Undergrunden som geotermisk ressource

Undergrunden som geotermisk ressource EnviNa TM 14 Grundvandsbaseret Geoenergi Afdelingsleder Thomas Vangkilde-Pedersen Seniorrådgiver, geolog Anders Mathiesen Afdelingsleder Lars Henrik Nielsen De Nationale Geologiske Undersøgelser for Danmark og Grønland Klima-, Energi- og Bygningsministeriet

Definitioner ifølge EU Direktiv 2009/28/EC Vedvarende energi Vedvarende energi vil sige energi fra ikke-fossile kilder som vind, sol, geotermisk energi, aerotermisk energi, hydrotermisk energi, bølge- og tidevandsenergi, vandkraft, biomasse, sne, lossepladsgas, gas fra rensningsanlæg og biogas Geotermisk energi Geotermisk energi betyder energi lagret i form af varme under den faste jordoverflade

Hvor kommer varmen fra Jorden afkøles langsomt og varme strømmer fra dens indre og ud mod skorpen Afkølingen forsinkes kraftigt af varmeproduktion i jordens indre fra radioaktivt henfald af grundstofferne uran, thorium og kalium Den geotermiske energi findes som varme korn og varm formationsvæske i skorpens bjergarter

Hvor kommer varmen fra Ved jordoverfladen dominerer solindstråling og varmefluxen fra jordens indre bidrager kun lidt De øverste 10-20 m af jorden er påvirket af årstidsvariationer, men herunder er temperaturen konstant året igennem og stiger med dybden I det danske område stiger temperaturen typisk med 25-30 C per km

Dyb og overfladenær geotermi Dyb geotermi Udnytter høje temperaturer på stor dybde 40-100 C svarende til ca. 1-3 kilometers dybde Varmen hidrører fra radioaktivt henfald af grundstofferne Uran, Thorium og Kalium Overfladenær geotermi eller jordvarme Udnytter lavere mere normale temperaturer 8-11 C svarende til ca. 0-100 meters dybde Varmen hidrører fra solindstråling og kun i lille grad fra varmefluxen fra jordens indre

Dyb geotermi Den dybe geotermiske energi kan udnyttes ved at pumpe varmt vand fra undergrunden op til overfladen gennem en produktionsboring Varmen ekstraheres ved varmeveksling og ledes via det almindelige fjernvarmenet til forbrugerne Det afkølede vand returneres til reservoiret gennem en injektionsboring

Forudsætninger God reservoirbjergart med tilstrækkelig tykkelse Tilstrækkelig høj temperatur i reservoiret Tilstrækkelig høj porøsitet i reservoirbjergarten Tilstrækkelig permeabilitet i reservoirbjergarten Optimale forhold i Danmark mellem 1-3 kilometers dybde

Kortlægning af undergrunden

Regionalt geotermisk potentiale for mulige sandstensrige reservoirer baseret på: Begravelsesdybde på 1000-3000 meter Reservoirtykkelse større end 25 meter Potentielle reservoirer i hovedparten af landet Flere områder med to eller flere potentielle reservoirer Overslagsberegninger viser, at geotermisk energi vil kunne bidrage til varmeforsyningen i mange hundrede år

Barrierer Geologiske risici Fossile brændsler er billige, effektive og meget flexible Generelt har vi varme nok som biprodukt fra el-produktionen der kan distribueres til forbrugerne via fjernvarmenettet Geotermisk efterforskning inklusiv nye seismiske data, 2 boringer og rådgivning koster minimum 50 mio. kr.

Gassum Fm. Øvre Kridt Ø. Jura - Ø. Kridt Trias + N. Jura N. Palæozoi kum Svedala- og Romelåsens forkastningerne Den store variation i undergrundens opbygning vanskeliggør Kortlægning af de potentielle reservoirer og deres egenskaber Betydningen af den geologiske forståelse og opbygning af en geologisk model er stor Prospekter skal udvikles med grundig vurdering af mulig ressource og økonomisk grundlag

Reservoirets kontinuitet er brudt af en forkastning

Nogle lag viser laterale skift fra sandsten til lersten

Fra ide til virkelighed

Trinvis beslutningsproces Opstilling af en foreløbig geologisk model baseret på lokale data kombineret med GEUS regionale geologiske modeller Overvejelser om køb af eventuelle ikke-frigivne seismiske data eller boringsdata Foreløbig simulering af reservoirets mulige vandproduktion Indsamling af nye seismiske data med henblik på detaljeret kortlægning af området Opstilling af en ny revideret geologisk model med integration af nye og gamle data Opstilling af en boreprognose for en efterforskningsboring Udførelse af efterforskningsboring og grundige pumpetests for afklaring af om undergrunden er velegnet til geotermisk varmeproduktion Vurdering af resultater og justering af forventningerne til det geotermiske potentiale Opdatering af regional geologisk model for undergrundens opbygning

Overfladenær geotermi / jordvarme Energi fra solindstråling absorberes og lagres i den øverste del af den geologiske lagserie De øverste meter viser årstidsvariationer, men herunder er temperaturen stabil og i Danmark ca. 8-11 C i de øverste ca. 100 m og velegnet til både varme og køling Varmen kan indvindes gennem en kombination af varmepumper og slanger i jorden til at optage varmen eller varmepumper som optager varmen direkte fra oppumpet grundvand Jord og grundvand har en høj varmekapacitet, men en moderat varmeledningsevne, dvs. varmeveksleren i jorden skal være stor (= slangerne lange) Effektiv og miljøvenlig energiform: Der produceres typisk 3-5 gange så meget energi som der tilføres i form af elektricitet til varmepumpen CO2-udledningen er typisk det halve i forhold til opvarmning med naturgasfyr Når vi indvinder varme fra et jordvolumen afkøles det og genopvarmningsprocessen er langsom og sker gennem: Solindstråling Varmeflux med grundvandsstrømningen Varmeflux fra jordens indre

Varmepumpen

Anlægstyper Lukket system med horisontale slanger i ca. 1 meters dybde En frostsikret væske cirkuleres i slanger og optager varme fra jorden som afgives i en varmepumpe, hvorefter væsken atter ledes gennem slangerne Kræver relativt stort areal Typisk en del genetablering efter installation af slanger i f.eks. haven Påvirket af årstidsvariationer som forringer driftsøkonomien om vinteren Jordvolumet genopvarmes hurtigt i løbet af sommeren

Anlægstyper Lukket system med vertikale slanger i jordvarmeboringer En frostsikret væske cirkuleres i slanger og optager varme fra jorden som afgives i en varmepumpe, hvorefter væsken atter ledes gennem slangerne Kræver næsten ingen plads Meget lidt genetablering Lidt højere anlægsomkomstninger Bedre udnyttelsesgrad i kraft af højere og konstant temperatur i jorden året igennem Jordvolumet genopvarmes kun langsomt, dvs. kapaciteten pr. boring er begrænset Systemet kan optimeres med tilførsel af varme om sommeren i forbindelse med køling eller solvarme

Anlægstyper Åbent system med produktions- og injektionsboring Oppumpet grundvand afkøles i varmepumpen og ledes tilbage i jorden i en injektionsboring Kræver kun lidt plads og lidt genetablering Relativt høje anlægsudgifter, men typisk god driftsøkonomi i kraft af stabil og relativt høj temperatur Nødvendigt med en aquifer med god ydelse Strenge krav om minimal påvirkning af de lokale hydrogeologiske forhold og temperaturer i grundvandssystemet Mulige interessekonflikter med drikkevandsindvinding og mellem naboanlæg

140 Antal boringsanlæg 120 100 80 Antal Jordvarmeboringer 60 40 20 0 1972 1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 Årstal

Markedssituation Jordbaserede varmepumpesystemer var populære i Danmark i halvfjerdserne og begyndelsen af firserne Ændringer i energipriserne og performance problemer betød fald i markedet Fra 2006 steg antallet af solgte jordbaserede varmepumper fra omkring 2000 til omkring 5000 om året Det samlede antal jordbaserede varmepumper er nu omkring 27.000 langt de fleste er horisontale jordvarmesystemer og nogle hundrede er jordvarmeboringer antallet af åbne grundvandsbaserede systemer er under hundrede, i dag mest store anlæg med alternerende drift et boringsbaseret varmelager og et dam varmelager i kombination med solfangeranlæg Forbedringen af markedssituationen er relateret til: stigende energipriser øget miljøbevidsthed klima aspekter i forbindelse med energiforbruget forbedret varmepumpeteknologi

Støtteværktøjer Ingen oversigter eller databaser over jordvarmeanlæg Ingen samlet oversigt over installationer i undergrunden, men: oversigter over anlæg til produktion af olie og gas samt dyb geotermisk energi planer over rørledninger, kabler, kloakker og andre forsyningsledninger, som kan stilles til rådighed af de offentlige myndigheder/ledningsejerne boringer relateret til vandindvinding og mineralske råstoffer bliver indberettet til den nationale boredatabase Jupiter Udlægning af råstofområder på land Evaluering af potentialet for dyb geotermi, men ikke for jordvarme og ikke noget system til forvaltning af den overfladenære geotermiske ressource Velfungerende system til forvaltning af vandressourcer Uddannelse og efteruddannelse under opbygning Certificering af fagfolk undervejs

Lokale energihandlingsplaner Kommunerne i Danmark kan frivilligt fremsætte strategiske handlingsplaner på energiområdet og Energistyrelsen har udarbejdet en vejledning som beskriver hvordan man: kortlægger nuværende energiforbrug og energiforsyning beregner fremtidens efterspørgsel og udbud kortlægger potentialet for energibesparelser kortlægger potentialet for udnyttelse af lokale energiressourcer Vejledningen nævner ikke jordvarme eller overfladenær geotermi, men beskriver dyb geotermisk energi som en potentiel lokal energikilde Energiaftalen fra 22. marts 2012 omfatter en pulje på 19 millioner kr. i 2013-2015 til arbejdet med strategisk energiplanlægning i kommunerne Energistyrelsen og kommunerne har påbegyndt en revision af opgaver og beføjelser i kommunerne på energiområdet med henblik på at foreslå ændringer der kan fremme omstillingen til vedvarende energi

Administration Kommunerne håndterer tilladelser til jordvarme og køling i medfør af Miljøbeskyttelsesloven Dyb geotermisk energi administreres af Energistyrelsen i medfør af undergrundsloven For anlæg med boringer dybere end 250 m skal Energistyrelsen kontaktes

Barrierer mod udbredelse af overfladenær geotermi Vigtige parametre for husejere der overvejer jordvarme: 1. omkostningerne til opvarmning skal reduceres 2. driften af systemet skal være ukompliceret 3. løsningen skal være miljøvenlig Firmaer og internettet de vigtigste informationskilder Oplysningerne på internettet ofte for generelle Erfaringer fra andre anlægsejere mest pålidelige Firmaer for overfladiske og ivrige efter at sælge

Væsentligste barrierer Installationsomkostninger og tilbagebetalingstid Tvivl om hvorvidt forventningerne til opvarmningsøkonomi, energibesparelser og energiforbrug vil kunne opfyldes Erfaringerne fra eksisterende anlæg viser dog, at denne tvivl i al væsentlighed er grundløs De husejere, der ikke installerer et jordvarmeanlæg har fået tilbud fra mindst to virksomheder, og har oplevet store forskelle med hensyn til både pris og dimensionering De fleste der installerer et jordvarmeanlæg er tilfredse med rådgivning og beregninger fra virksomhederne Halvdelen har kun indhentet et tilbud, baseret på erfaringer fra venner og familie eller information på internettet

Erfaringer jordvarmeanlæg Installationsprocessen opleves ofte uproblematisk De fleste anlæg viser sig at være meget økonomiske, selvom husene ofte er store, lidt gamle og ikke specielt godt isoleret En tredjedel har oplevet mindre indkøringsproblemer, tekniske fejl eller fejl fra montøren hvor korrektion var påkrævet De fleste husejere er meget tilfredse med ydelsen, og har ikke oplevet problemer med opvarmning af huset om vinteren Kun omkring 10 % er ikke tilfredse eller mindre tilfredse: mindre økonomisk besparelse end forventet flere driftsproblemer eller mindre velfungerende drift end forventet problemer med utilstrækkelig opvarmning om vinteren

Juridiske/regulative barrierer Regler i Danmark for beskyttelse af grundvandet nævnes som barriere i rapport fra 2009 fra EU projektet Ground-Reach Kommunerne skal inddrage grundvandsinteresser i deres overvejelser For horisontale systemer udgør hensyn til beskyttelse af grundvandet normalt ikke en begrænsning For jordvarmeboringer kan kommunerne øge sikkerhedsafstanden til vandindvinding og fastsætte særlige vilkår i tilladelsen med henblik på at beskytte indvindingsoplande mod forurening Nogle kommuner afviser ansøgninger om jordvarmeboringer ved usikkerhed om indhold af anti-korrosions væske i jordkredsløbet Andre er tilbageholdende med tilladelser til jordvarmeboringer på grund af generelle betragtninger om grundvandsbeskyttelse Tilslutningspligt til eksisterende eller planlagte fjernvarmesystemer

Formidling af resultater Projektets hjemmeside www.geoenergi.org har kørt fra kort efter projektets start og er benyttet til løbende formidling af resultater

Boringsdatabasen JUPITER Webapplikation til design af jordvarmeboringer bygger boreprøvelaboratoriet & borearkivet hos GEUS

Varmelagring Brædstrup Fjernvarme etablerede i 2011 Danmarks første borehuls-varmelager som et demonstrations-projekt med solfangere, varmepumpe og sæsonlagring af varme En række rapporter for bl.a. Energistyrelsen og Region Midt beskriver potentialet for brug af store varmepumper og varmelagring i fjernvarmesystemet Energilagring, herunder lagring af varme, er sammen med Energieffektivitet i bygninger og Smart Grid identificeret som fremtidige nøgleområder indenfor Dansk energiforskning De nuværende bekendtgørelser som regulerer overfladenær geotermi giver ikke mulighed for høj-temperatur varmelagring i de øverste 250 m af den geologiske lagserie

Fremtidige forskningsområder Beskyttelse af grundvandet i forbindelse med udnyttelse af overfladenær geotermi og varmelagring Hvilke aktiviteter kan vi acceptere indenfor Områder med Særlige Drikkevandsinteresser, og hvilke kan vi evt. kun acceptere udenfor Hvad er de miljømæssige konsekvenser af opvarmning og afkøling af jorden og grundvandet Hvor meget energi i form af varme kan lagres i de øverste få hundrede meter af den geologiske lagserie Hvor stor betydning har de lokale geologiske forhold Hvordan kan vi optimere design af åbne og lukkede anlæg Studier af potentialet for storskala udnyttelse af overfladenær geotermi og varmeladning baseret på eksisterende data Udvikling af værktøjer til forvaltning og prioritering af vores brug af undergrunden til mangfoldige formål

Tak for opmærksomheden!

Jordvarmebekendtgørelsen Jordvarmeanlæg må ikke etableres eller ændres uden tilladelse Horisontale anlæg skal placeres mindst 50 m fra drikkevandsboringer og mindst 5 m fra andre boringer Jordvarmeboringer skal placeres mindst 300 m fra drikkevandsboringer og mindst 50 m fra andre boringer Horisontale anlæg med direkte fordampning skal placeres mindst 10 m fra drikkevandsboringer der leverer vand til 10 eller flere husstande og mindst 5 m fra drikkevandsboringer der forsyner mindre end 10 husstande Kommunen kan øge den ønskede sikkerhedsafstand til drikkevandsboringer og fastsætte særlige betingelser i tilladelsen vedrørende f.eks. konstruktionen af anlægget, for at beskytte et indvindingsopland mod forurening Afstanden mellem jordvarmeboringer skal være mindst 20 m Reglerne angiver typen af plastrør, der kan anvendes til hhv. horisontale og boringssystemer Boringsbekendtgørelsen gælder også for jordvarmeboringer

Jordvarmebekendtgørelsen Vertikale anlæg skal dimensioneres så indløbstemperaturen til varmepumpen er mindst 0 C, og der skal foretages en fuldstændig opfyldning og tætning mellem varmeslanger og borehulsvæg Der tillades op til 35% antifrostvæske i brinen i de lukkede slangesystemer og følgende typer er tilladt (for de to sidstnævnte, skal der angives en udtømmende deklaration af indholdet af antikorrosionsmidler): ethanol isopropanol ethylenglycol propylenglycol Et jordvarmeanlæg skal være tæt og forsynet med trykovervågningssystem samt en autostop anordning i tilfælde af lækage Før opstart af et jordvarmeanlæg, skal der udføres en tæthedsprøve med rent vand og et prøvetryk på 1,5 gange arbejdstrykket Der skal udføres et årligt eftersyn af jordvarmesystemet af en sagkyndig Sagsbehandlingstiden kan variere fra et par uger til et par måneder

Bekendtgørelsen om åbne grundvandsbaserede systemer Åbne grundvandsbaserede jordvarmesystemer må ikke etableres eller anvendes uden tilladelse Ansøgeren skal dokumentere at grundvandet indvindes fra og injiceres til det samme grundvandsmagasin Ansøgeren skal dokumentere, at der er udført undersøgelser, der tilvejebringer følgende oplysninger om grundvandsmagasinet: geologien, hydrogeologien og den rumlige udbredelse de hydrauliske egenskaber, herunder forbindelser til andre grundvandsmagasiner de hydrotermiske egenskaber de kemiske og mikrobiologiske forhold En ansøgning skal indeholde oplysninger der dokumenterer, at: der ikke er risiko for at midler i forbrugskredsløbet kan forurene grundvandet der ikke ved afledning er risiko for grundbrud anlægget er et lukket system uden vandbehandling og uden mulighed for indtrængning af atmosfærisk luft

Bekendtgørelsen om åbne grundvandsbaserede systemer Der skal udføres numerisk modellering til dokumentation af, at: temperaturen af grundvandet i eksisterende vandindvindinger ikke stiger mere end 0,5 C grundvandsressourcen i "områder med særlige drikkevandsinteresser" vil kunne udnyttes igen 10 år efter lukning af anlægget Der må ikke ske blanding af grundvand og væske i forbrugskredsløbet Installationen skal være udstyret med trykovervågningssystem samt en autostop anordning i tilfælde af lækage Den månedlige gennemsnitlige afløbstemperatur for grundvandet der injiceres i magasinet må ikke være lavere end 2 C Afløbstemperaturen for grundvandet der injiceres til magasinet må ikke overstige 25 C, og den månedlige gennemsnitlige afgangstemperatur må ikke overstige 20 C Boringsbekendtgørelsen gælder også for jordvarmeboringer fremgår ikke specifikt af bekendtgørelsen for åbne grundvandsbaserede systemer, men ligger implicit i ordlyden af boringsbekendtgørelsen

Bekendtgørelsen om åbne grundvandsbaserede systemer Før opstart af et anlæg, skal ejeren få foretaget analyser af vandet i det grundvandsmagasin, som vandet oppumpes fra og injiceres til Analyseprogrammet fastsættes af kommunen og temperaturmålinger skal altid indgå Tre måneder efter opstart og en gang om året, skal vandet der afledes fra anlægget analyseres for midler, der potentielt kunne opløses fra systemet Anlæg skal være udstyret med temperaturfølere der måler ind-og udløbs temperatur af grundvandet Afledningsboringerne skal være forsynet med temperaturmålere med automatisk dataopsamling og de loggede temperaturdata skal indberettes på årsbasis til kommunen Grundvandsmængderne, som oppumpes fra og injiceres til grundvandsmagasinet, skal overvåges og indberettes på årsbasis til kommunen Der skal udføres et årligt eftersyn af systemet af en sagkyndig sagsbehandlingstiden er i størrelsesordenen måneder snarere end uger