Garneriet Hjortebjerg på vej mod at blive energiproducent. Stig Niemi Sørensen Enopsol ApS Tuborg Boulevard 12, 3 2900 Hellerup INDLEDNING Gartneriet Hjortebjerg tager som det første gartneri i Danmark et vigtigt skridt fra at være energiforbrugende mod at blive energiproducerende. Dette sker ved at gartneriet udover at høste afgrøder nu også høster af den overskudsvarme gartneriet producerer i sommerperioden. Varmehøsten langtidslagres i et grundvandsmagasin under gartneriet. I vintertiden genvindes varmen, der anvendes til opvarmning af drivhusene ved hjælp af en CO 2 -varmepumpe. Energibesparelsen er op mod 60% i forhold til gartneriets nuværende energiregning og samtidigt opnås en markant reduktion i gartneriets CO 2 -udledning. Projektet, der bærer navnet Intelligent energihåndtering i væksthuse er initieret af Agrotech Institut for Jordbrugs- og Fødevareinnovation og støttet af Region Syddanmark. I projektet samkøres et varmeekstraktionssystem med et grundvandsanlæg (ATES-system) og en varmepumpe, der anvender CO 2 som arbejdsmedium. INTRODUKTION TIL GRUNDVANDSKØLING OG ATES I sin mest enkle udformning består et grundvandskøleanlæg af en boring til indvinding af grundvand og en boring til returledning af grundvand. Grundvandet pumpes fra indvindingsboringen ved ca. 10 o C i et lukket rørsystem gennem en eller flere varmevekslere, hvor grundvandet opvarmes til normalt 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 lagres i den struktur i undergrunden (sand eller kalk), som grundvandet gennemløber under reinfiltrationen. Figur 1 viser en principtegning, hvor der er behov for køling af ventilationsluft eller varmeekstraktion. HVAC Enopsol KOLD BRØND VARM BRØND Figur 1. Grundvandsanlæg med reinfiltration for køling af ventilationsluft. ATES står for Aquifer Thermal Energy Storage og sådanne anlæg udnytter den lagrede varme i grundvandsmagasinet til opvarmningsformal fx ved hjælp af en varmepumpe. Anlæggene har to driftssituationer eller modes: køling og opvarmning. I køle-mode virker anlægget som på figur 1. I varme-mode vendes pumperetningen og det opvarmede grundvand ledes tilbage gennem de samme varmevekslere, der blev anvendt til køling, hvorfra varmepumper udnytter grundvandsvarmen til opvarmning af bygningen.
Figur 2 viser en principtegning, hvor der er behov for rumopvarmning Enopsol KOLD BRØND VARM BRØND Figur 2. Grundvandsanlæg med reinfiltration, hvor den lagrede varme udnyttes til rumopvarmning ved hjælp af varmepumper. VARMEEKSTRAKTIONSSYSTEMET. Under taget på drivhuset er placeret gardiner, der reflekterer solens stråler, så der sker en varmeophobning over gardinerne. Gardinerne tillader dog passage af lys med bølgelængder, der kan udnyttes af planterne. De er opbygget med 300-400 lag ultratynde plastfolier. Udviklingen af gardinerne varetages af det svenske firma AB Ludvig Svensson. Fra det varme rum over gardinerne overføres varmen vha. 24 glasskorstene til et tilsvarende antal gulvplacerede varmeekstraktions-anlæg, hvor der sker en overførsel af varmen til en vandbaseret væskekreds.
GRUNDVANDSSYSTEMET. Væskekredsen overfører varmen ved varmeveksling til et grundvandskøleanlæg leveret af Enopsol ApS. Figur 3 viser princippet. Grundvandsanlægget består af to boringer en boring for indvinding og en boring for tilbageledning af grundvand. Der anvendes et sandmagasin beliggende mellem 20 og 40 meter under terræn. Det oppumpede grundvand fungerer som varmetransportør for overskudsvarmen fra gartneriet, idet varmen overføres til grundvandet i en varmeveksler placeret i gartneriets maskinrum. Den daværende energiminister Connie Hedegaard gav en dispensation til projektet, således at det blev muligt at tilbagelede det ved varmevekslingen opvarmede grundvand ved op til 35 o C mod de nugældende regler om maks. 25 o C. Dette betød, at energibesparelsen kunne blive væsentligt større. Da grundvandet er ca. 10 o C i naturtilstanden kan der lagres med en varmeeffekt på op til 1450 kw dog maksimalt 27 MWh/døgn, idet pumperaten for grundvandet er maksimalt 50 m 3 /time og der i gennemsnit ikke må lagres med temperaturer over 30 o C. I opvarmningsperioder vendes pumperetningen og der indvindes fra den varme boring og tilbageledes i den kolde boring efter passagen af varmeveksleren. Fra varmeveksleren overføres varmen til CO 2 - varmepumpen, der er leveret af firmaet Advansor. Figur 4 viser princippet. Grundvandssystemet skal bringes i en termisk balancetilstand, således at der ikke opstår termisk gennemslag mellem de to boringer. Tilladelse til anlægget er indhentet fra Nordfyns Kommune. GARTNERIET HJORTEBJERG -PRINCIP Energisystemet under varmeekstraktion (sommer) er vist i figur 3. grundvandets pumpes fra kold til varm boring. Energisystemet under varmelevering vha. varmepumper (vinter) er vist i figur 4. grundvandets pumpes fra varm til kold boring.
Buffertank Varmepumpe Væksthus Kold brønd Varm brønd Gartneriet Hjortebjerg ATES Principdiagram Sommer Lagring af solvarme i grundvandsmagasin 22.05.2008/SNS Enopsol ApS Figur 3. Gartneriet Hjortebjerg. Varmeekstraktion fra væksthus og lagring i grundvandsmagasin.
Buffertank Varmepumpe Væksthus Kold brønd Varm brønd Gartneriet Hjortebjerg ATES Principdiagram Vinter Opvarmning vha. varme fra grundvandsmagasin og varmepumpe 22.05.2008/SNS Enopsol ApS Figur 4. Gartneriet Hjortebjerg. Varmegenvinding fra ATES-anlæg.
VARMEINJEKTION På figur 5 er vist den beregnede termiske påvirkning som følge af projektet. Det på figuren med rød og gult viste område svarer til sommerhalvårets varmeinjektion på 3.000 MWh. Radius for udbredelsen er ca. 60 meter svarende til ca. 11.300 m 2 Figur 5. Gartneriet Hjortebjerg. Beregningsresultat efter varmeinjektion på 3.000 MWh. Model: FEFLOW.
DATA Ates-systemets hovedadat fremgaår af tabel 1 Antal boringer 2 Antal dipoler 1 Maksimum grundvandscirkulation (m 3 /time) 50 Maksimum grundvandscirkulation (m 3 /år) 250.000 Varmeinjektion i køle-mode (MWh/år) 3.000 Kuldeinjektion i varme-mode (MWh/år) 3.000 Sparet forbrug af naturgas (m3/år) 320.000 Forøget elforbrug (MWh/år) 736 CO 2 -besparelse (tons/år) 330 Tabel 1. Gartneriet Hjortebjerg. Data for ATES-anlæg. FORDELE OG ULEMPER VED ATES-SYSTEMER At benytte grundvand til køle- og opvarmningsformål under danske forhold har nogle markante fordele i forhold til alle andre former for køling og opvarmning: Stor energibesparelse og dermed CO 2 -reduktion (op til 90% i køle-mode og til 60% i varmemode) Attraktiv tilbagebetalingstid Gruvandskøleanlæg og ATES-anlæg har også nogle ulemper i forhold til traditionelle løsninger: Grundvandskøleanlæg og ATES-anlæg er naturanlæg og underlagt de naturgivne forhold på etableringsstedet. De kan
derfor ikke betragtes som maskinanlæg eller hyldevareanlæg. Specifikke anlægsomkostninger varierer fra sted til sted Grundvandets kemiske sammensætning kan skabe driftsvanskeligheder. Kan ikke etableres alle steder pga. hensynet til indvindingen af drikkevand ANLÆGSSTATUS Tabellen herunder viser data for nogle af de første større grundvandskøleanlæg med reinfiltration og ATES-anlæg, der er etableret i Danmark. Tabel 2. Data for nogle af de første grundvandskøleanlæg med reinjektion i Danmark. *) Med vandrette boringer for returledning af grundvand. **) Med termisk balancering af grundvandsmagasinet. Kilde: Energi & Miljø A/S og Enopsol ApS. Varme-, el- og CO 2 - besparelser er de potentielt opnåelige. Negative værdier for elbesparelsen skyldes introduktion af varmepumper. Til gengæld opnås store varmebesparelser.
DRIFTSERFARINGER Etableringen af de første anlæg i Danmark var drevet af den helt uundværlige pionerånd mht. introduktionen af nye og innovative teknologier. Da de allerførste anlæg var etableret stod en række nye virksomheder klar til at satse på denne teknologi, fordi der var mulighed for at opnå markante besparelser på elregningen til køling. Nogle virksomheder havde i forvejen udslidte kølekompressoranlæg og derfor var overgangen til grundvandskøling endnu mere attraktiv. Desuden var der frem til regeringsskiftet i 2001 mulighed for at opnå 30% anlægstilskud fra Energistyrelsen. Driftserfaringerne under danske geologiske og hydrogeologiske forhold er overvejende gode. Driftsproblemer har indtil nu udelukkende skyldtes dårligt udførte boringer og styresystemer med udfældning af naturligt indhold af jern og mangan fra grundvandet til følge. Anlæggene bør kunne opnå lange levetider (over 25 år), hvis der tages behørigt hensyn til de naturgivne forhold. Stig Niemi Sørensen er civilingeniør (maskin og energi) (DTU 1980) og Ph.D. i termisk analyse af grundvandsbaserede varmepumpesystemer (DTU 1991). Fra 1994 eget firma Energi & Miljø A/S og fra 2007 Enopsol ApS, der væsentligst beskæftiger sig med grundvandskøleanlæg og ATES-anlæg og hermed tilknyttet optimering af energisystemer. Markedsførende i Danmark med turn-key leverance og drift af grundvandskøleanlæg og ATES-anlæg.