UNDERGRUNDEN SOM TERMISK RESSOURCE 1-14 Specialkonsulent Thomas Vangkilde-Pedersen, GEUS

Transkript

1 Indholdsfortegnelse Side UNDERGRUNDEN SOM TERMISK RESSOURCE 1-14 Specialkonsulent Thomas Vangkilde-Pedersen, GEUS INTRODUKTION TIL JORDVARME OG VARMEPUMPENS VELSIGNELSER Geolog Inga Sørensen, VIA University College Horsens MILJØPÅVIRKNINGER OG ADMINISTRATION AF OMRÅDET Seniorprojektleder Bente Villumsen, COWI A/S VISIONER OG ØNSKER FOR DEN FREMTIDIGE FORVALTNING AF ANLÆG FOR GRUNDVANDSBASERET KØLING, OPVARMNING OG ATES Civilingeniør, ph.d. Stig Niemi Sørensen, Enopsol ApS

2

3 UNDERGRUNDEN SOM GEOTERMISK RESSOURCE Specialkonsulent Thomas Vangkilde-Pedersen Seniorrådgiver, geolog Anders Mathiesen Statsgeolog Lars Henrik Nielsen De Nationale Geologiske Undersøgelser for Danmark og Grønland (GEUS) Undergrunden som termisk ressource Møde 25. maj 2011

4

5 RESUME Danmarks undergrund indeholder meget store geotermiske ressourcer i form af både dyb geotermi og overfladenær geotermi eller jordvarme. Ved dyb geotermi udnyttes meget varmt vand fra store dybder, mens jordvarmeanlæg benytter slanger i jorden eller grundvand til at optage varmen fra de øverste jordlag i kombination med varmepumpeteknologi. Den aktuelle udnyttelse af de geotermiske ressourcer er relativt begrænset, og det er vigtigt med kortlægning af mulighederne samt identifikation af mulige barrierer som skal overvindes, hvis det fulde potentiale for geotermi som vedvarende energikilde skal udnyttes. INDLEDNING Danmarks undergrund indeholder meget store geotermiske ressourcer, som kan udnyttes i det meste af landet, hvor der findes et varme- eller kølebehov. Den geotermiske ressource kan deles op i dyb geotermi og overfladenær geotermi: Dyb geotermi udnytter høje temperaturer på stor dybde (f.eks C svarende til 1-3 kilometers dybde) og varmen hidrører fra radioaktivt henfald af grundstofferne uran, thorium og kalium i jordens indre. Overfladenær geotermi, eller jordvarme, udnytter lavere, mere normale, temperaturer (f.eks C svarende til meters dybde) og varmen hidrører primært fra solindstråling og kun i meget lille grad fra varmefluxen fra jordens indre. Vi har de sidste mere end 30 år gjort brug af begge geotermiske ressourcer. For den dybe ressource i meget begrænset omfang målt i antal anlæg, og for den overfladenære i større men stadig begrænset omfang i form af jordvarmeanlæg i kombination med varmepumper. Det øgede fokus på CO 2 udledning og klimaforandringer samt afhængigheden af en (måske) begrænset ressource af fossile brændsler har imidlertid styrket interessen for geotermi som en vedvarende energikilde, der kan bidrage til opnåelse af Danmarks energipolitiske målsætninger om reduktion af CO 2 udslip og øget forsyningssikkerhed. DYB GEOTERMI Varme fra jordens indre i form af geotermisk energi udnyttes mange steder i Europa. I Danmark stiger temperaturen ca. 30 grader pr. kilometer ned gennem vores undergrund, og den geotermiske energi kan udnyttes ved at pumpe varmt vand fra undergrunden op til overfladen gennem en produktionsboring og ekstrahere varmen ved varmeveksling. Varmen kan derefter ledes via det almindelige fjernvarmenet til forbrugerne. Det afkølede vand returneres derefter til reservoiret gennem en injektionsboring, se Figur 1. De to væsentligste forhold, som har betydning for muligheden for at udnytte den geotermiske energi, er temperaturen og de vandledende egenskaber. Undergrunden skal således indeholde sandstensreservoirer af god kvalitet, dvs. med en tilstrækkelig tykkelse, temperatur og porøsitet til at der er en ressource af varmt vand til stede samt med tilstrækkelig god permeabilitet (væskegennemtrængelighed) til, at det er muligt at producere og injicere vand i henholdsvis produktionsboringen og injektionsboringen. Hvor temperaturen stiger med dybden, falder både porøsiteten og permeabiliteten generelt med dybden på grund af trykket fra de overliggende aflejringer og kemiske udfældningsprocesser, der delvist udfylder porerne. Det betyder, at det primært er dybdeintervallet m, som har den største interesse.

6 Figur 1. For at udnytte den geotermiske varme, skal man bore to dybe huller på et sted, hvor de geologiske forhold er optimale i form af porøse sandstenslag. Fra det ene hul pumpes varmt vand fra sandstenslaget op til overfladen, hvor man trækker varmen ud af vandet. Varmen overføres herefter ved hjælp af en varmeveksler til forbrugerne via fjernvarmenettet. For at sikre at trykket i sandstenslaget bevares uændret, pumpes det afkølede vand tilbage i sandstenslagene, ofte fra samme lokalitet på overfladen, men via en afbøjet injektionsboring som ender et par km fra produktionsområdet. Et geotermisk anlæg i forbindelse med et kraftvarmeværk er typisk ikke i drift om sommeren, da overskudsvarmen i denne periode er stor nok til at opfylde fjernvarmebehovet. Overskudsvarme kan derfor evt. lagres i det porøse sandstenslag som vist i figuren til venstre. Rentabel geotermisk varmeproduktion kræver desuden, at det er muligt at afsætte den producerede varme, f.eks. til et nærliggende fjernvarmenet. Endvidere forudsættes det, at det geotermiske vand holdes i et lukket kredsløb fra produktionsboringen, gennem varmeveksler, og tilbage igen gennem injektionsboringen til reservoiret. Kredsløbet skal være lukket, da vandet fra undergrunden ofte er saltholdigt, og kan - hvis salt udfældes - begrænse mulighederne for at producere vandet fra reservoiret, idet permeabiliteten reduceres. Kortlægning af ressourcen De Nationale Geologiske Undersøgelser for Danmark og Grønland (GEUS) har igennem mange år drevet forskning og rådgivning i forbindelse med vurderingen af de dybe geotermiske ressourcer i Danmark i tæt samarbejde med private firmaer og offentlige institutioner. Den første landsdækkende analyse af den dybe geotermiske ressource blev igangsat af GEUS i slutningen af halvfjerdserne /1/. Siden da har GEUS i 1998 opdateret vurderingen af ressourcen i samarbejde med DONG Energy og Energistyrelsen /2/, og senest i 2009 bistået Energistyrelsen i udarbejdelsen af en redegørelse vedrørende det geotermiske potentiale i Danmark /3/. Endvidere har GEUS bidraget til udarbejdelsen af et geotermisk atlas, der præsenterer de geotermiske ressourcer i en række EU-lande /4/ og senere bidraget til en opdatering af dette /5/.

7 GEUS' forskning og rådgivning består i dag hovedsageligt i at udvikle geologiske modeller af undergrunden, der beskriver og forudsiger, hvor der findes geologiske lag i undergrunden med varmt vand i tilstrækkelige mængder, som kan pumpes fra de underjordiske lag og op til overfladen. Kortlægningen af undergrunden er baseret på dybe boringer og seismiske undersøgelser. Ved seismiske undersøgelser sender man trykbølger ned igennem jorden. De kastes tilbage fra de geologiske lag, og ved at opsamle de reflekterede signaler kan man kortlægge dybden til undergrundens lag og tykkelsen af lagene. Tidligere brugte man dynamit til at skabe trykbølgerne, men nu bruger man på land hovedsagelig tunge køretøjer, som kan sende vibrationer ned i undergrunden, mens man til søs bruger luftkanoner som affyres under højt tryk. På baggrund af den geologiske viden er en række reservoirer med sandstenslag identificeret. Det er alle sandstenslag som tilhører formationer fra de geologiske perioder Trias, Jura og Kridt: Frederikshavn Formationen: Jura/Kridt alder, siltsten og finkornet sandsten med lag af lersten. Haldager Sand Formationen: Jura alder, fin til grovkornet sandsten med lag af silt- og lersten. Gassum Formationen: Trias/Jura alder, fin til mellemkornet sandsten og lokal grovkornet sandsten. Skagerrak Formationen: Trias alder, grov og dårlig sorteret sandsten med lag af lersten. Bunter Sandsten Formation: Trias alder, fin til mellemkornet og lokal grovkornet sandsten. I Figur 2 er vist et kort over det regionale geotermiske potentiale i Danmark baseret på GEUS' mangeårige arbejde. Kortet viser, at det er sandsynligt, at der findes potentielle sandstensreservoirer i hovedparten af landet og nærkystområderne. Desuden findes der flere områder, hvor to eller flere af de potentielle reservoirer kan have et geotermisk potentiale. Simple overslagsberegninger viser, at Danmarks undergrund har meget store geotermiske ressourcer, og at geotermisk energi vil kunne bidrage til varmeforsyningen i adskillige hundrede år. Hovedstadsområdets Geotermiske Samarbejde (HGS) offentliggjorde i begyndelsen af 2009 en ny vurdering, som viser, at de geotermiske reserver i det østlige Sjælland kan dække % af fjernvarmeproduktionen i hovedstadsområdet i flere tusind år. Eksisterende og planlagte anlæg og mulige barrierer Der er hidtil etableret 2 dybe geotermiske anlæg i Danmark. I 1984 blev der etableret et anlæg ved Thisted som har været i drift siden. En borekampagne i forbindelse med projektet viste imidlertid, at reservoirkvaliteten aftager markant med dybden, og interessen for projekter, hvor det varme vand var planlagt til at skulle hentes fra store dybder, kølnedes noget. Siden har ny teknologi betydet, at varmen fra relativt lave temperaturer kan udnyttes mere effektivt, så man ikke længere er så afhængig af meget varmt vand fra dybe, lav-porøse og lav-permeable reservoirer. I 2005 blev der således etableret endnu et anlæg ved Amagerværket i København, og senest er der udført undersøgelser for planlagte anlæg ved Sønderborg og Viborg.

8 Figur 2 Kort over Danmark som viser det regionale geotermiske potentiale for mulige sandstensrige reservoirer. Kortet er baseret på en begravelsesdybde for reservoirerne på m og på at reservoirtykkelsen er større end 25 m. De hvide områder indikerer at reservoiret ikke er til stede (Ringkøbing-Fyn Højeryggen), ligger for grundt (< 1000 m; nordligste Jylland) eller er begravet for dybt (> 3000 m; centrale del af Det Danske Bassin). Bemærk fordelingen af de dybe boringer, samt placeringen af de to geotermiske anlæg ved Thisted og på Margretheholm nær København.

9 En væsentlig barriere for udnyttelse af den store danske geotermiske ressource er de geologiske risici. Det er derfor et mål for GEUS løbende forskningsaktiviteter at reducere risiciene ved at øge vores viden om undergrundens opbygning og beskaffenhed, og derved muliggøre etablering af mere pålidelige og detaljerede geologiske prognoser. Usikkerheden i prognoserne er dels relateret til de komplicerede geologiske forhold i undergrunden, og dels til utilstrækkelige og ujævnt fordelt data, hvilket medfører, at de regionale geologiske modeller for de potentielle geotermiske reservoirer ofte er usikre, når det kommer til konkrete vurderinger af lokale geotermiske prospekter. Eksempelvis er der mange områder, hvor det nuværende datagrundlag er for mangelfuldt til, at de lokale variationer i reservoirernes udbredelse, kontinuitet, tykkelse, kvalitet og temperatur kan kortlægges og forudsiges med en stor sikkerhed og detaljeringsgrad. En præcis vurdering af det geotermiske potentiale af lokale prospekter eller byer forudsætter blandt andet, at det lokale aflejringsmiljø for reservoiret vurderes i tilstrækkelig detaljegrad og sættes i relation til den lokale indsynkningshistorie, samt at den diagenetiske udvikling af reservoiret vurderes og eventuelt undersøges på basis af tilgængelige lokale data og prøvemateriale. Seismiske data bør tolkes med henblik på vurdering af reservoirets dybde og kontinuitet samt identifikation af eventuelle forkastninger. Data fra nærliggende boringer vurderes ved hjælp af kvantitativ computer-baseret logtolkning og eventuel bassin- og reservoirmodellering. Data fra prøvepumpetest i forbindelse med den første prøveboring vil derfor give værdifulde informationer om reservoirets ydeevne. Herunder opremses kort en række barrierer for udnyttelsen af geotermisk energi i Danmark: Fossile brændstoffer er billige, effektive og meget fleksible. Generelt har vi varme nok, idet varme er et biprodukt ved el-produktionen fra olie, gas, kul eller andre brændsler, og denne varme bruges via fjernvarmenettet. Geotermisk efterforskning inklusiv nye seismiske data, 2 boringer og rådgivning koster minimum 50 mio. kr. Skitse til modning af beslutningsprocessen vedr. et områdes geotermiske potentiale Alle geotermiske prospekter er forbundet med en vis risiko; GEUS vurderer generelt, at chancen for succes ligger mellem 0 og 90 % afhængig af områdets undergrund. De indledende undersøgelser tjener formålet at indskrænke dette udfaldsrum; GEUS anbefaler derfor følgende mulige arbejdsgang for at minimere efterforskningsrisikoen og trinvis øge beslutningsgrundlaget for fortsættelse eller opgivelse: Opstilling af en foreløbig geologisk model baseret på lokale data (i den udstrækning sådanne findes) kombineret med GEUS regionale geologiske modeller. Hvis der findes ikke-frigivne seismiske eller boringsdata i eller nær lokalområdet, kan licensansøgeren overveje at søge adgang til disse data da de kan styrke sikkerheden af den geologiske model. Hvis den foreløbige geologiske model forudsiger, at der findes reservoirer med et begrænset potentiale i lokalområdet, bør en foreløbig simulering af reservoirets mulige vandproduktion foretages for at få et så præcist udtryk for den mængde af varmt vand, der kan udnyttes, som muligt.

10 Hvis det beregnede potentiale er tilstrækkeligt til geotermisk udnyttelse, vil næste trin være at indsamle en tilstrækkelig mængde nye seismiske data, så en detaljeret seismisk kortlægning af lokalområdet kan foretages, bl.a. for at sikre at prospektet ikke gennemskæres af større forkastninger. Efter tolkning og kortlægning af de nye data opstilles en ny revideret geologisk model baseret på integration af de nye og tidligere data; på denne baggrund opstilles en ny og mere sikker prognose. Hvis prognosen for den valgte lokalitet er tilfredsstillende med hensyn til tilstedeværelse af et eller flere reservoirer med gode sandstenslag med geotermisk potentiale og tilstrækkelig afstand til forkastninger m.m., vil næste trin være at opstille en egentlig boreprognose for en efterforskningsboring. I forbindelse med udførelsen af efterforskningsboringen gennemføres der grundige pumpetests i de potentielle sandstenslag for at få afklaret, om undergrunden er velegnet til geotermisk varmeproduktion. Herefter vurderes resultaterne af boringen med fokus på beskaffenheden og dybdeforholdene af undergrundens lag; resultaterne evalueres, og forventningerne til det geotermiske potentiale justeres. Hvis prøvepumpningen af boringen i de potentielle sandstenslag er positiv, kan det være med til at afklare, hvor store mængder varmt vand der kan produceres, og om et geotermisk anlæg kan etableres. De nye data integreres med de eksisterende data, og den regionale geologiske model for undergrundens opbygning opdateres baseret på de nye boringsinformationer, hvorved modellen styrkes, og sikkerheden i fremtidige vurderinger af efterforskningsrisici øges. OVERFLADENÆR GEOTERMI (JORDVARME) Hvor den dybe geotermi udnytter varmen fra jordens indre gennem oppumpning af varmt vand fra kilometer-dybe boringer, udnytter den overfladenære geotermi den oplagrede varme i de øverste jordlag baseret på en kombination af varmepumper og slanger i jorden til at optage varmen, eller varmepumper som optager varmen direkte fra oppumpet grundvand. Det hele foregår ved relativt lave temperaturer, typisk 8-11 C, og jordvarmeanlæg kan, hvis de er designet rigtigt, benyttes til både varme og køling. Ved udnyttelse af jordvarme produceres typisk 3-5 gange så meget energi som der tilføres i form af elektricitet til varmepumpen og en britisk undersøgelse /6/ viser således at CO 2 - udledningen ved opvarmning baseret på jordvarme typisk er det halve i forhold til opvarmning med f.eks. naturgasfyr. Varmepotentialet i de øverste få hundrede meter af jorden stammer primært fra solindstråling og i mindre grad fra den geotermiske varmeflux fra jordens indre, se også Figur 3. En anden essentiel forskel er at anlæg til udnyttelse af den dybe geotermiske energi typisk er af

11 en størrelse, hvor flere tusinde husstande forsynes med varme, og mest hensigtsmæssigt udnyttes i kombination med eksisterende fjernvarme-infrastruktur. I modsætning hertil er jordvarmeanlæg typisk designet til forsyning af alt fra en enkelt husstand til større enkeltbygninger/bygningskomplekser. Hvor enfamiliehusstande kun har behov for opvarmning, er det med varmepumpeteknologi muligt at dække behovet for både opvarmning og afkøling i f.eks. større kontorbygninger. Jordvarme har således et stort potentiale både i forbindelse med f.eks. skrotning af gamle oliefyr i private centralvarmeanlæg, og i forbindelse med opvarmning/afkøling af større bygninger. Figur 3. Figuren illustrer fordelingen af solindstråling og varmeflux fra jordens indre, årstidsvariationer i temperaturen i de øverste m af jorden og den generelle temperaturgradient (fra David Banks, 2008 /6/).

12 Det er relevant at skelne mellem 3 forskellige typer jordvarmeanlæg, se Figur 4: A) Lukkede systemer med horisontale slanger ca. 1 m under terræn. B) Lukkede systemer med vertikale slanger monteret i jordvarmeboringer. C) Åbne systemer med en produktionsboring og en injektionsboring. I de lukkede systemer cirkuleres en frostsikret væske i slanger. Væsken optager varme fra jorden som afgives i en varmepumpe, og den afkølede væske ledes atter gennem slangerne og optager på ny varme fra jorden. A) B) C) Figur 4...llustration af forskellige typer jordvarmeanlæg. A) Lukket system med horisontale slanger ca. 1 m under terræn. B) Lukket system med vertikale slanger i jordvarmeboringer. C) Åbent system med boringer til produktion og injektion (fra Burkhard Sanner, 2011 /7/). Anlæg med horisontale slanger kræver relativt meget areal og genetablering efter installation. De horisontale anlæg er desuden påvirket af årstidsvariationer med lave temperaturer i jorden i vinterhalvåret og høje temperaturer om sommeren, se Figur 3. De lave temperaturer om vinteren giver selvfølgelig en dårligere driftsøkonomi, men til gengæld opvarmes jordvolumet relativt hurtigt i løbet af sommeren. Anlæg med vertikale slanger installeret i jordvarmeboringer kræver stort set ingen plads og meget lidt genetablering, men kan være lidt dyrere i anlægsomkostninger. Til gengæld har de typisk en bedre udnyttelsesgrad i kraft af højere og ikke mindst konstant temperatur i jorden året igennem, Figur 4. Man skal dog være opmærksom på energibalancen i systemet,da gen-opvarmningen af jordvolumet foregår væsentligt langsommere, når man er under den dybde, som er påvirket af årstidsvariationerne (typisk m). Systemet kan optimeres ved tilførsel af varme i sommerperioden, enten i forbindelse med køling i bygninger eller f.eks. via solfangerpaneler. I større målestok har jordvarmeboringer imidlertid også et stort potentiale for lagring af energi, som produceres på tidspunkter, hvor behovet er lille, eller hvor der er overproduktion, som det typisk er tilfældet med f.eks. kraftvarmeværker i sommerperioden, vindmøller og solvarmepaneler.

13 I de åbne systemer afkøles oppumpet grundvand i varmepumpen og ledes tilbage i jorden i en injektionsboring. Der er relativt strenge krav om minimal påvirkning af de lokale hydrogeologiske forhold og temperaturer i grundvandssystemet, og der kan forekomme interessekonflikter med drikkevandsindvinding og mellem naboanlæg. Eksisterende anlæg, vigtige parametre og mulige barrierer Udnyttelse af jordvarme i Danmark har indtil nu hovedsageligt været baseret på lukkede anlæg med horisontale slanger, men lukkede anlæg med vertikale slanger i jordvarme-boringer begynder at blive mere udbredt og i f.eks. Tyskland og især Sverige er antallet af denne type anlæg meget højt. Antallet af jordvarmeanlæg baseret på åbne systemer i Danmark er relativt begrænset, og de fleste har været designet til køling. Der eksisterer ikke nogen formel registrering af jordvarmeanlæg i Danmark, men det samlede antal blev i 2008 skønnet til at være omkring /8/. Tilsvarende var der jordvarmeanlæg i Sverige i 2004, og 80 % af disse skønnedes at være lukkede systemer med vertikale slanger i boringer /9/. Jordens termiske egenskaber har betydning for, hvor meget energi der kan indvindes i et lukket vertikalt jordvarmesystem. Det drejer sig om parametre som varmeledningsevne, termisk diffusivitet, specifik varmekapacitet, varmestrøm, temperaturgradient og overfladetemperatur m.m. Desuden har det betydning, hvilke materialer der er brugt til slanger og forsegling. Udover jordlag og materialers termiske egenskaber, betyder flowhastigheden og viskositeten af væsken i jordkredsløbet også noget for, hvor megen varme der optages i slangerne. Varmeledningsevnen i de øvre jordlag er generelt bedre under grundvandsspejlet end over, fordi vandet i jorden forbedrer kontakten mellem de enkelte korn (luft har en meget ringe varmeledningsevne). Herudover kan interaktion med det omgivende grundvandssystem være både en fordel og en ulempe i forbindelse med lukkede systemer i jordvarmeboringer. Generelt vil grundvandsstrømning i et område have en positiv effekt, hvis jordvarmeboringer anvendes udelukkende til enten opvarmning eller afkøling, fordi der tilføres energi fra andre områder til det aktuelle jordvolumen. Tilsvarende vil grundvandsstrømning generelt have en negativ effekt ved alternerende drift (opvarmning om vinteren og afkøling om sommeren) eller ved lagring af overskudsvarme, fordi grundvandsstrømningen i et vist omfang vil fjerne den tilførte energi fra jordvolumet. Selvom vore nabolande har stor erfaring i etablering af vertikale lukkede systemer, mangler vi i høj grad viden om og erfaring med denne type anlæg under danske geologiske forhold. I Sverige etableres næsten alle jordvarmeboringer i krystallint grundfjeld, som er nemmere at bore i og har markant bedre varmeledningsegenskaber end bløde sedimenter. I den tyske VDI norm for termisk udnyttelse af undergrunden findes der eksempler på forskellige jord- og bjergarters varmeledningsevne og varmekapacitet, men det er kun i Nordtyskland, at de overfladenære geologiske forhold er sammenlignelige med vores, og vi mangler både undersøgelser og viden om danske jordarters termiske egenskaber. Samtidig er der behov for mere viden om design af anlæg i forhold til energibehov og en effektiv og stabil drift med balance i energiudnyttelsen. Energistyrelsen har i en undersøgelse i 2010 /10/ identificeret en række barrierer for udbredelsen af jordvarmeanlæg i Danmark:

14 Tilbagebetalingstiden på etablering af anlæg Manglende gennemsigtighed i markedet Generel mangel på viden og erfaring Manglende uddannelse af designere og installatører Nyt forsknings- og udviklingsprojekt Et nyt forsknings- og udviklingsprojekt sætter fra 1. marts 2011 og 3 år frem fokus på jordvarmeboringer. Projektets titel er GeoEnergi, Energianlæg baseret på jordvarmeboringer - udvikling af markedsfremmende værktøjer og best practice. Formålet med projektet er at bane vejen for større udbredelse af varmepumpesystemer baseret på jordvarmeboringer gennem tilvejebringelse af viden, værktøjer og best practice for planlægning og design af installationer. Projektets aktiviteter er struktureret i 8 work packages og omfatter: Indsamling og analyse af eksisterende information og erfaring samt identifikation af nøgleparametre for planlægning, design og installation af varmepumpesystemer baseret på jordvarmeboringer. Et omfattende kortlægnings- og måleprogram af overfladetemperaturer, temperaturgradienter og termiske egenskaber af forskellige jordarter og materialer. Optimering af systemdesign i forhold til miljø og økonomi, baseret på eksisterende installationer og test sites, inklusiv borearbejde og udstøbning af boringer, automatisering af systemer, analyser af energibalance, energilagring (opvarmning og afkøling) samt modellering af varme- og grundvandsstrømning. Opbygning af en database med resultater fra indsamling af eksisterende informationer, måleprogrammer og kortlægningsarbejde. Oplysnings- og informationsaktiviteter, inklusiv brugerflade til database, kursusmateriale til uddannelse og efteruddannelse, workshops og seminarer, tekniske vejledninger og forslag til udbygning af administrationsgrundlag. Projektet støttes af Energistyrelsens Energiteknologisk Udviklings- og Demonstrationsprogram (EUDP), ledes af GEUS og udføres sammen med 8 partnere: VIA University College, Horsens; Geologisk Institut, Aarhus Universitet; Den Jydske Håndværkerskole; Dansk Miljøog Energistyring A/S; Geodrilling A/S; Brædstrup Fjernvarme AMBA; DONG Energy Power A/S; Robert Bosch A/S, IVT Naturvarme. KONKLUSION Den danske undergrund har et stort potentiale som geotermisk ressource til såvel opvarmning som køleformål. For både dyb geotermi og jordvarme er der tale om vedvarende energikilder, som kan bidrage væsentligt til den globale klimaudfordring. For den dybe geotermi er det helt essentielt at minimere den geologiske og økonomiske risiko gennem grundige forundersøgelser. For jordvarme mangler vi stadig viden og praktisk erfaring for at kunne udnytte ressourcen optimalt, ligesom der kan være områder, hvor en vedtagen varmeplan eller lokalplan spænder ben for etablering af f.eks. jordvarmeboringer.

15 En øget elproduktion fra vindkraft vil give plads til både mere dyb geotermi og jordvarme i forhold til den eksisterende overskudsproduktion af varme på kraftvarmeværkerne, ligesom jordvarmeboringer kan benyttes som energilager i kombination med både solfangeranlæg og overskudsvarmen fra kraftværkerne i sommerperioden. Med den stærkt øgede fokus på klima- og energiområdet tyder meget på, at vi i Danmark vil kunne nå op på, at en væsentlig del af vores energi til opvarmning (og afkøling) kommer fra jorden, og aktiviteten bliver næppe mindre nu, hvor Regeringen har vedtaget, at private oliefyr skal udfases allerede fra næste år. REFERENCER /1/ Kortlægning af potentielle geotermiske reservoirer i Danmark. Michelsen, O., Danmarks Geologiske Undersøgelse Serie B Nr. 5. /2/ Geotermi i Danmark: Geologi og ressourcer. Sørensen, K., Nielsen, L.H., Mathiesen, A. & Springer, N., 1998: GEUS Rapport 1998/123. /3/ Vurdering af det geotermiske potentiale i Danmark. Mathiesen, A., Kristensen, L., Bidstrup, T. & Nielsen, L.H., GEUS Rapport 2009/59. /4/ Atlas of Geothermal Resources in the European Community, Austria and Switzerland. Haenel, R. & Staroste, E. (eds), Verlag Th Schäfer, Hannover Germany. /5/ Atlas of Geothermal Resources in Europe. Publication No. EUR Hurter, S. & Haenel, R. (eds), Office for Oficial Publications of the European Communities, Luxemburg. /6/ An Introduction to Thermogeology: Ground Source Heating and Cooling. Banks, D., Blackwell, Oxford. /7/ Overview of shallow geothermal systems. In: Geotrainet training manual for designers of shallow geothermal systems. ISBN No Sanner, B., Geotrainet Project IEE/07/581/SI /8/ Jordvarmeanlæg Teknologier og risiko for jord- og grundvandsforurening. Miljøprojekt Nr.1238 udarbejdet af COWI, Willumsen, B., Miljøstyrelsen. /9/ Geothermal (Ground-Source) Heat Pumps. A world overview. Lund, J., Sanner, B., Rybach, L., Curtis, R. & Hellström, G., GHC Bulletin. /10/ Varmepumper i helårshuse. Barrierer og erfaringer blandt danske husejere. Analyse udarbejdet for Energistyrelsen af Publikum Kommunikation og invirke. ISBN www: , Energistyrelsen.

16

17 INTRODUKTION TIL JORDVARME OG VARMEPUMPENS VELSIGNELSER Geolog Inga Sørensen, VIA University College Horsens Undergrunden som termisk ressource Møde 25. maj 2011

18

19 RESUMÉ Artiklen beskriver de tre lukkede kredsløb, der indgår i et jordvarmeanlæg. Det er huskredsløbet, varmepumpens kredsløb samt kredsløbet fra jord til varmepumpe. Fokus er varmepumpen og design af systemet og i den forbindelse de forskellige typer energi, der kan bruges som input til varmepumpen. Den historiske udvikling af jordvarmeanlæg i Danmark beskrives kort, og der vises et eksempel på et ældre anlæg hvor lagring af solvarme er en integreret del af systemet. Til slut beskrives nogle af de udfordringer og muligheder, vi står overfor, når - ikke hvis varmepumper og jordvarme for alvor skal med i feltet af vedvarende energikilder. INGEN JORDVARME UDEN VARMEPUMPE Varmepumpen er en forudsætning for at udnytte jordvarmen. Derfor er der grund til at se nærmere på de elementer, der indgår i varmepumpen og hvordan de virker sammen om at producere energi til opvarmning og varmt brugsvand. Grundlæggende består varmepumpen af et lukket kredsløb med to varmevekslere, hvoraf den ene sørger for at hente varme ud af et materiale, der afkøles, og den anden varmeveksler sørger for at aflevere varmen til den bolig, der skal varmes op. Udover de to varmevekslere består varmepumpen også af en kompressor og en ekspansionsventil, der er forbundet med de to varmevekslere i et kredsløb vist i forenklet form på skitsen figur 1. Her er også vist det huskredsløb, hvor varmen afleveres. Relativ varme fra jord. luft eller vand. Iskold brine retur fra varmepumpen til j d l ft ll d Figur 1. Varmepumpens kredsløb med de to varmevekslere til huskredsløb og jordkredsløb.

20 Væsken, der cirkulerer i varmepumpens lukkede kredsløb, har et meget lavt kogepunkt, således at den bliver til en iskold luft, når den passerer ekspansionsventilen (her vist i bunden af varmepumpen). Via varmeveksleren er den iskolde luft i stand til at trække varme ud af det medium, der passerer varmeveksleren. Herved bliver den iskolde luft til opvarmet luft. Når den opvarmede luft dernæst passerer kompressoren bliver den presset så hårdt sammen, at den fortættes til en varm væske, der så kan afgive varme til huskredsløbet via varmeveksler nr. 2. Huskredsløbet kan bestå af gulvarme eller radiatorer eller en kombination af de to. Udover varmepumpens kredsløb og kredsløbet i husets varmerør hører der ved jordvarme også et tredje kredsløb med til systemet, nemlig det lukkede kredsløb, der finder sted i nedgravede slanger (i de horisontale anlæg) eller i rør nedstøbt i et borehul (ved de lodrette anlæg), se figur 2. Her består den cirkulerede væske af vand tilsat et kølemiddel, så den kan tåle at møde den iskolde varmeveksler i varmepumpen uden at størkne til is. Figur 2. Jordkredsløbet vist sammen med varmepumpe og huskredsløb. Om sommeren kan der f.eks tilføres varme til jorden fra solfangere eller kølepaneler opsat i huset. Væsken (brinen) i jordkredsløbet har til opgave at transportere jordens stabile varme ind til varmepumpen. Her spiller brinens varmefylde en rolle jo højere varmefylde jo mere varme kan den transportere per liter flow. Normalt består jordkredsens væske af vand blandet med sprit, for at gøre den frostsikker typisk 1 del IPA-sprit og to dele vand. Varmefylden af denne blanding kan udregnes til ca kj/m 3 K (kilo Joule per 1000 liter for hver grad temperaturen ændres). Til sammenligning er varmefylden af ren vand ca kj/m 3 K, så egentlig kunne det være fornuftigt at bruge ren vand i jordkredsløbet. I så tilfælde skulle varmepumpens kredsløb imidlertid programmeres til ikke at komme under nul grader i varmeveksleren ud mod jordkredsløbet for at forhindre brinen i at fryse til is. Ved at bruge frostvæske i jordkredsløbet kan man således til stadighed oprette et flow selv ved minusgrader men til gengæld vil jorden omkring jordslanger og rør i boringer fryse til is.

21 Dette kan accepteres i et vist omfang men ikke for længe. Kunsten at dimensionere et jordvarmeanlæg består således i at afpasse varmepumpens størrelse til det aktuelle forbrug, så varmepumpen ikke via diverse følere tvinges til at forsøge at køre for langt ned i temperatur. Når grænsen for varmepumpens ydelse er nået, vil der typisk tændes en el-patron i huskredsløbets akkumuleringstank, således at systemet på en kold vinterdag kan efterkomme de signaler, der sendes fra termostaterne på radiatorer og gulvarme. Varmepumpens størrelse udtrykkes normalt ved kw en 8 kw varmepumpe kan således højest levere en effekt på 8 kw svarende til en energimængde på i alt 8 kj per sekund eller 28,8 MegaJoule per time, (se skema figur 3 med enheder). Ved dimensionering af et jordvarmeanlæg regnes der f.eks. med at varmepumpen skal kunne levere 80 % af den nødvendige energi på den koldeste dag de resterende 20 % vil så skulle klares af el-patronen. Hvis varmepumpens størrelse blev valgt, så den altid skulle kunne dække selv den koldeste dag, så ville den meget af tiden køre med så lille en kapacitet, at driften bliver uøkonomisk. Begreber Enheder Kommentarer Energi Kan måles i kalorier (cal) eller joule (J) eller Watt sekunder, der kan omregnes til Watt timer (Wh) eller kilo- værdi for naturgas. Ofte anven- Kwh kan omregnes til brænd- Watt timer (kwh). des omregningsfaktorerne 1 joule = 0,239 cal 1liter olie svarer til 10kWh 1 joule = 1 Watt sekund 1 m 3 naturgas svarer til 11kWh 1 joule = 2,778 x 10-4 Wh. Effekt Varmeledningsevne Effekt kan forklares som belastning eller evnen til at udføre arbejde eller overføre energi. Effekt måles i Watt (W) 1 Watt er lig 1J/sec. Varmeldningsevnen af et materiale er evnen til at overføre effekt i materialet. Angives med enheden Watt per meter per grad temperaturændring (Wm -1 K -1 ) Når der f.eks. skal beregnes, hvor meget varme, der skal til for at klare en given spidsbelastning angives det i Watt dvs. hvor meget energi skal kunne overføres pr. tidsenhed Varmeledningsevnen kan også opfattes som den hastighed hvormed energien kan ledes af sted gennem materialet Varmekapacitet Varmekapaciteten angives som specifik varmekapacitet i forhold til en vægtenhed (J K -1 kg -1 ) eller som volumetrisk varmekapacitet i forhold til et rumfang (J K -1 m -3 ). Varmekapaciteten af et materiale er dets evne til at lagre energi (dvs. hvor mange Joule skal der tilføres materialet for at opvarme det 1 grad).

22 Virkningsgraden for en varmepumpe benævnes COP. Det er forholdet mellem output og input af energi. COP står for Coefficient of Performance. Virkningsgrad En varmepumpe med en COP-værdi på 3-4 kan f.eks. yde mellem 3 og 4 kwh til opvarmning, hvis varmepumpens kompressor tilføres 1 kwh. Sæson virkningsgraden Heating Seasonal Performance Factor er den gennemsnitlige virkningsgrad taget for hele året. Figur 3. Skema med begreber og enheder relevante for jordvarmeanlæg. VARME FRA JORDEN OG FRA ANDRE STEDER Den indgående energi til varmepumpens varmeveksler kan både komme fra jord, luft og vand. Der skal bruges forskellige typer af varmepumper alt afhængig af hvilken varmkilde, der leverer varmen til veksleren. Generelt kan der således skelnes mellem tre hovedtyper af varmepumper: Væske til vand varmepumper, herunder jordvarmepumper. Luft til vand varmepumper, herunder udeluft varmepumper. Luft til luft varmepumper, også kaldet split units. Derudover er der varmepumper, der kun bruges til varmt brugsvand og varmepumper, der udnytter varmen fra ventilationsluften som varmekilde. Væske til vand varmepumpen er den type, hvor varmeveksleren tager energien fra en væske en brine som ved de jordvarmeanlæg beskrevet i ovenstående afsnit. Imidlertid kan rørene med brinen være placeret mange andre steder end i jorden f.eks. på bunden af en sø eller i tilknytning til en rentvandsbeholder på et vandværk. Kun fantasien sætter grænsen mange industrivirksomheder har således brug for afkøling af materialer, hvorfra man kunne udnytte overskudsvarmen ved at placere slanger med afkølet brine på strategisk udvalgte steder. Den anden hovedtype af varmepumper, luft til vand varmepumpen, udnytter varmen fra luften på den måde at varmeveksleren med den kolde luft placeres i den luft, hvorfra varmen skal tages. Mange nyere parcelhuse etableres i dag med en varmepumpe, der tager varmen fra udeluften og transformerer den op via kølekredsen i varmepumpen til brugsvand og gulvvarme via en akkumuleringstank. Typisk består udedelen af en firkantet kasse anbragt ved husets gavl op mod det indendørs teknikrum, hvor den øvrige del af varmepumpen samt akkumuleringstanken er placeret. Et lidt mere specielt eksempel på en luft til vand varmepumpe er ispinden, som er kælenavnet for en varmepumpe af mærket OCTOPUS. Her er den kolde varmeveksler udformet som en krans af aluminiumssøjler, se figur 4.

23 Octopus varmepumpen er udformet således at den øvrige del af varmepumpen kunne stå i midten af søjlerne men i tilfældet vist på fotoet her har man valgt at placere den øvrige del af varmepumpen samt akkumuleringstank i et udhus tæt på søjlerne. Den sidste hovedtype af varmepumper luft til luft tager også varmen fra luften men i stedet for at aflevere varmen til et huskredsløb med vand giver den energien fra sig i form af varm luft. Typen er blevet meget populær i mange sommerhuse, fordi den udover at klare opvarmningsbehovet også ventilerer huset, når man ikke er der. En særlig form for luft til luft varmepumpe kender vi alle i form af det køleskab vi har stående i køkkenet. Her er varmekilden den mad, vi sætter ind til afkøling, idet den kolde varmeveksler er indbygget i kabinettet. Den varme luft, der produceres når kompressoren arbejder, lukkes ud på bagsiden af køleskabet ved de gitre, som man sjældent bemærker undtagen måske ved en hovedrengøring. Figur 4. Foto af varmepumpen OCTOPUS,. I hver søjle af aluminium er der kobberrør med propangas fra varmepumpens kredsløb. Propangas har så lavt et kogepunkt som minus 42 grader

24 JORDVARME I 1980 ERNE Jordvarmen er ikke en ny opfindelse. En søgning på boreformål Jordvarme op/ned i Jupiters boredatabase fra GEUS hjemmeside, viser i alt 324 af denne type boringer. Heraf er der 22 uden angivelse af boringsdato. De resterende fordeler sig tydeligt i nye og gamle boringer, som det fremgår af figur 5. Indtil 1987 er der således registeret i alt 127 jordvarmeboringer herefter er der 20 års pause, hvor der ikke er foretaget en eneste boring efter jordvarme, før denne type boringer igen er kommet frem i De nyere jordvarmeboringer registreret med boringens udførselsår fra 2007 og frem udgør et antal på 175 jordvarmeboringer i Jupiter. (søgning foretaget ) Figur 5. Fordeling af jordvarmeboringer efter årstal. Søgning i Jupiter boredatasen 9. maj Forklaringen på den lange pause er ifølge nogle kilder, at naturgassen fik så politisk gunstige vilkår, at det var umuligt at konkurrere med varmepumper baseret på jordvarme. Der vides ikke noget om, hvor mange af de 127 gamle boringer, der er aktive i dag som jordvarmeboringer. En del af dem, der blev udført i 1980 erne var baseret på at varmekilden skulle være oppumpet grundvand, hvorfra man udtog varmen via en varmepumpe, hvorefter vandet blev ledt ned i undergrunden igen via en infiltrationsboring. Udover traditionelle boringer, blev der i 1980 erne også udført jordvarmeanlæg baseret på korte skråboringer solbrønde eller energibrønde blev de kaldt, fordi de ofte var kombineret med lagring af solvarme, se figur 6. Et sådant anlæg er stadig i gang og har været det med samme varmepumpe siden Det er udført af Arne Vedel fra Stubbom, der ligger øst for Christiansfeld i Sønderjylland. Arne Vedel har udført over 20 sådanne anlæg rundt omkring i landet.. Arne Vedels energibrønd er ret genial i sin enkelhed, fordi jorden til stadighed tilføres varme fra luften, når der er plusgrader. Opsamlingen af varmen sker via en energiabsorber, der som oftest består af et flethegn af sorte PEM-plastslanger.

25 En noget lignende opfindelse er gjort af maskiningeniør N. K. Knudsen, der til sit eget hus i Hedensted byggede en Solvarmeakkumulator som han tog patent på som SUNWELL. Der var også her tale om skrå, relativ korte boringer (max 30 meter), der gik radiært ud fra en brønd. I Hedensted var energibrønden koblet med traditionelle solfangere anbragt på taget af parcelhuset. Dette anlæg er ikke mere i brug, men alle tegninger, beregninger og målinger fra den 15 års periode, hvor anlægget var i gang, er frit stillet til rådighed af N. K. Knudsen. Figur 6. Principskitse over system med energibrønd koblet med energiabsorber. En temperaturføler sørger for at absorberen (der kan være f.eks. et flethegn af plastikslanger) er med i kredsløbet, når der er plusgrader. Skitse venligst udlånt af Arme Vedel. VARMEPUMPENS NØDVENDIGE EL-FORBRUG En varmepumpe skal altid forsynes med el-energi til kompressor og til den cirkulationspumpe, der driver jordkredsløbet. I den forbindelse er det relevant at se på varmepumpens virkningsgrad dvs. forholdet mellem den energi, der skal tilføres i form af el og den energi, man kan få ud i huskredsløbet i form af varme, se skemaet figur 3. En virkningsgrad på 3-4 er ret almindeligt.

26 Virkningsgraden afhænger af mange faktorer som f.eks. hvilken temperatur, der er krævet af huskredsløbet (radiator eller gulvvarme) og også af hvilken forskel der er på brine-temperaturen ind til varmeveksleren og så den temperatur, som brinen har, når den forlader varmepumpens varmeveksler. I borehullet er der også en del faktorer, der er med til at bestemme varmeoptaget f.eks. varmeledningsevnen på de gennemborede jordlag, og også hvordan boringen er indrettet med rør og omgivende forseglingsmateriale. Under alle omstændigheder er det godt at tilføre varme om sommeren, så der er noget at tære af om vinteren udover den varme, der naturligt strømmer til fra den omgivende jord, når den afkøles omkring boringen. Men hvad med den nødvendige strøm til varmepumpen? Tænker man på vedvarende energikilder er det oplagt her at se på strøm fra vindmøller eller solceller. Med de nye nettomålerordninger er det muligt for almindelige husstande, at sælge strøm til energiselskaberne op til den mængde husstanden selv bruger hvad der ligger derudover får man ingen penge for. Det er godt, hvis man har en husstandsvindmølle, der kan producere strøm men solceller er faktisk endnu mere oplagt at kombinere med jordvarme. Solceller producere bedst strøm når deres krystaller ikke er for varme derfor falder solcellens ydelse typisk i højsommeren. Det kan man afhjælpe med at køle solcellerne med underliggende paneler designet til at være med i jordkredsløbet, efter f.eks. samme princip som skitseret af Arne Vedel på figur 6. I stedet for et flet hegn som energiabsorber kan man således bruge paneler under solcellerne - hvorved man også opnår at de får en bedre ydelse i højsommeren. Denne sandwich model med sol og jord er så vidt vides endnu ikke afprøvet herhjemme - men det må være oplagt at gøre det. UDFORDRINGER OG MANGE MULIGHEDER MED VARMEPUMPER Samlet set er der således en mængde muligheder der kan afprøves og implementeres i Danmark med hensyn til at udnytte varmepumpen sammen med jordvarme og andre kilder med varme, som vi måske ikke tænker på i de daglige. I den forbindelse er det oplagt at se på industriens overskudsvarme, der i dag kun i ringe omfang udnyttes på grund af et mærkværdigt og helt utidssvarende afgiftssystem. I dag er reglerne således, at hvis virksomhederne udnytter overskudsvarmen til opvarmning af rum så skal de af med samme afgift for denne rum-opvarming, som hvis de havde fyret med olie eller naturgas. Fordi det koster noget ekstra investering i rør og installationsarbejde at få nyttiggjort overskudsvarmen, så er der på grund af energiafgifterne intet incitament for virksomhederne til at foretage disse investeringer - tværtimod er der tale om en ekstraudgift, som der ingen forrentning er ved overhovedet. Hvis de sælger varmen til f.eks. et nærliggende fjernvarmeværk, skal der også betales energiafgift på samme måde, som hvis energien kom fra olie eller gas. Resultatet af dette mærkværdige afgiftssystem er, at rigtig meget energi i dag bare går op i den blå luft energi som teknisk meget let kan udnyttes til opvarmning og derved være med til at strække på de fossile brændsler og spare miljøet for CO 2 udledning.

27 Det er ærgerligt fortsat er være vidne til, at den gode energi bare fosser ud i det fri, uden at blive nyttiggjort. Det er ikke svært at forestille sig den bonus det vil være både for miljøet, beskæftigelsen og virksomhedernes konkurrenceevne, hvis denne afgift på rumopvarming blev fjernet. Samtidig giver det en mental tilfredsstillelse for de mennesker, der har med produktionen at gøre, at se overskudsenergien brugt til noget fornuftigt. Afgifter og politiske barrierer er menneskeskabte så derfor er det også muligt for mennesker at fjerne dem igen. Det må være en af de udfordringer vi har at forsøge at præge politikerne til at få gjort noget ved det - og så samtidig gøre dem bekendt med varmepumpens velsignelser og muligheder.

28

29 MILJØPÅVIRKNINGER OG ADMINISTRATION AF OMRÅDET Seniorprojektleder Bente Villumsen, COWI A/S Undergrunden som termisk ressource Møde 25. maj 2011

30

31 RESUMÉ Indlægget indeholder en kort introduktion til de gældende regler for varmepumpeanlæg, som bruger jord og/eller grundvand som energikilde. Indledningsvis defineres de forskellige anlægstyper og herefter gives en introduktion til reglerne, som findes i vandforsyningsloven og miljøbeskyttelsesloven. INDLEDNING Formålet med dette indlæg er at give et overblik over, hvilke love og andre regler, der gælder for varmepumpeanlæg, som bruger jord og grundvand som termisk ressource. Indledningsvis gives et kort overblik over de mange forskellige typer af varmepumpeanlæg, som bruger jord og grundvand som termisk ressource, da anlægstypen er afgørende for, hvilken lovgivning, der skal gives tilladelse til anlæggene efter. Grunden til at anlæggene kræver tilladelse efter miljølovgivningen er, at anlæggene påvirker jord og grundvand, og at anlæggene - især hvis de ikke er udført hensigtsmæssigt - kan medføre risiko for forurening af jord og grundvand. Tilladelserne indeholder derfor vilkår, som skal sikre, at anlæggene er miljømæssigt forsvarlige. Til gengæld har myndighederne ikke noget ansvar for at kontrollere, at anlæggene i øvrigt er hensigtsmæssigt indrettet. Det er altså alene leverandørens ansvar, at anlægget er dimensioneret korrekt og funktionsdueligt. ANLÆGSTYPER OG LOVGIVNING Indledningsvis er det vigtigt at skelne mellem grundvandsanlæg, hvor energien i grundvandet udnyttes ved at pumpe vandet op, og jordvarmeanlæg, hvor energien i jorden og evt. grundvandet udnyttes i lukkede slangeanlæg. Grundvandsanlæg er grundvandsvarme- og køleanlæg. I anlæggene pumpes grundvandet op, ledes gennem en varmeveksler og afledes igen enten til samme grundvandsmagasin som det kom fra, eller til et vandområde. Anlæggene kan bruges både til opvarmning og til køling, eventuelt skiftevis. Disse anlæg kræver indvindingstilladelse efter vandforsyningsloven. Afledningen af vand kræver tilladelse efter miljøbeskyttelsesloven, jf. nedenfor. Grundvandsanlæggene er forholdsvis dyre at anlægge og har en ret stor kapacitet, og de anvendes derfor sjældent til enfamilieshuse. Jordvarmeanlæg er karakteriseret ved, at energien fra jorden og evt. grundvandet hentes ind til varmepumpeanlægget ved hjælp af væske, som pumpes rundt i lukkede anlæg. Disse anlæg kræver kun tilladelse efter miljøbeskyttelsesloven, jf. nedenfor. Jordvarmeanlæg findes i mange forskellige størrelser, lige fra noget der kan opvarme et sommerhus til anlæg til store kontorbyggerier mv. GRUNDVANDSANLÆG Grundvandsanlæg kræver følgende tilladelser:

32 Oppumpning tillades efter vandforsyningslovens 20 Reinfiltration skal ske til samme grundvandsmagasin og kræver tilladelse efter miljøbeskyttelseslovens 19, jf. bekendtgørelse om varmeindvindingsanlæg og grundvandskøleanlæg Udledning af vandet til et vandområde kræver tilladelse efter miljøbeskyttelseslovens kapitel 4. De sidste to punkter vil normalt være enten eller enten vælger man at reinfiltrere, eller også vælger man at udlede til et vandområde. Hvis ressourcen er rigelig og/eller ikke interessant til vandindvinding, kan det være relevant at aflede vandet til et åbent vandområde, f.eks. til kysten, efter varmepumpen. Denne løsning anvendes kun sjældent. Bekendtgørelsen indeholder ret detaljerede krav til, hvilken dokumentation der skal foreligge, for at der kan gives tilladelse til reinfiltration. Grunden til at afledningen kræver tilladelse, er, at opvarmning eller nedkøling af grundvandet kan have betydning for nedstrøms indvinding, både direkte og i form af ændret grundvandskemi og mikrobiologi. Myndighederne ønsker ikke, at grundvandsvarme- og køleanlæg skal reducere mulighederne for vandindvinding, og derfor gælder kravene, uanset om der faktisk ligger vandindvinding nedstrøms. I praksis vil kravene til dokumentationen dog afhænge af, hvor værdifuld den pågældende ressource anses for at være. Ifølge bekendtgørelsen skal ansøger ved ansøgning om tilladelse dokumentere, at følgende forudsætninger er opfyldt: 1) Der indvindes fra og injiceres til det samme grundvandsmagasin. 2) Der er udført undersøgelser, der tilvejebringer oplysninger om a) grundvandsmagasinets geologi og udstrækning (horisontalt såvel som vertikalt), b) grundvandsmagasinets hydrauliske egenskaber, herunder hydraulisk kontakt med andre magasiner, c) grundvandsmagasinets hydrogeologiske forhold, d) grundvandsmagasinets kemi og mikrobiologi, og e) grundvandsmagasinets hydrotermiske egenskaber. Det skal desuden dokumenteres, at de stoffer, der anvendes i forbindelse med forbrugskredsløbet, kan forurene grundvandet, at der ikke ved afledning er risiko for grundbrud og at der er tale om et lukket system uden vandbehandling og uden mulighed for indtrængning af atmosfærisk luft. Som noget helt usædvanligt indeholder bekendtgørelsen krav om modellering, idet tilladelse til afledning fra varmeindvindingsanlæg og grundvandskøleanlæg må kun gives, hvis det ud fra en forud foretaget modellering vurderes, at 1) den enkelte afledning i forbindelse med tidligere tilladte afledninger fra grundvandskøleanlæg til samme grundvandsmagasin ikke medfører en sådan opvarmning af grund-

33 vandsmagasinet, at grundvandstemperaturen i de bestående anlæg til vandindvinding til brug for vandforsynings- eller grundvandskøleanlæg stiger med mere end 0,5 grader C, og 2) grundvandsressourcen i områder med særlige drikkevandsinteresser, skal efter en periode på 10 år efter driftsstop, være anvendelig til vandindvinding til brug for vandforsyning. Omfanget af denne modellering er erfaringsmæssigt meget forskellig. I områder uden OSD og vandindvinding er det hurtigt overstået, og i tilfælde, hvor anlæggene reverserer (skiftevis varmer og køler), er det oftest ret uproblematisk. Blandt de vigtigste krav til anlæggene kan også nævnes, at ved afledning fra varmeindvindingsanlæg til nedsivningsanlæg eller via boring til grundvandsmagasinet må afløbstemperaturen ikke være under 2 ºC gennemsnitligt over en måned, den må ikke overstige 25 ºC, og gennemsnitligt over en måned må afløbstemperaturen maksimalt ligge på 20 ºC. Temperaturkravene skal sikre, at der ikke opstår for gunstige vækstvilkår for mikroorganismer i grundvandsmagasinet, og at vandet i nedstrøms vandforsyningsanlæg ikke bliver for koldt til at vandbehandlingen fungerer. JORDVARMEANLÆG Når der kræves tilladelse til jordvarmeanlæg, er det først og fremmest, fordi myndighederne ønsker at sikre, at der ikke sker forurening af jord og grundvand med de stoffer, der bruges til at frostsikre væsken i jordvarmeslangerne. De mest anvendte stoffer er glycoler og IPA-sprit, som ikke er særlig giftige, og i øvrigt er let nedbrydelige i jord og grundvand /1/, men som er uønskede i jord og grundvand. Jordvarmeanlæg har eksisteret i Danmark siden 1970'erne, og der er kun registreret meget få tilfælde, hvor væsken er sluppet ud af slangerne og udelukkende i forbindelse med gravearbejde eller tilsvarende. Formålet med reglerne er altså dels at anlæggene skal være holdbare og tætte, dels at alle er informeret om at jordvarmeslangerne ligger der, og at det bliver husket i forbindelse med anlægsarbejder og at der bliver reageret hensigtsmæssigt, når uheldet er ude. Anlægstyper Jordvarmeanlæg kan i princippet være både varme- og køleanlæg, ligesom grundvandsanlæggene, men langt de fleste anlæg anvendes kun til opvarmning. Specielt når det gælder anlæg til enfamilieshuse, er varmeslange anlæg, hvor slangerne lægges i 0,6-1 meters dybde meget almindelige. Andre anlægstyper, herunder anlæg i boringer og såkaldte jordvarmelagre, hvor sommervarmen gemmes til opvarmning om vinteren, bliver mere og mere almindelige, men indtil videre mest til lidt større byggerier. Reglerne for jordvarme/køleanlæg er forskellige for

34 vandrette anlæg (varmeslanger i jord) og lodrette anlæg (jordvarmeboringer) den anvendte væske i slangerne Vandrette/lodrette anlæg Både vandrette og lodrette jordvarmeanlæg kræver tilladelse efter bekendtgørelse nr af 25. oktober 2009 om jordvarmeanlæg (jordvarmebekendtgørelsen), men der er anført forskellige tekniske krav for de to typer af anlæg. Når der etableres lodrette anlæg, kræver boringerne tilladelse efter bekendtgørelse nr af 26. juli 2007 om udførelse og sløjfning af boringer på land. Begge disse bekendtgørelser er udstedt i medfør af miljøbeskyttelseslovens 19, som har til formål at beskytte jord og grundvand mod forurening. Den anvendte væske Normalt er det nødvendigt at frostsikre væsken i jordvarmeslangerne, uanset om der er tale om vandrette eller lodrette anlæg. Dette sker ved at tilsætte op til 35 % glycol eller IPA-sprit, eller evt. andre tilsvarende væsker. Hvis disse stoffer slipper ud af slangerne, vil de medføre en forurening af jord og evt. grundvand, og det er årsagen til, at anlæggene kræver tilladelse efter miljøbeskyttelsesloven. I visse typer af anlæg er det ikke nødvendigt at frostsikre væsken i jordvarmeslangerne, og der anvendes så ganske almindeligt postevand. Det indebærer ikke nogen risiko for forurening af jord og grundvand og kræver derfor ikke tilladelse efter jordvarmebekendtgørelsen. Boringer kræver dog fortsat behandling efter boringsbekendtgørelsen. Endelig findes der anlæg, hvor der ikke anvendes slanger, men kobberrør, hvor den gas, der bruges i varmepumpen, ledes direkte ud i jorden (direkte fordampning). Der er som regel tale om en HFC-gas, men der arbejdes i disse år meget med at finde alternativer. I praksis indebærer disse anlæg ikke nogen risiko for forurening, da stofferne ikke bindes til jord og grundvand, men anlæggene er omfattet af jordvarmebekendtgørelsen og kræver derfor tilladelse. Afstandskravene er dog mindre end for andre anlæg. Afstandskrav En væsentlig del af reguleringen af jordvarmeanlæg er afstandskrav, især til vandforsyningsanlæg, i praksis indvindingsboringer. Formålet med afstandskravene er ikke at sikre, at væske, som undslipper i tilfælde af et uheld, ikke kan nå hen til vandforsyningsanlægget og forurene det, men at give myndigheder og andre tid til at reagere og fjerne forureningen inden den når så langt. Dette svarer fuldstændig til principperne for andre afstandskrav, f.eks. for olietanke. Når der fastsættes afstandskrav efter disse principper, er det selvfølgelig vigtigt, at en eventuel lækage bliver opdaget med det samme. Derfor stilles krav om overvågning af anlægget, jf. næste afsnit. Afstandskravene til vandindvindingsanlæg er vist i nedenstående tabel.

35 Tabel 1 Afstandskrav for jordvarmeanlæg Anlægstype Almen vandforsyning Ikke almen vandforsyning Afstandskrav anden vandforsyning Horisontalt anlæg med brine 50 m 50 m 5 m Vertikalt anlæg (boring) 300 m 300 m 50 m Horisontalt anlæg med direkte fordampning 10 m 5 m - Definitionerne af almene og ikke almene vandforsyningsanlæg er som i vandforsyningsloven: Alment vandforsyningsanlæg: Vandforsyningsanlæg, som forsyner eller har til formål at forsyne ti eller flere ejendomme med drikkevand. Ikke-alment vandforsyningsanlæg: Vandforsyningsanlæg, der forsyner højst ni ejendomme med drikkevand, samt andre indvindinger, hvor der er krav om drikkevandskvalitet. Andet vandforsyningsanlæg: Vandindvindingsanlæg uden krav om drikkevandskvalitet, f.eks. markvandingsboringer. Bekendtgørelsen indeholder desuden et krav om, at afstanden mellem boringer til vertikale anlæg skal være mindst 20 meter. Dette skyldes risikoen for, at jorden omkring jordvarmeboringer fryser til, så anlægget ikke længere fungerer. I et borehulslager, som skiftevis varmes op og køles ned, er dette dog ikke noget problem. Krav til anlæggene og deres drift Jordvarmebekendtgørelsens kapitel 4 indeholder en del tekniske krav til jordvarmeanlæg, som skal sikre, at anlæggene er holdbare og ikke giver anledning til forurening. Der stilles krav til materialer, som skal være korrosionsbestandige, udførelse af boringer efter boringsbekendtgørelsen anvendte plastslanger mv. frostsikringsmidler system til trykovervågning samlinger af anlægget registrering af anlæggets beliggenhed tæthedsprøvning inden anlægget tages i brug håndtering af drivhusgasser ved anlæg med direkte fordampning. Bekendtgørelsen indeholder krav om, at tilladelser indeholder vilkår i overensstemmelse med bekendtgørelsens krav, så det sikres, at anlæggets ejer og installatøren er bekendt med de krav der stilles til jordvarmeanlæg. Bekendtgørelsen har desuden en bestemmelse om, at den ikke til hinder for, at kommunalbestyrelsen efter lovens 19 tillader andre jordvarmeanlæg end forudsat efter bekendtgørelsen, når lovens beskyttelseshensyn er tilgodeset ( 6, stk. 3). Denne bestemmelse kan f.eks. tages i anvendelse, når der skal gives tilladelse til et borehulslager, jf. ovenfor.

36 Endelig er der krav om trykovervågning og årligt tilsyn. Formålet med dette er at sikre, at det bliver opdaget, hvis anlægget er utæt, eller der er driftsproblemer. Trykovervågningen er så følsom, at der kun skal ganske små udslip til måske 1-2 liter væske før anlægget lukkes ned. Under normal drift er varmeslangernes levetid meget lang, da plastmaterialer primært ældes af lys, varme og mekanisk påvirkning og ingen af disse forekommer i de jordlag, varmeslanger normalt lægges i. I praksis kender vi ikke levetiden for varmeslangerne, men ifølge plastspecialister vil det første tegn på ælde være, at slangen giver sig lidt, hvilket vil føre til at voluminet øges og trykket i anlægget falder. Sådanne umotiverede trykfald, som altså ikke skyldes lækage, kan være første tegn på, at slangerne er ved at være for gamle. OVERSIGT OVER LOVE OG REGLER Vandforsyningsloven: Lovbekendtgørelse nr. 635 af 7. juni 2010 af lov om vandforsyning m.v. Miljøbeskyttelsesloven: Lovbekendtgørelse nr. 879 af 26. juni 2010 om miljøbeskyttelse Bekendtgørelse nr af 24. november 2006 om varmeindvindingsanlæg og grundvandskøleanlæg. Boringsbekendtgørelsen: Bekendtgørelse nr af 26. juli 2007 om udførelse og sløjfning af boringer og brønde på land Jordvarmebekendtgørelsen: Bekendtgørelse nr af 25. oktober 2009 om jordvarmeanlæg Gældende regler kan altid findes på LITTERATURHENVISNING /1/ Villumsen, Bente. Miljøprojekt nr Jordvarmeanlæg. Teknologier og risiko for jord- og grundvandsforurening. Miljøstyrelsen, /2/

37 VISIONER OG ØNSKER FOR DEN FREMTIDIGE FORVALTNING AF ANLÆG FOR GRUNDVANDSBASERET KØLING, OPVARMNING OG ATES Civilingeniør, ph.d. Stig Niemi Sørensen, Enopsol ApS Undergrunden som termisk ressource Møde 25. maj 2011

38

39 RESUMÉ Overgangen til det fossil-frie samfund vil kræve store lagre for termisk energi. De terrænnære grundvandsmagasiner er allerede attraktive som sæsonlagre for lavtemperatur varme og kulde. Den nugældende bekendtgørelse, der regulerer udnyttelsen af grundvandsmagasiner som kilde for køling og opvarmning, er imidlertid ikke tidssvarenede, da den ikke tager højde for alle de anlægstyper, der anvendes i dag. Artiklen vil gennemgå de aktuelle anlægstyper og angive ønsker til ændringer af den gældende bekendtgørelse. BAGGRUND Grundvandsbaserede varmepumpeanlæg blev populære i Danmark i begyndelsen af 1980érne efter de to energikriser (1973 og 1979), hvor forsyningen med olie fra de arabiske lande var truet, og råolieprisen var stærkt stigende. Egenproduktionen fra de danske olie- og naturgasfelter i Nordsøen var endnu ikke påbegyndt, og naturgasnettet var ikke etableret. Miljøministeriet udarbejdede Bekendtgørelse om afledning af afkølet vand fra varmeindvindingsanlæg, bekendtgørelse nr. 450 af 21. august 1984 /1/, således at landets daværende amter kunne behandle det stigende antal ansøgninger. På det tidspunkt var det overvejende af interesse at trække varme ud af de terrænnære grundvandsmagasiner til brug for bygningsopvarmning ved hjælp af varmepumper. Herved kunne der spares dyr fyringsolie, og man kunne overgå til billig elbaseret opvarmning, da varmepumperne blev drevet af elektricitet. Elproduktionen var dengang i det væsentlige kulbaseret, og der var ingen fare for rigelige forsyninger med billige kul, hvilket gav stabile elpriser. Oliepriserne faldt imidlertid kraftigt fra slutningen af 1985 og interessen for at etablere nye grundvands-baserede varmepumpeanlæg faldt samtidigt. Stigende elpriser og udfasningen af de ozon-nedbrydende kølemidler i 1990éne øgede interessen for at erstatte de stærkt elforbrugende kølekompressoranlæg med grundvandskøleanlæg, hvorved man kunne spare 90% på elregningen til køling af proceskølevand i industrien. Grundvandsmagasiner kunne også bruges til dette formål, idet der nu blev tilført varme isf. kulde. Med udgangen af 2006 i forbindelse med nedlægningen af amterne, udsendte Miljøministeriet Bekendtgørelse om varmeindvindingsanlæg og grundvandskøleanlæg, bekendtgørelse 1206 af 24. november Bekendtgørelsen trådte i kraft den 1. januar 2007 og ophæves automatisk den 1. januar 2012, medmindre andet bestemmes inden denne dato, jf. Justitsministeriets skrivelse af 28. februar 2002 om en forsøgsordning om anvendelse af automatiske ophørsklausuler i visse bekendtgørelser på miljø- og arbejdsmiljøområdet. Bekendtgørelse 450 blev samtidigt ophævet. Siden 2007 har det i bestræbelserne for at mindske udledningen af CO 2, vist sig attraktivt at anvende grundvandsmagasiner som kombinerede lagre for både kulde og varme til integreret opvarmning og afkøling af bygninger og processer i de såkaldte ATES-anlæg (ATES står for Aquifer Thermal Energy Storage) med termisk balance af det anvendte grundvandsmagasin. Samtidigt med en stor energibesparelse kan man med disse systemer helt undgå anvendelsen af fossile brændsler.

40 FORMÅL Indlæggets formål er at give et overblik over ønsker, der er til revisionen af den nugældende bekendtgørelse om varmeindvindingsanlæg og grundvandskøleanlæg. ANLÆGSUDFORMNINGER Grundvandskøleanlæg I sin mest enkle udformning består et grundvandskøleanlæg af en boring til indvinding af grundvand og en boring til returledning af grundvand (figur 1). Grundvandet pumpes fra indvindingsboringen ved ca. 9 o C i et lukket rørsystem gennem en eller flere varmevekslere, hvor grundvandet opvarmes til maks. 25 o C, inden det tilbageføres til grundvandsmagasinet gennem returledningsboringen eller reinfiltrationsboringen. Der sker således ikke noget forbrug af grundvand, kun en opvarmning af vandet. Varmen afsættes i den struktur i undergrunden (sand eller kalk), som grundvandet gennemløber under reinfiltrationen. Varmen afgives med tiden til jordoverfladen ved varmeledning. Figur 1. Grundvandskøleanlæg med reinfiltration for køling af ventilationsluft og processer. Varmeindvindingsanlæg I sin mest enkle udformning består et grundvandsbaseret varmeindvindingsanlæg af en boring til indvinding af grundvand og en boring til returledning af grundvand (figur 2). Grundvandet pumpes fra indvindingsboringen ved ca. 9 o C i et lukket rørsystem gennem en eller

41 flere varmevekslere, hvor grundvandet afkøles til min. 2 o C, inden det tilbageføres til grundvandsmagasinet gennem returledningsboringen eller reinfiltrationsboringen. Der sker således ikke noget forbrug af grundvand, kun en afkøling af vandet. Kulden afsættes i den struktur i undergrunden (sand eller kalk), som grundvandet gennemløber under reinfiltrationen. Kulden afgives med tiden til jordoverfladen ved varmeledning. Figur 2. Grundvandsanlæg med reinfiltration for opvarmning af ventilationsluft eller vandbåret varmeforsyning vha. en varmepumpe. ATES-anlæg I sin mest enkle udformning består et ATES-anlæg af en boring til indvinding af grundvand og en boring til returledning af grundvand (figur 1). Grundvandet pumpes, når der er behov for køling, fra indvindingsboringen ved ca. 9 o C og derunder i et lukket rørsystem gennem en eller flere varmevekslere, hvor grundvandet opvarmes til maks. 25 o C, inden det tilbageføres til grundvandsmagasinet gennem returledningsboringen eller reinfiltrationsboringen. Der sker således ikke noget forbrug af grundvand, kun en opvarmning af vandet. Varmen afsættes i den struktur i undergrunden (sand eller kalk), som grundvandet gennemløber under reinfiltrationen. Når der er behov for opvarmning vendes pumperetningen (figur 2), og det opvarmede grundvand ledes tilbage gennem den samme varmeveksler, der blev anvendt til køling, hvorfra varmepumper udnytter grundvandsvarmen til opvarmning af bygningen eller processen. Udover vandbalance udformes disse anlæg normalt også for termisk balance, dvs. over en årrække på fx 3 år skal grundvandsmagsinet også være termisk afbalanceret.

42 VISIONER OG ØNSKER For at være tidssvarende ønskes bekendtgørelsens område udvidet til også at dække ATESanlæg med termisk balancering af grundvandsmagasinet. Den tilladte afledningstemperatur bør hæves med 10 o C. Dette begrundes med ønsket om at opnå større energibesparelser ved mindre grundvandscirkulation. En højere tilladt afledningstemperatur kan evt. kombineres med kravet om termisk balancering af grundvandsmagasinet inden for fx 3 år. Der bør suppleres med et krav om, at anlægget skal være påbygget en anordning til vacuumbrydning/trykholdning under reinfiltration for at minimere risikoen for luftindtrægning under tilbageledning af grundvand. Alle boringer bør forsynes med automatisk dataopsamling af temperatur, tryk og grundvandspotentiale. Det årlige eftersyn bør ske af sagkyndige, der er akkrediteret via en godkendelsesordning til at foretage gennemgang af anlæggene. Kommunernes sagsbehandlere har ofte vanskeligt ved at vurdere indkomne ansøgninger, hvorfor der kunne ønskes et højere vidensniveau, fx ved gennemførelse af kurser eller anden undervisning. KONKLUSION OG PERSPEKTIVERING Den nugældende bekendtgørelse om varmeindvindingsanlæg og grundvandskøleanlæg trænger til en mindre opdatering, hvad angår de tekniske krav til indretningen af anlæggene. Bekendtgørelsen bør udvides, således at den medtager ATES-anlæg med termisk balancering af det anvendte grundvandsmagsin. Samtidigt bør bekendtgørelsen lempes for ATESanlæg, således at det bliver muligt at lagre varme ved en temperatur, der er 10 o c højere end det gældende niveau, for at opnå en større energibesparelse, mindre grundvandscirkulation og lavere investeringsomfang med færre boringer. REFERENCER /1/ Bekendtgørelse om afledning af afkølet vand fra varmeindvindingsanlæg, bekendtgørelse nr. 450 af 21. august /2/ Bekendtgørelse om varmeindvindingsanlæg og grundvandskøleanlæg, bekendtgørelse 1206 af 24. november 2006.