Hybrid systems (part 1) – geothermal potential

Hybride systemen bieden een veelbelovende manier om met de toenemende uitdagingen van geothermische projecten om te gaan. Maar wat zijn dat precies? En hoe sluit dit idee aan bij het geothermische potentieel? Dit artikel is het eerste in een serie over het ontwerp van hybride geothermische systemen, waarin we de voordelen en geheimen van deze systemen onderzoeken. In dit eerste artikel leggen we de basisprincipes uit van hybride systemen, hun voordelen en hoe ze zich verhouden tot geothermisch potentieel.

Wat zijn hybride systemen?

Voor grote projecten, zoals gebouwen met meerdere nutsvoorzieningen of stadsverwarmingsnetwerken van de 5e generatie, is de behoefte aan verwarming en koeling vaak erg groot. Om alleen met geothermische energie aan deze behoeften te voldoen, kan een groot boorveld nodig zijn. Dit roept echter belangrijke vragen op:

• Is er genoeg ruimte om het boorveld te installeren?

• Kan het budget de kosten van zoveel boorgaten dekken?

• Is een volledig geothermische oplossing de beste optie of zijn er kosteneffectievere alternatieven?

Een hybride geothermisch systeem kan de oplossing zijn. Door andere technologieën - zoals een luchtwarmtepomp (ASHP) - toe te voegen aan het boorveld, creëer je een hybride systeem waarbij meerdere technologieën samenwerken om verwarming en koeling te leveren. De combinatie van technologieën hangt af van verschillende factoren: de verwarmings- en koelingsbehoeften van het gebouw, de beschikbare ruimte (bv. voor het installeren van een ASHP op het dak) en bestaande systemen (bv. een gasketel in renovatieprojecten).

Voordelen van een hybride systeem

Hybride systemen zijn soms de enige praktische optie, bijvoorbeeld als de ruimte voor een boorveld beperkt is. Ze brengen echter ook andere voordelen met zich mee.

Lagere investeringskosten: Met hybride systemen kunt u de sterke punten van verschillende technologieën combineren om geld te besparen. Sommige technologieën hebben lagere aanloopkosten maar hogere bedrijfskosten, terwijl boorvelden vaak het duurste onderdeel van het systeem zijn. Door bijvoorbeeld de omvang van het boorveld met 10% te verminderen met 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.

Let op
Het ontwerp van back-upsystemen is een aparte ontwerpoverweging. Gewoonlijk wordt meer dan 100% van het benodigde vermogen om je gebouw te verwarmen of te koelen geïnstalleerd. Dit zorgt ervoor dat, als er iets misgaat (of als de verwarmings- en koelingsbehoeften onderschat zijn), het systeem nog steeds de vereiste belasting kan leveren.

Een hybride systeem ontwerpen

Een belangrijke beslissing bij het ontwerpen van een hybride geothermisch systeem is bepalen hoeveel van de verwarmings- en koelbelasting het boorveld op zich moet nemen. Moet het de hoofdbron zijn of moet het de belasting gelijk delen met een andere technologie? De belangrijkste vraag wordt: Welk geothermisch aandeel kan ik bereiken met een bepaald aantal boorgaten?

Deze vraag is nauw verbonden met het concept van geothermisch potentieel.

Wat is geothermisch potentieel?

Als het gaat om het geothermische potentieel van een boorveld, kunnen we drie dingen onderscheiden:

1. Potentieel voor macht: De mogelijkheid om meer piekverwarming of -koeling te leveren.
2. Potentieel voor energie: De mogelijkheid om na verloop van tijd meer energie uit te wisselen met de grond, zelfs als al aan de piekvraag is voldaan.
3. Geen geothermisch potentieel: Wanneer het boorveld al op volle capaciteit werkt voor zowel stroom als energie.

Geothermisch potentieel voor energie

Stel je voor dat we een boorgat hebben met een temperatuurprofiel zoals in de onderstaande figuur. Zoals je kunt zien, bereikt het boorveld zijn limieten in het eerste jaar met de maximale gemiddelde vloeistoftemperatuur. Het is op dit punt niet mogelijk om meer warmte in de grond te injecteren (d.w.z. uw gebouw verder afkoelen), omdat dit de temperatuurgrenzen zou overschrijden. Als we naar de minimale vloeistoftemperatuur kijken, zien we dat deze niet in de buurt komt van de minimale gemiddelde vloeistoftemperatuur. Dit betekent dat we meer warmte aan de grond kunnen onttrekken en ons gebouw van extra verwarmingsvermogen kunnen voorzien. Daarom kunnen we concluderen dat dit boorveld potentieel voor macht.

Let op
Als je niet bekend bent met temperatuurprofielen, bekijk dan ons uitgebreide artikel over dit onderwerp hier.

Geothermisch potentieel voor energie

Als we dat doen, krijgen we een boorveld zoals in de figuur hieronder. Zoals je kunt zien, bereiken we nu zowel de maximum- als de minimumtemperatuurgrens, waardoor het onmogelijk is om meer koel- of verwarmingsvermogen aan het boorveld toe te voegen. Dit komt omdat we al beperkt zijn door zowel de piekgrenzen voor verwarming als die voor koeling. Deze beperking treedt echter alleen op in het eerste jaar voor piekkoeling en in het laatste jaar voor piekverwarming. In de eerdere jaren is er nog potentieel om meer warmte aan de grond te onttrekken, terwijl er in de latere jaren potentieel is om extra warmte te injecteren.

Als we extra geothermische energie op dit boorveld zouden installeren, zouden we meer energie kunnen uitwisselen met de grond, maar we zouden niet meer energie kunnen winnen tijdens piekperioden. Daarom zeggen we dat dit boorveld potentieel voor energie maar niet voor vermogen, omdat het piekvermogen al de temperatuurlimieten bereikt.

Let op

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

Het laatste geval dat we kunnen hebben is de situatie hieronder. Zoals je kunt zien, hebben we wat extra vermogen geïnstalleerd voor dit boorveld zodat we ons gebouw wat meer koeling kunnen geven in de latere simulatiejaren en wat extra verwarming in de eerste jaren van exploitatie. Aangezien het boorveld nu in elke maand de temperatuurlimieten bereikt, concluderen we dat dit boorveld heeft geen geothermisch potentieel, niet voor energie, niet voor stroom.

Let op
Strikt genomen kun je stellen dat er nog potentieel over is voor dit boorveld, omdat de drempelwaarde voor de maximale gemiddelde vloeistoftemperatuur niet wordt bereikt in de winter en sommige lentemaanden. Om dit te bereiken, zou je de vraag naar gebouwen moeten veranderen of een ander gebouw op het boorveld moeten aansluiten. Dit valt echter buiten het bestek van dit artikel.

Relatie tussen hybride systemen en geothermisch potentieel

Hoe verhoudt dit zich tot hybride systemen? Zoals eerder vermeld, is de centrale vraag bij het ontwerp van hybride geothermische systemen: Welk deel van de belasting kan ik dekken met x boorgaten? Het antwoord is eenvoudig: dat hangt ervan af. Het hangt af van uw geothermische potentieel en hoe u ervoor kiest om uw boorveld te optimaliseren.

Hybride systemen met enig overblijvend geothermisch potentieel voor energie

Eén mogelijkheid is om het boorveld zo te ontwerpen dat er geen potentieel voor stroom meer is, maar dat er nog wel wat potentieel voor energie overblijft (de tweede situatie die hierboven is beschreven). In dit geval weet je dat een bepaalde hoeveelheid energie betrouwbaar kan worden gewonnen gedurende elk jaar van de simulatieperiode. Het hybride systeem kan dan worden ontworpen om het resterende deel van de belasting te dekken. Deze aanpak zorgt voor een systeem dat 100% van de belasting dekt zonder oversizing, waardoor de investeringskosten (CAPEX) worden geminimaliseerd.

Het nadeel van dit ontwerp is dat het niet het volledige energiepotentieel van het boorveld benut. Door extra vermogen te installeren zou er meer energie kunnen worden uitgewisseld met de grond. Aangezien de GSHP (en vooral passieve koeling) meestal de hoogste efficiëntie heeft binnen het HVAC-systeem, resulteert het niet volledig benutten van het potentieel in een suboptimale efficiëntie. Bijgevolg zullen de operationele kosten (OPEX) hoger zijn dan nodig.

Hybride systemen zonder geothermisch potentieel

De andere mogelijkheid is om het boorveld zo te ontwerpen dat er geen energiepotentieel overblijft (de derde situatie hierboven beschreven). In dit geval wordt er meer vermogen geïnstalleerd dan er in elk jaar van de simulatieperiode gebruikt kan worden. Deze aanpak maximaliseert de energie die wordt uitgewisseld met de grond, waardoor het potentieel volledig wordt benut en er geen geothermische capaciteit onbenut blijft. Dit zorgt voor het hoogste aandeel geothermische energie in het systeem, wat leidt tot de beste algehele systeemprestaties en de laagste OPEX.

Het nadeel van deze aanpak is dat het geïnstalleerde vermogen niet altijd volledig kan worden benut, waardoor compensatie via het hybride systeem nodig is. Dit resulteert in een systeem met meer geïnstalleerd vermogen dan het gebouw eigenlijk nodig heeft, wat leidt tot hogere investeringskosten door oversizing.

Let op
Overdimensionering is niet altijd een nadeel. In sommige gevallen kan extra back-upvermogen wenselijk zijn, voor extra betrouwbaarheid van het systeem.

Conclusie

In dit artikel hebben we de concepten van hybride systemen en geothermisch potentieel geïntroduceerd. We hebben aangetoond dat boorvelden ofwel geothermisch potentieel voor energie, geothermisch potentieel voor energie of geen geothermisch potentieel kunnen hebben. Deze concepten werden vervolgens gekoppeld aan het ontwerp van hybride geothermische systemen, waarbij de beslissing om een systeem te ontwerpen met resterend energiepotentieel of helemaal geen potentieel leidt tot verschillende investeringskosten (CAPEX) en operationele kosten (OPEX).

In het volgende artikel gaan we dieper in op deze twee concepten en bespreken we de methodologie voor het ontwerpen van een boorveld om het ene of het andere type geothermisch potentieel te bereiken.

References

• Watch our video explanation over on our YouTube page by clicking hier.