Energilagring i akvifärer

Transkript

1 Energilagring i akvifärer Beatrice Berglund bebe0001@student.umu.se Helena Persson hepe0021@student.umu.se Energilagringsteknik 7,5 hp Handledare: Lars Bäckström Åke Fransson Sammanfattning Syftet med projektet att skapa ett lättförståeligt material som sedan ska kunna användas i undervisning. Akvifärers uppbyggnad samt dess geologiska och geografiska förutsättningar undersöks. En översiktlig genomgång av tekniken som används ges och några exempel på befintliga anläggningar. Akvifäranläggningens energiförluster diskuteras och hur miljön och grundvattnet påverkas tas upp. Genom att studera examensarbeten, artiklar, uppslagsverk, kurslitteratur och andra kunskapskällor samlas kunskap om akvifärer som geologisk företeelse och energilagringssystem. Två räkneexempel visar energiförluster från en fiktiv akvifär och en värmepumps effekt på energiåtgång i ett akvifärlager. De få nackdelar som visats med ett akvifärlager gör att akvifärer i kombination och som komplement till fjärrvärmenätet skulle kunna användas för att använda jordens resurser på ett bättre sätt.

2 Innehållsförteckning Inledning... 2 Metod... 2 Teori... 3 Akvifärer... 3 Grundvatten... 3 Sensibel och latent värmelagring... 3 Principen för skiktning... 3 Energilagring i akvifärer... 4 Skiktning i akvifärer...4 Energiförluster... 5 Insvängningsförluster... 5 Stationära förluster... 5 Effektivitet och återbetalningstid... 6 Vanligaste problemen... 7 Teknik för energilagring i akvifärer... 7 Energianläggningen, SAS Frösundavik... 7 Värmepump... 8 Direkt värmeväxling... 9 Exempel på akvifärer... 9 Arlanda... 9 SAS Frösundavik Västra hamnen, Malmö Räkneexempel Räkneexempel Referenser

3 Inledning Behovet av energilagring ökar allt eftersom vår befolkning ökar, vi använder mer energi och vi vill minska på vår användning av fossila bränslen och ersätta en större del med förnyelsebar energi. Som förnyelsebar energi klassas sol, vind, vatten och vågkraft. Ingen av dessa energikällor kan på grund av yttre omständigheter inte kontinuerligt producera energi under längre perioder, det går alltså inte att garantera att de finns tillgänglig för energiproduktion när energibehovet är som störst. Vi måste därför hitta nya sätt att lagra energi som blir över vid hög energiproduktion och lågt energibehov som sedan kan användas under perioder av större behov. Vi måste också bli bättre på att nyttja lågvärdig termisk energi där det finns förutsättningar. Vid lagring av energi akvifärer under marken använder man sig av temperaturskillnader som finns mellan grundvattnet och lufttemperaturen i byggnader. Genom värmeväxling höjer man temperaturen på grundvattnet i akvifären under sommaren medan lufttemperaturerna i byggnaderna sänks. Under vintern kan man sedan nyttja den högre grundvattentemperaturen och värma byggnaderna vid markytan och på nytt sänka temperaturen på grundvattnet inför sommaren. Syftet med rapporten är att skapa ett lättförståeligt material som sedan ska kunna användas i undervisning. Akvifärers uppbyggnad samt dess geologiska och geografiska förutsättningar undersöks. En översiktlig genomgång av tekniken som används ges och några exempel på befintliga anläggningar. Akvifäranläggningens energiförluster diskuteras och hur miljön och grundvattnet påverkas tas upp kort. Metod Genom att studera examensarbeten, artiklar, uppslagsverk, kurslitteratur och andra kunskapskällor samlas kunskap om akvifärer som geologisk företeelse och energilagringssystem. Därefter förmedlas kunskapen via rapporten på ett förståeligt sätt. Utifrån de teoretiska sambanden konstrueras också två räkneexempel. 2

4 Teori Akvifärer Ordet akvifär kommer från latinets aqua som betyder vatten och ferre som betyder att bära.[1] En akvifär kan liknas vid ett grundvattenmagasin och definieras som en geologisk bildning som är tillräckligt genomsläpplig för att vatten i användbara mängder kan utvinnas ur den. Två av de vanligaste akvifärtyperna i Sverige är sprickakvifärer och porakvifärer. Sprickakvifärer finns i urberg av t ex gnejs och granit och grundvattnet lagras där i sprickor. Porakvifärerna finns bland annat i de rullstensåsar som bildades när inlandsisen drog sig tillbaka för år sedan och i porösa sandstenstenslager. Rullstensåsarna består till största delen av grus och sand där grundvattnet lagras i porerna mellan grus- och sandkornen. [2] De är mellan meter breda och har ett akvifärdjup på 5-20 meter. [3] Akvifärer kan också delas in i slutna och öppna akvifärer. Öppna akvifärer består av grus och sand hela vägen upp till markytan och avgränsas av grundvattenytan uppåt. Majoriteten av akvifärlagren i Sverige är av denna typ. Den andra typen av akvifärer är slutna akvifärer vilka hittas i djupt liggande porösa jord och bergarter med ett lager av ett mindre genomträngligt material (lägre permeabilitet) ovan på sig av t ex lera, som fungerar som ett lock. Stora akvifärer som kan utnyttjas för enerilagring finns på ca % av landets yta.[4] Grundvatten Grundvatten definieras som det vatten som under en viss nivå utfyller alla sprickor, hålrum och porer i jordlagren och i bergrunden. [2] 50 % av Sveriges grundvatten tas ifrån akvifärer [5]. Grundvattentemperaturen är vanligtvis ett medel av års temperaturen på orten. Detta stämmer dock inte i norra Sverige där årsmedeltemperaturen ligger under noll grader. Men där håller sig dock grundvattentemperaturen på cirka 2-3 C eftersom snön som ligger på marken fungerar som ett isolerande täcke. I södra Sverige håller grundvattnet vanligtvis en temperatur på 6-9 C.[3] Brunnar som ska användas för energilagring borras på ett större djup än grundvattenbrunnar.[2] Sensibel och latent värmelagring Sensibel värmelagring innebär att värmen lagras som en ökning av ett materials temperatur. Vid latent värmelagring lagras värmen med hjälp av en fasomvandling av lagringsmaterialet. När sensibel värmelagring nyttjas för energilagring används oftast ett tvåtankssystem eller ett entankssystem med skiktning Principen för skiktning Vid urladdning av energi vill man ha så hög temperatur så länge som möjligt och vid lagring av energi strävar man därför efter att separera det varma och det kalla lagret. Detta kan göras genom att separera det varma och det kalla lagret i två behållare eller vid lagring i en behållare genom att åstadkomma skiktning. Skiktning innebär att man utnyttjar lagringsmediets skillnad i densitet vid olika temperaturer och lagrar det varma vattnet ovanpå det kalla. Genom att styra bland annat inloppshastighet och temperatur hos det inkommande varma vattnet vid laddning försöker man hålla gränsskiktet mellan det kalla och det varma lagret så tunt som möjligt. 3

5 Energilagring i akvifärer Porakvifärerna är de akvifärer som lämpar sig bäst för energilagring då de har stort vatteninnehåll. Vatten har en hög specifik värmekapacitet och den kombinerade vatten och berglagringstank som akvifären utgör gör att akvifärlager har betydligt högre kapacitet än bergvärme. Hur mycket energi akvifären klarar av att lagra beror porositeten, förhållandet mellan mängden grus och vatten, och den termiska konduktiviteten (W/mK) som beror av vilken mineral akvifären består av. I Svenska rullstensåsar är porositeten vanligtvis ca 25-30% och kan beräknas med hjälp av ekvation 1, [1, 3] V V P = (1) VT där VV är volymen av tomrummet mellan gruskornen och VT är akvifärens totala volym. Akvifärer med låg genomströmning är önskvärda vid energilagring så att inte den lagrade energin leds bort, akvifärer med hög genomströmning är lämpliga för grundvattenuttag. När energin lagras ner och utvinns ur akvifärerna använder man grundvattnet som energibärare, med hjälp av brunnar pumpas det upp och ner i akvifärerna.[6]vid planläggning av akvifärer måste man undersöka markens geologiska egenskaper och uppbyggnad genom att genomföra utförliga provborrningar, vattenkemiska analyser och pumptester eftersom dessa förhållanden starkt påverkar akvifärens prestanda. Skiktning i akvifärer Ett akvifärlager har ungefär samma egenskaper som en skiktad tank. I det enklaste fallet finns en varm och kall brunn till akvifären. Nivån över akvifärens botten på vilken skiktningen ligger kommer att variera beroende på akvifärlagrets laddningsgrad. Detta kallas horisontell skiktning. Figur 1. Horisontell skiktning i akvifärlager. De flesta svenska akvifärerna är dock relativt grunda, ca 5-20 meter, och då lämpar sig inte horisontell skiktning. Istället för att pumpa ner och ta upp vatten på olika höjd i akvifären tas då vatten ut på olika sidor av akvifären och på sätt skapas istället ett vertikalt gränsskikt. På grund av skillnader i densitet och viskositet mellan det varma och det kalla vattenlagret kommer det vertikala gränsskiktet att luta. Ju större lutningen är desto större kommer kontaktytan för värmeledning mellan de två vattenmassorna och med markytan att bli. Lutningen kan minskas genom att hålla temperaturdifferens mellan den varma och kalla vattenmassan liten. [3] Ett akvifärlager med en vertikal temperaturskiktning passar således bäst för grunda akvifärer där värme lagras vid låga temperaturer. 4

6 Figur 2. Vertikal skiktning i akvifärlager. Energiförluster Insvängningsförluster Det kommer att ske temperaturförluster i akvifären på grund av temperaturutjämningen mellan det varma och det kalla lagret vilket försämrar energilagrets prestanda. Vid start av systemet kommer energiförlusterna under en tid att vara större än vid kontinuerlig drift men allt eftersom marken når termisk jämvikt med akvifärlagret kommer dessa förluster att minska. Marken som omger akvifären kommer under en tidsperiod att värmas upp till stationär medelnivå vilket är detsamma som medeltemperaturen av det kalla och det varma vattnet i akvifärlagret. Med tiden kommer dessa energiförluster att bli allt mindre. Ovanför och runt omkring akvifären brukar detta ha uppnåtts efter cirka ett år men för underliggande mark som ofta består av berggrund kan detta ta några år. Vid temperaturskillnader mellan vattnet och mineralkornen inuti akvifären kommer en temperaturutjämning mellan dessa att ske med hjälp av det vatten som naturligt strömmar igenom akvifären. Detta kommer att påverka den hastighet med vilken skiktningen mellan det kalla och det varma lagret kommer att röra sig vid laddning och urladdning av akvifärlagret. Normalt sett rör sig temperaturskiktningen som också kan benämnas temperaturfront med halva hastigheten av det genomströmmande vattnet. Tiden det tar för temperaturutjämningen att ske är proportionell mot de största mineralkornens diameter i kvadrat.[7, 3] Stationära förluster Vid kontinuerlig drift kommer energiförlusterna att uppstå genom ledning till omgivande mark samt förluster till genomströmmande vatten. Den värmekudde som kommer att byggas upp under akvifären kommer att ha samma storlek som akvifären själv. Värmeförlusterna genom akvifärens botten kommer därför att bli mycket små efter inkörning av akvifären. De värmeförluster som kommer att fås genom akvifärens randområde kommer inte heller de att bli så stora för en stor platt akvifär av den typ som är vanlig i Sverige. Eftersom temperaturen varierar under året beräknas förlusterna mot årsmedeltemperaturen på orten eftersom variationerna i temperatur utöver denna inte innebär vare sig förlust eller vinst av energi. De 5

7 värmeförluster som förekommer genom ledning via akvifärens övre yta kan approximeras genom ekvation 2.[3] T T = λ A t (2) h Q led 0 Där Q är energiförlusten genom ledning, λ är värmeledningsförmågan i omgivande material (W/mK), A är akvifärens uppåt gränsande ytarea (m 2 ), T (C )är medeltemperaturen av akvifärens uppåt gränsande yta under året, T 0 (C ) är årsmedeltemperaturen på orten och t är tiden (s), 3,15*10 7 s/år. De energiförluster som uppstår via advektion (grundvattnets naturliga genomströmning) kan grovt uppskattas med hjälp av ekvation 3 och 4. P = ρvc & p Δ T (3) Där P är effekten (W), ρ är vattnets densitet (kg/m 3 ), V & är volymflödet (m 3 /s), c p är den specifika värmeledningsförmågan (J/kgK) och Δ T är temperaturdifferensen mellan akvifärens vatten och det genomströmmande grundvattnet. Den totala energin som tas upp eller avges ges av ekvation 4. E = Pt (4) Noggranna undersökningar av markens egenskaper och grundvattengenomströmningen krävs för att man sedan ska kunna göra simuleringar av förlusterna via grundvattnets genomströmning. Vid temperaturskillnader på mindre än 10 grader mellan akvifären och omgivningen kan man bortse från temperaturförluster till omgivningen eftersom dessa inte kommer att ge märkbara effekter på det totala energilagret.[7] Effektivitet och återbetalningstid Tabell 1. Sammanställning av ekonomsik återbetalningstid och energisparande. Energibesparing (%) (år) Direkt värme och kylning Värme och kylning via värmepump Värme via värmepump Direkt kylning Återbetalningstid Statistik ur Thermal Energy Storage for Sustainable energy Consumption baserad på 76 st svenska anläggningar jämfört med samma produktionsmängd från fossila bränslen eller elektricitet. Enligt Olof Andersson har ett akviferlager en återbetalningstid som oftast är mindre än tre år. För ett borrhåls-lager är motsvarande tid vanligen fem till sex år. [8] 6

8 Vanligaste problemen Ett av de vanligaste problemen vid drift av pumparna i akvifäranläggningar är att de slammar igen, detta kan lösas genom att flödeshastigheten justeras. Utfällning av järn och kalcium kan också ske om grundvattnets ph-värde påverkas, systemet bör designas så att inget syre kan komma ner i akvifären.[6] Den miljöpåverkan som akvifärlager ger är mycket liten om den uppvärmning av grundvattnet inte är stor och ligger inom grundvattnets normala temperaturvariationer. Vid stora skillnader mellan grundvattentemperaturen och det lagrade vattnet kan utfällning av diverse kemikalier som påverkar grundvattenkvaliteten ske. Detta kan avhjälpas med hjälp justeringar av vattnets ph-värde.[8] Markens yttemperatur påverkas inte nämnvärt, men markens fuktinnehåll kan dock påverkas en aning. Läckage av frostskyddsmedel till grundvattnet är också en potentiell risk. Teknik för energilagring i akvifärer För att kunna ta ut energi ur en akvifär används en teknik som bygger på värmeväxlare, värmepumpar, ackumulatortankar och pumpar. Exemplet nedan beskriver hur energilagring i en akvifär kan nyttjas när energiproduktionen använder sig av en värmepump. Energianläggningen, SAS Frösundavik Bilden nedan visar energianläggningen vid SAS huvudkontor i Frösundavik som visar fyra olika cirkulationskretsar. Figur 3. Energianläggning vid SAS Frösundavik. 7

9 De olika kretsarna är: - Grundvattenkretsen (ljusblå) - Kyltakskretsen (blå) - Lågtemperaturkretsen (grön) - Högtemperaturkretsen (röd) Grundvattenkretsen utgörs av det vatten som pumpas upp från akvifären där temperaturen varierar mellan 5 18 C beroende på om det är kallt eller varmt vatten som pumpas upp. Grundvattnet värmeväxlas därefter mot kyltakskretsen i en värmeväxlare och mot lågtemperaturkretsen i en annan värmeväxlare. I båda värmeväxlarna blir grundvattnet varmt och pumpas tillbaka ner i akvifärens varma del. Vattnet i kyltakskretsen som blivit kallt genom värmeväxlingen sprids i byggnadens lokaler där kylbafflar, en sorts fläktar, finns och dit kylan distribueras. Vattnet i lågtemperaturkretsen, som innehåller en glykolvattenblandning för att undvika frysning som kan ske vid cirkulation, blir kallare och sprids genom byggnaden och används under sommaren som kylning av ventilationsluften. På vintern värmeväxlas lågtemperaturkretsen mot grundvatten från en varm brunn och kommer därför att ta upp värme, denna värme används även för ventilationsluften men i detta fall för att värma den. Genom lågtemperaturkretsen tas värme från akvifärens varma del till tre värmepumpar, med en sammanlagd effekt på 1,1-1,3 MW, som värmer vattnet till ca 60 C. Dessa värmepumpar är seriekopplade för att höja temperaturen på vattnet så mycket som möjligt. Därefter skickas det varma vattnet ut i byggnaden via högtemperaturkretsen eller lagras i fyra ackumulatortankar som har storleken 50 m 3 vardera. Vattnet som cirkulerar i högtemperaturkretsen används dels för att värma upp ventilationsluften och dels för att täcka tappvarmvattebehovet. Ventilationsluften värms eller kyls med lågtemperaturkretsen. När denna luft passerar kylbafflarna leds den ut i en stor inglasad gata som även värms upp, därifrån leds luften ner i garaget som även det värms upp. Utifrån garaget leds ventilationsluften ut utan någon ytterligare värmeåtervinning. För att det alltid ska finnas vatten tillgängligt i systemet har kyltakskretsen och lågtemperaturkretsen två stycken grundvattenpumpar vardera som ser till att det alltid är ett undertryck i systemet. [9] Värmepump Genom att använda en värmepump höjer man värmekällans temperaturnivå så att värmen kan användas för cirkulation i element eller golvvärmeslingor som i sin tur ger uppvärmning i bostäder. Detta görs för att temperaturen på grundvattnet i akvifären är relativt låg. När temperaturhöjningen sker måste en mängd primärenergi, som oftast består av elektriskt energi, tillföras pumpen. En värmepumps effektivitet anges av värmefaktorn, COP, som ges av värmepumpens levererade värmeenergi i förhållande till den tillförda primärenergin till värmepumpen. COPvärdet beräknas med ekvation 4 Q COP = (4) HP ut Q in 8

10 Där Q ut är den avgivna värmeenergin från värmepumpen, Q in är den till värmepumpen tillförda elenergin. Dagens värmepumpar avger ca fyra gånger mer värme än vad de förbrukar i form av el. Detta ger då en COP-faktor 4. Själva värmepumpens process går till genom att ett köldmedium, i detta fall kallt vatten, förångas och därefter komprimeras den bildade gasen som i sin tur ger en temperaturökning. Sedan kondenseras gasen och den värmeenergi som bildats vid förångningen och temperaturhöjningen frigörs. Innan köldmediet kan förångas igen måste trycket sänkas, detta görs då genom att köldmediet passerar genom en strypventil. Eftersom det även kan vara stor efterfråga på kyla kan man använda värmepumpen som en kylmaskin. Den fungerar då på samma sätt som en värmepump men arbetar vid andra temperaturer. [10][11] Direkt värmeväxling Direkt värmeväxling innebär att grundvattnet värmeväxlas med den vätska som cirkulerar genom byggnader utan att några värmepumpar har höjt temperaturen på grundvattnet. I och med att temperaturen hos grundvattnet i akvifären sällan överstiger 20 C är det främst kyla som levereras genom denna metod. Värmebehovet kan bara delvis tillgodoses genom denna sorts värmeväxling. Man använder då värmen till förvärmning av till exempel tappvarmvatten. Om en högre temperatur vill uppnås för uppvärmning av byggnader är det lämpligt att koppla in en värmepump. Att använda sig av ett system där just grundvattnet används för kylning via direkt värmeväxling och upphettning genom värmepump kan ses som en lönsam lösning. När direkt värmeväxling används blir kostnaderna mycket lägre än om man skulle ha konventionella system. Den enda energi man måste tillföra systemet är energin för att driva pumparna, vilket är en låg kostnad relativt kylmaskiner och värmepumpar. Eftersom det krävs så pass små mängder tillförd energi i direkta värmeväxlingar minskar känsligheten för energiprishöjningar. Dessutom minskar man påverkan på miljön när man använder en sådan anläggning eftersom man inte använder el, kol eller olja i speciell stor utsträckning. [10] Exempel på akvifärer Arlanda Akvifären i Arlanda är ett stort grundvattenlager som ligger i Brunkebergsåsen, där vatten pumpas upp med hjälp av cirkulationspumpar och levererar värme till flygplatsen på vintern och kyla på sommaren. [11] Man kan säga att lagret består av en varm sida och en kall sida, detta på grund av en naturlig grundvattendelare i bergytans topografi som gör att det är två zoner för olika temperaturer. Avståndet mellan de varma och kalla områdena är ca en kilometer. [12] Det kalla vattnet som pumpas upp på sommaren har en temperatur på 3 C-6 C och används i ett fjärrkylanät för att kyla byggnader, resenärer och personal. Det varma vattnet som pumpas upp på vintern har en temperatur på 15 C - 26 C och används för uppvärmning av terminaler och flygplansuppställningar. När vattnet sedan blivit avkylt pumpas det ner i akvifären på den kalla sidan. När det blir sommar vänds systemet och det kalla vattnet pumpas upp och det uppvärmda returvattnet pumpas tillbaka ner i akvifären på den varma sidan och lagras till vintern. [12][14] Ju längre anläggningen används ju effektivare kommer den att bli, detta på grund av åsens temperaturzoner polariseras, vilket innebär att den kalla sidan blir kallare med tiden och den varma sidan varmare. 9

11 Vattnet i akvifären är inneslutet av tätande markmaterial som gör att vattnet inte läcker ut till den omgivande marken. [15] Akvifären består av 11 formationsfilterbrunnar, fem för leverering av kyla under sommaren och sex för leverering av värme under vintern. Dessa är 24 m djupa och har en diameter som varierar från 273 mm till 406 mm. Vattnet som pumpas upp ur akvifären har en flödeshastighet på ca 55 L/s per brunn och sammanlagt pumpas det upp 140 L/s vatten med hjälp av alla brunnar. Vattnet leds vidare genom en tre kilometer lång rörledning till Arlandas kylanläggning. [14][12] Akvifärens volym är på m 3 där 30 % består av vatten. Ytan som ska värmas respektive kylas med hjälp av akvifärens energilager är m 2, ungefär samma storlek som 100 fotbollsplaner. All kyla på sommaren och 30 % av all värme på vintern kommer i från akvifären. Det är beräknat att akvifären ska leverera 8 MW både i värme respektive kyla. För att klara det måste flödet vara 200 L/s. [12] I och med att en akvifär ska komplettera energiförsörjningen kommer flygplatsens årliga elförbrukning minskas med 4 GWh och fjärrvärmeförbrukningen ungefär 15 GWh vilket motsvarar energiförbrukning för villor under ett år. [11] Figur 4 Arlandas akvifäranläggning SAS Frösundavik Akvifäranläggningen för SAS huvudkontor sattes i bruk Byggnaderna kyls på sommaren och värms på vintern med grundvatten från Stockholmsåsen som är en rullstensås. Grundvattenmagasinet ligger ca 20 meter djupt i norr och just under huvudkontoret är djupet ca 13 m. Akvifärens bredd är mellan m. Med hjälp av fem olika brunnar pumpas grundvattnet upp. Tre av brunnarna används för att leverera kallt vatten och ligger något djupare, (ca m), än de två andra, (ca m), som levererar varmt vatten. Det kalla vattnet har en temperatur på 6-8 C och det varma vattnet har mellan C. Vattnet som pumpas upp har en flödeshastighet på 110 L/s. [16][7] I botten på brunnarna finns en sildel där vattnet infiltreras och vidare pumpas upp. Brunnarna består av syrafast stål och ledningarna består av polyetenplast. För att kunna ta upp så 10

12 varmt respektive kallt vatten ur akvifären är den ena varma brunnen placerad i norra delen och den andra i den södra och de kallarna brunnarna är placerade mellan de varma brunnarna.[9] Figur5 Akvifäranläggningen vid SAS Frösundavik Akvifären är öppen och bredden varierar mellan m där den största delen av åsen ligger under grundvattenytan. Hela akvifärens volym uppgår till ca m 3 och den yta som akvifären ska värma/kyla uppgår till m 2. Något som gör grusåsen bra lämpad för energilagring är att dels genomströmningen av grundvattnet är mycket låg och dels att marken ovanför grundvattenmagasinet är ungefär 8 m tjock är värmeförlusterna från magasinet små. [10] Det är viktigt att poängtera att inget av grundvatten tas ur systemet, utan det vatten som pumpas upp för exempelvis kylning pumpas därefter ner igen för att då lagras som värme. Till skillnad från Arlandas akvifär som använder sig av en direkt värmeväxling används en här värmepump för värmeväxling som graderar upp värmen från de varma brunnarna till en temperatur på 55 C, detta sker i en energicentral på bottenvåningen och består av tre eldrivna värmepumpar med en sammanlagd effekt på 1,1-1,3 MW. När vattnet blivit tillräckligt varmt pumpas det vidare för att användas som tappvarmvatten och värma inkommande luft. [16][17] 11

13 När kyla produceras används värmeväxlingen omvänt jämfört med när värme produceras. Genom värmeväxling med det kalla grundvattnet produceras kyla som används i ventilationssystem och för att kyla byggnaderna. När vattnet är uppvärmt återförs och lagras det ner i den varma delen av akvifärlagret. [10][17] Systemets totala värmeeffekt uppgår till 2,1 MW och den maximala kyleffekten till 1,9 MW. Den energi som tas ut ur akvifärens grundvatten genom dess värmepumpar uppgår till 2,6 GWh/år. Den energi som därefter pumpas ner uppgår till 2,4 GWh/år.[7] Genom att använda en akvifäranläggning för uppvärmning/nedkylning av SAS huvudkontor i Fröundavik minskar energiförbrukningen med ca 65 % jämfört med en konventionell anläggning. [16] Västra hamnen, Malmö I Västra hamnen i Malmö använder man 100 % förnyelsebara energilösningar. Den största delen av värmeproduktionen utgörs av en värmepump som samarbetar till största delen med en akvifär och dels med havsvattnet. Den resterande värmeproduktionen utgörs av solfångare, ett intilliggande vindkraftverk och solceller som genererar el till värmepumpens drift. Akvifärlagret består av 14 brunnar, en rad med kalla brunnar och en rad med varma brunnar. Brunnarna är 90 m djupa. På samma sätt som SAS Frösundavik hämtar värmepumpen värme från akvifären, kylan som produceras i värmeväxlingen levereras till fjärrkylsnätet eller lagras tillbaka ner i akvifären. För att leverera kyla körs systemet omvänt så kylan levereras ut till byggnader och värmen lagras ner i akvifären.[18] Huvudanläggningen består av en värmepump med en värmeeffekt på 1,2 MW och en kyleffekt på 0,8 MW, kylmaskiner där den ena har en effekt på 2,4 MW och den andra 3,0 MW. Anläggningen består även av fyra värmeväxlare, fyra separata kretsar för ytvatten, grundvatten och fluid till fjärrkyla respektive fjärrvärme. De övriga enheterna som påverkar anläggningen är ett vindkraftverk med en effekt på 2 MW som genererar el som behövs på området och är ungefär MWh/år, solfångare med en yta på m 2 ger ca kwh/år och solceller med en yta på 120 m 2 ger ca kwh/år. [18] Figur 6 Västra hamnen i Malmös akvifärvärmepumpanläggning 12

14 Räkneexempel 1 Ett kontorskomplex på m 2 har ett värmebehov på 3 MW. I närheten av kontorskomplexet finns en porakvifär med en volym på 1,5 miljoner m 3 som består av vatten och granitgrus. Porositeten för akvifären är 30 %. Grundvattnets initiala temperatur är 7 C vilket är samma temperatur som det kalla vattnet i akvifären. Det vatten man på sommaren pumpar ner i akvifären håller en temperatur på 20 C. Hur mycket elektrisk energi behöver man tillföra under ett år för att täcka hela värmebehovet om a) värmeförlusterna hos akvifären är 7 %? b) en värmepump med COP-faktor 3,2 används för att höja temperaturen? Lösningsförslag: a) Värden för vattnets densitet och specifik värmekapacitet tas vid medeltemperaturen T Tkall + Tvar m = = = 13, medel C ρ = 999,4 kg/m 3 och = 4189,5 J/kgK ur boken Heat and Mass Transfer. vatten c pvatten Ur tabell 2 fås den volymetriska specifika värmekapaciteten C = ρ =1,9 MJ/m 3 K c pgrus grus För att bestämma den energi som akvifären kan lagra används följande samband: Q akvifär = ΔT m c + m c ) = ΔT ( m c + C V ) = ( vatten pvatten grus pgrus vatten pvatten grus 6 6 = V ΔT ( 0,3 ρ c + 0,7 C) = 1,5 10 (20 7)(0,3 999,4 4189,4 + 0,7 1,9 10 ) = 2,84 10 tot vatten pvatten För att ta reda på hur mycket energi kontorskomplexet förbrukar multipliceras effektbehovet med tiden. 13 J Q kontor = P kontor 6 t = = 9, J Q el = Q 0,93 Q = 9, ,93 2,84 10 = 6,82 10 J = 19 GWh kontor akvifär Svar: Det krävs 19 GWh tillförd elektrisk energi under ett år. b) För att bestämma den elenergi som behöver tillföras värmepumpen används detta samband: Q Q 9,46 10 = = 8 GWh 13 COP HP = kontor kontor 13 där Qin = = 2,96 10 J Qin COP 3,2 Svar: Det krävs 8 GWh tillförd elektrisk energi under ett år. 13

15 Tabell 2. Termisk konduktivitet och volymetrisk värmekapacitet. Mineral Termisk konduktivitet(lambda), medelvärde(w/mk) Volymetrisk värmekapacitet C (MJ/m3K) Kvarts 6,6 1,9 Granit 3,5 1,9 Gneis 3,5 1,9 Räkneexempel 2 En akvifär som ligger på ett djup på 70 m har en diameter på 30 m och en längd på 400 m. Yttemperaturen på akvifären är 15 C och omgivningstemperaturen på luften är 10 C. Markens värmeledningsförmåga är 2 W/mK. Beräkna akvifärens värmeförluster. (Akvifären kan approximeras som en isotermisk cylinder och Heat and Masstransfer-boken kan vara användbar) Lösningsförslag: L>>D och z>1,5d Alltså kan approximation 1 i tabell 3-7 kapitel 3 i boken Heat and Masstransfer användas. S 2πL = ln(4z / D) 2π 400 = ln(4 70 / 30) = 1125 Q & = ks( T1 T2 ) = (15 10) = W Svar: Värmeförlusterna från akvifären blir 11 kw. 14

16 Diskussion och slutsatser När värme och kyla lagras i akvifärer kommer det alltid ske förluster till omgivningen. Förlusterna ökar när temperaturdifferensen mellan lagret och omgivningen ökar. Initialt har akvifärlagret relativt stora energiförluster men efter bara några år har akvifärlagrets termiska jämvikt med omgivningen stabiliserats och förlusterna blir då väldigt små. Akvifärer fungerar bäst när genomströmningen av grundvattnet är låg. Detta på grund av att grundvatten med hög flödeshastighet för med sig mer värme ur lagret än grundvatten med låg hastighet relativt det vatten som tillförs i akvifärlagret. Utformningen på akvifären spelar också en central roll i värmeförlusterna. För att minimera dessa bör akvifären ha så stor volym gentemot en så liten ytarea som möjligt. Om de geografiska och geologiska faktorerna tillåter är det ett mycket lönsamt och miljövänligt sätt att lagra energi i akvifärer. Eftersom ett akvifärlager har en snabb återbetalningstid är det en säker investering. Genom att använda direkt värmeväxling från akvifärlagret belastas miljön så lite som möjligt men ger inte samma värmeeffekt som när man kombinerar en värmepump med ett akvifärlager. I och med att man nyttjar direkt värmeväxling blir lösningen väldigt kostnadseffektiv eftersom den tillförda elektriska energin till värmepumpen försvinner. Detta medför även att akvifärsystemet blir mindre känsligt för eventuella framtida elprishöjningar. Genom att använda sig av en värmepump höjer man värmeeffekten men då som tidigare nämnts med hjälp av tillförd elektrisk energi. Kommer denna tillförda energi från fossila energikällor belastas miljön och klimatet negativt. Kommer den tillförda energin från förnyelsebara energikällor som till exempel ett vindkraftverk eller solcellspaneler, som byggts i samband med anläggningen i syfte att driva dess värmepumpar, sker inga belastningar på miljön och klimatet. Eftersom stora akvifärer som kan utnyttjas för enerilagring finns på ca % av landets yta och där bor och verkar cirka % av Sveriges befolkning tycker vi att möjligheten att använda akvifärlager borde nyttjas i den utsträckning det är möjligt och då i kombination med förnyelsebara energikällor. Akvifärer skulle också kunna användas i kombination och som komplement till fjärrvärmenätet för att kunna använda jordens resurser på ett bättre sätt. Utifrån detta kan Västra hamnen i Malmö, som tagits upp som exempel på akvifärer i rapporten, anses vara den bästa anläggningen av de tre som nämnts. Den är den mest miljövänliga och effektiva eftersom en värmepump används och gör den mer värmeeffektiv än när endast direkt värmeväxling används och den producerade elen kommer från just ett vindkraftverk och solcellspaneler. Det finns väldigt få nackdelar med akvifäranläggningar förutom värmeförlusterna, men för att nämna något skulle det vara de påfrestningar på miljön som uppstår när anläggningen byggs. Det vill säga borrningen av brunnarna eller rörledningen genom marken, då diverse maskiner släpper ut avgaser i form av fossila bränslen. 15

17 Referenser [1] Thermal energy storage-systems and applications, Dincer Ibrahim, Marc A. Rosen, 2002, s 136 [2] Berg och jord, Sveriges nationalatlas, s ,s 168, 2009 [3]Värmelagring I naturliga grundvattenmagasin, allmänna ingenjörsbyrån, 1978 [4] Geoenergi, [5] Byggindustrin, byggsveriges nyhetstidning, , akvifärer ger arlanda energi [6] Thermal energy storage forsustainable energy consumption, Halime Ö. Paksoy, [7] Design of aquifier thermal energy storage, Sam Johansson, Swedish council for building research, D4:1989 [8] Energimagasinet, Geoenergi växer till sig, nr 4, 2009 [9] Säsongslagring av energi i Akvifärer - en undersökning vid Vilundaparken, Upplands Väsby. Åsa Ögren EN08.. [10] Johan Sehlin, Johan Nordgaard, Säsongsälagring av energi i akvifärer, 2005 [11] Stockholm Arlanda Airport, 2010, [12] TAC, 2010, [13] Geotec, [14] Per Frödberg, Termosen som sparar pengar och miljö på Arlanda, nr 26 dec 2006, s 4, [15] Lagring av värme och kyla under markytan, publicerad jan [16] WSP 2010, [17] Tomas Persson, Lågtemperaturvärmesystem, 2000, s

18 [18] Anders Eriksson, Grundvattenmagasinet Solna, 2009, [19] E.ON, Akterns värmepumpanläggning, 2005, ([5][8][6] Innehåller intervjuer material med Olle Andersson, professor i energilagring vid Lunds Tekniska Högskola.) 17