Optimering af boringer - energibesparelser og cost-benefit analyser

Transkript

1 Optimering af boringer - energibesparelser og cost-benefit analyser Seniorrådgiver Mikael Jørgensen, Grontmij Carl Bro. 1. Indledning Afsænkningen under pumpning er i nogle vandindvindingsboringer anseelig, og den kan have væsentlig betydning for såvel energiforbruget til pumpning som den vandmængde, der kan indvindes fra en boring. Afsænkningen afhænger af boringens virkningsgrad, der typisk påvirkes af følgende forhold: Formation og boringsydelse Boremetode Boremudderets beskaffenhed (for forskellige typer af skylleboringer) Filtertype, filterdimensionering og dimensionering af gruskastning Renpumpning og oparbejdning af boringen Regenerering af boringen I det følgende gennemgås nogle af ovenstående faktorer. Herefter omtales som case udførelsen af en boring for Århus Kommune, Vand og Spildevand, samt udførelsen af costbenefit analyser i forbindelse med boringsoptimering. Endeligt omtales et udredningsprojekt om boringsoptimering, som er iværksat af Danva. 2. Faktorer der kan påvirke virkningsgraden af en boring Boremetoden og boremudderets beskaffenhed Boremetoden vil kunne påvirke en borings virkningsgrad. For skylleboringer og luftskylleboringer med anvendelse af boremudder dannes der en boringsfilm på indersiden af borehullet, og endvidere trænger boremudderet i varierende grad ud i den formation, der gennembores. Indtrængningsdybden er størst i de mest permeable lag, der er mest vandførende. I fast kalk kan skylleboringer dog udføres uden anvendelse af boremudder. For tørboringer kan der dannes en film ved, at borerørene afsætter finkornet materiale fra overliggende jordlag på indersiden af borehullet i det lag, der skal filtersættes. Forfatteren har ikke kendskab til detaljerede undersøgelser af, hvorledes boremetoden i sig selv påvirker boringens virkningsgrad, hvorimod der findes undersøgelser af, hvorledes boremudderets beskaffenhed påvirker virkningsgraden. De væsentligste bestanddele i boremudder, udover vand, er for danske boringer typisk bentonit og polymerer. Den hyppigst anvendte polymer er CMC, og der anvendes ofte en blanding af bentonit og CMC. Bentonit er et lerprodukt bestående af meget små, pladeformede lerpartikler, og rester af bentonit i borehullet eller formationen kan således påvirke tilstrømningen af vand til boringen og dermed nedsætte dens virkningsgrad. I modsætningen til bentonit består polymerer ikke af partikler, men af sammenslyngede molekylekæder, som lettere kan fjernes fra indersiden af borehullet og fra formationen. Forfatteren har ikke kendskab til detaljerede danske undersøgelser af, hvorledes typen af boremudder påvirker boringers virkningsgrad. En amerikansk undersøgelse omtalt i /1/ har vist, at boringer i samme formation og med samme renpumpning og oparbejdning gav 56 % højere specifik kapacitet, hvis boremudder med

2 polymerer blev anvendt, sammenlignet med boringer udført med boremudder baseret på bentonit. Ovenstående kunne tale for, at alle skylleboringer blev udført med boremudder baseret på polymerer. Hvis grundvandets trykniveau ligger nær ved eller over terrænoverfladen kan det dog være nødvendigt at tilsætte andre materialer for at hæve densiteten af boremudderet, og her anvendes typisk bentonit. Der kan dog også være mulighed for at tilsætte baryt, der er et tungt mineral i partikelform, eller forskellige salte. I nedenstående figur, fra /1/, er vist hvorledes såvel typen af boremudder som oparbejdningen af en boring påvirker den specifikke kapacitet. Figur 1. Undersøgelse af boringers specifikke kapacitet på basis af, hvilken type boremudder, der er anvendt ved borearbejdet, samt hvordan boringerne er oparbejdet. Revert er en polymer, der ikke længere anvendes i Danmark. Fra /1/. Filtertype, filterdimensionering og dimensionering af gruskastning Det åbne areal i filteret, filterslidsernes størrelse og kornstørrelsen af gruskastningen kan påvirke virkningsgraden af en boring. En dansk undersøgelse har dog vist, at filter- og grustype har begrænset betydning for boringens virkningsgrad under ideelle forhold. Filterkonstruktionens udformning kan derimod have betydning for oparbejdningen af boringen, hvilket indirekte kan påvirke boringens virkningsgrad. Det skal dog tages i betragtning, at filtre med store åbne arealer typisk er dyre, og at anvendelse af grovere filterslidser og gruskastning øger risikoen for, at boringen giver sandholdigt vand, hvilket kan nødvendiggøre en mere omfattende renpumpning/oparbejdning. Renpumpning og oparbejdning af boringen I Danmark udføres oftest kun en simpel renpumpning af en ny boring. Som regel udføres en trinvis pumpning med gradvist forøget ydelse. Der foreligger dog mange undersøgelser, der viser, at andre metoder er mere effektive til oparbejdning af boringer og dermed forøgelse af deres virkningsgrader. Fælles for de fleste af disse metoder er, at vandstrømningen til

3 boringen ind imellem vendes, således at strømningen er fra boringen og ud mod formationen. Figur 1 ovenfor viser således, at simpel pumpning er den mindst effektive metode til oparbejdning af en skylleboring, især hvis boremudderet er baseret på bentonit. De øvrige metoder, der er angivet i figur 1, indebærer begge at der ind imellem skabes strømningen er fra boringen og ud mod formationen. Til oparbejdning af en boring, der er tilstoppet med bentonit fra boremudder eller med naturligt ler fra boreprocessen, kan der anvendes polyfosfater, som hjælper med at løsne lerpartiklerne. I Danmark anvendes der generelt polyfosfat af typen natrium hexametafosfat. Regenerering af boringen Mange vandindvindingsboringer viser med tiden faldende virkningsgrad, hovedsageligt som følge af udfældninger eller tilstopning med partikler. Der foreligger adskillige danske artikler om regenerering af boringer. Størstedelen af disse er omtalt i /2/ og /3/. I /1/ angives følgende tommelfingerregler for, hvornår en regenerering er nødvendig: Regenerering bør iværksættes, inden den specifikke kapacitet for boringer er faldet 25 % - ellers stiger udgiften til regenerering uforholdsmæssigt Regenerering er typisk nødvendigt for hver 2 5 år for boringer filtersat i sand og grus, og for hver 6 12 år for kalkboringer Dansk praksis er meget forskellig fra vandforsyning til vandforsyning. Nogle vandforsyninger udfører regenerering regelmæssigt, mens andre afventer tegn på, at boringens virkningsgrad er faldet. Endeligt er der en del vandforsyninger, hvor der generelt ikke udføres regenerering. 3. Case: udførelse af boring for Århus Kommune, Vand og Spildevand Grontmij Carl Bro var i rådgiver i forbindelse med udførelse af en erstatningsboring for Århus Kommune, Vand og Spildevand (ÅKV). Boringen blev udført som en lufthæveboring i dimensionen ca. 450 mm. Boremudderet var baseret på CMC, og der blev ikke tilsat bentonit. Boringen er filtersat med DN 250 mm PVC filterrør, og filterslidser og gruskastning er dimensioneret i henhold til DS 442. Borearbejdet blev udført som et pilotprojekt med henblik på at opnå den størst mulige virkningsgrad, og boringen er testen flere gange under udførelsen. Nedenfor ses et forsimplet boreprofil for erstatningsboringen samt den ældre boring:

4 m u.t. Ny boring m u.t. Gl. boring Geologi: Moræneler Smeltevandsler Filtersætning: Filterstrækning Afpropning Smeltevandssand Figur 2. Forenklet boreprofil for erstatningsboringen og den gamle boring. Afstand mellem boringerne er 78 m, og begge har 4 m filterstrækning. Renpumpning og oparbejdning Boringen er renpumpet og oparbejdet efter følgende program: Renpumpning: 1. Grovrensning - afbrudt pumpning, lav ydelse 2. Returskylning 3. Trinvis pumpning, 10 og 20 m 3 /t, returskyl efter hvert trin 4. Sidste trin 40 m 3 /t, 4 timer 5. Retablering af vandspejl Oparbejdning: 1. Pumpning og returskylning (ydelse op til 66 m 3 /t) 2. Behandling med natrium hexametafosfat (presses ud i formationen) 3. Boringen hviler 4. Fornyet renpumpning med 40 m 3 /t 5. Spuling af filteret 6. Pumpning og returskylning (ydelse ved pumpning op til 92 m 3 /t) 7. Fornyet pumpning med 40 m 3 /t

5 Ved trin 4 i oparbejdningen, renpumpning efter behandling med natrium hexametafosfat, blev det af brøndboreren observeret, at vandet var stærkt uklart på en måde, så det kunne minde om skummetmælk. Den specifikke kapacitet af den gamle boring er fra ÅKV oplyst til 4,58 (m 3 /t)/m sænkning (7,2 m sænkning ved 33 m 3 /t). Det er uvist hvorvidt den specifikke kapacitet oprindeligt har været højere. ÅKV har fulgt afsænkningen i boringen i en periode, men observationerne rækker ikke tilbage til boringens udførelse. Udviklingen i den specifikke kapacitet for pumpningerne med ydelser på 40 m 3 /t er plottet nedenfor, sammen med den oplyste specifikke kapacitet for den gamle boring. Udvikling i specifik kapacitet Specifik kapacitet (m 3 /t)/m Gl. Boring Ny boring Step af renpumpning/oparbejdning Figur 3: Udviklingen i specifik kapacitet af erstatningsboringen under renpumpning og oparbejdning, og sammenligning med den gamle boring. 0: Specifik kapacitet for den gamle boring; 1: Renpumpning af nye boring, step 3; 2: Stigning efter renpumpning, step 3; 3: Stigningsdata efter trin 1 af oparbejdningen; 4: Sænkningsdata, trin 4 af oparbejdningen; 5: Sænkningsdata, trin 7 af oparbejdningen.

6 Sænkningsdata fra 60 minutters pumpning med 40 m 3 /t er i nedenstående figur plottet for sidste step af renpumpningen og step 4 og 7 af oparbejdningen. 3.5 ÅKV boring. Sænkningsdata fra 3 pumpninger med 40 m3/t Time(min) from start Drawdown (m) Renpumpning step 3 Oparbejdning step 4 Oparbejdning step 7 Figur 4: Semilogaritmiske plot af tre 60 minutters pumpninger med 40 m 3 /t. Under step 3 af renpumpningen ses at pumpekurven flader svagt ud efter nogle få minutters pumpning, formentligt fordi virkningsgraden stiger. Under step 4 af oparbejdningen stiger vandspejlet under pumpningen, hvilket skyldes udrensning af lerpartikler efter behandling med natrium hexametafosfat. Diskussion og cost-benefit analyse Forskellen i specifik kapacitet imellem den nye og den gamle boring vurderes overvejende at skyldes forskellene i boringernes udførelse. Det anses ikke for sandsynligt, at geologiske forskelle har væsentlig indflydelse, da de jordlagene er meget ensartede i de to boringer. Det skal dog nævnes, at den specifikke kapacitet oprindeligt kan have været større for den gamle boring, men der foreligger ikke data fra dens udførelse. Ekstraudgifterne til oparbejdning af boringen er ca. kr , men udgifterne forøges af de mange tests under arbejdet, samt af et mere omfattende tilsyn. Ved en rutinemæssig procedure ville ekstraudgifterne have været i størrelsesordenen kr Gevinsten ved udførelse af oparbejdningen på denne boring er estimeret ved at sammenligne en pumpesituation for den ældre vandindvindingsboring med en tilsvarende situation for den nye boring. For den ældre boring anvendes den af ÅKV oplyste specifikke kapacitet. ÅKV har endvidere oplyst, at løftehøjden over terræn er ca. 11,5 m. Der regnes med ensartet rovandsspejl i de to boringer, således at forskellen i den endelige løftehøjde udelukkende tilskrives forskellen i afsænkning i boringerne. På denne baggrund er tre

7 scenarier gennemregnet ud fra oplysninger i Grundfos online pumpekatalog, som angivet i nedenstående skema: Boring Pumpe Ydelse Løftehøjde Pumpetid Vandmængde Strømforbrug Eludgift Besparelse m 3 /t m t/dag m 3 /dag kwh/m 3 kr pr. år kr pr. år Gamle SP Nye SP Nye SP Ved beregningen er anvendt den daglige pumpetid, der er oplyst at ÅKV for den gamle boring. Der er endvidere anvendt en elpris på kr. 0,55 per kwh, som oplyst af ÅKV. Den første beregning for den nye boring er gennemført, således at boringen giver samme daglige vandmængde som den gamle boring. Som følge af den højere virkningsgrad kan der installeres en anden pumpe i den nye boring, og strømforbruget bliver væsentligt lavere. Den årlige besparelse i eludgifter er beregnet til kr Dette betyder, at ekstraudgiften ved oparbejdningen i det aktuelle tilfælde er dækket ind efter ca. 20 år, mens udgiften ved en rutinemæssigt udført oparbejdning (uden ekstra udgifter som følge af karakteren af pilotprojekt) ville have været tjent ind efter ca. 14 år. Den anden beregning for den nye boring er gennemført med omtrent samme ydelse som anvendt ved langtidsprøvepumpningen. Der anvendes samme pumpetid som for den gamle boring, dvs. 15,5 timer dagligt. Der opnås derfor en væsentligt højere vandmængde. Den årlige besparelse er beregnet ved at sammenligne udgifterne til pumpning af denne større vandmængde (897 m 3 /dag som angivet i skemaet ovenfor) med udgifterne til pumpningen af 897 m 3 /dag fra den gamle boring selvom dette ville kræve to boringer. Således beregnet er besparelsen i eludgiften kr per år. Det bemærkes, at finansieringsudgifter og prisvariationer ikke er medtaget i ovennævnte scenarier. Hvis ekstraudgiften i forbindelse med pilotprojektet (kr ) forudsættes at skulle forrentes med 5 % årligt, vil renteudgiften netop balancere med de årlige besparelser. I alle øvrige scenarier vil der være tale om en gevinst, set over en længere driftsperiode. Den udførte cost-benefit analyse indikerer, at de ekstra tiltag, der er gjort for at hæve boringens specifikke kapacitet, har kunnet betale sig ud fra såvel en økonomisk som en miljømæssig betragtning. Det bemærkes endvidere, at vandanalyser ikke har vist tegn på forhøjet kimtal i boringen. I et videre perspektiv viser resultaterne, at der både kan være en økonomisk og en miljømæssig gevinst ved en bedre udførelse af en ny boring, set i forhold til den normale praksis i Danmark. Der kan på forhånd foretages et skøn over de mulige besparelser ved forskellige grader af forbedring af en borings virkningsgrad ved udførelse af en cost-benefit analyse. 4. Generelt om cost-benefit analyser Ved cost-benefit analyser i forbindelse med boringsoptimering sammenlignes udgifterne til boringsoptimeringen med besparelserne i energi og udgifter til pumpning under boringernes drift. Energiforbruget kan let estimeres ved anvendelse af Grundfos online pumpekatalog, når ydelsen, løftehøjden og prisen pr. kwh kendes. Der vil være tilfælde, hvor boringsydelsen kan hæves som følge af optimeringen, således at antallet af boringer i et kildefelt kan reduceres. Dette kan også indregnes i cost-benefit

8 analysen. Endvidere kan finansieringsudgifter indregnes i analysen. I forbindelse med regenerering af boringer skal det tillige tages i betragtning, at regenereringsudgifterne kan stige væsentligt, hvis regenereringen udskydes, og i visse tilfælde må boringen til sidst helt opgives. Cost-benefit analyserne kan udføres på følgende tidspunkter: Før udførelsen af en boring. I denne forbindelse må der udføres et skøn over de mulige besparelser ved gennemførelse af aktiviteter til øgning af virkningsgraden. Der kan gennemregnes scenarier med forbedringer på eksempelvis 10 %, 20 % og 30 % på basis af lokale oplysninger om boringsydelser, afsænkninger og virkningsgrader m.v. Efter boringen er udført og renpumpet, og virkningsgraden er bestemt. Når der foreligger en virkningsgradsbestemmelse for en boring kan der bedre udføres et skøn over, hvor stort potentialet er for forbedring af boringen. Normalt bør der kunne opnås en virkningsgrad på % for boringer filtersat i sand og grus, mens kalkboringer er meget afhængige af de lokale forhold omkring boringen, og efter tryksyring oftest opnår virkningsgrader på omkring 100 % eller mere. Der er dog tilfælde hvor disse tommelfingerregel ikke kan anvendes og virkningsgrads-bestemmelsen ikke er til stor hjælp, f.eks. ved delvis filtersætning i et magasin, eller i meget inhomogene magasiner, hvor virkningsgraden kan være misvisende. Før regenerering af en boring. Før regenerering af en boring foreligger der som regel data, der viser, hvor meget den specifikke kapacitet er aftaget i boringens levetid eller efter sidste regenerering. På baggrund af disse data kan cost-benefit analysen relativt let foretages. I nogle tilfælde kan der dog ved regenerering opnås en virkningsgrad, der er højere end boringens oprindelige virkningsgrad. Efter boringsoptimeringen. Efter optimeringen kan der gennemføres en rimeligt præcis cost-benefit analyse, der viser, om optimeringen har været umagen værd. Som det fremgår ovenfor vil cost-benefit analysen være baseret på et skøn, indtil boringsoptimeringen er gennemført. Besparelserne i energi og udgifter til pumpning er dog stærkt afhængige af afsænkningen og ydelsen for en boring, og cost-benefit analyser kan således let vise, at besparelserne ikke ud fra en isoleret økonomisk betragtning retfærdiggør væsentlige merudgifter for boringer med meget lave afsænkninger eller ydelser, hvorimod der på længere sigt kan være tale om betydelige besparelser, når såvel ydelse som afsænkning er stor. 5. Danva udredningsprojekt Der foreligger ikke en landsdækkende, opdateret erfaringsopsamling og anbefaling af, hvorledes boringer mest optimalt kan udføres og regenereres ud fra en cost-benefit betragtning, hvor udgifter til forøgelse af boringers virkningsgrad sammenholdes med besparelserne under driften i såvel energi som udgifter til elektricitet. Danva har derfor besluttet at iværksætte et udredningsprojekt om boringsoptimering. Udredningsprojektet er p.t. under planlægning, men det forventes at ville omfatte følgende hovedelementer: Litteraturstudie Erfaringsindsamling fra vandforsyninger Erfaringsindsamling fra brøndborere Rapportering Som resultat af udredningsprojektet vil der i videst muligt omfang blive givet anbefalinger til udførelse og regenerering af boringer. Hvis det anses for nødvendigt, vil der endvidere blive

9 stillet forslag til pilotforsøg med henblik på at teste og dokumentere virkningen af forskellige metoder, eller introducere nye metoder. LITTERATUR /1/ Groundwater and wells. 2 nd edition. Driscoll, F. G. - Johnson Division, St. Paul, Minnesota /2/ Boringer. Miljø- og Energimisisteriet, Miljøstyrelsen, ISBN: /3/ Vandforsyning. Redaktion: H. Karlby og I. Sørensen. Teknisk Forlag, ISBN