Indholdsfortegnelse - ATV - Jord og Grundvand

atv.jord.grundvand.dk

Indholdsfortegnelse - ATV - Jord og Grundvand

IndholdsfortegnelseSideUNDERGRUNDEN SOM TERMISK RESSOURCE 1 - 14Specialkonsulent Thomas Vangkilde-Pedersen, GEUSINTRODUKTION TIL JORDVARME OG 15 - 26VARMEPUMPENS VELSIGNELSERGeolog Inga Sørensen, VIA University College HorsensMILJØPÅVIRKNINGER OG ADMINISTRATION AF OMRÅDET 27 - 34Seniorprojektleder Bente Villumsen, COWI A/SVISIONER OG ØNSKER FOR DEN FREMTIDIGE FORVALTNING 35 - 40AF ANLÆG FOR GRUNDVANDSBASERET KØLING,OPVARMNING OG ATESCivilingeniør, ph.d. Stig Niemi Sørensen, Enopsol ApS


UNDERGRUNDEN SOM GEOTERMISK RESSOURCESpecialkonsulent Thomas Vangkilde-PedersenSeniorrådgiver, geolog Anders MathiesenStatsgeolog Lars Henrik NielsenDe Nationale Geologiske Undersøgelser for Danmark og Grønland (GEUS)Undergrunden som termisk ressourceMøde 25. maj 2011


RESUMEDanmarks undergrund indeholder meget store geotermiske ressourcer i form af både dybgeotermi og overfladenær geotermi eller jordvarme. Ved dyb geotermi udnyttes meget varmtvand fra store dybder, mens jordvarmeanlæg benytter slanger i jorden eller grundvand til atoptage varmen fra de øverste jordlag i kombination med varmepumpeteknologi. Den aktuelleudnyttelse af de geotermiske ressourcer er relativt begrænset, og det er vigtigt med kortlægningaf mulighederne samt identifikation af mulige barrierer som skal overvindes, hvis detfulde potentiale for geotermi som vedvarende energikilde skal udnyttes.INDLEDNINGDanmarks undergrund indeholder meget store geotermiske ressourcer, som kan udnyttes idet meste af landet, hvor der findes et varme- eller kølebehov. Den geotermiske ressourcekan deles op i dyb geotermi og overfladenær geotermi:• Dyb geotermi udnytter høje temperaturer på stor dybde (f.eks. 40-100 °C svarende til1-3 kilometers dybde) og varmen hidrører fra radioaktivt henfald af grundstofferneuran, thorium og kalium i jordens indre.• Overfladenær geotermi, eller jordvarme, udnytter lavere, mere ”normale”, temperaturer(f.eks. 8-11 °C svarende til 0-100 meters dybde) og varmen hidrører primært frasolindstråling 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 dyberessource 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 somen vedvarende energikilde, der kan bidrage til opnåelse af Danmarks energipolitiske målsætningerom reduktion af CO 2 udslip og øget forsyningssikkerhed.DYB GEOTERMIVarme fra jordens indre i form af geotermisk energi udnyttes mange steder i Europa. I Danmarkstiger temperaturen ca. 30 grader pr. kilometer ned gennem vores undergrund, og dengeotermiske energi kan udnyttes ved at pumpe varmt vand fra undergrunden op til overfladengennem en produktionsboring og ekstrahere varmen ved varmeveksling. Varmen kanderefter ledes via det almindelige fjernvarmenet til forbrugerne. Det afkølede vand returneresderefter til reservoiret gennem en injektionsboring, se Figur 1.De to væsentligste forhold, som har betydning for muligheden for at udnytte den geotermiskeenergi, er temperaturen og de vandledende egenskaber. Undergrunden skal således indeholdesandstensreservoirer af god kvalitet, dvs. med en tilstrækkelig tykkelse, temperatur ogporøsitet 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 ihenholdsvis produktionsboringen og injektionsboringen. Hvor temperaturen stiger med dybden,falder både porøsiteten og permeabiliteten generelt med dybden på grund af trykket frade overliggende aflejringer og kemiske udfældningsprocesser, der delvist udfylder porerne.Det betyder, at det primært er dybdeintervallet 1000-3000 m, som har den største interesse.


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 pumpesvarmt 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 tilbagei sandstenslagene, ofte fra samme lokalitet på overfladen, men via en afbøjet injektionsboringsom ender et par km fra produktionsområdet. Et geotermisk anlæg i forbindelsemed et kraftvarmeværk er typisk ikke i drift om sommeren, da overskudsvarmen i denne periodeer stor nok til at opfylde fjernvarmebehovet. Overskudsvarme kan derfor evt. lagres idet porøse sandstenslag som vist i figuren til venstre.Rentabel geotermisk varmeproduktion kræver desuden, at det er muligt at afsætte den produceredevarme, f.eks. til et nærliggende fjernvarmenet. Endvidere forudsættes det, at detgeotermiske vand holdes i et lukket kredsløb fra produktionsboringen, gennem varmeveksler,og tilbage igen gennem injektionsboringen til reservoiret. Kredsløbet skal være lukket, davandet fra undergrunden ofte er saltholdigt, og kan - hvis salt udfældes - begrænse mulighedernefor at producere vandet fra reservoiret, idet permeabiliteten reduceres.Kortlægning af ressourcenDe Nationale Geologiske Undersøgelser for Danmark og Grønland (GEUS) har igennemmange år drevet forskning og rådgivning i forbindelse med vurderingen af de dybe geotermiskeressourcer i Danmark i tæt samarbejde med private firmaer og offentlige institutioner.Den første landsdækkende analyse af den dybe geotermiske ressource blev igangsat afGEUS i slutningen af halvfjerdserne /1/. Siden da har GEUS i 1998 opdateret vurderingen afressourcen i samarbejde med DONG Energy og Energistyrelsen /2/, og senest i 2009 biståetEnergistyrelsen i udarbejdelsen af en redegørelse vedrørende det geotermiske potentiale iDanmark /3/. Endvidere har GEUS bidraget til udarbejdelsen af et geotermisk atlas, der præsentererde geotermiske ressourcer i en række EU-lande /4/ og senere bidraget til en opdateringaf dette /5/.


GEUS' forskning og rådgivning består i dag hovedsageligt i at udvikle geologiske modeller afundergrunden, der beskriver og forudsiger, hvor der findes geologiske lag i undergrundenmed varmt vand i tilstrækkelige mængder, som kan pumpes fra de underjordiske lag og op tiloverfladen.Kortlægningen af undergrunden er baseret på dybe boringer og seismiske undersøgelser.Ved seismiske undersøgelser sender man trykbølger ned igennem jorden. De kastes tilbagefra de geologiske lag, og ved at opsamle de reflekterede signaler kan man kortlægge dybdentil 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 vibrationerned 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, Juraog Kridt:• Frederikshavn Formationen: Jura/Kridt alder, siltsten og finkornet sandsten med lagaf lersten.• Haldager Sand Formationen: Jura alder, fin til grovkornet sandsten med lag af silt- oglersten.• Gassum Formationen: Trias/Jura alder, fin til mellemkornet sandsten og lokal grovkornetsandsten.• Skagerrak Formationen: Trias alder, grov og dårlig sorteret sandsten med lag aflersten.• Bunter Sandsten Formation: Trias alder, fin til mellemkornet og lokal grovkornetsandsten.I Figur 2 er vist et kort over det regionale geotermiske potentiale i Danmark baseret påGEUS' mangeårige arbejde. Kortet viser, at det er sandsynligt, at der findes potentielle sandstensreservoireri hovedparten af landet og nærkystområderne. Desuden findes der flereområder, hvor to eller flere af de potentielle reservoirer kan have et geotermisk potentiale.Simple overslagsberegninger viser, at Danmarks undergrund har meget store geotermiskeressourcer, og at geotermisk energi vil kunne bidrage til varmeforsyningen i adskillige hundredeår. Hovedstadsområdets Geotermiske Samarbejde (HGS) offentliggjorde i begyndelsenaf 2009 en ny vurdering, som viser, at de geotermiske reserver i det østlige Sjælland kandække 30-50 % af fjernvarmeproduktionen i hovedstadsområdet i flere tusind år.Eksisterende og planlagte anlæg og mulige barriererDer er hidtil etableret 2 dybe geotermiske anlæg i Danmark. I 1984 blev der etableret et anlægved Thisted som har været i drift siden. En borekampagne i forbindelse med projektetviste 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 mereeffektivt, så man ikke længere er så afhængig af meget varmt vand fra dybe, lav-porøse oglav-permeable reservoirer. I 2005 blev der således etableret endnu et anlæg ved Amagerværketi København, og senest er der udført undersøgelser for planlagte anlæg ved Sønderborgog Viborg.


Figur 2Kort over Danmark som viser det regionale geotermiske potentiale for mulige sandstensrigereservoirer. Kortet er baseret på en begravelsesdybde for reservoirerne på 1000–3000m og på at reservoirtykkelsen er større end 25 m. De hvide områder indikerer at reservoiretikke 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 fordelingenaf de dybe boringer, samt placeringen af de to geotermiske anlæg ved Thisted ogpå Margretheholm nær København.


En væsentlig barriere for udnyttelse af den store danske geotermiske ressource er de geologiskerisici. Det er derfor et mål for GEUS’ løbende forskningsaktiviteter at reducere risicieneved at øge vores viden om undergrundens opbygning og beskaffenhed, og derved muliggøreetablering af mere pålidelige og detaljerede geologiske prognoser. Usikkerheden i prognoserneer dels relateret til de komplicerede geologiske forhold i undergrunden, og dels til utilstrækkeligeog ujævnt fordelt data, hvilket medfører, at de regionale geologiske modeller forde potentielle geotermiske reservoirer ofte er usikre, når det kommer til konkrete vurderingeraf lokale geotermiske prospekter. Eksempelvis er der mange områder, hvor det nuværendedatagrundlag er for mangelfuldt til, at de lokale variationer i reservoirernes udbredelse, kontinuitet,tykkelse, kvalitet og temperatur kan kortlægges og forudsiges med en stor sikkerhedog detaljeringsgrad.En præcis vurdering af det geotermiske potentiale af lokale prospekter eller byer forudsætterblandt andet, at det lokale aflejringsmiljø for reservoiret vurderes i tilstrækkelig detaljegrad ogsættes i relation til den lokale indsynkningshistorie, samt at den diagenetiske udvikling afreservoiret vurderes og eventuelt undersøges på basis af tilgængelige lokale data og prøvemateriale.Seismiske data bør tolkes med henblik på vurdering af reservoirets dybde og kontinuitetsamt identifikation af eventuelle forkastninger. Data fra nærliggende boringer vurderesved hjælp af kvantitativ computer-baseret logtolkning og eventuel bassin- og reservoirmodellering.Data fra prøvepumpetest i forbindelse med den første prøveboring vil derforgive 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 kosterminimum 50 mio. kr.Skitse til modning af beslutningsprocessen vedr. et områdes geotermiske potentialeAlle geotermiske prospekter er forbundet med en vis risiko; GEUS vurderer generelt, atchancen for succes ligger mellem 0 og 90 % afhængig af områdets undergrund. De indledendeundersøgelser tjener formålet at indskrænke dette udfaldsrum; GEUS anbefaler derforfølgende mulige arbejdsgang for at minimere efterforskningsrisikoen og trinvis øge beslutningsgrundlagetfor fortsættelse eller opgivelse:• Opstilling af en foreløbig geologisk model baseret på lokale data (i den udstrækningsådanne findes) kombineret med GEUS´ regionale geologiske modeller.• Hvis der findes ikke-frigivne seismiske eller boringsdata i eller nær lokalområdet, kanlicensansøgeren overveje at søge adgang til disse data da de kan styrke sikkerhedenaf den geologiske model.• Hvis den foreløbige geologiske model forudsiger, at der findes reservoirer med et begrænsetpotentiale i lokalområdet, bør en foreløbig simulering af reservoirets muligevandproduktion foretages for at få et så præcist udtryk for den mængde afvarmt vand, der kan udnyttes, som muligt.


• Hvis det beregnede potentiale er tilstrækkeligt til geotermisk udnyttelse, vil næste trinvære at indsamle en tilstrækkelig mængde nye seismiske data, så en detaljeretseismisk kortlægning af lokalområdet kan foretages, bl.a. for at sikre at prospektet ikkegennemskæres af større forkastninger.• Efter tolkning og kortlægning af de nye data opstilles en ny revideret geologiskmodel baseret på integration af de nye og tidligere data; på denne baggrund opstillesen ny og mere sikker prognose.• Hvis prognosen for den valgte lokalitet er tilfredsstillende med hensyn til tilstedeværelseaf et eller flere reservoirer med gode sandstenslag med geotermisk potentialeog tilstrækkelig afstand til forkastninger m.m., vil næste trin være at opstille en egentligboreprognose for en efterforskningsboring.• I forbindelse med udførelsen af efterforskningsboringen gennemføres der grundigepumpetests i de potentielle sandstenslag for at få afklaret, om undergrunden ervelegnet til geotermisk varmeproduktion.• Herefter vurderes resultaterne af boringen med fokus på beskaffenheden og dybdeforholdeneaf undergrundens lag; resultaterne evalueres, og forventningerne til detgeotermiske potentiale justeres.• Hvis prøvepumpningen af boringen i de potentielle sandstenslag er positiv, kan detvære med til at afklare, hvor store mængder varmt vand der kan produceres, og omet geotermisk anlæg kan etableres.• De nye data integreres med de eksisterende data, og den regionale geologiskemodel for undergrundens opbygning opdateres baseret på de nye boringsinformationer,hvorved modellen styrkes, og sikkerheden i fremtidige vurderinger af efterforskningsrisiciøges.OVERFLADENÆR GEOTERMI (JORDVARME)Hvor den dybe geotermi udnytter varmen fra jordens indre gennem oppumpning af varmtvand fra kilometer-dybe boringer, udnytter den overfladenære geotermi den oplagrede varmei de øverste jordlag baseret på en kombination af varmepumper og slanger i jorden til at optagevarmen, eller varmepumper som optager varmen direkte fra oppumpet grundvand. Dethele foregår ved relativt lave temperaturer, typisk 8-11 °C, og jordvarmeanlæg kan, hvis deer designet rigtigt, benyttes til både varme og køling.Ved udnyttelse af jordvarme produceres typisk 3-5 gange så meget energi som der tilføres iform 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 opvarmningmed f.eks. naturgasfyr.Varmepotentialet i de øverste få hundrede meter af jorden stammer primært fra solindstrålingog i mindre grad fra den geotermiske varmeflux fra jordens indre, se også Figur 3. Enanden essentiel forskel er at anlæg til udnyttelse af den dybe geotermiske energi typisk er af


en størrelse, hvor flere tusinde husstande forsynes med varme, og mest hensigtsmæssigtudnyttes i kombination med eksisterende fjernvarme-infrastruktur. I modsætning hertil erjordvarmeanlæg typisk designet til forsyning af alt fra en enkelt husstand til større enkeltbygninger/bygningskomplekser.Hvor enfamiliehusstande kun har behov for opvarmning, er det med varmepumpeteknologimuligt 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 gamleoliefyr i private centralvarmeanlæg, og i forbindelse med opvarmning/afkøling af større bygninger.Figur 3. Figuren illustrer fordelingen af solindstråling og varmeflux fra jordens indre, årstidsvariationeri temperaturen i de øverste 10-20 m af jorden og den generelle temperaturgradient(fra David Banks, 2008 /6/).


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 frajorden som afgives i en varmepumpe, og den afkølede væske ledes atter gennem slangerneog optager på ny varme fra jorden.A) B) C)Figur 4...llustration af forskellige typer jordvarmeanlæg. A) Lukket system med horisontaleslanger 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 ijorden i vinterhalvåret og høje temperaturer om sommeren, se Figur 3. De lave temperaturerom vinteren giver selvfølgelig en dårligere driftsøkonomi, men til gengæld opvarmes jordvolumetrelativt hurtigt i løbet af sommeren.Anlæg med vertikale slanger installeret i jordvarmeboringer kræver stort set ingen plads ogmeget lidt genetablering, men kan være lidt dyrere i anlægsomkostninger. Til gengæld harde typisk en bedre udnyttelsesgrad i kraft af højere og ikke mindst konstant temperatur i jordenåret igennem, Figur 4. Man skal dog være opmærksom på energibalancen i systemet,dagen-opvarmningen af jordvolumet foregår væsentligt langsommere, når man er under dendybde, som er påvirket af årstidsvariationerne (typisk 10-20 m). Systemet kan optimeres vedtilførsel af varme i sommerperioden, enten i forbindelse med køling i bygninger eller f.eks. viasolfangerpaneler. I større målestok har jordvarmeboringer imidlertid også et stort potentialefor lagring af energi, som produceres på tidspunkter, hvor behovet er lille, eller hvor der eroverproduktion, som det typisk er tilfældet med f.eks. kraftvarmeværker i sommerperioden,vindmøller og solvarmepaneler.


I de åbne systemer afkøles oppumpet grundvand i varmepumpen og ledes tilbage i jorden ien injektionsboring. Der er relativt strenge krav om minimal påvirkning af de lokale hydrogeologiskeforhold og temperaturer i grundvandssystemet, og der kan forekomme interessekonfliktermed drikkevandsindvinding og mellem naboanlæg.Eksisterende anlæg, vigtige parametre og mulige barriererUdnyttelse af jordvarme i Danmark har indtil nu hovedsageligt været baseret på lukkede anlægmed horisontale slanger, men lukkede anlæg med vertikale slanger i jordvarme-boringerbegynder at blive mere udbredt og i f.eks. Tyskland og især Sverige er antallet af denne typeanlæg meget højt. Antallet af jordvarmeanlæg baseret på åbne systemer i Danmark er relativtbegrænset, og de fleste har været designet til køling.Der eksisterer ikke nogen formel registrering af jordvarmeanlæg i Danmark, men det samledeantal blev i 2008 skønnet til at være omkring 25.000 /8/. Tilsvarende var der 230.000 jordvarmeanlægi Sverige i 2004, og 80 % af disse skønnedes at være lukkede systemer medvertikale slanger i boringer /9/.Jordens termiske egenskaber har betydning for, hvor meget energi der kan indvindes i etlukket vertikalt jordvarmesystem. Det drejer sig om parametre som varmeledningsevne, termiskdiffusivitet, specifik varmekapacitet, varmestrøm, temperaturgradient og overfladetemperaturm.m. Desuden har det betydning, hvilke materialer der er brugt til slanger og forsegling.Udover jordlag og materialers termiske egenskaber, betyder flowhastigheden ogviskositeten af væsken i jordkredsløbet også noget for, hvor megen varme der optages islangerne.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 ringevarmeledningsevne). Herudover kan interaktion med det omgivende grundvandssystem værebåde en fordel og en ulempe i forbindelse med lukkede systemer i jordvarmeboringer.Generelt vil grundvandsstrømning i et område have en positiv effekt, hvis jordvarmeboringeranvendes udelukkende til enten opvarmning eller afkøling, fordi der tilføres energi fra andreområder til det aktuelle jordvolumen. Tilsvarende vil grundvandsstrømning generelt have ennegativ effekt ved alternerende drift (opvarmning om vinteren og afkøling om sommeren)eller ved lagring af overskudsvarme, fordi grundvandsstrømningen i et vist omfang vil fjerneden tilførte energi fra jordvolumet.Selvom vore nabolande har stor erfaring i etablering af vertikale lukkede systemer, manglervi i høj grad viden om og erfaring med denne type anlæg under danske geologiske forhold. ISverige etableres næsten alle jordvarmeboringer i krystallint grundfjeld, som er nemmere atbore i og har markant bedre varmeledningsegenskaber end bløde sedimenter. I den tyskeVDI norm for termisk udnyttelse af undergrunden findes der eksempler på forskellige jord- ogbjergarters varmeledningsevne og varmekapacitet, men det er kun i Nordtyskland, at deoverfladenære geologiske forhold er sammenlignelige med vores, og vi mangler både undersøgelserog viden om danske jordarters termiske egenskaber. Samtidig er der behov for mereviden om design af anlæg i forhold til energibehov og en effektiv og stabil drift med balancei energiudnyttelsen.Energistyrelsen har i en undersøgelse i 2010 /10/ identificeret en række barrierer for udbredelsenaf jordvarmeanlæg i Danmark:


• Tilbagebetalingstiden på etablering af anlæg• Manglende gennemsigtighed i markedet• Generel mangel på viden og erfaring• Manglende uddannelse af designere og installatørerNyt forsknings- og udviklingsprojektEt 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 atbane vejen for større udbredelse af varmepumpesystemer baseret på jordvarmeboringergennem tilvejebringelse af viden, værktøjer og best practice for planlægning og design afinstallationer. Projektets aktiviteter er struktureret i 8 work packages og omfatter:• Indsamling og analyse af eksisterende information og erfaring samt identifikation afnøgleparametre for planlægning, design og installation af varmepumpesystemer baseretpå jordvarmeboringer.• Et omfattende kortlægnings- og måleprogram af overfladetemperaturer, temperaturgradienterog termiske egenskaber af forskellige jordarter og materialer.• Optimering af systemdesign i forhold til miljø og økonomi, baseret på eksisterende installationerog test sites, inklusiv borearbejde og udstøbning af boringer, automatiseringaf 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, kursusmaterialetil uddannelse og efteruddannelse, workshops og seminarer, tekniske vejledningerog 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 MiljøogEnergistyring A/S; Geodrilling A/S; Brædstrup Fjernvarme AMBA; DONG Energy PowerA/S; Robert Bosch A/S, IVT Naturvarme.KONKLUSIONDen danske undergrund har et stort potentiale som geotermisk ressource til såvel opvarmningsom køleformål. For både dyb geotermi og jordvarme er der tale om vedvarende energikilder,som kan bidrage væsentligt til den globale klimaudfordring. For den dybe geotermier det helt essentielt at minimere den geologiske og økonomiske risiko gennem grundigeforundersøgelser. For jordvarme mangler vi stadig viden og praktisk erfaring for at kunneudnytte ressourcen optimalt, ligesom der kan være områder, hvor en vedtagen varmeplaneller lokalplan spænder ben for etablering af f.eks. jordvarmeboringer.


En øget elproduktion fra vindkraft vil give plads til både mere dyb geotermi og jordvarme iforhold til den eksisterende overskudsproduktion af varme på kraftvarmeværkerne, ligesomjordvarmeboringer kan benyttes som energilager i kombination med både solfangeranlæg ogoverskudsvarmen fra kraftværkerne i sommerperioden.Med den stærkt øgede fokus på klima- og energiområdet tyder meget på, at vi i Danmark vilkunne nå op på, at en væsentlig del af vores energi til opvarmning (og afkøling) kommer frajorden, og aktiviteten bliver næppe mindre nu, hvor Regeringen har vedtaget, at private oliefyrskal udfases allerede fra næste år.REFERENCER/1/ Kortlægning af potentielle geotermiske reservoirer i Danmark. Michelsen, O., 1981.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., 2009. GEUS Rapport 2009/59./4/ Atlas of Geothermal Resources in the European Community, Austria and Switzerland.Haenel, R. & Staroste, E. (eds), 1988. Verlag Th Schäfer, Hannover Germany./5/ Atlas of Geothermal Resources in Europe. Publication No. EUR 17811. Hurter, S. &Haenel, R. (eds), 2002. Office for Oficial Publications of the European Communities,Luxemburg./6/ An Introduction to Thermogeology: Ground Source Heating and Cooling. Banks, D.,2008. Blackwell, Oxford./7/ Overview of shallow geothermal systems. In: Geotrainet training manual for designersof shallow geothermal systems. ISBN No. 978-2-9601071-0-4. Sanner, B., 2011.Geotrainet Project IEE/07/581/SI2.499061./8/ Jordvarmeanlæg – Teknologier og risiko for jord- og grundvandsforurening. MiljøprojektNr.1238 udarbejdet af COWI, Willumsen, B., 2008. Miljøstyrelsen./9/ Geothermal (Ground-Source) Heat Pumps. A world overview. Lund, J., Sanner, B.,Rybach, L., Curtis, R. & Hellström, G., 2004. GHC Bulletin./10/ Varmepumper i helårshuse. Barrierer og erfaringer blandt danske husejere. Analyseudarbejdet for Energistyrelsen af Publikum Kommunikation og inVirke. ISBN www:978-87-7844-866-8, 2010. Energistyrelsen.


INTRODUKTION TIL JORDVARME OG VARMEPUMPENSVELSIGNELSERGeolog Inga Sørensen, VIA University College HorsensUndergrunden som termisk ressourceMøde 25. maj 2011


RESUMÉArtiklen beskriver de tre lukkede kredsløb, der indgår i et jordvarmeanlæg. Det er huskredsløbet,varmepumpens kredsløb samt kredsløbet fra jord til varmepumpe. Fokus er varmepumpenog design af systemet – og i den forbindelse de forskellige typer energi, der kanbruges som input til varmepumpen. Den historiske udvikling af jordvarmeanlæg i Danmarkbeskrives kort, og der vises et eksempel på et ældre anlæg hvor lagring af solvarme er enintegreret del af systemet. Til slut beskrives nogle af de udfordringer og muligheder, vi ståroverfor, når - ikke hvis – varmepumper og jordvarme for alvor skal med i feltet af vedvarendeenergikilder.INGEN JORDVARME UDEN VARMEPUMPEVarmepumpen er en forudsætning for at udnytte jordvarmen. Derfor er der grund til at senærmere på de elementer, der indgår i varmepumpen og hvordan de virker sammen om atproducere energi til opvarmning og varmt brugsvand.Grundlæggende består varmepumpen af et lukket kredsløb med to varmevekslere, hvorafden ene sørger for at hente varme ud af et materiale, der afkøles, og den anden varmevekslersørger for at aflevere varmen til den bolig, der skal varmes op. Udover de to varmevekslerebestår varmepumpen også af en kompressor og en ekspansionsventil, der er forbundetmed de to varmevekslere i et kredsløb vist i forenklet form på skitsen figur 1. Her er også vistdet huskredsløb, hvor varmen afleveres.Relativ varme frajord. luft eller vand.Iskold brine returfra varmepumpen tilj d l ft ll dFigur 1. Varmepumpens kredsløb med de to varmevekslere til huskredsløb og jordkredsløb.


Væsken, der cirkulerer i varmepumpens lukkede kredsløb, har et meget lavt kogepunkt, såledesat den bliver til en iskold luft, når den passerer ekspansionsventilen (her vist i bundenaf varmepumpen). Via varmeveksleren er den iskolde luft i stand til at trække varme ud af detmedium, der passerer varmeveksleren. Herved bliver den iskolde luft til opvarmet luft. Nården opvarmede luft dernæst passerer kompressoren bliver den presset så hårdt sammen, atden fortættes til en varm væske, der så kan afgive varme til huskredsløbet via varmevekslernr. 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 jordvarmeogså et tredje kredsløb med til systemet, nemlig det lukkede kredsløb, der finder sted i nedgravedeslanger (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 kantåle at møde den iskolde varmeveksler i varmepumpen uden at størkne til is.Figur 2. Jordkredsløbet vist sammen med varmepumpe og huskredsløb. Om sommeren kan derf.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 tilvarmepumpen. Her spiller brinens varmefylde en rolle – jo højere varmefylde jo mere varmekan den transportere per liter flow. Normalt består jordkredsens væske af vand blandet medsprit, for at gøre den frostsikker – typisk 1 del IPA-sprit og to dele vand. Varmefylden af denneblanding kan udregnes til ca. 3400 kJ/m 3 K (kilo Joule per 1000 liter for hver grad temperaturenændres). Til sammenligning er varmefylden af ren vand ca. 4190 kJ/m 3 K, så egentligkunne det være fornuftigt at bruge ren vand i jordkredsløbet. I så tilfælde skulle varmepumpenskredsløb imidlertid programmeres til ikke at komme under nul grader i varmevekslerenud 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 selvved minusgrader – men til gengæld vil jorden omkring jordslanger og rør i boringer fryse til is.


Dette kan accepteres i et vist omfang – men ikke for længe. Kunsten at dimensionere etjordvarmeanlæg 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 ihuskredsløbets akkumuleringstank, således at systemet på en kold vinterdag kan efterkommede signaler, der sendes fra termostaterne på radiatorer og gulvarme.Varmepumpens størrelse udtrykkes normalt ved kW – en 8 kW varmepumpe kan såledeshøjest 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 etjordvarmeanlæg regnes der f.eks. med at varmepumpen skal kunne levere 80 % af den nødvendigeenergi 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 koldestedag, så ville den meget af tiden køre med så lille en kapacitet, at driften bliver uøkonomisk.Begreber Enheder KommentarerEnergiKan måles i kalorier (cal) eller joule(J) eller Watt sekunder, der kan omregnestil Watt timer (Wh) eller kilo- værdi for naturgas. Ofte anven-Kwh kan omregnes til brænd-Watt timer (kWh).des omregningsfaktorerne1 joule = 0,239 cal1liter olie svarer til 10kWh1 joule = 1 Watt sekund1 m 3 naturgas svarer til 11kWh1 joule = 2,778 x 10 -4 Wh.EffektVarmeledningsevneEffekt kan forklares som belastningeller evnen til at udføre arbejde elleroverføre energi.Effekt måles i Watt (W)1 Watt er lig 1J/sec.Varmeldningsevnen af et materialeer evnen til at overføre effekt i materialet.Angives med enheden Wattper meter per grad temperaturændring(Wm -1 K -1 )Når der f.eks. skal beregnes,hvor meget varme, der skal tilfor at klare en given spidsbelastningangives det i Watt –dvs. hvor meget energi skalkunne overføres pr. tidsenhedVarmeledningsevnen kan ogsåopfattes som den hastighedhvormed energien kan ledes afsted gennem materialetVarmekapacitetVarmekapaciteten angives som specifikvarmekapacitet i forhold til envægtenhed (J K -1 kg -1 ) eller som volumetriskvarmekapacitet i forhold tilet rumfang(J K -1 m -3 ).Varmekapaciteten af et materialeer dets evne til at lagreenergi (dvs. hvor mange Jouleskal der tilføres materialet forat opvarme det 1 grad).


Virkningsgraden for en varmepumpebenævnes COP. Det er forholdetmellem output og input af energi.COP står for Coefficient of Performance.VirkningsgradEn varmepumpe med en COP-værdipå 3-4 kan f.eks. yde mellem 3 og 4kWh til opvarmning, hvis varmepumpenskompressor tilføres 1 kWh.”Sæson virkningsgraden” HeatingSeasonal Performance Factorer den gennemsnitlige virkningsgradtaget for hele året.Figur 3. Skema med begreber og enheder relevante for jordvarmeanlæg.VARME FRA JORDEN – OG FRA ANDRE STEDERDen indgående energi til varmepumpens varmeveksler kan både komme fra jord, luft ogvand. 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 afvarmepumper:• 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, derudnytter 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 rørenemed brinen være placeret mange andre steder end i jorden – f.eks. på bunden af en søeller i tilknytning til en rentvandsbeholder på et vandværk. Kun fantasien sætter grænsen –mange industrivirksomheder har således brug for afkøling af materialer, hvorfra man kunneudnytte overskudsvarmen ved at placere slanger med afkølet brine på strategisk udvalgtesteder.Den anden hovedtype af varmepumper, luft til vand varmepumpen, udnytter varmen fra luftenpå den måde at varmeveksleren med den kolde luft placeres i den luft, hvorfra varmenskal tages. Mange nyere parcelhuse etableres i dag med en varmepumpe, der tager varmenfra udeluften og transformerer den op via kølekredsen i varmepumpen til brugsvand og gulvvarmevia en akkumuleringstank. Typisk består udedelen af en firkantet kasse anbragt vedhusets gavl op mod det indendørs teknikrum, hvor den øvrige del af varmepumpen samtakkumuleringstanken er placeret.Et lidt mere specielt eksempel på en luft til vand varmepumpe er ”ispinden”, som er kælenavnetfor en varmepumpe af mærket OCTOPUS. Her er den kolde varmeveksler udformetsom en krans af aluminiumssøjler, se figur 4.


Octopus varmepumpen er udformet således at den øvrige del af varmepumpen kunne stå imidten af søjlerne – men i tilfældet vist på fotoet her har man valgt at placere den øvrige delaf varmepumpen samt akkumuleringstank i et udhus tæt på søjlerne.Den sidste hovedtype af varmepumper – luft til luft – tager også varmen fra luften – men istedet for at aflevere varmen til et huskredsløb med vand giver den energien fra sig i form afvarm luft. Typen er blevet meget populær i mange sommerhuse, fordi den udover at klareopvarmningsbehovet 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 ståendei køkkenet. Her er varmekilden den mad, vi sætter ind til afkøling, idet den kolde varmevekslerer indbygget i kabinettet. Den varme luft, der produceres når kompressoren arbejder, lukkesud på bagsiden af køleskabet ved de gitre, som man sjældent bemærker undtagen måskeved en hovedrengøring.Figur 4. Foto af varmepumpen ”OCTOPUS”,. I hver søjle af aluminium er der kobberrør medpropangas fra varmepumpens kredsløb. Propangas har så lavt et kogepunkt som minus 42grader


JORDVARME I 1980’ERNEJordvarmen er ikke en ny opfindelse. En søgning på boreformål Jordvarme op/ned i Jupitersboredatabase fra GEUS hjemmeside, viser i alt 324 af denne type boringer. Heraf er der 22uden 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 igener kommet frem i 2007. De nyere jordvarmeboringer registreret med boringens udførselsårfra 2007 og frem udgør et antal på 175 jordvarmeboringer i Jupiter. (søgning foretaget 9-5-2011).1979 1987 2007 2011Figur 5. Fordeling af jordvarmeboringer efter årstal. Søgning i Jupiter boredatasen 9. maj 2011.Forklaringen på den lange pause er ifølge nogle kilder, at naturgassen fik så politisk gunstigevilkår, 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 varmekildenskulle være oppumpet grundvand, hvorfra man udtog varmen via en varmepumpe, hvoreftervandet blev ledt ned i undergrunden igen via en infiltrationsboring.Udover traditionelle boringer, blev der i 1980’erne også udført jordvarmeanlæg baseret påkorte skråboringer – solbrønde eller energibrønde blev de kaldt, fordi de ofte var kombineretmed lagring af solvarme, se figur 6. Et sådant anlæg er stadig i gang og har været det – medsamme varmepumpe – siden 1982. Det er udført af Arne Vedel fra Stubbom, der ligger østfor Christiansfeld i Sønderjylland. Arne Vedel har udført over 20 sådanne anlæg rundt omkringi landet. .Arne Vedels energibrønd er ret genial i sin enkelhed, fordi jorden til stadighed tilføres varmefra luften, når der er plusgrader. Opsamlingen af varmen sker via en energiabsorber, dersom oftest består af et flethegn af sorte PEM-plastslanger.


En noget lignende opfindelse er gjort af maskiningeniør N. K. Knudsen, der til sit eget hus iHedensted byggede en Solvarmeakkumulator som han tog patent på som ”SUNWELL”. Dervar også her tale om skrå, relativ korte boringer (max 30 meter), der gik radiært ud fra enbrønd. I Hedensted var energibrønden koblet med traditionelle solfangere anbragt på taget afparcelhuset. Dette anlæg er ikke mere i brug, men alle tegninger, beregninger og målingerfra 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 temperaturfølersørger 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-FORBRUGEn 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, mankan få ud i huskredsløbet i form af varme, se skemaet figur 3. En virkningsgrad på 3-4 er retalmindeligt.


Virkningsgraden afhænger af mange faktorer – som f.eks. hvilken temperatur, der er krævetaf huskredsløbet (radiator eller gulvvarme) og også af hvilken forskel der er på brine-temperaturenind til varmeveksleren og så den temperatur, som brinen har, når den forlader varmepumpensvarmeveksler. I borehullet er der også en del faktorer, der er med til at bestemmevarmeoptaget – f.eks. varmeledningsevnen på de gennemborede jordlag, og også hvordanboringen er indrettet med rør og omgivende forseglingsmateriale. ’Under alle omstændigheder er det godt at tilføre varme om sommeren, så der er noget attære 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 energikilderer det oplagt her at se på strøm fra vindmøller eller solceller. Med de nye nettomålerordningerer det muligt for almindelige husstande, at sælge strøm til energiselskaberne op tilden 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 solcellerer faktisk endnu mere oplagt at kombinere med jordvarme.Solceller producere bedst strøm når deres krystaller ikke er for varme – derfor falder solcellensydelse typisk i højsommeren. Det kan man afhjælpe med at køle solcellerne med underliggendepaneler designet til at være med i jordkredsløbet, efter f.eks. samme princip somskitseret af Arne Vedel på figur 6. I stedet for et flet hegn som energiabsorber kan man såledesbruge paneler under solcellerne - hvorved man også opnår at de får en bedre ydelse ihøjsommeren. Denne sandwich model med sol og jord er så vidt vides endnu ikke afprøvetherhjemme - men det må være oplagt at gøre det.UDFORDRINGER OG MANGE MULIGHEDER MED VARMEPUMPERSamlet set er der således en mængde muligheder der kan afprøves og implementeres iDanmark med hensyn til at udnytte varmepumpen sammen med jordvarme og andre kildermed varme, som vi måske ikke tænker på i de daglige. I den forbindelse er det oplagt at sepå industriens overskudsvarme, der i dag kun i ringe omfang udnyttes på grund af et mærkværdigtog helt utidssvarende afgiftssystem.I dag er reglerne således, at hvis virksomhederne udnytter overskudsvarmen til opvarmningaf rum – så skal de af med samme afgift for denne rum-opvarming, som hvis de havde fyretmed olie eller naturgas. Fordi det koster noget ekstra investering i rør og installationsarbejdeat få nyttiggjort overskudsvarmen, så er der på grund af energiafgifterne intet incitament forvirksomhederne 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 nærliggendefjernvarmeværk, skal der også betales energiafgift på samme måde, som hvis energienkom fra olie eller gas.Resultatet af dette mærkværdige afgiftssystem er, at rigtig meget energi i dag bare går op iden blå luft – energi som teknisk meget let kan udnyttes til opvarmning og derved være medtil at strække på de fossile brændsler og spare miljøet for CO 2 udledning.


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


MILJØPÅVIRKNINGER OG ADMINISTRATIONAF OMRÅDETSeniorprojektleder Bente Villumsen, COWI A/SUndergrunden som termisk ressourceMøde 25. maj 2011


RESUMÉIndlægget indeholder en kort introduktion til de gældende regler for varmepumpeanlæg, sombruger jord og/eller grundvand som energikilde. Indledningsvis defineres de forskellige anlægstyperog herefter gives en introduktion til reglerne, som findes i vandforsyningsloven ogmiljøbeskyttelsesloven.INDLEDNINGFormålet med dette indlæg er at give et overblik over, hvilke love og andre regler, der gælderfor varmepumpeanlæg, som bruger jord og grundvand som termisk ressource. Indledningsvisgives et kort overblik over de mange forskellige typer af varmepumpeanlæg, som brugerjord 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 påvirkerjord og grundvand, og at anlæggene - især hvis de ikke er udført hensigtsmæssigt - kanmedføre risiko for forurening af jord og grundvand. Tilladelserne indeholder derfor vilkår, somskal sikre, at anlæggene er miljømæssigt forsvarlige. Til gengæld har myndighederne ikkenoget ansvar for at kontrollere, at anlæggene i øvrigt er hensigtsmæssigt indrettet. Det eraltså alene leverandørens ansvar, at anlægget er dimensioneret korrekt og funktionsdueligt.ANLÆGSTYPER OG LOVGIVNINGIndledningsvis er det vigtigt at skelne mellem grundvandsanlæg, hvor energien i grundvandetudnyttes ved at pumpe vandet op, og jordvarmeanlæg, hvor energien i jorden og evt. grundvandetudnyttes i lukkede slangeanlæg.Grundvandsanlæg er grundvandsvarme- og køleanlæg. I anlæggene pumpes grundvandetop, ledes gennem en varmeveksler og afledes igen – enten til samme grundvandsmagasinsom det kom fra, eller til et vandområde. Anlæggene kan bruges både til opvarmning og tilkøling, eventuelt skiftevis. Disse anlæg kræver indvindingstilladelse efter vandforsyningsloven.Afledningen af vand kræver tilladelse efter miljøbeskyttelsesloven, jf. nedenfor. Grundvandsanlæggeneer forholdsvis dyre at anlægge og har en ret stor kapacitet, og de anvendesderfor sjældent til enfamilieshuse.Jordvarmeanlæg er karakteriseret ved, at energien fra jorden og evt. grundvandet hentes indtil varmepumpeanlægget ved hjælp af væske, som pumpes rundt i lukkede anlæg. Disseanlæg kræver kun tilladelse efter miljøbeskyttelsesloven, jf. nedenfor. Jordvarmeanlæg findesi mange forskellige størrelser, lige fra noget der kan opvarme et sommerhus til anlæg tilstore kontorbyggerier mv.GRUNDVANDSANLÆGGrundvandsanlæg kræver følgende tilladelser:


• 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 miljøbeskyttelseslovenskapitel 4.De sidste to punkter vil normalt være enten eller – enten vælger man at reinfiltrere, eller ogsåvælger man at udlede til et vandområde. Hvis ressourcen er rigelig og/eller ikke interessanttil vandindvinding, kan det være relevant at aflede vandet til et åbent vandområde, f.eks. tilkysten, 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 ønskerikke, at grundvandsvarme- og køleanlæg skal reducere mulighederne for vandindvinding, ogderfor gælder kravene, uanset om der faktisk ligger vandindvinding nedstrøms. I praksis vilkravene til dokumentationen dog afhænge af, hvor værdifuld den pågældende ressourceanses for at være.Ifølge bekendtgørelsen skal ansøger ved ansøgning om tilladelse dokumentere, at følgendeforudsætninger er opfyldt:1) Der indvindes fra og injiceres til det samme grundvandsmagasin.2) Der er udført undersøgelser, der tilvejebringer oplysninger oma) grundvandsmagasinets geologi og udstrækning (horisontalt såvel som vertikalt),b) grundvandsmagasinets hydrauliske egenskaber, herunder hydraulisk kontakt medandre magasiner,c) grundvandsmagasinets hydrogeologiske forhold,d) grundvandsmagasinets kemi og mikrobiologi, oge) 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 atder er tale om et lukket system uden vandbehandling og uden mulighed for indtrængning afatmosfærisk luft.Som noget helt usædvanligt indeholder bekendtgørelsen krav om modellering, idet tilladelsetil afledning fra varmeindvindingsanlæg og grundvandskøleanlæg må kun gives, hvis det udfra en forud foretaget modellering vurderes, at1) den enkelte afledning i forbindelse med tidligere tilladte afledninger fra grundvandskøleanlægtil samme grundvandsmagasin ikke medfører en sådan opvarmning af grund-


vandsmagasinet, at grundvandstemperaturen i de bestående anlæg til vandindvindingtil brug for vandforsynings- eller grundvandskøleanlæg stiger med mere end 0,5 graderC, og2) grundvandsressourcen i områder med særlige drikkevandsinteresser, skal efter enperiode på 10 år efter driftsstop, være anvendelig til vandindvinding til brug for vandforsyning.Omfanget af denne modellering er erfaringsmæssigt meget forskellig. I områder uden OSDog vandindvinding er det hurtigt overstået, og i tilfælde, hvor anlæggene reverserer (skiftevisvarmer og køler), er det oftest ret uproblematisk.Blandt de vigtigste krav til anlæggene kan også nævnes, at ved afledning fra varmeindvindingsanlægtil nedsivningsanlæg eller via boring til grundvandsmagasinet må afløbstemperaturenikke være under 2 ºC gennemsnitligt over en måned, den må ikke overstige 25 ºC, oggennemsnitligt over en måned må afløbstemperaturen maksimalt ligge på 20 ºC. Temperaturkraveneskal sikre, at der ikke opstår for gunstige vækstvilkår for mikroorganismer i grundvandsmagasinet,og at vandet i nedstrøms vandforsyningsanlæg ikke bliver for koldt til atvandbehandlingen fungerer.JORDVARMEANLÆGNår der kræves tilladelse til jordvarmeanlæg, er det først og fremmest, fordi myndighederneønsker at sikre, at der ikke sker forurening af jord og grundvand med de stoffer, der bruges tilat 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 eruønskede i jord og grundvand.Jordvarmeanlæg har eksisteret i Danmark siden 1970'erne, og der er kun registreret megetfå tilfælde, hvor væsken er sluppet ud af slangerne – og udelukkende i forbindelse med gravearbejdeeller tilsvarende. Formålet med reglerne er altså dels at anlæggene skal væreholdbare og tætte, dels at alle er informeret om at jordvarmeslangerne ligger der, og at detbliver husket i forbindelse med anlægsarbejder – og at der bliver reageret hensigtsmæssigt,når uheldet er ude.AnlægstyperJordvarmeanlæg kan i princippet være både varme- og køleanlæg, ligesom grundvandsanlæggene,men langt de fleste anlæg anvendes kun til opvarmning. Specielt når det gælderanlæg til enfamilieshuse, er varmeslange anlæg, hvor slangerne lægges i 0,6-1 meters dybdemeget 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


• vandrette anlæg (varmeslanger i jord) og lodrette anlæg (jordvarmeboringer)• den anvendte væske i slangerneVandrette/lodrette anlægBåde vandrette og lodrette jordvarmeanlæg kræver tilladelse efter bekendtgørelse nr. 1019af 25. oktober 2009 om jordvarmeanlæg (jordvarmebekendtgørelsen), men der er anført forskelligetekniske krav for de to typer af anlæg. Når der etableres lodrette anlæg, kræver boringernetilladelse efter bekendtgørelse nr. 1000 af 26. juli 2007 om udførelse og sløjfning afboringer 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 væskeNormalt er det nødvendigt at frostsikre væsken i jordvarmeslangerne, uanset om der er taleom 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 medføreen forurening af jord og evt. grundvand, og det er årsagen til, at anlæggene kræver tilladelseefter miljøbeskyttelsesloven.I visse typer af anlæg er det ikke nødvendigt at frostsikre væsken i jordvarmeslangerne, ogder anvendes så ganske almindeligt postevand. Det indebærer ikke nogen risiko for forureningaf 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, derbruges 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 ikkebindes til jord og grundvand, men anlæggene er omfattet af jordvarmebekendtgørelsen ogkræver derfor tilladelse. Afstandskravene er dog mindre end for andre anlæg.AfstandskravEn 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 forurenedet, men at give myndigheder og andre tid til at reagere og fjerne forureningen indenden 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 eventuellækage bliver opdaget med det samme. Derfor stilles krav om overvågning af anlægget,jf. næste afsnit.Afstandskravene til vandindvindingsanlæg er vist i nedenstående tabel.


Tabel 1 Afstandskrav for jordvarmeanlægAnlægstypeAlmen vandforsyningIkke almenvandforsyningAfstandskrav andenvandforsyningHorisontalt anlæg med brine 50 m 50 m 5 mVertikalt anlæg (boring) 300 m 300 m 50 mHorisontalt anlæg med direktefordampning10 m 5 m -Definitionerne af almene og ikke almene vandforsyningsanlæg er som i vandforsyningsloven:• Alment vandforsyningsanlæg: Vandforsyningsanlæg, som forsyner eller har til formålat forsyne ti eller flere ejendomme med drikkevand.• Ikke-alment vandforsyningsanlæg: Vandforsyningsanlæg, der forsyner højst ni ejendommemed 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 vertikaleanlæg skal være mindst 20 meter. Dette skyldes risikoen for, at jorden omkring jordvarmeboringerfryser til, så anlægget ikke længere fungerer. I et borehulslager, som skiftevis varmesop og køles ned, er dette dog ikke noget problem.Krav til anlæggene og deres driftJordvarmebekendtgørelsens kapitel 4 indeholder en del tekniske krav til jordvarmeanlæg,som skal sikre, at anlæggene er holdbare og ikke giver anledning til forurening. Der stilleskrav 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 medbekendtgørelsens krav, så det sikres, at anlæggets ejer og installatøren er bekendt med dekrav der stilles til jordvarmeanlæg.Bekendtgørelsen har desuden en bestemmelse om, at den ikke til hinder for, at kommunalbestyrelsenefter 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.


Endelig er der krav om trykovervågning og årligt tilsyn. Formålet med dette er at sikre, at detbliver opdaget, hvis anlægget er utæt, eller der er driftsproblemer. Trykovervågningen er såfølsom, at der kun skal ganske små udslip til – måske 1-2 liter væske – før anlægget lukkesned.Under normal drift er varmeslangernes levetid meget lang, da plastmaterialer primært ældesaf lys, varme og mekanisk påvirkning – og ingen af disse forekommer i de jordlag, varmeslangernormalt lægges i. I praksis kender vi ikke levetiden for varmeslangerne, men ifølgeplastspecialister vil det første tegn på ælde være, at slangen giver sig lidt, hvilket vil føre til atvoluminet øges – og trykket i anlægget falder. Sådanne umotiverede trykfald, som altså ikkeskyldes lækage, kan være første tegn på, at slangerne er ved at være for gamle.OVERSIGT OVER LOVE OG REGLERVandforsyningsloven: Lovbekendtgørelse nr. 635 af 7. juni 2010 af lov om vandforsyningm.v.Miljøbeskyttelsesloven: Lovbekendtgørelse nr. 879 af 26. juni 2010 om miljøbeskyttelseBekendtgørelse nr. 1206 af 24. november 2006 om varmeindvindingsanlæg oggrundvandskøleanlæg.Boringsbekendtgørelsen: Bekendtgørelse nr. 1000 af 26. juli 2007 om udførelse og sløjfningaf boringer og brønde på landJordvarmebekendtgørelsen: Bekendtgørelse nr. 1019 af 25. oktober 2009 om jordvarmeanlægGældende regler kan altid findes på http://www.retsinformation.dk.LITTERATURHENVISNING/1/ Villumsen, Bente. Miljøprojekt nr. 1238. Jordvarmeanlæg. Teknologier og risiko forjord- og grundvandsforurening. Miljøstyrelsen, 2008./2/ http://www.mst.dk/Virksomhed_og_myndighed/Industri/Brancheinitiativer/Jordvarme/


VISIONER OG ØNSKER FOR DEN FREMTIDIGEFORVALTNING AF ANLÆG FORGRUNDVANDSBASERET KØLING,OPVARMNING OG ATESCivilingeniør, ph.d. Stig Niemi Sørensen, Enopsol ApSUndergrunden som termisk ressourceMøde 25. maj 2011


RESUMÉOvergangen til det fossil-frie samfund vil kræve store lagre for termisk energi. De terrænnæregrundvandsmagasiner er allerede attraktive som sæsonlagre for lavtemperatur varme ogkulde. Den nugældende bekendtgørelse, der regulerer udnyttelsen af grundvandsmagasinersom kilde for køling og opvarmning, er imidlertid ikke tidssvarenede, da den ikke tager højdefor alle de anlægstyper, der anvendes i dag.Artiklen vil gennemgå de aktuelle anlægstyper og angive ønsker til ændringer af den gældendebekendtgørelse.BAGGRUNDGrundvandsbaserede varmepumpeanlæg blev populære i Danmark i begyndelsen af1980érne efter de to energikriser (1973 og 1979), hvor forsyningen med olie fra de arabiskelande var truet, og råolieprisen var stærkt stigende. Egenproduktionen fra de danske olie- ognaturgasfelter 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 daværendeamter kunne behandle det stigende antal ansøgninger. På det tidspunkt var det overvejendeaf interesse at trække varme ud af de terrænnære grundvandsmagasiner til brug for bygningsopvarmningved hjælp af varmepumper. Herved kunne der spares dyr fyringsolie, ogman 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 rigeligeforsyninger med billige kul, hvilket gav stabile elpriser. Oliepriserne faldt imidlertid kraftigt fraslutningen af 1985 og interessen for at etablere nye grundvands-baserede varmepumpeanlægfaldt samtidigt. Stigende elpriser og udfasningen af de ozon-nedbrydende kølemidler i1990éne øgede interessen for at erstatte de stærkt elforbrugende kølekompressoranlægmed grundvandskøleanlæg, hvorved man kunne spare 90% på elregningen til køling af proceskølevandi industrien. Grundvandsmagasiner kunne også bruges til dette formål, idet dernu blev tilført varme isf. kulde. Med udgangen af 2006 i forbindelse med nedlægningen afamterne, udsendte Miljøministeriet ”Bekendtgørelse om varmeindvindingsanlæg og grundvandskøleanlæg”,bekendtgørelse 1206 af 24. november 2006. Bekendtgørelsen trådte ikraft den 1. januar 2007 og ophæves automatisk den 1. januar 2012, medmindre andet bestemmesinden denne dato, jf. Justitsministeriets skrivelse af 28. februar 2002 om en forsøgsordningom 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 atanvende grundvandsmagasiner som kombinerede lagre for både kulde og varme til integreretopvarmning og afkøling af bygninger og processer i de såkaldte ATES-anlæg (ATES stårfor Aquifer Thermal Energy Storage) med termisk balance af det anvendte grundvandsmagasin.Samtidigt med en stor energibesparelse kan man med disse systemer helt undgå anvendelsenaf fossile brændsler.


FORMÅLIndlæggets formål er at give et overblik over ønsker, der er til revisionen af den nugældendebekendtgørelse om varmeindvindingsanlæg og grundvandskøleanlæg.ANLÆGSUDFORMNINGERGrundvandskøleanlægI sin mest enkle udformning består et grundvandskøleanlæg af en boring til indvinding afgrundvand og en boring til returledning af grundvand (figur 1). Grundvandet pumpes fra indvindingsboringenved ca. 9 o C i et lukket rørsystem gennem en eller flere varmevekslere, hvorgrundvandet opvarmes til maks. 25 o C, inden det tilbageføres til grundvandsmagasinet gennemreturledningsboringen eller reinfiltrationsboringen. Der sker således ikke noget forbrugaf grundvand, kun en opvarmning af vandet. Varmen afsættes i den struktur i undergrunden(sand eller kalk), som grundvandet gennemløber under reinfiltrationen. Varmen afgives medtiden til jordoverfladen ved varmeledning.Figur 1. Grundvandskøleanlæg med reinfiltration for køling af ventilationsluft og processer.VarmeindvindingsanlægI sin mest enkle udformning består et grundvandsbaseret varmeindvindingsanlæg af en boringtil indvinding af grundvand og en boring til returledning af grundvand (figur 2). Grundvandetpumpes fra indvindingsboringen ved ca. 9 o C i et lukket rørsystem gennem en eller


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


VISIONER OG ØNSKERFor at være tidssvarende ønskes bekendtgørelsens område udvidet til også at dække ATESanlægmed termisk balancering af grundvandsmagasinet.Den tilladte afledningstemperatur bør hæves med 10 o C. Dette begrundes med ønsket om atopnå større energibesparelser ved mindre grundvandscirkulation. En højere tilladt afledningstemperaturkan evt. kombineres med kravet om termisk balancering af grundvandsmagasinetinden for fx 3 år.Der bør suppleres med et krav om, at anlægget skal være påbygget en anordning til vacuumbrydning/trykholdningunder reinfiltration for at minimere risikoen for luftindtrægningunder 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 tilat 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 andenundervisning.KONKLUSION OG PERSPEKTIVERINGDen nugældende bekendtgørelse om varmeindvindingsanlæg og grundvandskøleanlægtrænger til en mindre opdatering, hvad angår de tekniske krav til indretningen af anlæggene.Bekendtgørelsen bør udvides, således at den medtager ATES-anlæg med termisk balanceringaf 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 enddet gældende niveau, for at opnå en større energibesparelse, mindre grundvandscirkulationog lavere investeringsomfang med færre boringer.REFERENCER/1/ ”Bekendtgørelse om afledning af afkølet vand fra varmeindvindingsanlæg”, bekendtgørelsenr. 450 af 21. august/2/ ”Bekendtgørelse om varmeindvindingsanlæg oggrundvandskøleanlæg”, bekendtgørelse 1206 af 24. november 2006.

More magazines by this user
Similar magazines