Tester ut energibrønner i kvikkleire

Utfordrende grunnforhold med kvikkleire gjør at tradisjonelle energibrønner ikke kan etableres på grunn av områdestabilitet og setningspotensial. Fagekspertise ser nå nærmere på hvordan dette kan løses.

Av Odd Borgestrand

Når en ny studentby i Trondheim nå skal etableres, ønsker likevel Studentsamskipnaden i Gjøvik, Ålesund og Trondheim å hente ut varme fra grunnfjellet i et kvikkleireområde i Nardovegen. Dette som et ledd i arbeidet med å lage fremtidsrettede og bærekraftige energiløsninger for studentbyen.

Viktig initiativ

Testboring og undersøkelse av ulike isolasjonsmetoder for å hindre oppvarming av leire og løsmasser i bakken kan få stor betydning for adgangen til å bruke slike miljøvennlige løsninger også andre steder både i Trondheim og i resten av landet.
– Uten aktører som Sit, som tar denne type utfordring med den kostnad og risiko det har, får vi ikke fram nye fremtidsrettede energiløsninger. Det er derfor all grunn til å gi Sit honnør for dette initiativet. Den nye studentbyen i Trondheim skal etableres i Nardovegen 12-14. Energibrønnene etableres i fjell, men her er det mye sand og leire over fjellet, sier Åge Dyb Hagerup, geotekniker i Multiconsult.

Vellykket testboring

– Det må derfor bores foringsrør for energibrønnene gjennom disse massene, og med eksisterende teknologi for energibrønner, avkjøles og varmes disse løsmassene opp, noe som kan føre til endring i grunnen. Dette kan være kritisk i områder med kvikkleire, der en temperaturendring i verste fall kan føre til at leira blir ustabil. Samtidig ligger mange sentrale tomter i Trondheim på kvikkleire, og det er absolutt et behov for å undersøke muligheten for etablering av energibrønner også på disse stedene, sier Åge Dyb Hagerup.
Det er gjennomført testboring av en brønn, og ulike isolasjonsmetoder er gjennomført. Målet var å prøve ut forskjellige isolasjonsteknikker som skal redusere temperaturendringen i leira.
– Flere av løsningene som kan benyttes er ikke utført tidligere, og det har vært mange diskusjoner mellom entreprenør og konsulent i forkant, forteller Randi Kalskin Ramstad, rådgiver grunnvarme hos Asplan Viak.

Omfattende rapport

– Dialogen har vært god og vi har kommet fram til løsninger vi har god tro på, og som i tillegg lar seg gjennomføre i praksis, legger Ramstad til.
Testarbeidet ble utført av grunnvarmeeksperter i Asplan Viak, som også har involvert master- og PhD-studenter fra NTNU i gjennomføring og analyse av resultatene. Nå foreligger en omfattende rapport fra testboringen som VVS aktuelt har fått tilgang til. Her har Enova bidratt med midler til utredningsarbeidet.
– Asplan Viak har med denne utredningen som underlag gjennomført testene av isolasjonsevne, mens Multiconsult er geoteknisk konsulent og Båsum Boring AS utførte boringen av testbrønnen og monteringen av isolasjonsløsningene, opplyser Randi Kalskin Ramstad.

Termisk responstest

Utfordrende grunnforhold med kvikkleire gjør at tradisjonelle energibrønner ikke kan etableres på grunn av områdestabilitet og setningspotensial. Utredningsarbeidet har derfor også omfattet testboring med testing av to ulike isolasjonsløsninger av energibrønnens løsmassedel mot leirmassene. Test av henholdsvis isolert ytre rør (fjernvarmerør montert vertikalt i energibrønnen), og isolert kollektorslange har blitt utført og testet samtidig med gjennomføringen av en termisk responstest. Isolasjonsevnen er dokumentert med bruk av avanserte temperaturmålinger med fiberoptisk kabel. Innovasjon, utvikling, design og prosjektering av de to isolasjonsløsningene har vært et samarbeid mellom Asplan Viak, som har stått for faglig ledelse og koordinering, Multiconsult har bidratt med sin ekspertise innen geoteknikk, mens Båsum Boring AS har stått for selve boringen.

Flere master- og PhD-prosjekter

Mouvitech AS ble valgt som leverandør av kollektor. Sit tok initiativ til testboringene som et supplement til en Enova-støttet konseptutredning. Data fra testene vil inngå i flere master- og PhD-prosjekter ved NTNU, institutt for geovitenskap og petroleum og bygg og miljøteknikk. Isolasjonsløsningen for energibrønner med isolert ytre rør mot leire var vellykket. Det ble ikke registrert temperaturøkning utenfor isolasjonen ved kontinuerlig tilførsel av ca. 11 kW varme i tre døgn til brønnen. Temperaturen i kollektoren og grunnvannet i brønnen var opp mot 15-16 C. Derfor anbefales det å gå videre med denne løsningen i Nardovegen 12-14. Isolering mot leire med bruk av fjernvarmerør kan brukes for trygg etablering av energibrønner i andre områder med kvikkleire.

Bildet viser faststøping av borehullet, der betongen kommer opp til overflaten, noe som viser at støpen er ferdig.Foto: Asplan Viak.

Videre testing anbefales

Et annet bruksområde vil være å unngå tining av permafrost ved etablering av energibrønner i områder med permafrost, for eksempel i Longyearbyen på Svalbard, der Båsum Boring har vært engasjert i flere omganger. Isolasjonsevnen til isolert kollektor (Ø50 utenpå Ø40 mm) ble ikke dokumentert på grunn av testens utforming. Det anbefales derfor å teste løsningen med isolert kollektor videre i andre prosjekter.
«Termisk responstest viser at de termiske egenskapene til berggrunnen er som forventet og godt egnet for å etablere en brønnpark», heter det i rapporten.

«Foreløpig dimensjonering med programvaren Earth Energy Designer (EED) viser at det estimerte varmebehovet på ca. 1 GWh/år kan dekkes av 20 brønner á 350 meter dybde eller 13 brønner á 500 meter dybde. Det er også regnet på en brønnpark som dekker 80 prosent av varmebehovet med 11 brønner á 500 meter dybde. Varmebehovet er estimert med utgangspunkt i erfaringsdata fra studentbyen på Moholt 50 | 50. Beregningene er kun foreløpige og må ikke brukes som endelig dimensjonering», heter det videre i rapporten.

Foreløpige priser innhentet

Det anbefales å gå videre med isolert ytre rør mot leire, og energibrønner som er ca. 500-550 meter dype. Denne løsningen er minst arealkrevende, og ekstrakostnader til isolering mot leire eller kvikkleire blir lavest mulig Dette viser også innhentet tilbud fra brønnborer. Rør-, grøftekostnader og samlekum blir lavest med færrest mulig brønner.
Kostnader for et varmepumpeanlegg med en varmepumpe på ca. 230 kW er ca. 1,35 millioner kroner, med en forventet nedbetalingstid på grunnvarmeanlegget er ca. 5-10 år avhengig av prisen på alternativ varmeleveranse, enten fjernvarme eller strøm. Vurderingene knyttet til sesongvarmelager er at det blir for kostbart med tanke på relativt høye enhetskostnader per brønn for isolering mot leire, og behov for mange relativt korte brønner. Videre er temperaturnivået på tappevann for høyt til at det kan leveres direkte fra et sesongvarmelager av denne størrelsen, slår ekspertene fast.

Videre arbeid

For prosjektering av brønnpark trengs det et detaljert energibudsjett, med blant annet erfaringstall fra Moholt 50 | 50, samt å inkludere eventuelle andre varme- og kjøleformål.
– På et generelt og overordnet nivå anbefales det at det jobbes videre med problematikken knyttet til temperaturendringer i leire og kvikkleire, og hvordan dette kan håndteres på en trygg og kostnadseffektiv måte ved etablering og drift av energibrønner. Foreslåtte aktiviteter omfatter både forskning og utvikling, forteller grunnvarmeeksperten i Asplan Viak. Randi Kalskin Ramstad.
Hun mener det er viktig å forstå hvordan temperaturendringer i kvikkleire og leire påvirker styrken og stabiliteten. Dette inkluderer også oppvarming av leire og kvikkleire til opp mot 90C. Hun mener derfor det er viktig å videreutvikle metoder for å omgå problemet, og videreutvikle og kostnadsoptimalisere teknologien utviklet for Nardovegen 12-14 med isolering mot kvikkleire.
– I et videre forskningsarbeid kan man tilegne seg kunnskap for å forstå leira sin stabilitet ved nedkjøling / fryse- tineprosesser, og utvikle sikre driftsrutiner for drift av energibrønnene uten at setningsskader oppstår, sier hun til slutt.

Prinsippet bak geoenergisystemet:

• En bergvarmepumpe fungerer etter samme prinsipp som et kjøleskap. Målet er å flytte varme fra skapet til luften rundt skapet. Varmepumpen overfører varme fra berggrunnen til bygningen, der varmen brukes til oppvarming av tappevann og til vannbårne varmesystemer. Varmepumpen består av en fordamper, en elektrisk kompressor, en kondensator og en ekspansjonsventil. Systemets funksjon bygger på et kuldemedium som sirkulerer i varmepumpen.

• Fordamperen i varmepumpen er koblet til energibrønnen. Kuldebærervæsken pumpes opp gjennom et rør fra energibrønnen til fordamperen, der den varmer opp kuldemediet som fordamper. Deretter komprimeres dampen til riktig trykk og temperatur i kompressoren. Så omdannes dampen til væske i kondensatoren, der den avgir varme til tappevannet og varmefordelingssystemet.

• Fra kondensatoren pumpes kuldemediet til ekspansjonsventilen, der trykket og temperaturen på kuldemediet senkes, og deretter tilbake til fordamperen. Funksjonen til bergvarmepumpen bygger på denne kontinuerlige, lukkede sirkulasjonsprosessen.