Regeneratie in GHEtool (deel 1)

Onevenwichtigheid is een van de meest voorkomende uitdagingen bij het ontwerpen van geothermische boorvelden. Hoewel er verschillende oplossingen bestaan (zoals het aanpassen van het ontwerp of het kiezen voor een hybride geothermisch systeem), is een veelgebruikte oplossing het inzetten van regeneratie om de onevenwichtigheid actief tegen te gaan. In dit artikel wordt de onlangs uitgebrachte regeneratiemodule in GHEtool Cloud besproken.

Wat is regeneratie?

Bij het ontwerpen van ondiepe geothermische boorvelden krijg je vaak te maken met een temperatuurverschuiving op lange termijn als gevolg van een onevenwicht in je systeem. Ofwel koelt je boorveld jaar na jaar af doordat de onttrekkingsbelasting hoger is dan de injectiebelasting, ofwel gebeurt het omgekeerde. In het onderstaande temperatuurprofiel wordt een boorveld met een aanzienlijk onevenwicht in de onttrekking weergegeven.

Een dergelijke onbalans is ongewenst, aangezien dit ertoe kan leiden dat het boorveld groter moet zijn om ervoor te zorgen dat de vloeistoftemperaturen binnen de vastgestelde grenzen blijven (zoals besproken in ons artikel over onbalans hier).

Conceptueel gezien zijn er (naast architectonische of functionele aanpassingen aan het gebouw) twee verschillende manieren om deze onevenwichtigheid te voorkomen: hybridisatie en regeneratie. Om het verschil tussen deze twee opties goed te begrijpen, kijken we nog eens naar het Sankey-diagram (meer informatie hier) van het bovenstaande temperatuurprofiel.

Een Sankey-diagram is een grafische weergave van de energiestromen in ons geothermisch systeem. In het bovenstaande voorbeeld staan de vraag naar verwarming en warm water aan de rechterkant, die beide worden geleverd door de aardwarmtepomp (GSHP). Deze GSHP heeft op haar beurt weer verschillende inputs, namelijk de vraag naar elektriciteit (voor de compressor in de warmtepomp), de onbalans en de seizoensgebonden thermische energieopslag (STES).

Zowel het onevenwicht als het STES-systeem houden rekening met de energie die uit de grond wordt onttrokken, maar ze verschillen conceptueel van elkaar. Bij het onevenwicht wordt de grond als warmtebron gebruikt, terwijl het STES-systeem gebruikmaakt van de opgeslagen warmte die afkomstig is van de koeling tijdens de afgelopen zomer. Aangezien ondiepe geothermische boorvelden in wezen een technologie zijn om warmte op te slaan in plaats van de bodem uit te putten, is dit groene deel idealiter zo groot mogelijk. In het bovenstaande Sankey-diagram is duidelijk te zien dat het vooral het onevenwicht is dat de GSHP voedt, wat de aanzienlijke neerwaartse temperatuurtrend van het boorveld verklaart.

De eerste mogelijkheid om dit probleem van een grote onbalans op te lossen, is door te kiezen voor een hybride technologie, zoals weergegeven in het onderstaande Sankey-diagram.

Hier wordt een deel van de verwarmingsbehoefte gedekt door een hybride systeem (meer informatie hier), bijvoorbeeld een luchtwarmtepomp. Hierdoor neemt het aandeel van de grondwarmtepomp af, en aangezien de vraag naar koeling en geothermische koeling gelijk blijft, neemt de onbalans aanzienlijk af. Dit resulteert in het onderstaande temperatuurprofiel, waarin de vloeistof nu binnen de vooraf gedefinieerde grenzen blijft, maar de onbalans nog steeds duidelijk zichtbaar is. Dit houdt ook in dat, als de simulatieperiode wordt verlengd tot bijvoorbeeld 40 jaar, het aandeel van het hybride systeem moet worden vergroot om binnen de grenzen te blijven.

Een andere optie is om te kiezen voor regeneratie van het boorveld, zoals weergegeven in het onderstaande Sankey-diagram. Hier wordt de verwarmings- (en warmwater)belasting nog steeds van 100% geleverd door de grondwarmtepomp, maar de onbalans is nu volledig verdwenen. Met behulp van regeneratie wordt extra warmte in de grond geïnjecteerd, opgeslagen en later door de grondwarmtepomp gebruikt.

De bovenstaande situatie leidt tot het onderstaande temperatuurprofiel. Hieruit blijkt duidelijk dat er geen sprake meer is van een langdurige temperatuurverschuiving, wat inhoudt dat een verlenging van de simulatieperiode tot 40 jaar geen invloed zou hebben op de haalbaarheid van het systeem.

Het is ook duidelijk dat het profiel er nu totaal anders uitziet, aangezien regeneratie het belastingsprofiel van de grond verandert door extra warmte in de grond te injecteren (of uit de grond te onttrekken).

Hieronder worden de verschillende categorieën regeneratietechnologieën besproken, waarna de details van het regeneratiealgoritme (de regels voor regeneratie, waar deze moet worden toegepast en welk algoritme moet worden gekozen) worden toegelicht.

Regeneratietechnologieën

Regeneratie kan met vrijwel elke technologie worden uitgevoerd, zolang deze maar in staat is om verwarming, koeling of beide te leveren. Dat is in zekere zin het mooie van regeneratie. Als u een boorveld hebt waar overwegend water wordt onttrokken, is alles wat als warmtebron kan dienen geschikt voor regeneratie; hetzelfde geldt voor elke koudebron in het geval van een boorveld waar overwegend water wordt geïnjecteerd.

In GHEtool Cloud worden vier categorieën regeneratietechnologieën toegepast, waarbinnen – op een bepaald abstractieniveau – alle regeneratietechnologieën kunnen worden ondergebracht. Deze worden hieronder besproken.

Constant vermogen

De eerste en meest eenvoudige technologiecategorie voor regeneratie is die van constant vermogen. Dit houdt in dat er altijd een bepaalde hoeveelheid vermogen beschikbaar is voor toevoer of afvoer. Denk bijvoorbeeld aan een elektrisch verwarmingselement dat op elk moment kan worden ingeschakeld om een bepaalde hoeveelheid vermogen te leveren, of zelfs aan een luchtwarmtepomp die een bepaald geïnstalleerd vermogen heeft dat kan worden geleverd voor verwarming en/of koeling.

Het idee achter de technologie met constant vermogen is dat het vermogen constant is en niet afhankelijk is van de tijd.

Constante temperatuur

Het tegenstuk van een regeneratietechnologie met een constant vermogen is een technologie met een constante referentie- (of regeneratie-)temperatuur, waarmee we via een warmtewisselaar energie kunnen uitwisselen. Dit is bijvoorbeeld een stadsverwarmings- of -koelingsnetwerk, afvalwater of afzuigventilatie.

Al deze bronnen hebben (in hoge mate) een constante en tijdonafhankelijke temperatuur die voor regeneratie kan worden gebruikt. Zo ligt de temperatuur van de afvoerlucht bijvoorbeeld het hele jaar door doorgaans rond de ±22 °C. Wanneer hier een warmtewisselaar wordt geïnstalleerd en de vloeistoftemperatuur lager is dan deze temperatuur, kan warmte uit de lucht worden onttrokken en in de grond worden geïnjecteerd. Wanneer de vloeistoftemperatuur hoger is, kan de warmte worden afgevoerd, waardoor de grond wordt gekoeld.

Het vermogen $\dot{Q}$ in [W] dat een dergelijke warmtewisselaar kan leveren, is evenredig met het temperatuurverschil $\Delta T$ tussen de temperatuur van de regeneratiebron en de gemiddelde vloeistoftemperatuur in de warmtewisselaar. Naarmate het temperatuurverschil toeneemt, neemt ook het vermogen dat de warmtewisselaar levert toe. In GHEtool wordt aangenomen dat dit een lineair verband is met een schaalfactor $k$ in [W/K]: $$\dot{Q}=k\cdot \Delta T$$

Zonnewarmte

Een veelgebruikte regeneratietechnologie is die van thermische zonne-energiesystemen, zoals thermische zonnecollectoren, zonne-absorbers (ook wel zwembadverwarmers genoemd, zoals hieronder afgebeeld) of PVT-panelen. Dit zijn allemaal technologieën die zonnestraling omzetten in warmte en worden doorgaans toegepast in situaties waarin het boorveld voornamelijk wordt gebruikt voor onttrekking.

Naast het omzetten van (een deel van) de zonne-energie in warmte, wisselen deze technologieën ook energie uit met de omringende lucht. Wanneer zonnecollectoren worden gebruikt voor warmteproductie, gaat dit doorgaans gepaard met warmteverlies naar de omgeving, maar in het geval van regeneratie, waarbij de vloeistoftemperaturen vrij laag zijn, kan dit ook als een winst worden beschouwd.

Het vermogen dat thermische regeneratietechnologieën op basis van zonne-energie kunnen leveren, kan als volgt worden uitgedrukt:

$$\dot{Q}=a_0\cdot \dot{Q}_{sol} \cdot A + a_1\cdot A \cdot \Delta T + a_2\cdot A \cdot (\Delta T)^2$$ waarbij $\dot{Q}_{sol}$ het zonnevermogen is in [W/m²], A het oppervlak in [m²], $\Delta T$ het temperatuurverschil is tussen de omgevingslucht en de gemiddelde vloeistoftemperatuur in het paneel en $a_0$, $a_1$ en $a_2$ de warmteverliescoëfficiënten van de nulde, eerste en tweede orde.

Uit bovenstaande formule blijkt ook dat thermische zonnepanelen eveneens kunnen worden gebruikt voor het onttrekken van warmte, met name wanneer de vloeistof warmer is dan de omgevingslucht. Dit is echter doorgaans niet zo efficiënt als een droge koeler, aangezien zelfs een minimale hoeveelheid zonlicht de vloeistof weer opwarmt.

!Let op
Bij het overwegen van thermische zonnepanelen is ook de oriëntatie ervan van belang, niet alleen voor de absolute hoeveelheid warmte die ze kunnen produceren, maar ook voor het tijdstip waarop dat gebeurt. In GHEtool wordt dit momenteel, omwille van de eenvoud, buiten beschouwing gelaten door uit te gaan van 80% van de globale horizontale instraling op het paneel. Dit zou min of meer gelijk moeten zijn aan een paneel met een gemiddelde oriëntatie.

Droge koelers

Droge koelers (of eigenlijk alle soorten warmtewisselaars die gebruikmaken van de buitenlucht) vormen de laatste categorie van regeneratietechnologieën. Ze zijn, net als thermische zonne-energietechnologieën, afhankelijk van de buitenomgeving, maar maken geen gebruik van de zonnestraling. Net als bij regeneratie met een constante temperatuur werken ze als een warmtewisselaar met de (nu wisselende) omgevingslucht en een mogelijk regeneratievermogen dat evenredig is aan het temperatuurverschil.

Droge koelers zijn uitermate geschikt voor zowel de regeneratie van een door onttrekking gedomineerd boorveld als van een door injectie gedomineerd boorveld.

Drie regels voor regeneratie

Hoewel zowel hybridisatie als regeneratie hetzelfde probleem van onbalans oplossen, doen ze dat op heel verschillende manieren. Hybridisatie neemt een deel van de belasting weg van het boorveld, waardoor de temperatuurdrempel minder kritisch wordt. Regeneratie doet het tegenovergestelde: het verhoogt de geothermische belasting zodanig dat de onbalans wordt gecompenseerd, maar verandert daarbij het temperatuurprofiel aanzienlijk. Dit kan in de toekomst aanzienlijke gevolgen hebben.

Stel je het bovenstaande geval voor, waarin er sprake was van een aanzienlijke onbalans in de onttrekking en we deze willen herstellen door extra warmte in de grond te injecteren. Idealiter kan dit in de zomer worden gedaan met behulp van een vorm van thermische regeneratie op zonne-energie (wanneer het warm is en er vrij veel zonlicht is), maar dit zou zowel de temperatuur van de boorgatwand als die van de vloeistoffen doen stijgen, waardoor het potentieel voor (passieve) koeling afneemt.

Om dit probleem op te lossen, worden in de back-end drie regels voor regeneratie toegepast.

1. Regenereren niet te veel
   Regeneratie is bedoeld om de onbalans tegen te gaan, maar als je niet oppast, kan dit ook weer een nieuwe onbalans veroorzaken. Stel je voor dat regeneratie wordt gebruikt om een door onttrekking gedomineerde belasting te compenseren door extra warmte in de grond te injecteren. Als je dat blijft doen, zal het boorveld uiteindelijk door injectie worden gedomineerd. Daarom moet regeneratie worden beperkt tot maximaal de huidige onbalans.
2. Overschrijd de temperatuurdrempel op dit moment niet
   Regeneratie beïnvloedt de temperaturen op het huidige tijdstip en u dient ervoor te zorgen dat deze binnen de ingestelde temperatuurgrenzen blijven. Hierdoor wordt automatisch het vermogen beperkt dat u via regeneratie kunt toevoegen of onttrekken.
3. Overschrijd de temperatuurdrempel op een later tijdstip niet
   Naast de verandering van de temperatuur op het moment dat de regeneratie plaatsvindt, veranderen de temperaturen ook in de uren na de regeneratie. Stel bijvoorbeeld dat er een uur voordat er een zeer hoge koelbelasting op het boorveld valt, regeneratie heeft plaatsgevonden door middel van warmte-injectie. Het kan zijn dat, volgens regel 2, de vloeistoftemperatuur in het voorgaande uur niet werd overschreden, maar dat het boorveld door de regeneratie iets warmer is op het moment dat de koelpiek wordt verwerkt, waardoor de limieten worden overschreden.
   
   Om dit te ondervangen, zouden we bij elke regeneratie in theorie alle toekomstige uren moeten controleren om er zeker van te zijn dat wat we nu doen geen negatieve gevolgen heeft voor de toekomst. Een simulatiehorizon die gelijk is aan de simulatieperiode maakt het algoritme echter zonder enige reden behoorlijk traag. In de praktijk is een regeneratieperiode van maximaal 4380 uur (d.w.z. een half jaar) ruimschoots voldoende, en 100 uur is doorgaans ook al genoeg.

!Let op
In het volgende deel zullen enkele simulaties worden uitgevoerd om het belang en het effect van de simulatiehorizon op zowel de snelheid als de nauwkeurigheid van de methode te illustreren.

Door de drie hierboven genoemde regels te volgen, kan de regeneratie plaatsvinden zonder dat de temperatuurdrempels binnen de simulatieperiode worden overschreden.

!Let op
Het kan voorkomen dat er, zelfs met deze regels, toch enkele temperatuuroverschrijdingen optreden. Stel je bijvoorbeeld voor dat het boorveld wordt gedomineerd door extractie en dat het maximale piekvermogen al boven de temperatuurgrens ligt. In dat geval kan regeneratie de situatie alleen maar verergeren, aangezien de temperatuurgrens nog niet eens was bereikt voordat de regeneratie begon.

Waar moet de regeneratie plaatsvinden?

De volgende belangrijke vraag is: waar plaats ik de regeneratietechnologie? In GHEtool Cloud zijn twee opties geïmplementeerd: vlak voor de inlaat van het boorveld of vlak na de uitlaat van het boorveld. Beide opties worden hieronder kort besproken.

Vlak voor de inlaat van het boorveld

Wanneer de regeneratietechnologie direct vóór de inlaat van het boorveld wordt geplaatst, wordt deze tijdens het verwarmen blootgesteld aan de laagste temperaturen en tijdens het koelen aan de hoogste, aangezien deze direct na de aardwarmtepomp is geplaatst. (Zie ook het artikel (afhankelijk van de inlaat- en uitlaattemperaturen.)

Dit is bijvoorbeeld interessant in het geval van een door onttrekking gedomineerd boorveld met nog steeds enkele hoge koelpieken. Daarom moet de regeneratie in de winter of in de tussenseizoenen plaatsvinden, om zo ver mogelijk verwijderd te blijven van het moment waarop de hoge koelpiek zich voordoet. In dat geval willen we een vloeistoftemperatuur die zo laag mogelijk is, zodat het gemakkelijker is om warmte in de grond te injecteren; daarom plaatsen we de regeneratie vlak vóór de inlaat van het boorveld.

Direct na de uitlaat van het boorveld

Wanneer de regeneratietechnologie direct na de uitlaat van het boorveld wordt geplaatst, wordt deze tijdens het verwarmen blootgesteld aan de hoogste temperaturen en tijdens het afkoelen aan de laagste.

Dit zou bijvoorbeeld interessant kunnen zijn wanneer we weer te maken hebben met een door onttrekking gedomineerd boorveld, maar er nu in de zomer maar heel weinig koelpieken zijn (of wanneer deze wel actief zijn, zodat de maximale vloeistoftemperatuur niet zo veel uitmaakt). In dat geval vindt de regeneratie idealiter plaats in de zomer, wanneer de omgevingslucht het warmst is en de zon het felst schijnt. Aangezien in de zomer, wanneer er koeling plaatsvindt, de uitlaatpositie de laagste temperaturen oplevert, zou dit de ideale oplossing zijn.

Hieruit blijkt dat de ideale positie, afhankelijk van zowel de gebruikte regeneratietechnologie als de belasting van het gebouw, van geval tot geval kan verschillen.

Regeneratiealgoritmen

Regeneratie heeft tot doel de onbalans tegen te gaan, maar de vraag is nu: welke onbalans precies? Afhankelijk van hoe je het probleem bekijkt, kunnen vier verschillende algoritmen worden gedefinieerd, die in de praktijk elk overeenkomen met een regelstrategie. Deze worden hieronder besproken.

Jaarlijks

Het eerste, jaarlijkse regeneratiealgoritme heeft tot doel de onbalans van elk jaar afzonderlijk te compenseren. Stel je voor dat er sprake is van een onbalans van 20 MWh/jaar. In dat geval zal deze methode maximaal 20 MWh/jaar regenereren (of minder, als er onvoldoende vermogen beschikbaar is om alles te regenereren), maar niet meer dan dat.

Wanneer er voldoende regeneratiecapaciteit beschikbaar is om de volledige onbalans te compenseren, levert deze methode elk jaar een identiek temperatuurprofiel op.

Simulatieperiode

Een andere manier om dit probleem te benaderen is door te kijken naar de totale onbalans over de gehele simulatieperiode. Stel dat er wordt uitgegaan van een simulatieperiode van 20 jaar, met een onbalans van 20 MWh per jaar. Dit resulteert in 400 MWh die gedurende de gehele simulatieperiode zou kunnen worden teruggewonnen. Bij deze methode wordt zo snel mogelijk zoveel mogelijk energie teruggewonnen, totdat de gehele onbalans is gecompenseerd.

Dit is over het algemeen de snelste regeneratiemethode, aangezien het kan gebeuren dat het boorveld al vóór het einde van de simulatieperiode volledig in evenwicht is. Stel je voor dat je extra investeert in thermische zonnepanelen om de onbalans te compenseren. Het kan zijn dat deze panelen in één jaar meer warmte in de grond injecteren dan de onbalans bedraagt. Dit houdt in dat bijvoorbeeld na 15 jaar de volledige onbalans van 20 jaar al is gecompenseerd en er in deze laatste 5 jaar geen regeneratie nodig is. Dit wordt ook weergegeven in de onderstaande afbeelding.

!Let op
Bij deze methode kan het voorkomen dat (op korte termijn) de onbalans schakelaares In bepaalde jaren was de verhouding tussen winning en injectie doorslaggevend, maar aangezien de onbalans nu over de gehele simulatieperiode wordt bekeken, is dit nog steeds in overeenstemming met de eerste regeneratieregel hierboven.

Vooruitzichten

Bij de twee bovenstaande methoden wordt uitgegaan van bepaalde voorkennis over de onbalans, terwijl deze in de praktijk vaak niet bekend is. Bij de ‘proceeding horizon’-methode kan het algoritme alleen de onbalans reconstrueren die al heeft plaatsgevonden. Dit betekent dat bijvoorbeeld na de winter de som van alle energie-uitwisseling met de bodem doorgaans wordt gedomineerd door onttrekking, zodat het algoritme daarvoor kan compenseren. Als de onbalans ergens tijdens de zomer echter 0 is, zal het algoritme stoppen met het regenereren, zelfs als er in de komende maanden nog meer onbalans zal optreden.

!Let op
Bij deze methode kan het voorkomen dat het onmogelijk is om alle onevenwichtigheden uit een bepaald boorveld weg te werken, aangezien het algoritme niet kan anticiperen op toekomstige onevenwichtigheden, zoals bij de andere twee methoden wel het geval is. Wanneer bijvoorbeeld een deel van de onevenwichtigheid in de winning zich voordoet in november en december, heeft het algoritme de volgende zomer niet om dit te compenseren, waardoor er een kleine onevenwichtigheid overblijft.

Volgende horizon +

Deze laatste methode bouwt in feite voort op het idee achter het vorige algoritme, maar nu kan regeneratie in beide richtingen plaatsvinden. Net als voorheen wordt de onbalans elk uur berekend op basis van de som van alle eerdere warmte-injecties en -onttrekkingen. Het kan voorkomen dat bij sommige profielen deze netto onbalans vóór de zomer wordt gedomineerd door onttrekking en direct na de zomer door toevoer. In dit geval zal deze methode eerst regenereren door middel van toevoer en daarna door middel van onttrekking, terwijl de eerder beschreven ‘proceeding horizon’-methode alleen regenereert in de richting van de totale onbalans (onttrekking of toevoer).

Conclusie

In dit artikel wordt de nieuwe regeneratiemethode in GHEtool geïntroduceerd. Eerst werd het verschil tussen hybridisatie en regeneratie ter voorkoming van onbalans besproken, waarna de vier verschillende categorieën regeneratietechnologieën werden geïntroduceerd. Vervolgens werden de drie verschillende regels voor regeneratie toegelicht in de context dat regeneratie op dit moment ook de temperaturen in de toekomst zal beïnvloeden. Hier werd ook het concept van de simulatiehorizon geïntroduceerd als een compromis tussen simulatietijd en nauwkeurigheid.

Vervolgens werd het verschil besproken tussen het plaatsen van de regeneratie bij de inlaat van het boorveld of na de uitlaat van het boorveld, waarbij werd aangetoond dat, afhankelijk van uw specifieke project, de ene of de andere optie voordelig kan zijn. Tot slot werden vier verschillende regeneratiealgoritmen geïntroduceerd die in GHEtool zijn geïmplementeerd, die elk overeenkomen met een specifieke mogelijke regelstrategie in de praktijk.

In het volgende deel, dat op 17 november verschijnt, zal de theorie uit dit hoofdstuk aan de hand van een aantal voorbeelden worden toegepast om de flexibiliteit van deze nieuwe methode in GHEtool te illustreren. Blijf op de hoogte!

Referenties

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