Bilag 1. Nabovarmeprojekt i Solrød Geologisk Undersøgelse. Paul Thorn (RUC).

Transkript

1 Opstartsrapport ForskEl projekt nr Oktober 2011 Nabovarme med varmepumpe i Solrød Kommune - Bilag 1 Bilag 1. Nabovarmeprojekt i Solrød Geologisk Undersøgelse. Paul Thorn (RUC). Som en del af det indledende arbejde i opstartsfasen, blev der af geolog Paul Thorn udarbejdet følgende geologiske undersøgelse af projektområdet.

2 Nabovarmeprojekt i Solrød Geologisk Undersøgelse Paul Thorn RUC Formål: Den geologiske undersøgelse vil inkludere en detaljeret undersøgelse af geologien omkring forsøgsområdet med fokus på de aflejringer, der har betydning for design af systemet. Parametre der vil blive undersøgt inkluderer: kortlægning af jordbundsgeologi; tykkelsen af jordbundsaflejringer; dybden til kalk/kridt (det primære grundvandsmagasin); undersøge kvartær aflejring (især moræneler og smeltevandssand og grus); og grundvandspotentiale, både i det primære og sekundære (overfladenære) grundvandsmagasin. Ud over det vil der blive undersøgt mulighed for at bruge grundvand fra primært grundvandsmagasin direkte i varmepumpe anlæg. Data/Metode: Jordbundsgeologi er kortlagt fra Danmarks Geologisk Undersøgelses (DGU) Jordbundskort (DGU, 1977). Kortet er kontrolleret med data fra borerapporter fra over 70 boringer i Solrød Strand området (se figur 1). Ud over det er borerapporter brugt til at kortlægge dybden til kalk/kridt og kvartær aflejringer. Borerapporter hentet fra GEUS Jupiter database (GEUS, 2011). I undersøgelsen af jordbundsgeologi var jordarterne klassificeret i grupper som inkluderer ler (moræne- og ferskvands), tørv og sand (flyve-, havvands-, og ferskvandssand). Klassificering er baseret på aflejringens hydrologiske ledningsevne, hvor ler er meget lavt, og tørv og sand meget høj. Tre geologiske tværsnit var tegnet, baseret på borerapporter. Kortlægning af det primære grundvandsmagasin er baseret på en synkronpejlrunde fra december, 2008 (Solrød Kommune, 2009). Det sekundære grundvandsmagasin er vurderet fra boringer, der ikke er dybe nok til at nå kalk/kridt. Det er typisk geotekniske boringer, og har kun en grundvandspejling, lige efter boringen var lavet. Der skal gøres opmærksom på, at pejlinger fra de boringer ikke er synkrone, og giver os derfor kun et overblik over hvad det sekundære grundvandsspejl er, og ikke en absolut vurdering på en bestemt tid. Jordbundsgeologi: I Solrød Strand område er jordbundsgeologi domineret af ler (især moræneler) indland, og domineret af sand indenfor m fra kysten (se fig. 2). I grænsen imellem ler og sand aflejring er der ofte tørv. Tykkelsen af moræneler er meget variabel over området, alt fra 7-20m tyk (se tværsnitter i fig. 3). Sandet, som vises i borehulsrapporter, viser, at sandlaget omkring kysten er omkring 3-4m tyk, og tørv er tykkest 3-4m (fig. 3). Lige under både sand og tørv aflejringer ligger moræneler (fig. 3). Projektets forsøgsområde ligger lige ovenpå omkring 3-4m sandaflejring (fig.2). Roskilde Universitet Postboks Roskilde Denmark Paul Thorn Hus 02. Tlf. (+45) Fax (+45) pthorn@ruc.dk Roskilde Universitet CVR-nr.:

3 Figur 1. Placering af boringer med rapporter, som har været brugt i analyse af geologien. Den røde skraverede boks viser pilotforsøgsområdet. 2

4 Figur 2. Kort over geologien i Solrød Strand område. Stregen imellem A-B, C-D, og E-F viser placering af geologiske tværsnit i figur 3. Cirkler viser tykkelsen af kvartær aflejringer i meter. Den røde skraverede boks viser pilotforsøgsområdet. 3

5 Figur 3. Geologiske tværsnit over Solrød Strand området. Placering af tværsnit vises på figur 2. Lodrette sorte streger viser boringer med DGU borhul nummer oven på (borhul nummer på A-B og C-D begynder med 207., og E-F begynder med 213.). Kvartær aflejringer: Under hele Solrød Strand området ligger der imellem 7-20m moræneler. Der er aflejringer af smeltevandssand og grus nedenunder eller imellem moræneler (figur 3). Men de aflejringer er lokale, og sandsynligvis har de ikke sammenhæng med hinanden, og kommer ikke tættere end 7-8m på overfladen. Tykkelsen af kvartær aflejringer (og dybden til det primære grundvandsmagasin) er meget variabel i området alt fra 7m til 30m (se figur 2 og 3). Variabilitet er også over meget kort afstand, hvor man kan se over 15m forskel indenfor 200m afstand, især i den nordlige del af Solrød Strand (se boringer i figur 2 og tværsnit A-B i figur 3). Men sydpå og omkring kysten bliver kvartær aflejringer imellem 20m og 30m tyk (se figur 2 og 3). Omkring forsøgsområdet er kvartær aflejringer omkring 20m tyk. 4

6 Grundvandet i Solrød Strand: Det primære grundvandsmagasin i Solrød Strand er en confined grundvandsmagasin i opsprækket kalk og kridt, lige under kvartær aflejringer. Grundvandsmagasinets potentiale (tryk) varierer fra lige under en kote på -4m til en kote over 4m (se fig. 4). I dette kystnære område er trykket lige over 0m, bortset fra et sted lige nord for forsøgsområdet, hvor den dykker til næsten -1m rundt om en vandindvindingsboring fra Solrød Strand Vandværk. Terrænhøjden i samme område ligger imellem 3-5m (se fig. 5) og derfor er der forskel imellem terrænet og det primære grundvandsspejl omkring 3m. Det sekundære grundvandsmagasin indebærer sprækker i moræneleret (set nede til ca. 3-5m i dybden), tørv og sand lagene. De boringer som kun er i kvartær aflejringer og repræsenterer kun den sekundær grundvandsmagasin (øverste magasin) viser et lignende billede. De boringer viser et niveau af imellem -1 og 1m i den kystnær områder, og omkring 3-5m i over 1000m fra kysten (figur 4). Grundvandsniveau i det sekundære magasin ligger ca. en meter højere end det primære grundvandsmagasin. Det tyder på, at overtryk fra det primære grundvandsmagasin presser vandet op fra det primære til det sekundære magasin. Et projekt udført af Rambøll for Solrød Kommune har undersøgt det sekundære magasin i området omkring Trylleskoven, lige nord for Solrød Strand. Undersøgelsen viser at det sekundære grundvandsmagasin ligger imellem 1-2 m fra terrænet, og er højest om vinteren, og lavest om sommeren (se fig. 6). I området er der to steder med aktiv grundvandsindvinding. Det største er fra Solrød Vandværk, som har nogle boringer mellem 800 og 1200m SV fra forsøgsområder, og indvinder omkring m 3 vand om året (GEUS, 2011). Det andet er fra Solrød Strand Vandværk med to boringer omkring 400m nord for forsøgsområde og indvinder omkring m 3 om året (data fra 2003 GEUS, 2011). Betydning for Jordvarmeanlæg: Varmeledningsevne er afhængig af jord og aflejringstype og vandindhold. Tørt ler har en varmeledningsevne på omkring 0,15 W/mCº, hvorimod fugtig til mættet ler ligger imellem 0,6-2,5 W/mCº (fra The Engineering Toolbox, 2011). Tørt sand har også en lav varmeledningsevne på omkring 0,25 W/mCº, hvorimod fugtigt sand kan være så høj som 2,0 W/mCº, og mættet sand har en rigtig god varmeledningsevne på imellem 2-4 W/mCº (fra The Engineering Toolbox, 2011). Forsøgsområdet ligger præcis i sandaflejringer, som har den bedste varmeledningsevne, så længe sandet er fugtigt eller mættet. Overtryk i det primære grundvandsmagasin vil føre til langsom opsivning af vand fra kalk og kridtlag gennem moræneler til det øverste sandlag. Hydrologisk ledningsevne er meget lav i moræneler (omkring 10-9 m/sek), men leret er ikke helt tæt, og derfor vil det være mindst fugtigt, og sandsynligvis mættet i bunden af sandlaget, med en stabil temperatur omkring 9ºC året rundt. Det er svært at forudse hvordan det sekundære grundvandspejl i sandaflejring udvikler sig sæsonmæssigt, med det er også sandsynligt at grundvandet i sandlaget stiger om vinteren. Men det vil være afhængig af nedbørsmængden og fordampning, og kan variere fra år til år. Derfor anbefales det, at jordvarmeledninger graves ned til en dybde tæt på bunden af sandlaget som muligt til en dybde på 3-4m under terrænet. På denne måde er man mest sikker på at få mindst fugtigt, men sandsynligvis mættet sand, som forholdene i Trylleskov viser, og vil føre til den bedste og meste stabil udnyttelse af gode varmeledningsevner. 5

7 Figur 4. Grundvandskort over Solrød Strand område. Stregerne viser det primære grundvandsmagasins potentiale i december Blå streger viser potentiale over havvandsniveau og røde streger viser potentiale under havvandsniveau. Cirkler viser koten på det sekundære grundvandsmagasins grundvandsspejl. Pejlingen fra de boringer er ikke synkronisk. Den røde skraverede boks viser pilotforsøgsområdet. 6

8 Figur 5. Primære grundvandspotentiale fra december 2008 og terræn højden. Terræn model er fra Kort og Matrikel Styrelsen, 25m grid oplysning. Den røde skraverede boks viser pilotforsøgsområdet. 7

9 Sekundære Magasin (Dybden til Grundvand) Dybden fra Terræn (m) /11/ /02/ /06/ /09/ /12/ /03/ /07/ /10/ G05 G06 G07 K1 K2 Figur 6. Sekundær grundvandsstand målt i observationsboringer i Trylleskov. Grafen viser at grundvandsstanden er imellem 1-2 m under terrænet, og er lavest om sommeren og højest om vinteren. Grundvandet i Varmepumper: Med et nabovarme anlæg større end 10 husstande, kunne det muligvis betale sig at bruge grundvandet fra det primære grundvandsmagasin i stedet for jordvarme. Fordelen er, at oppumpet vand vil ligge på en meget stabil 9ºC, og kan bruges direkte i varmepumpen i stedet for at få væsken opvarmet af jorden, som er afhængig af varmeledningsevne. Med den bedre varmeledningsevne af grundvandet, vil det muligvis være billigere at drive systemet når det er etableret. Ulempen er, at det er dyrt at etablere grundvandsboringer, og de højere omkostninger kan være højere end besparelser ved at drive systemet. Ud over det skal man være sikker på, at det ikke påvirker drikkevandsinteresser fra det primære grundvandsmagasin. I forhold til omkostninger til at etablere et system baseret på grundvandet, er den største forskel at lave grundvandsboringer i stedet for nedgravning af jordvarme rør. Ifølge Brøndboringsfirma Brøker (i Holbæk), som har erfaring med boringer til grundvandsvarme anlæg, vil omkostninger til en boring i Solrød Strand område ligge på omkring Der er to muligheder for anlægsdesign: en enkelt boring, hvor oppumpet vand bliver udledt i naturen (sandsynligvis Køge Bugt) efter den har været igennem varmepumpeanlæg, eller to boringer hvor vandet er oppumpet fra en boring og geninfiltreret i en anden boring. Prisen på to boringer er selvfølgelig dobbelt, men til gengæld kan man have en mindre effekt på vandmængden i grundvandsmagasinet. Vandet der bliver pumpet ned igen skulle være rent, bare på en temperatur omkring 4ºC. 8

10 Der er to steder, hvor der er grundvandsindvinding indenfor 1000m af det planlagte anlæg, som afleverer op imod m 3 drikkevand om året. Hvis et grundvandsbaseret anlæg skal bruges, skal der derfor være garanteret, at der ingen påvirkninger er på drikkevand. Et lignende anlæg etableret i Canada, bruger ca. 0,6 l/sek vand for 10kW output (Natural Resources Canada, 2011). Det betyder, for et forbrug på kwh/år, skal der oppumpes m 3 om året. Det tal kan ikke nødvendigvis overføres til danske forhold, men det kan bruges som et slag på tasken. En grundvandsmodel var etableret for at se, hvilket indflydelse et grundvandsbaseret varmepumpesystem vil have på det primære grundvandsmagasin med hensyn til det grundvandsindvinding der forgår i dag i Solrød Strand. Grundvandsmodel Feflow fra DHI var brugt til at modellere grundvandet, og var kalibreret efter grundvandspotentiale målt i 2008, samt den nuværende grundvandsindvinding. Figur 7 og 8 viser resultaterne fra kalibreret modellen, som var meget god. Modellen var derefter kørt over 120 dage med en grundvandsboring i forsøgsområdet. I modellen var 200m 3 om dagen oppumpet fra boringen (24.000m 3 i alt), som er en mængde 20% mere end de estimerede m 3 der vil være nødvendigt for varmepumpen over et års tid. Modellen viser, at der vil være en nedsænkning af grundvandspotentiale til en kote på -2.4m omkring varmepumpeboringen (fig. 9). Men effekten på grundvandsmagasinet kan være meget lokal, og næsten ingen effekt (mindre end 10cm) på grundvandsboringer nord for og syd for forsøgsområdet, hvor der indvindes grundvand i dag. Hvis et anlæg skal bruge den mængde vand om året, og i Solrød Strands tilfælde er det anbefalet at boringssystemet bliver brugt, vil omkostningerne være ca kr. Et boringssystem vil oppumpe vandet fra en boring, hvor vandet derefter kan ledes tilbage i Køge Bugt, eller evt. i fjernvarmeanlæggets returvand. Modellen skal ses som et første skøn over muligheden for at bruge grundvand direkte i varmepumper. Hvis det vurderes, at det økonomiske grundlag for et grundvandsbaseret varmeanlæg er til stede, skal der derefter laves nogle videre modelleringer med mere præcise krav til systemet, før man tager den endelige beslutning. Modelleret Potentiale (m) Model Kalibrering R 2 = Figur 7. Kalibrering af grundvandsmodel. Modellen var kalibreret med data fra pejleboringer i området. Pejlinger var fortaget i december 2008 (Solrød Kommune, 2009). Placering af pejleboringer er vist i figur Målt Potentiale (m) 9

11 Figur 8. Modelleret grundvandsstand i Solrød Strand. De røde prikker viser location af pejleboringer brugt til at kalibrere modellen. 10

12 Figur 9. Grundvandsstanden fra modellen, der inkluderer indvinding til grundvandsbaseret varmepumper. Boringen brugt til indvinding til varmepumper ligger midt i forsøgsområdet, som er af markeret med den røde firkant. Grundvandsstand kan ses at have kun en lokal effekt på grundvandstanden i området, og vil ikke påvirke de andre indvindingsboringer. 11

13 Referencer: DGU, Geologisk Jordartskort, 1:25000, Karlslunde 1513 II NV. Kartering af Rørdam, og kontrolleret af Marcussen, Udgivet af Danmarks Geologiske Undersøgelse. GEUS, Jupiter Danmarks geologiske og hydrologiske database. Udgivet af De Nationale Geologiske Undersøgelse for Danmark og Grønland. Natural Resources Canada, Heating and cooling with a heat pump. På hjemmeside: _Section4.cfm. Solrød Kommune, Grundvandspotentiale, primære magasin, december, Sag nr.: , tegnet af Niras, januar, The Engineering Toolbox, Thermal conductivity of some common materials. 12