Transcript För att ta del av Olof Andersson presentation med bilder

Avanti Geoenergi Skåne 2012
Helsingborg 2012-09-21
Återfyllning av energibrunnar
Diskussionsunderlag
Presenterat av
Olle Andersson, Geostrata HB
Innehåll
• Varför tätning
• Tätningsmetodik
• Kostnader
• Försök med alternativ tätning
• Sammanfattande slutsatser
Varför tätning
Olika risker för påverkan av
grundvattnet
1. Föroreningar från markytan
2. Kortslutning av vattenförande
våningar med olika kvalitéer
3. Uppträngning av fossilt salt eller
bräckt grundvattenvatten
1. Föroreningar från ytan
• Tillgodosett om
man följer
Normbrunn 07
• I andra länder
med andra
borrmetoder är
skydd från ytan
mer relevant
≥6 m
foderrör
≥2 m i fast
berg
Foderrör
av stål
Tätning mellan
foderrör och berg
2. Kortslutning mellan akviferer
• Ovanligt i Sverige – mycket
vanligare utomlands med
sedimentär berggrund
• Helsingborg ett aktuellt
undantag tack vare Ramlösas
skyddsområde
• Vänds flödespilarna åt andra
håller finns exempel på
sättningar i lerområden där
grundvatten dränerats ned i
berget
Sand
Tätt lager
Sprickigt berg
3. Uppträngande salt vatten
Risken störst i kustnära områden och
delar av Mellansverige
Fossilt salt grundvatten kan tränga upp
och spridas om:
1. Det är artesiskt (vilket är mycket
ovanligt)
2. Det står under högre tryck än sött
grundvatten högre upp i berget
(sällan förekommande)
3. Ett större vattenuttag av sött vatten
görs i närheten av energibrunnen
(den vanligaste orsaken)
Tätningsteknik (Tyskland)
• Hålen borras med temporär
casing som får sitta kvar då
kollektorn sätts och hålet blir
återfyllt
• När kollektorn förs ned i hålet tar
man med sig ett temporärt stålrör
(vid enkel U-rör) eller plastslang
som sen får sitta kvar som distans
(vid dubbelt U-rör)
5-10
oC
• Bilden tagen vid en påbörjad
installation av enkelt U-rör där
injekteringsröret också blir en
extra styrning
• Injekteringen görs nedifrån
och ända upp till marknivå
med trycksatt kollektor.
• Vid djupare hål kan ett stegvis
förfarande bli aktuellt
Dubbelt U-rör
4 x 32 mm
Injekteringsslang
Injektering
pumpas ned
Borrvatten i
retur
Casingen dras upp så fort injekteringen är klar. Kan ibland medföra
förlust av cement om övre delen av formationen är permeabel
Sidoutrustning
Mixer
I princip samma typ av utrustning
som används vid injektering i berg
Pump
Tank
• Mixern gör så att blandningen blir
homogen
• Bufferttanken fångar upp mindre
avbrott i tillförseln från mixern
• Injekteringspumpen (oftast en
kolvpump) körs med konstant
flöde
Vanliga cementblandningar
Thermocem®
Blandning av Cement/Bentonit/Grafit
GWE- GeoTherm®
Blandning Cement/Bentonit/Kvartssand
GWE- Thermokontakt®
Blandning av Cement/Pellets/Kvartssand
Största problemet
Stora mängder cement kan försvinna ut i sprickor och porer i berget
vilket kan åtgärdas med exempelvis svällande lerpellets.
Svällande lera för att förhindra stora
förluster
Parameter
Dimension
Sjunkhastighet
Lerpellets som hälls ned i hålet
Sväller ca 40 % och det går fort
GWE ThermoSeal
∅8mm; 2-12 mm
21 m/min
Densitet
1,1 t/m3
Svällkapacitet
40,60 %
Tid för börjad
15 min
svällning
Svälltryck
9 kN/m2
Permeabilitet
10-11 m/s
Injekteringen begränsar håldjupet
(Tabellen för kollektor i PN16)
Nedre gräns
i Schweiz
Densitet på grout I suspension
BHE längd
[m]
1.2 kg/l
1.4 kg/l
1.6 kg/l
1.8 kg/l
40
0,8 bar
1,6 bar
2,4 bar
3,1 bar
60
1,2 bar
2,4 bar
3,5 bar
4,7 bar
80
1,6 bar
3,1 bar
4,7 bar
6,3 bar
100
2,0 bar
3,9 bar
5,9 bar
7,8 bar
120
2,4 bar
4,7 bar
7,1 bar
9,4 bar
140
2,7 bar
5,5 bar
8,2 bar
11,0 bar
160
3,1 bar
6,3 bar
9,4 bar
12,6 bar
180
3,5 bar
7,1 bar
10,6 bar
14,1 bar
200
3,9 bar
7,8 bar
11,8 bar
15,7 bar
220
4,3 bar
8,6 bar
12,9 bar
17,3 bar
240
4,7 bar
9,4 bar
14,1 bar
18,8 bar
260
5,1 bar
10,2 bar
15,3 bar
20,4 bar
280
5,5 bar
11,0 bar
16,5 bar
300
5,9 bar
11,8 bar
17,7 bar
Återfyllningens egenskaper
Suspension
density [kg/l]
Compression
strength / 28
d [N/mm2]
K Injektherm®
1.55
2
0.9
?
ThermoCem®
1.46
2
2
1 x 10-10
Schwenk
EWM®
1.89
4
2.3
?
Calidutherm®
1.65
2.5
1.9
2 x 10-10
Stüwatherm®
1.70
?
2
?
HDG
THERMO®
1.79
6
2.3
1 x 10-9
Product
Thermal
conductivity
[W/m.K]
Exempel på fabriksproducerade cementbaserade blandningar
Permeability
[m/s]
Materialkostnad
Kalkylen gäller för ett system med 10 000 borrhålsmetrar med dubbelt U-rör
och återfyllt med ThermoChem (pris 2010)
Overview of quantities and costs
Volume Volume heat Netvolume
Boreholes exchangers (inkl. losses)
requirement
per borhole
(incl. losses)
total
requirements
(incl. losses)
Materialcosts
per Borehole
(incl. losses)
total cost for
grouting material
[m³]
[m³]
[m³]
[t]
[t]
[€]
[€]
####
40,21
130,78
2,04
102,01
652,88
32 643,81
Volume per
Fill-volume per Bedarf pro
Materialcosts
Volume per borehole
Materialcosts m³
borehole
Bohrung
per Borehole
borehole
heat
(incl. losses)
(incl. losses) (inkl. Verluste)
(incl. losses)
exchanger
Materialcosts per
Borehole
(incl. losses)
[m³]
[m³]
[m³]
[t]
[m³]
[€]
[€/m]
3,08
0,80
2,62
2,04
212,06
652,88
3,26
Number of
pallets
à 1,2 t
[pieces]
Number of
pallets
à 1,0 t
[pieces]
85,00
102,00
Number of
sacks à 25 kg
[pieces]
4080
Övriga kostnader
• Transport och hantering av 100 pallar ?????
• Avskrivningskostnad, drift och underhåll av utrustning
för injektering ?????
• Tillkommande mantimmar för arbetet ????
Bedömd totalkostnad för återfyllning i Tyskland
ligger enligt muntliga uppgifter i intervallet 1015 Euro/m (90-130 kr/m) .
Hur täta är hålen egentligen
• Inga garantier kan ges – ens i Tyskland, Schweiz eller
USA där tätning är generellt föreskriven
• Tätheten, uttryckt som hydraulisk konduktivitet, inte
ens angiven
• Nyligen utfört examensarbete visar att teoretiskt täta
blandningar knappast kan ses som långsiktigt täta
(Joakim Hjulström 2012)
• Metodik för kontroll av tätheten saknas och är ytterst
svår att göra
Bortsett från tätningsfunktionen, står det helt
klart att borrhålsmotståndet blir sämre med
återfyllning jämfört med vattenfyllda borrhål.
Alternativa tätningsmetoder
• Flera koncept finns med foderrör av olika slag. Dessa
torde inte vara kostnadseffektiva och därför inte aktuella i
Sverige
• Övertrycksinjektering med svällande bentonit, med
framgång testat i Hallifax, Kanada 2004, men har inte
kommit till allmänt bruk (för tidskrävande)
• Hydrauliskt trycksatt kapsel i full hållängd (Pemtec) som
visat sig fungera i fälttester, men ännu inte accepterats av
myndigheterna
• Separata bentonitpluggar på vald nivå, exempelvis med
krontätning (Pemtec), men ännu inte undersökt med
mätningar
• Även utomlands finns FoU på området, exempelvis i
Holland (Witte 2012)
.
Fältförsök med hydrauliskt trycksatt
kapsel (Green Collector)
• Försöken gjordes under hösten 2010 som ett led i
marknadsföring av GC
• I Vallentuna (hos Bosse Jansson) testades GC i urberg.
Här gjordes också en TRT-test för mätning av kapselns
termiska motstånd (utfördes av Göran Hellström)
• I Helsingborg testades tätheten i sedimentärt berg i ett hål
som når akvifer som Ramlösa använder (utfördes av
Hans Alexandersson och undertecknad)
• Undersökningarna är rapporterade och kan möjligen
hittas på Pemtec.se
Upplägg av försöket i Vallentuna
• Målsättningen var att se om
kapseln kunde täta för en
spricka mellan två
närliggande hål (ca 10 m)
• Trycksättning gjordes först i,
och sedan ovanför kapseln
• En tryckgivare (diver) mätte
trycket i botten av hålet
• Mätning av grundvattennivån
i det grunda hålet gjorde för
kontroll av påverkan från det
hål där kapseln satt
Resultat av försöket
• När kapseln fylls
expanderar den nedåt
varvid trycket under
kapseln ökar temporärt
• Påfyllnad tills kapseln
får ett övertryck av ca
0,3 bar
• Trycket höjdes ovan
kapseln till 1,5 bar - då
small locket av !!!!
• Mätningar i det grunda
hålet visade att ingen
kontakt uppkom mellan
hålen
Tolkning
• Hydraulisk kontakt mellan de brunnarna verifierad med
provpumpning. Dock okänt på vilket djup sprickan finns i den
djupa brunnen
• Volymen under tryckgivaren instängd och påverkas av kapselns
påfyllnad. Långsam tillbakagång i tryck antyder någon form av
läckage, sannolikt till mikrosprickor i botten av hålet
• En kraftig tryckhöjning ovan kapseln ökar även trycket under
till. Beror troligen på fortplanting av hydrauliskt tryck via kapseln
• Då ingen påfyllnad görs ställer sig kapseltrycket tämligen
snabbt in sig på 0.3 bar, vilket bibehålls en längre period
• Då inga nivåförändringar kunde märkas i mätbrunnen bedöms
kapseln ha tätat sprickan hålen emellan
Invändig videofilm visar att kapseln formligen ”klistras” mot hålväggen,
vilket är en visuell indikation på att kapseln tätar
Upplägg av försöket i Helsingborg
• Målsättningen var att se om
kapseln kunde täta mellan de
två akvifererna, som har en
trycknivåskillnad av ca 5 m.
• Trycksättning gjordes invändigt
kapseln och påfyllning till övre
akvifer (med kranvatten)
• Grundvattennivå övre akvifer
uppmätt i samband med
borrningen (efter nattuppehåll)
• Grundvattennivå undre akvifer
uppmätt innan kapseln sattes
• En tryckgivare (diver) visade
trycket i botten av hålet under
försökets gång
Bilder från installationer
Trumma
med GC
Returvikt
Tryckgivare
Slanggenomföringar
med expandertätning
Dragremsa
med GC
Kapseln sänks
sista 10 m
Stigarslang
till pump
Slang för
påfyllnad
Kabel
Händelseförlopp och mätresultat
Trycknivå i
kapseln
Nivå övre akvifer (manuella mätningar)
Trycknivå undre akvifer (diverdata)
Tolkning
• Innan kapseln sattes och fylldes fanns ett visst flöde från övre till
undre akvifer (orsakade en smärre tryckhöjning i undre akvifer)
• Vid påfyllning av kapseln ökade trycket marginellt i undre akvifer
men utjämnades snabbt till undre akviferens trycknivå
• En kraftig påfyllnad till övre akviferen påverkar inte trycknivån i
den undre i mätbar grad, vilket visar att kapseln hindrar påfyllning
ovan ifrån
• Då ingen påfyllnad görs ställer sig kapseltrycket tämligen snabbt
in sig efter övre akviferens tryck (ca 0,5 bar högre än undre
akviferens) vilket är tillräckligt för att hålla tätt mellan akvifererna
Sammanfattande slutsatser
• Det finns tillfällen då tätning av energibrunnar måste utföras av ett eller annat
skäl, men skälen är oftast baserade på försiktighetsprincipen
• Riktlinjer och kravspecifikationer saknas således, dels för när en tätning är
motiverad, och dels för hur den skall utföras (anvisningar i Normbrunn 07 är
för vaga)
• Att hänvisa till ”vedertagna metoder” (underförstått i Tyskland) är en direkt
felaktig väg att gå för Svenskt vidkommande
• Kostnaderna för tätning är avsevärda och kan – om tätning blir generellt
föreskriven – innebära en försämrad marknad för Geoenergi
• Marknadshämmande är troligen också att det krävs fler hål om de måste
återfyllas (sämre termisk verkningsgrad)
• Användning av alternativa metoder – typ GC – har hittills snarast negligerats
än lyfts fram av branschen, vilket också påverkat miljömyndigheternas
ställningstagande
Tack för uppmärksamheten !
Olof (Olle) Andersson
Geostrata HB
[email protected]
Tel. 0734-128214