

!Let op

Deze methode specificeert niet de configuratie van de hybride technologie, omdat dat buiten het bereik van geothermisch ontwerp valt. Deze flexibiliteit maakt de optimalisatiemethode aanpasbaar aan verschillende scenario's.

Als we het temperatuurprofiel hierboven bekijken, zien we dat zowel de minimale als de maximale gemiddelde vloeistoftemperatuurgrens wordt bereikt. Dit geeft aan dat het installeren van extra vermogen voor verwarming of koeling deze drempelwaarden zou overschrijden. Het resulterende profiel is dus inderdaad geoptimaliseerd voor maximaal vermogen. Raadpleeg voor meer informatie over temperatuurprofielen ons artikel over het interpreteren van temperatuurprofielen.

Het is echter vermeldenswaard dat een deel van het geothermische potentieel onbenut blijft bij deze optimalisatieaanpak. In de latere jaren van exploitatie is er een aanzienlijke capaciteit voor extra warmte-injectie (d.w.z. koeling), terwijl het boorveld in de eerste jaren een hogere verwarmingsbelasting zou kunnen verwerken. Om dit ongebruikte potentieel aan te pakken, moet er worden geoptimaliseerd voor energie, wat in de volgende paragraaf wordt besproken.

Optimaliseren voor energie

Wanneer je kiest voor energieoptimalisatie, is je ontwerpdoelstelling:

Om de energie te maximaliseren die je (tijdens koeling) in de grond kunt injecteren of (tijdens verwarming) uit de grond kunt halen gedurende de hele simulatieperiode

Optimaliseren met deze doelstelling levert een systeem op waarbij we, als we x kW aan geothermische verwarmings- of koelcapaciteit installeren, het volgende kunnen doen ervoor zorgen dat het boorveld de grootst mogelijke hoeveelheid verwarmings- of koelingsenergie levert in de loop van de tijd. Deze aanpak niet garanderen dat het boorveld te allen tijde consistent x kW vermogen zal leveren. Als je dus een gebouw hebt met 100 kW piekvraag en je installeert x kW geothermische energie, dan moet je hybride systeem groter zijn dan (100-x) kW, omdat we er niet zeker van kunnen zijn dat we deze geothermische energie elk jaar kunnen krijgen, dus moeten we dat compenseren door meer hybride vermogen te installeren.

Methodologie

De methodologie voor het optimaliseren voor energie verschilt van de benadering die wordt gebruikt voor het optimaliseren voor stroom en verloopt als volgt:

1. Begin met een vraagprofiel voor verwarming en koeling per uur en een vast boorveldontwerp.
2. Converteer de belasting per uur naar een maandbelasting, met behoud van dezelfde energievraag en piekvermogens voor elke maand.
   !Let op
   Hoewel het theoretisch mogelijk is om deze methode direct toe te passen met een resolutie van een uur, zou het berekenen hiervan enkele uren in beslag nemen zonder de nauwkeurigheid significant te verbeteren.
3. Iterate door elke maand (i) van de simulatieperiode, waarbij de volgende stappen worden uitgevoerd:
   1. Bereken het maandelijkse temperatuurprofiel
   2. Controleer of:
      1. De minimale gemiddelde vloeistoftemperatuur voor maand (i) ligt onder de minimumdrempel. Als dat zo is, is het onttrekkingsvermogen te hoog, dus verlaag het piekverwarmingsvermogen met x%, maar alleen voor maand (i). Als de temperatuur boven de drempel ligt, kan het boorveld de extractie aan, dus blijft het piekverwarmingsvermogen ongewijzigd voor maand (i).
      2. De maximale gemiddelde vloeistoftemperatuur voor maand (i) ligt boven de maximumdrempel. Als dat zo is, is het injectievermogen te hoog, dus verlaag het piekkoelvermogen met x%, maar alleen voor maand (i). Als de temperatuur onder de drempel ligt, kan het boorveld de injectie aan, dus is er geen aanpassing nodig voor maand (i).
   3. Als alle vloeistoftemperaturen binnen de limieten vallen, bepaal dan het piekvermogen en de bijbehorende energie die het boorveld kan leveren voor maand (i). Het resterende vermogen en de resterende energie moeten worden geleverd door de hybride oplossing. Ga verder met stap (3.5).
   4. Als de vloeistoftemperaturen buiten de limieten vallen, pas dan de uurbelasting aan zodat deze overeenkomt met de nieuwe piekvermogens die zijn bepaald in stap (3.2). Herconverteer de uurbelasting naar een maandbelasting en keer terug naar stap (3.1).
   5. Zodra alle temperaturen voor maand (i) acceptabel zijn, gaat u naar maand (i+1).
4. Gedaan

Voorbeeld

Als we hetzelfde project met 80 boorgaten bekijken, kunnen we de geïnstalleerde geothermische capaciteit verhogen tot 536 kW voor verwarming en 388 kW voor koeling. Hierdoor kunnen we in de eerste jaren meer warmte aan de grond onttrekken (voor verwarming) en in de latere jaren meer warmte in de grond injecteren (voor koeling). Op deze manier maximaliseren we de totale energie die wordt uitgewisseld met het boorveld.

In tegenstelling tot het vorige hybride systeem kunnen we echter niet garanderen dat het boorveld altijd 536 kW voor verwarming en 388 kW voor koeling zal leveren. De onderstaande figuur toont de verdeling van de verwarmings- en koelbelastingen in de tijd. Zoals te zien is, nemen door de onbalans in het systeem zowel het basislastvermogen voor verwarming als het piekvermogen voor verwarming af tijdens de levensduur van het boorveld, terwijl het aandeel van koeling toeneemt.

!Let op
Er is een belangrijk verschil tussen ontwerpen die geoptimaliseerd zijn voor vermogen en ontwerpen die geoptimaliseerd zijn voor energie. In een systeem dat is geoptimaliseerd voor vermogen, blijft de jaarlijkse geothermische opbrengst constant omdat het piekvermogen altijd wordt gehaald. In een systeem dat geoptimaliseerd is voor energie daarentegen, evolueert de geothermische opbrengst in de loop van de simulatieperiode, wat de variaties in de verwarmings- en koelbelastingen weerspiegelt.

Vergelijking

De cirkeldiagrammen hieronder illustreren hetzelfde concept. In de resultaten links, die het hybride systeem weergeven dat is ontworpen met ‘geoptimaliseerd voor vermogen’, wordt ongeveer 75-80% van de vraag van het gebouw gedekt door het boorveld. In het rechter diagram, dat het hybride systeem voorstelt dat is ontworpen met ‘optimaliseren voor maximale energie’, wordt daarentegen tot 95% geothermische energie gebruikt over de gehele simulatieperiode, dankzij het hogere geïnstalleerde piekvermogen. Dit betekent dat ons hybride systeem, ontworpen met een boorveld geoptimaliseerd voor energie, waarschijnlijk lagere operationele kosten zal hebben, dankzij het hogere aandeel geothermische energie. Aan de andere kant is, zoals u kunt zien, het totaal geïnstalleerde vermogen in dit geval veel groter (de geothermische warmtepomp is 536 kW en dat is slechts 2/3 van het totaal geïnstalleerde vermogen). Dit leidt tot hogere investeringskosten in vergelijking met een boorveld dat is geoptimaliseerd voor vermogen.

Conclusie

Het bovenstaande artikel schetste de theoretische basis en de ontwerpmethodologie voor een hybride systeem. Er werd onderscheid gemaakt tussen hybride systemen met een boorveld dat zo is ontworpen dat het geen potentieel heeft voor vermogen en hybride systemen met een boorveld dat zo is ontworpen dat het helemaal geen geothermisch potentieel heeft. De ontwerpmethoden werden respectievelijk ‘optimaliseren voor vermogen’ en ‘optimaliseren voor energie’ genoemd.

In het volgende deel zullen we onderzoeken hoe we deze ontwerpmethodologieën kunnen toepassen in GHEtool Cloud voor een specifiek project. Daarnaast gaan we dieper in op strategieën om het piekvermogen van geothermische energie te beperken om te voorkomen dat het systeem te groot wordt.

Referenties

• Bekijk onze video over dit artikel op onze YouTube pagina hier.