Termisk Energilager i Trondheim

Transkript

1 Termisk Energilager i Trondheim Mulighet for bruk av sesongbasert lagring av termisk energi for optimal utnyttelse av energikildene i Trondheims fjernvarmenett Eksperter i Team Våren 2002 Landsby ved Institutt for geologi og bergteknikk Fornybar termisk energi fra jordskorpen. Produksjon, lagring og anvendelser Gruppe 3

2 Forord Dette prosjektet er utført som en del av faget Eksperter i team ved NTNU våren Tanken bak Eksperter i team er at studentene skal bli bedre forberedt på hva som møter ferdigutdannede sivilingeniører i arbeidslivet. Faget er derfor rent prosjektorientert der studenter med forskjellig bakgrunn blir satt sammen for å lage et prosjekt. Studentene i dette prosjektet studerer Ingeniørgeologi ved Institutt for Geologi og Bergteknikk, Petroleumsteknologi og Petroleumsgeologi ved Institutt for Anvendt Geofysikk og Petroleumsteknologi, Industrielle datasystemer ved Teknisk Kybernetikk og Energibruk på Energi og Miljø. Å møte studenter med forskjellig bakgrunn som ser problemstillinger fra ulike vinkler, har vist seg å være en interessant og lærerik erfaring. Prosjektet hadde ikke vært mulig å gjennomføre uten eksterne støttespillere. Derfor rettes en stor takk til: - Kirsti Midttømme ved NGU - Bente Storeng ved Trondheim Energiverk, Fjernvarme - Kai Nielsen, professor ved Institutt for geologi og bergteknikk, NTNU - Einar Broch, professor ved Institutt for geologi og bergteknikk, NTNU - Eivind Grøv, ansatt i O. T. Blindheim - Bjørn Nielsen, professor ved Institutt for geologi og bergteknikk, NTNU - Ellingson i Trondheim Kommune - Bo Nordell ved Luleå Tekniske Universitet. Gruppas medlemmer er: Svein Gunnar Hjorteset som studerer Industrielle datasystemer på Kybernetikk Espen Rødseth Hansen som studerer Petroleums geologi, Seismikk Ingun Rueslåtten som studerer Petroleumsteknologi på linja for Reservoarteknikk. Tormod Spangelo som studerer Energibruk på Energi og Miljø Arild Gjerde som studerer Ingeniørgeologi ved Institutt for Geologi og Bergteknikk 1

3 Sammendrag I Trondheim blir det i sommerhalvåret produsert mye energi som ikke utnyttes. Dette er termisk energi som oppstår som et biprodukt ved forbrenning av avfall og produksjon av ferrosilisium. Denne energien blir i vinterhalvåret utnyttet i fjernvarmenettet, men om sommeren er det bare behov for deler av denne energien i nettet. I dette prosjektet blir det derfor sett på muligheten for å lagre overskuddsenergien om sommeren til bruk om vinteren. Dette kalles sesongbasert lagring av termisk energi. Det er gjort lite forskning på slike metoder i Norge, men i utlandet har det blitt gjort og gjøres det mye forskning på dette. I utlandet er det også realisert flere prosjekter som er i bruk. Til å begynne med i rapporten er det gjort et litteraturstudie for å undersøke hvilke alternative lagringsmetoder som eksisterer, hvilke metoder som er realisert og hvilke erfaringer som eventuelt er gjort på grunnlag av disse realiseringene. Deretter følger beregninger av hvor store mengder termisk energi som er tilgjengelig for lagring om sommeren og en vurdering av mulighetene for å realisere de forskjellige metodene i Trondheim, i tilknytning til fjernvarmenettet. Noe manglende geologiske data ble et hinder for å kunne trekke klare konklusjoner i denne delen av rapporten. Uten de nødvendige geologiske data ble det ikke mulig å beregne varmetap og konstruksjonskostnader for de ulike lagertypene. Økonomiske betraktninger ble derfor kun gjort på et generelt grunnlag, med ett unntak. Ønsket om å undersøke om driving av en fjellhall kunne la seg kombinere med salg av massene slik at hallen betalte seg selv fristet til å forsøke å lage en kostnadsberegning. Det viste seg at tallene ble usikre da det er vanskelig å si noe generelt om kostnadene tilknyttet et slikt anlegg fordi det egentlig er nødvendig å vurdere hvert slikt anlegg hver for seg på den aktuelle lokaliseringen. På grunnlag av den informasjon som var tilgjengelig, ble det likevel funnet noen forslag til plassering av de ulike lagertypene. Ved enkelte av metodene er det konkludert med at spesifikke plasseringer ser lovende ut, og her bør det gjøres nærmere undersøkelser av grunnforholdene. Dette er tilfellet for lagring i akvifer, der Ekle- Tillerformasjonen blir sett på som et mulig alternativ. Borehullslagring i fjell er også en metode som skiller seg ut. Mulige plasseringer for denne lagertypen er sørlige deler av Byåsen og på Lade utover mot Østmarkneset. Det ble sett på en rekke andre lagertyper også. Flere av disse ble ikke foretrukket på grunn av at de passer bedre for lagring av mindre energimengder. Det var også noen lagertyper som ble utelukket fordi teknologien som trengs, foreløpig ikke er tilstrekkelig utviklet. Dette prosjektet kan bare sees på som et forstudium til videre arbeid. Innsamling av geologiske data på aktuelle lokaliseringer er nødvendig for å komme videre, og blant annet størrelsesorden på varmetap bør beregnes før økonomiske betraktninger kan brukes som beslutningsgrunnlag. 2

4 Innholdsfortegnelse 1 Innledning Oppgaveformulering Innhold Bakgrunn og motivasjon Teoridel Varmeovergang Varmekapasitet Varmepumpe Miljøkjerner Miljøkjernen Fyllmassen Generelt Vanntank Vanntank Temperaturdifferansen Varmegjennomgangstallet Overflate-volumforholdet Tetthet Isolasjon Eksisterende prosjekter Lagring av termisk energi i fjellhaller, CTES Utforming av fjellhaller Geologi og tekniske aspekter Erfaringer Andre prosjekter i Norden Akvifer, ATES (Aquifer Thermal Energy Storage) Definisjon Lagringsmetoder Generelt Borehullslagring i fjell (BTES) Geologiske faktorer Utforming Erfaringer og status Borehullslagring i Leire Utforming Endring i leiras materialparametrer på grunn av tilført varme Hoveddel Varmelagring av energi fra fjernvarmenettet i Trondheim Fjernvarmenettet

5 3.1.2 Energipotensiale Nødvendig volum Varmepumpe Lokalisering av varmelager Miljøkjerne Geografi/geologi/bebyggelse Delkonklusjon Vanntank Betongtank Damlager Plassering Mulige plasseringer Delkonklusjon Muligheter for lagring av termisk energi i fjellhaller i Trondheim Termisk lagring i eksisterende fjellanlegg Delkonklusjon Termisk lagring i nye fjellanlegg Delkonklusjon Akvifer, ATES Geografi/geologi Bebyggelse Delkonklusjon Muligheter for bruk av BTES i Trondheim Kriterier Lokalisering Delkonklusjon Borehullslagring i Leire Sammenfattende diskusjon Konklusjon Forslag til videre arbeid Referanseliste Vedleggsoversikt

6 1 Innledning 1.1 Oppgaveformulering Tema for landsbyen tilknyttet dette prosjektet er Fornybar termisk energi fra jordskorpen. Produksjon, lagring og anvendelser. Oppgavens problemstilling kunne velges fritt innenfor dette tema. Det var et mål for gruppa å ha en problemstilling som ikke var et rent litteraturstudie, men som kunne knyttes til noe mer håndfast. Derfor ble flere problemstillinger knyttet til forskjellige systemer og lokalisasjoner vurdert. Den endelige problemstillingen ble Mulighet for bruk av sesongbasert lagring av termisk energi for optimal utnyttelse av energikildene i Trondheims fjernvarmenett. Denne problemstillingen innebar at gruppemedlemmene måtte tilegne seg mye ny kunnskap, samtidig som vår tverrfaglige ståsted dannet et solid faglig fundament. 1.2 Innhold Problemstillingen var svært vidtfavnende og det var nødvendig å sette noen begrensninger. 5

7 I denne oppgaven har vi ikke lagt vekt på beregning av varmetap. Et estimat over varmetap krever innsamling av felt data og eksperimentelle forsøk. Med hensyn på tids- og økonomiske aspekt var dette helt uaktuelt. I arbeidet med å finne egnede lokaliteter for varmelageret har vi basert oss på tilgjengelige data. Det hadde også her vært ønskelig med innsamling av feltdata for å bedre kunne evaluere aktuelle lokaliteter. Det har likevel blitt utarbeidet forslag over eventuelle plasseringer av varmelageret. Oppgaven inneholder en grov økonomisk vurdering av de forskjellige lagringsmetodene. Dette er gjort fordi økonomien i et prosjekt alltid er avgjørende for et prosjekts gjennomføring. På grunn av at varmetapet ikke var kjent og at forholdene ved de aktuelle lokalitetene ikke er kjent i detalj, ble den økonomiske vurderingen svært usikker. Denne oppgaven er delt opp i tre hoveddeler. Oppgaven begynner med en teoridel, hvor alle lagermetoder samt teorien rundt varmepumpe blir beskrevet. Hoveddelen tar for seg mulighetene for bruk av de forskjellige lagringsmetodene i tilknytning til fjernvarmenettet i Trondheim. Oppgaven blir avsluttet med en diskusjon som oppsummerer hoveddelen og kommer med en konklusjon over hvilken eller hvilke lagringsmetoder som er best egnet i Trondheim. 1.3 Bakgrunn og motivasjon I etterkrigstiden har energiforbruket i Norge (og Verden forøvrig) steget for hvert år. Gjennom store deler av det siste århundre ble det i Norge bygget ut vannkraftverk for å møte dette økende behovet. Men tidlig på 90-tallet stoppet denne utviklingen opp og nå er det få vassdrag med stort potensiale igjen som kan bygges ut. For å unngå at fremtidig energibehov blir dekket av forurensende energikilder som kullkraft og gasskraft slik teknologien er i dag, melder behovet for å effektivisere eksisterende og mindre miljøskadelige energikilder seg. Gjennom Kyoto-avtalen har Norge forpliktet seg til å senke CO 2 -utslippene i forhold til dagens nivå innen 2010 samtidig som energibehovet stiger. Dette gir et behov for miljøvennlig energiproduksjon. Lagring og utnyttelse av overskuddsvarme er et godt eksempel på dette. Ved hjelp av varmelager utnytter en energi som allerede er produsert. Denne energien kan erstatte bruk av mer høyverdige energikilder som elektrisitet, olje og kull. Fjernvarmenettet i Trondheim bruker i tillegg til overskuddsvarme også el- og oljekjeler. Selv om disse er nødvendige til å ta topper i varmebehovet, er det mulighet for å erstatte noe av den olje- og elbaserte energien med lagret overskuddsvarme. I tillegg er det muligheter for å utvide fjernvarmenettet og dermed bidra til å møte det økende behovet for energi. 6

8 2 Teoridel 2.1 Varmeovergang Ved sesongbasert varmelagring er det viktig å minimalisere varmetapene. Varmetapet er gitt av formel 2.1 under: Q = AU ( ) formel 2.1 T T tap lager omg Q tap = varmetap fra energilager A = overflateareal U = varmegjennomgangstall T lager = temperatur i energilageret T omg = temperatur til energilagerets omgivelser For å redusere varmetapene er følgende tiltak mulige: - redusere temperaturdifferansen i forhold til omgivelsene ( ) T T. lager omg - øke varmegjennomgangsmotstanden ved tankens ytterkanter (minimalisere U). - redusere overflatearealet, A, i forhold til volumet ( overflateareal ). volum Temperaturdifferansen En måte å senke temperaturdifferansen på er å lagre energien ved en lavere temperatur. Problemet er at energikvaliteten synker i takt med lavere temperatur, se formel 2.2 under, og utnyttingen av energien blir derfor vanskeligere. Lavere temperatur fører i første rekke til behov for større varmevekslerareal ved varmeveksling. Det er mulig å bruke en varmepumpe for å øke temperaturen, men denne bruker elektrisk energi og øker investeringskostnadene. Varmepumpens virkningsgrad blir dessuten større ved lavere temperaturheving, slik at lagerets temperatur bør være så høy som mulig [6]. Dessuten krever et lager med lav temperatur større volum enn et lager med høy temperatur, for å kunne lagre samme mengde energi. Ek = T lager T T lager Ek = energikvalitet omgivelse formel 2.2 Varmegjennomgangstallet Det er to forhold som spiller inn på verdien av varmegjennomgangstallet: Konvektiv eller konduktiv varmestrøm er det ene forholdet og materialenes varmegjennomgangsmotstand i 7

9 ytterkantene på energilageret er det andre. Ved konduktiv varmeleding, konduksjon, foregår varmetransporten mellom faste stoffer som ikke beveger seg. Ved konvektiv varmeleding, konveksjon, foregår varmetransporten mellom et fluid og et fast stoff. Fluidet vil bevege seg når temperaturen i fluidet forandres. Dette kommer av at det spesifikke volumet forandrer seg og skaper oppdrift. Dette kalles naturlig konveksjon. Ved tvungen konveksjon øker varmeoverføringen ytterligere. Tvungen konveksjon blir drevet av ytre drivkrefter som setter fluidet i bevegelse, i tillegg til naturlig oppdrift. Denne ytre drivkraften kan for eksempel være en vifte, pumpe eller vind, og er dominerende i forhold til naturlige drivkrefter. Varmeledningsmotstanden til et medium sier hvor godt mediet leder varme. Denne verdien oppgis i mk/w. U-verdien, varmegjennomgangstallet i likning 2.1, har benevning W/m 2 K. Det vil si at u-verdien er omvendt proporsjonal med tykkelsen på materialet og materialets varmeledningsmotstand, se formel 2.3 under, forutsatt at varmetransporten er konduktiv. 1 U = formel 2.3 R l U = varmegjennomgangstall R = varmeledningsmotstand/varmegjennomgangsmotstand l = lengde i materialet, parallelt med varmestrøm Varmegjennomgangsmotstanden til de forskjellige lagvise materialene i et energilagers ytterkanter kan summeres, og total u-verdi regnes ut etter formel 2.3, der R da er total varmegjennomgangsmotstand. Dersom yttersiden til lageret grenser mot et fluid, må det også beregnes en varmegjennomgangsmotstand basert på konvektiv varmetransport. Denne varmegjennomgangsmotstanden summeres til ytterkantenes materialmotstander som om det var ren konduktiv varmetransport. Dermed kan ytterkantens u-verdi beregnes etter formel 2.3. Ved konvektiv varmeoverføring vil varmegjennomgangsmotstanden bli større med blant annet lavere hastighet på fluidet og laminær istedenfor turbulent strømning Varmekapasitet Varmekapasitet sier hvor mye energi et stoff inneholder per volum- og temperaturenhet. Dersom energilageret består av materialer med høy varmekapasitet, reduseres nødvendig volum, og dermed også nødvendig overflate på lageret. Formel 2.1 viser at det totale varmetapet fra lageret dermed reduseres. 2.2 Varmepumpe Siden varmepumper kan øke effektiviteten på utnyttelsen av et termisk energilager, er det gjort kort rede for hvordan en slik innretning fungerer [11]. Følgende kapittel tar derfor for seg dette tema i all enkelhet. 8

10 Poenget med en varmepumpe er å øke temperaturen på en lavtemperatur energimengde. Dette gjøres ved å tilføre høyverdig energi (elektrisk eller mekanisk). Den høyverdige energien brukes til å forandre trykket på arbeidsmediet i varmepumpen, og på denne måten forandre fordampnings- og kondenseringstemperaturen. Varmepumpen består av fire hovedfaser. Dette er: 1: Fordamping 2: Komprimering 3: Kondensering 4: Trykksenking Figur 1. Varmepumpen inneholder et arbeidsmedium som går gjennom de fire hovedfasene. Det er nødvendig at arbeidsmediet fordamper ved lav temperatur og dermed blir tilført energi. Fordampingen (1) skjer ved lavtemperaturkildens temperatur. Arbeidsmediet går da over i gassfase. I kompressoren (2) økes trykket, og dermed økes også kondenseringstemperaturen. På grunn av økt kondenseringstemperatur blir varme avgitt ved en høy temperatur i kondensatoren (3). Den kondenserte væska går så videre gjennom en strupeventil hvor trykket senkes til det opprinnelige nivået i punkt 1, og slik fortsetter prosessen sitt kretsløp. Effektfaktoren til varmepumpen defineres som mengden energi med høy temperatur i punkt 5 på figur 1, dividert med høyverdig energi som tilføres kompressoren i punkt 2 på figuren. Denne verdien kan være i størrelsesorden 2 til 7. Hvor stor temperaturhevingen er i varmepumpen, er veldig avgjørende for effektfaktoren, se figur 2 under. Effektfaktoren avtar med økende temperaturheving. Driften er også veldig avgjørende. Dersom varmepumpen går for fullt hele tiden oppnås en høyere effektfaktor enn om varmepumpen bare jobber på halv effekt. [6] 9

11 Figur Miljøkjerner Miljøkjernen I korte ord er en miljøkjerne en alternativ lagringsplass for termisk energi. Man kan se på den som et stort oppladbart batteri, men isteden for å lagre strøm lagrer den altså varme. Miljøkjernen er primært tenkt å bli plassert under bakken og den bør ligge i nærheten av bygget den skal tilføre varme. Størrelsen kan varieres, og bestemmes av hvilken energimengde den skal lagre. Fasongen er ofte rektangulær [3]. Da denne tanken skal brukes til å lagre varme er det viktig å isolere vegger og tak godt. Det er også nødvendig å sørge for at den er helt tett. Det er ikke blitt forsket i særlig høy grad på hvordan miljømassen reagerer på fukt, men at den kan være grobunn for bakterier og sopp er nok temmelig sikkert. Arbeidet å grave ut og lage en slik tank vil derfor være ganske kostbart. Et forslag på hvordan rammeverket i en slik konstruksjon kan være vises i figur 3. 10

12 Figur 3. Forslag til rammeverk i miljøkjerne [3] Fyllmassen Som innhold i denne rektangulære tanken har man tenkt å bruke diverse deponeringmaterialer. Det stilles krav til dette materialet. Fasongen og størrelsen er det mest kritiske, diameteren kan være fra 1,5-3,0 cm [4]. I snitt bør hele massen bestå av kuleformede klumper. Dette kan være betong fra et bygg som er revet eller det kan være steinmasse fra gruvedrift. Poenget er at man benytter seg av masse som ellers ville ha vært et problem å få deponert, derav navnet miljøkjerne. Dette var nok et av hovedargumentene for å utvikle et slikt alternativ. I den senere tid har det til tross denne motivatoren vist seg at disse kjernene fungerer såpass tilfredsstillende at man kan lage dem uten å ha tilgang på deponeringsmateriale fra rivningsprosjekter. Da må man eventuelt kontakte firmaer som man kan kjøpe fyllmasse av. Egenskapene til deponeringsmaterialer blir i denne sammenhengen ikke i så stor grad vektlagt. Får man tilbud om noe så tar man det man får. Prisen er ofte så lav at dette ikke byr på problemer. Men for de totale ytelsene til en miljøkjerne vil nok varmekapasitet og ledningsevne være innvirkende. Tabellen nedenfor viser egenskapene til forskjellige aktuelle fyllmasser samt diverse andre bergarter [5]. Varmeledningsevne Varmekapasitet W / m 0 C kwh / m C ,2 0,4 0,6 0,8 1,0 3 0 Sand / Grus Morene Granitt Sandstein 11

13 Kalkstein Tegl Betong Grønnstein Leire Tabell 1, basert på Smeby og Kobberstads Tekniske Regnetabeller [5] For å transportere varmen inn og ut av kjernen blir det brukt luft [3]. Derfor er det viktig at massen luften strømmer gjennom både er porøs og permeabel. Dette oppnås hvis man følger kravene beskrevet ovenfor, og ofte er det nødvendig at deponeringsmassen behandles før det benyttes i miljøkjerner. I den senere tid har det blitt vanlig å benytte små mobile knuseverk som behandler massen på rivningsplassen [4]. Ulempen med disse er at de støyer og støver en del, og derfor kan det være til sjenanse i bybildet. Alternativt må man sørge for transport til nødvendige installasjoner, men dette er meget ulønnsomt Generelt Generelt består en slik miljøkjerne av et vifteanlegg som sirkulerer luft gjennom kjernen, denne er videre koblet til byggets totale lufteanlegg. Er det varme man ønsker å lagre, sirkuleres det varm luft gjennom miljøkjernen og energi tilføres massen. Kjernen klarer så å holde på denne varmen over en viss periode på grunn av lagringsmediets termiske treghet og isolasjonsevnen til bakken. Ønsker man å bruke varmen som er lagret, startes viften og luften som kommer ut av lufteanlegget i det aktuelle bygget vil være både varm og frisk. Er det ønskelig å bruke anlegget til kjøling om sommeren byr ikke det på store vanskeligheter. Da er det bare å lagre kulde i løpet av kalde perioder, som for eksempel natten. Kulden hentes ut igjen når det senere måtte ønskes. 2.4 Vanntank Vanntank Konseptet med bruk av vanntanker som termiske energilagre er i utgangspunktet veldig enkelt. Vann eller en blanding av vann og grus, innkapsles og isoleres fra omgivelsene. Energien hentes ut igjen enten ved direkte å tappe det varme vannet ut eller indirekte ved å varmeveksle det med et medium som går i en lukket krets ned i tanken og opp igjen. Landingsprosedyren foregår på samme måte, enten direkte ved å fylle varmt vann rett ned i tanken eller indirekte ved å la et varmt medium i en lukket krets varmeveksle med blandingen i tanken. 12

14 2.4.2 Temperaturdifferansen Varmetapet fra energilageret kan reduseres ved å redusere temperaturforskjellen til omgivelsene, se formel 2.1. Ved å grave tanken ned i bakken vil massene rundt tanken være i ro, og bli varmet opp etter hvert som varme overføres fra tanken. Da øker temperaturen i disse massene, og varmestrømmen avtar på grunn av lavere temperaturdifferanse. Hvis tanken er omgitt av luft, vil luften som blir varmet opp, bli transportert bort av vind og andre luftstrømmer. Ny kald luft sørger da for en konstant varmestrøm ut av tanken. Ved å grave ned tanken vil altså konduksjon dominere varmetransporten istedenfor konveksjon, som er en mye mer effektiv metode for varmetransport Varmegjennomgangstallet Ved å grave ned tanken, oppnår man altså konduktiv istedenfor konvektiv varmetransport, dermed er allerede varmegjennomgangstallet, u-verdien, redusert. Ytligere reduksjon av u- verdien oppnås ved å øke varmeledningsmotstanden rundt tanken, isolering. Det er mulig å isolere tanken på alle sider, topp, sider og bunn. Et problem ved isolering av bunn og sider i tanken er belastningen isoleringsmaterialet må tåle: Høyt trykk som forårsakes av vannivået i tanken, kombinert med høy temperatur. I noen tilfeller er det på grunn av dette problemet kun isolasjon på toppen av tanken. Dette er spesielt vanlig blant de tidligste tankene som ble bygd på 80-tallet [7]. Siden toppen av tanken ligger nærmest atmosfæren eller i atmosfæren, vil de største varmetapene finne sted her, og dette punktet vil derfor være det viktigste å isolere. At varmt vann stiger til toppen av tanken på grunn av økt spesifikt volum med høyere temperatur, øker også varmetapene i toppen av tanken. Resten av tanken bør for øvrig også isoleres dersom lageret skal holde en høy temperatur Overflate-volumforholdet Overflate-volumforholdet blir minst ved å forme tanken som en kule. Derfor er kuleform den ideelle formen på tanken med hensyn på varmetap. Likevel formes ikke vanntankene som kuler i praksis. Dette kommer av at det er andre faktorer enn varmetap som også spiller inn. En kuleform fører til at hullet som må graves ut, blir mye større enn hvis tanken for eksempel har kubeform. Kuleformen fører også til at dybden på hullet blir veldig stor. Dette kan bli et problem spesielt i anleggperioden på grunn av grunnvannstanden. En form som vist i figur 2.1 under er mye mer hensiktsmessig enn kuleformen, både på grunn av størrelse på hullet som må graves ut og på grunn av problemer med grunnvannstanden. Legg merke til hvordan formen er tilnærmet så mye som mulig mot en kule. Tanken på figur 4 under er optimalisert for et prosjekt i Friedrichshafen i Tyskland. [7] 13

15 Figur Tetthet Hvis ikke tanken er tett, forsvinner mye energi ut sammen med vannet. Derfor er det viktig at tanken er absolutt helt tett. Utfordringen er å finne et vanntett materiale som tåler kombinasjonen av høy temperatur og høyt trykk, samt at det er økologisk, har lav pris, lang levetid og er enkelt å installere. På grunn av de store dimensjonene på tankene er det viktig å holde prisen per kvadratmeter lav. Flere alternativer er prøvd ut. Det mest aktuelle tetningsmaterialet i dag er antakeligvis stålplater, men den største ulempen er at stålplater er dyre. Polymer er et svært lovende materiale: Det er både billig og enkelt å installere. De største usikkerhetene er levetid og en noe uviss holdbarhet mot fysiske påkjenninger. [8] Isolasjon Kravene til isolasjonsmaterialene er mye de samme som stilles til tetningsmaterialene. I tillegg til kravene som stilles til tetningsmaterialene, må isolasjonsmaterialet absorbere lite vann og være lite følsomt ovenfor fuktighet og damp. Materialene som ofte blir brukt til isolering er polystyrene, polyuretanskum, skumglass, steinull og mineralull. I tillegg er det bygd en tank i Tyskland som er isolert med resirkulert, kornet glass. Fordelene med resirkulert, kornet glass er at den har lav pris, forhindrer kuldebruer og er veldig lite følsom ovenfor vann. [9] Eksisterende prosjekter Tyskerne har bygd forskjellige typer vanntanker siden midt på tallet. En type er grus/vann - tank. Denne typen består av vann og grus i en tank av polyetylen. I 1997 ble det bygd en slik tank i Chemnitz i Tyskland på m 3 med en maksimaltemperatur på 85 C. Denne tanken er 14

16 isolert med polystyren [9]. Det er også laget en lignende tank i Steinfurt i Tyskland som tåler temperaturer opp til 90 C. Denne tanken er på m 3. Her er det brukt resirkulert, kornet glass som isolasjon. En annen sort varmtvannslager er hovedsakelig konstruert av betong. I Friedrichshafen- Wiggenhausen ble det bygd en slik tank i 1996 som rommer m 3 vann. Figur 4 viser hvordan denne tanken er formet. For å gjøre denne tanken tett er den innvendig dekt med et lag av stålplater. [7] I Ottrupgaard i Danmark er det bygd en damtank på m 3. Denne tanken er et ledd i et prosjekt der målet er å bygge damtanker på m 3. Derfor er den tanken som er bygd, skalerbar. Figur 5 viser hvordan denne tanken er formet. Lukket på dammen er flytende og derfor en veldig billig løsning i forhold til et lukk som bærer seg selv. Ulempen er at man ikke kan tømme tanken for vann uten at lukket kollapser. [8] Figur Lagring av termisk energi i fjellhaller, CTES Store mengder tunneler og fjellhaller har blitt brutt i Norge de siste åra. Dette har ført til at man har utviklet kostnadseffektive konstruksjonsmetoder for slike fjellanlegg, og Norge produserer i dag trolig de billigste tunnelene og fjellhallene i verden. Samtidig ser man en tendens til at verdens byer stadig vokser raskere og at miljøbevisstheten hos befolkningen øker. Alt dette har gjort sitt til at undergrunnen mer og mer blir tatt i bruk til blant annet veier og undergrunnsbaner for å skjerme innbyggerne for støy, støv og annen sjenanse [10]. I Norge har fjellhaller lenge vært i bruk for forskjellige formål, slik som til lagring av mat, drikkevann og til idrettsanlegg, tilfluktsrom, industrivirksomhet, og installasjoner i forbindelse med vannkraft og avløpsvann [10]. Basert på denne erfaringen bør lagring av termisk energi i fjellhaller (CTES-Cavern Thermal Energy Storage) være en naturlig utvidelse av slik bruk av 15

17 fjellrom. Til sammenlikning har en i Sverige flere vellykkede CTES-anlegg, som for eksempel Lyckebo- og Avesta-prosjektene [11], [12]. Siden lagring av termisk energi i fjellhaller ennå er på utviklingsstadiet kan denne lagringsmetoden bare beskrives utfra noen få konkrete eksempler, og så kan man forsøke å trekke noen generelle erfaringer basert på dette. Lyckebo-prosjektet i Sverige er et sesongbasert termisk fjellhall-lager og derfor det mest aktuelle å studere i forhold til denne oppgaven [11]. Ved å se på erfaringer oppnådd der, samt å studere problemene de har hatt og løsningene de har valgt, kan man lære mye Utforming av fjellhaller Generelt gjelder det at det koster omtrent like mye å bygge en fjellhall som å bygge to. Dette kommer av at man får utnyttet maskiner og utstyr mer effektivt ved å drive parallelt i to haller [13]. Ved å velge en ringformet fjellhall, slik som de gjorde i Lyckebo, oppnår man en rekke fordeler: Hallen får stor lagringskapasitet og lavt varmetap fordi varmen som brer seg radielt innover i ringen ikke går tapt. Videre er fjellrommet designet for å unngå stabilitetsproblemer i fjellet, til tross for et stort volum ( m 3 i Lyckebo) [11]. Selv om ringformen på lagerhallen i Lyckebo har mange fordeler, kan også andre hallformer være gunstige. I Avesta, Sverige, har de valgt å bryte et tunnelformet fjellager for å minimalisere konstruksjonskostnadene. Fjellhaller som står tomme etter å ha blitt brukt som oljelager, vannmagasin eller lignende, har også ofte denne formen. Slike haller kan taes i bruk til lagring av varmt vann. Det har også blitt vurdert å benytte gamle gruver til lagring av termisk energi Geologi og tekniske aspekter Fjellhaller trenger ikke å isoleres, men man må regne med å få store varmetap de første årene av driften før fjellet omkring lageret er blitt varmet opp. Figur 6 viser hvordan varmen brer seg i bergmassene rundt to fjellhaller. 16

18 Figur 6. Berget omkring fjellhallene blir varmet opp [18]. Simuleringer gjort for Lyckebo-prosjektet indikerer at en likevekt mellom det omkringliggende fjellet og vannet i fjellhallen vil bli oppnådd etter 5-10 år. Deretter stabiliserer varmetapet seg, slik figur 7 viser [11]. Varmeledningevnen til bergmassene vil ha innvirkning på varmetapet og på hvor lang tid det vil ta før likevekten er oppnådd. Denne egenskapen ved fjellmassen må derfor undersøkes på forhånd. Videre bør man også undersøke hvordan de bergmekaniske egenskapene påvirkes ved oppvarming. Varmekapasiteten til bergarten er av mindre betydning siden lagringsmediet i dette tilfellet er vann. Figur 7. Energitapet fra en fjellhall [18]. Under hele fjell-lagerets levetid må man dessuten regne med et visst varmetap på grunn av grunnvannsstrømning [15]. Det er derfor viktig å klarlegge grunnvannsbevegelsene i det aktuelle området på forhånd, og eventuelt foreta tiltak for å begrense slik strømning (injeksjon av tetningsmidler). Dessuten kan man minimalisere innstrømming av kaldt grunnvann ved å holde trykket i fjellhallen i balanse med det omkringliggende grunnvannet [11]. Dette kan oppnås ved for eksempel å lage et overtrykk i hallen ved hjelp av trykkluft [14]. 17

19 Fjellhaller med varmt vann for termisk lagring vil ikke ha samme temperatur gjennom hele vannsøylen. Varmt vann har lavest tetthet og vil legge seg øverst i lageret, mens kaldere vann har høyere tetthet og vil synke ned. I fjellhallen i Lyckebo er det 90 o C på vannet øverst og 40 o C på vannet nederst i hallen, men etter hvert som man tar ut varme vil vannet i hele hallen nærme seg 40 o C [11]. Dette vil også være representative verdier for varmelageret i dette prosjektet. Denne lagdelingen av vannet er ønskelig fordi man da kan ta ut vann med den temperaturen man trenger i øyeblikket, og uten bruk av varmepumper. For å få til dette rent teknisk kan man benytte bevegelige inn- og utløps-rør, såkalte teleskoprør, utviklet under arbeidet med Lyckeboprosjektet. Da får man drenert/injisert vann i det riktige temperatursjiktet [11]. Slike bevegelige teleskoprør gjør det også mulig å redusere turbulens som fører til blanding av varmt og kaldt vann ved uttak og injeksjon. Figur 8 viser Lyckebo fjellhall og prinsippet med teleskoprør. teleskoprør Figur 8. Skisse av Lyckebo fjellhall med teleskoprør [18]. Selv om isolering av fjellhaller ikke er nødvendig, kan det være lurt å ta i betraktning at det varmeste vannet blir liggende øverst i hallen, noe som fører til størst varmetap her. Hvis ikke overdekningen til dagen er stor nok, vil isolasjonen om vinteren bli dårlig, og man mister uhensiktsmessig mye varme til overflata. Hvis fjell-lageret skal bygges relativt grunt (for eksempel grunnere enn 30 meter til dagen), kan det altså være hensiktsmessig å isolere taket på lageret. Der det allerede finnes fjellhaller som ikke er i bruk lenger er det billigere å bruke disse fremfor å bygge nye. Men ved å ta i betraktning et noe mer langsiktig perspektiv kan det likevel vise seg økonomisk forsvarlig å bryte nye fjellhaller til et slikt formål. Det kan for eksempel være stort marked for knust fjell til bygge- og anleggsvirksomheten i nærområdet, slik at brytningen av 18

20 fjellhallen betaler seg selv. Brytingen foretas da i et tempo som gjør drivingen billigst mulig, hvis etableringen av varmelageret ikke er en hastesak [16] Erfaringer Lyckebo-prosjektet har vist at jo større fjellhall man lager, jo billigere blir det å lagre varmt vann; blant annet fordi varmetapet går ned i forhold til vannvolumet. Beregninger gjort av Einar Broch et al. (1980) viser også at spesifikke byggekostnader per m 3 lagringsvolum avtar eksponensielt helt til man når et volum på m 3 for deretter å flate ut [10]. I Lyckebo-prosjektet ble det beregnet at ved å installere en varmepumpe på 1 MW kan man doble lagerkapasiteten med mindre enn 10 prosent økning i investeringene [11]. Dette viser hvor effektiv en slik varmepumpe er. Lyckebo-prosjektet viser også at CTES er et teknisk realistisk alternativ som lagringsmulighet, og anlegget har fungert bra uten store vanskeligheter siden 1983 [11]. Da var det ikke økonomisk forsvarlig å bygge et slikt anlegg i forhold til andre energisystemer. Siden den gang har det vært store forbedringer i metodene ved å bygge slike anlegg, slik at dette kan vise seg å være et økonomisk alternativ i dag Andre prosjekter i Norden De to prosjektene i Sverige, Avesta og Lyckebo, har vært i drift siden henholdsvis 1985 og 1983 [12], [11]. I Oulu, Finland, har man et eksempel på en gammel fjellhall brukt til oljelagring, som nå er i bruk som varmelager. Den har en kapasitet på ca m 3 [17]. I Karlshamn planlegges det å bruke et gammelt oljelager på m 3 til å lagre termisk energi fra ei papirmølle [11]. Her til lands kan det bli aktuelt å vurdere de fire lagerhallene på nedlagte Sola Raffineri i Risavika for lagring av termisk energi [14]. 2.6 Akvifer, ATES (Aquifer Thermal Energy Storage) Definisjon En akvifer er et sedimentært basseng som er porøst og permeabelt. Det er fylt med grunnvann og bør ha liten eller ingen grunnvannsstrøm ved lagringsformål. De sedimentære lagene ligger under bakkenivå og består ofte av isbreavsetninger, for eksempel eskere eller morene. Avsetningene er ofte godt sortert og dette fører til at permeabiliteten er meget bra. Selve ideen med å lagre termisk energi i akvifer er nok ganske gammel, og det har tatt mer enn 15 år før den ble sett på som en standard teknologi [19]. Gjennom disse årene har det etterhvert blitt gjennomført mange prosjekter med tanke på å teste ut om ideen er gjennomførbar samt økonomisk forsvarlig. Land som Canada, Sverige og Nederland har stått sentralt i denne forskningen. Grunnen til dette er nok etterspørsel etter energi samt gunstige geologiske forhold. 19

21 Sverige har for eksempel mange isbreavsetninger. I disse finner man rullesteiner, grus og sandavsetninger [20], som tilsier god permeabilitet. For å lagre varme i akvifer forutsettes det en viss avgrensing av lagringsvolum. Siden akviferlag kan være enormt store kan det ofte være en fordel å begrense volumet til under en million m 3 på grunn av det medfølgende varmetapet [20]. Å lage kunstige avgrensinger er teknisk umulig og dermed lite aktuelt. Istedenfor prøver man å finne passende akviferlag. Er ikke det tilgjengelig, kan kunstige magasin lages. Dette har blant annet blitt gjort i Sverige. Fordelen med denne løsningen er full kontroll av grunnvannsstrømmen. Ulempen er at magasinet blir mye mindre i volum og dermed senkes lagringskapasiteten. Det har også vist seg vanskelig å hindre at vannet siver ut av magasinet [20]. For akviferlag på grunt dyp anbefales det å lagre varme ved lave temperaturnivåer, dvs C. Varmen gjenvinnes ved hjelp av varmepumper. Hvis man går dypere kan lagringen foregå mellom C. Her ønskes det å resirkulere varmen direkte uten varmepumper [19]. Et eksempel på hvordan man har tenkt å gjennomføre en ATES utbygging kan studeres på figur 9 under. Figur 9. [20] Lagringsmetoder Avhengig av hvilken lagringsmetode en har tenkt å bruke i akviferen skilles det mellom horisontal og vertikal varmefront. Den enkleste teknisk sett er den horisontale. Her pumpes det 20

22 varme vannet ovenfra og ned. Vannet strømmer med en horisontal varmefront ned gjennom akviferen og sirkuleres senere opp igjen. Se figur 10 under. Figur 10. [20] Ulempen med denne metoden er at en veldig stor overflate eksponeres mot kaldere omgivelser. Resultatet er stort varmetap [20]. Systemet med vertikal temperaturfront har bedre lagringsgeometri. Vanskeligheten her består i å holde fronten vertikal, spesielt ved lagring over lengre tid. Det har blitt gjort grundige studier på denne problematikken og man har blant annet kommet frem til at høye temperaturer og høy permeabilitet øker risikoen for at fronten inntar en mer horisontal stilling [20]. Figur 11. [20] Generelt Gjennom forskning og utvikling de siste 15 årene har en kommet frem til at lagring av termisk energi i akvifer ikke foregår helt uten komplikasjoner. Det største problemet er nok 21

23 mineralavsetninger fra formasjonsvannet. Disse tetter igjen brønnene og ødelegger varmevekslingsutstyret. Korrosjon på komponenter i grunnvannssystemet er et annet problem, men gjennom 15 år med forskning har mange av disse vansklighetene blitt løst [19]. Generelt oppstår det flere vanskeligheter med å lagre varm termisk energi enn kald termisk energi. Ennå gjenstår det mange utfordringer på forskersiden når det gjelder termisk lagring i akvifer. Forskning har vist at det er økonomisk forsvarlig å lagre termisk energi på denne måten i gitte tilfeller. Miljømessige aspekter rund denne lagringsformen blir også vurdert. Over tid vil det skje en forandring i avsetningen, men denne er dog så liten og berører et såpass lite område at den ikke utgjør noen trussel for miljøet. Teknisk sett forutsetter varmelagringen storskala tilpassing og anleggsomkostningene begrenses kun til et antall brønner. Hvis man kombinerer lagringsteknikken med varmepumper kan et stort temperaturintervall utnyttes. Her vil lagringskostndene bli veldig gunstig i forhold til kostnadene for varmepumpedriften. Kort sagt, det tekniske besparingspotensialet i områder med de rette geologiske forholdene er meget stort. 2.7 Borehullslagring i fjell (BTES) Borehullslagring er en lagringsmetode der en bruker selve fjellgrunnen som lagringsmedium. Energien blir overført ved hjelp av varmevekslere i et nett av borehull. Når de geologiske forholdene er gunstige, er dette en lagringsmetode som krever små investeringer i forhold til for eksempel lagring i tanker eller bergrom. Investeringene er begrenset til boring, installasjon av varmevekslere, pumper og eventuelt en varmepumpe. Siden dette er en forholdsvis ny metode i Norge er kostnadene til boring og installasjon forholdsvis høye. Det er ventet at prisene vil gå ned når metoden blir mer utbredt. Det kan være naturlig å dele denne metoden i tre hovedtyper. I metode A tar en ut varme fra berggrunnen om vinteren, dette fører til at grunnen blir kjølt ned. Det blir altså lagret kulde i grunnen. Denne kulda kan brukes til gratis kjøling om sommeren kun ved hjelp av varmevekslere. Dette vil ventilere bort kulde frå grunnen og på den måten få opp temperaturen og sikre nok varme til vinteren. Anlegg som i utgangspunktet kun er tenkt brukt til uttak av varme kan lett ombygges til denne typen lagringsanlegg. [22] Metode B blir mest brukt til å kjøle ned rom med større dataanlegg og telekommunikasjonsutstyr. Her dumper en ganske enkelt varmen i grunnen uten å bruke den på et senere tidspunkt. Denne metoden gir lave vedlikeholdskostnader, høy pålitelighet og er miljøvennlig i forhold til tradisjonelle kjøleanlegg. [22] Metode C, varmelagring, er den som er aktuell i vår problemstilling. Her blir overskuddsvarme pumpet ned i grunnen for senere å bli tatt ut igjen [22]. Det blir skilt mellom høytemperaturanlegg med temperaturer over 50 C og lavtemperatur anlegg under 50 C. 22

24 Varmekilder kan være overskuddsenergi frå industri eller solenergi.[23] Figur 12, skisser av lagringstype A og B Geologiske faktorer Det er i stor grad geologien i området og fjellet sine materialegenskaper som avgjør om det er hensiktsmessig å bygge et slikt anlegg. Faktorer som en må ta med i en slik vurdering er fjellgrunnen sin varmekapasitet og ledningsevne, graden av oppsprekking i fjellet og overdekningen ned til fast fjell. Varmekapasiteten til bergarten er med og bestemmer størrelsen på lageret. Det vil være gunstig med høy varmekapasitet slik at volumet på lageret kan bli minst mulig. Tabell 1 viser varmekapasitet og ledningsevne for en del bergarter. I tillegg til den enkelte bergarts varmekapasitet er vanninnholdet med på å bestemme berggrunnen sin totale varmekapasitet. Siden porøsiteten til den norske fjellgrunnen stort sett er bestemt av graden av oppsprekking er det her ønskelig med stor oppsprekking på grunn av vannets høye varmekapasitet. Dette er derimot svært ugunstig med hensyn på varmetap ved konveksjon. Ledningsevnen til bergarten er viktig med tanke på varmetapet til lageret, jo bedre ledningsevne, jo mer varme blir leda vekk fra lageret og går tapt. Ledningsevnen må også bli tatt med i vurderingen når antall borehull blir bestemt. Er ledningsevnen dårlig må det bores flere borehull for å få overført energien raskt nok. [23] Den kanskje viktigste geologiske faktoren er graden av oppsprekking i bergarten. For norske bergarter er den nesten enerådende når permeabiliteten skal bestemmes. Høy permeabilitet vil gi et stort varmetap ved konveksjon. Vannet tar med seg energi når det strømmer gjennom lageret. Et mulig tiltak for å minske vannstrømmen der dette er et problem er å tette bergarten ved 23

25 injisering. Dette vil selvfølgelig fordyre anlegget. Varmetap ved konveksjon er noe en bør unngå i størst mulig grad da dette tapper varmelageret for energi svært effektivt. Noe som vil øke byggekostnadene vesentlig er mektige løsmasselag over fast fjell. Boring i løsmasser er opptil 2-3 ganger dyrere enn boring i fjell [24]. Dette er altså svært ugunstig utfra et økonomisk perspektiv. Bratt og ulendt terreng vil også være med på å vanskeliggjøre og fordyre anleggsdriften. Boring og bruk av tyngre maskiner blir da ikke mulig uten å bygge anleggsveier med skjæringer og til en viss grad planere terrenget for å komme til med borerigger. Dette vil i tillegg til å være dyrt, også skape sår i terrenget Utforming Under utforming av et lagringsanlegg er det en del prinsipp som går igjen og er felles for alle lagringsmetoder. Det er viktig å få et driftsikkert anlegg med minst mulig varmetap der en ikke påvirker miljøet på en negativ måte. Det må selvfølgelig også være økonomisk konkurransedyktig og dekke de behov brukeren har på en tilfredsstillende måte. Et best mulig resultat får en ved å se på de teknologiske mulighetene som er på markedet og utnytte de mulighetene som finnes lokalt sett fra et geologisk ståsted. Det må imidlertid være brukeren sine behov som står i hovedsete. Ofte kan det lønne seg å bruke enkle og billige løsninger der en har et relativt stort varmetap, i stedet for å finne en teknisk optimalisert løsning som krever store investeringer. En mister varme ved to mekanismer. Varmetap ved hjelp av konveksjon har vi omtalt tidligere, her er det vannstrømminga i fjellet som må begrenses. Konduktiv varmeledning er varmestrøm i selve fjellet. For å minske denne bør forholdet mellom overflate og volum være minst mulig. Dette oppnås ved borehullslagring når en har en mest mulig kubisk eller sirkulær form på lageret. Ifølge termodynamikkens lover vil varmefluksen ut eller inn av lageret øke med økende temperaturdifferanse mellom lager og omgivelser. Lager med høy temperatur vil derfor ha et større varmetap enn anlegg med lavere temperatur. Videre vil relativt varmetap minke med økende størrelse på lageret. Denne effekten er spesielt merkbar ved høytemperaturlager, det vil derfor ikke lønne seg å bygge små lager av denne typen.[21] Fordeler med høytemperaturlager er at en får lagret mer energi per volum, og at varmen en tar ut har høyere temperatur. Det fins forskjellige typer varmevekslere i bruk. Den enkleste er et enkelt rør som går ned i borehullet. Vannet blir pumpa ned gjennom røret og strømmer opp igjen i rommet mellom rør og borehullsvegg. Her oppnås det en direkte kontakt mellom lagringsmediet (fjellet) og energibæreren (vannet). Dette sikrer en god energioverføring. Metoden er dessverre ikke uproblematisk med hensyn på geokjemi og ustabile borehullsvegger. Dette problemet kan løses med å støpe fast foringsrør i borehullet. Dette er imidlertid dyrt og teknisk vanskelig, spesielt i dype hull. Mer vanlig er det å bruke lukka system med U-rør. Dette er en rimelig og driftsikker metode, ulempen er dårligere energioverføring mellom lager og energibærer. For å sikre god nok energioverføring kan det være nødvendig å etterfylle borehullet med et stoff 24

26 som har god varmeledningsevne. I Nord-Europa er grunnvannspeilet vanligvis så høyt at borehullet blir fylt med vann som gir tilstrekkelig varmeledningsevne. Lenger sør i Europa og i USA er det derimot ikke uvanlig å etterfylle borehullet med forskjellige material som gir god energioverføring. [21] Erfaringer og status I Norge er det kun et begrensa antall BTES- anlegg som er realisert. Av større anlegg har vi et i Maridalsveien 3 i Oslo. Her er et helt kvartal med sammensatt industribebyggelse tilknytta et lagringsanlegg av A-typen. Anlegget har en maksimal varmeeffekt på 223 kw, og en maksimal kjøleeffekt på 350 kw [25]. Anlegg av denne typen er mer vanlig i utlandet. I Sverige er det i dag omtrent 40 slike anlegg i drift. Det blir rapportert om få tekniske problem. Det vanligste problemet er at anleggene kan være underdimensjonerte slik at varmepumpen får for lav arbeidstemperatur til å fungere optimalt. På grunn av at denne metoden lett kan koples sammen med tradisjonelle grunnvarmeuttak fra borehull har den et stort potensial. Bare i Sverige blir det årlig bygd anlegg som tar ut varme fra borehull i fjell. Disse anleggene kunne lett vært designa som type A-anlegg. [22] Utviklinga av sesongbaserte lagringsanlegg starta på syttitallet. De aller fleste anlegg som er i drift er lavtemperaturanlegg. Disse blir ofte matet med solenergi, eller de tar ut varme fra luft eller vann som blir lagra i grunnen [21]. Anlegg av denne typen er godt utprøvd og har vist seg å fungere tilfredsstillende [23]. Situasjonen for høytemperaturanlegg er litt annerledes. De første pilotanleggene med temperaturer helt opp til 150 C ble bygd allerede på 80-tallet. På grunn av en del tekniske problem stoppet utviklingen litt opp. Dette har ført til at det eneste høytemperaturanlegget som er i drift er et som vart bygd i 82 i Luleå. Dette anlegget, som har en maksimal tempertur på 65 C, har etter noen innkjøringsproblem vist seg å fungere tilfredsstillende. Med en ny fokus på bruk av miljøvennlige energikilder har sesongbasert lagring blitt mer aktuelt og arbeidet med å utvikle høytemperaturanlegg er i gang. Det er anlegg under planlegging både i Belgia og Tyskland, og det er ventet at de problemene man hadde tidligere lar seg overvinne. [23] 2.8 Borehullslagring i Leire Borehullslagring i leire er i prinsippet lik borehullslagring i fjell, forskjellen er at lagringsmediets termale og geotekniske egenskaper. Leire er definert som en finkorning jordart som har mer enn 15% innhold av korn med en diameter mindre enn 0,002 mm. Denne jordarten har et vanninnhold helt opp til 70 prosent. Dette vannet er bundet til jordpartiklene slik at permeabiliteten er svært liten. Kombinasjonen av høyt vanninnhold og lav permeabilitet gjør denne jordarten egnet for varmelagring. Likevel er ikke utviklinga kommet langt. Det er blitt bygd et fåtall lagringsanlegg med temperaturer under 35 C som er i kommersiell drift. Anlegg med høyere temperaturer har kun blitt kjørt i forskningsøyemed [26]. I Linkøping i Sverige har 25

27 de hatt et prøveanlegg med temperaturer opp til 90 C i gang i 7,5 år fra Dette anlegget har vært med på å gi viktig informasjon om lagringsmetoden. Både ved utforming av tekniske installasjoner og ved å observere forandringer i leiras geotekniske og termale egenskaper. Testene viser at selv om der er en del problem knyttet til metoden har den absolutt en fremtid. [27] Utforming På samme måte som ved BTES kan varmevekslerne installeres i borehull. Boring i løsmasser krever derimot at foringsrør blir satt ned under boreprosessen for at hullet ikke skal kollapse. Alternativt kan varmevekslerne trykkes ned i leira hvis leira er tilstrekkelig myk. Dette er kun mulig ned til10-15 meters dyp. En viktig forskjell i fra borehullslagring i fjell er at det bare er mulig å bruke lukka system for varmeveksling, det vil si U-rør eventuelt coaxial-rør. I det nevnte anlegget i Sverige har det vært problem med korrosjon i varmeenheten på grunn av diffusjon av oksygen gjennom plastslanger. Dette problemet ble løst med å ha to separate kretsløp knytta sammen med varmevekslere, der en krets sirkulerer i lageret mens den andre sirkulerer i varmeenheten. Enkelte lekkasjer på koplinger og rør skapte også problem, men det viste seg at røra som ble brukt i borehulla beholdt den opprinnelige styrken etter 6 års drift. [27] For å minske varmetapet følger en prinsippet om kompakt design, men det er også vanlig å isolere oversida av lageret. Dette på grunn av at det er her tapet er størst og fordi det er enkelt å komme til å isolere. Isolasjonsmaterialene som har blitt brukt har vist seg å miste strukturen på grunn av høye temperaturer. Dette fører til at de tar opp vann og mister isolasjonseffekt. Det fins imidlertid alternative materialer som kan brukes og som forventes å tåle temperaturene bedre. [27] Endring i leiras materialparametrer på grunn av tilført varme. Erfaringer fra prøveanlegget i Linkøping viste små endringer i geotekniske parametre slik som tetthet, vanninnhold, liquid limit og sensitivitet. Det ble etter 7,5 års drift under varierende temperaturer med en maksimal temperatur på 90 C målt setninger på 0,15 m, dette var noe mindre enn kalkulert. Skjærstyrken til leira avtok under den første oppvarminga, for senere å øke til en verdi prosent over det opprinnelige. Dette antyder at leira har blitt konsolidert. Termale parametere slik som ledningsevnen, viste små variasjoner under forsøket [27]. Selv om leira ble mindre påvirket av tilførselen av varme, enn ventet, er utviklingen av avsetninger noe som må bli tatt hensyn til ved bygging av denne typen anlegg. 3 Hoveddel 26