Claes Regander, Sweco.

Från fjärrvärmebranschen syns ett växande intresse för att ta tillvara överskottsvärmen från näten. Det är lösningar som ibland innefattar borrhålslager, vilka har kollektorer som värmeväxlare. Vilka krav ställer de höga temperaturerna på kollektorn och hur ska systemen utformas? Claes Regander, senior energikonsult på Sweco, har lett ett försök tillsammans med Öresundskraft i Helsingborg.

– Vårt syfte eller koncept var att hitta en teknisk och ekonomiskt gångbar metod för att lagra överskottsvärmen från avfallseldningen på Filbornaverket. Man vill lagra värmen från den eldning som sker under sommaren, för att sedan kunna nyttja den i fjärrvärmenätet på vintern. Lagringen behöver ske vid temperaturer upp till 100 grader, så vi visste redan från början att det inte fanns någon färdig teknik, till exempel i form av kollektorer, att köpa. Traditionella kollektorer är garanterade att klara omkring 25 grader och det finns någon som tål omkring 60–65 grader långsiktigt, berättar Claes Regander.

Geologin på just den här platsen består inte, som vanligt i större delen av Sverige, av kristallint urberg utan av sedimentärt berg i form av ler-, silt- och sandsten.

– Vi bestämde oss för en lösning med slutna borrhål, alltså med foderrör hela vägen ner till 120 meter och med tätplugg i botten. Hålen skulle inte ha någon kontakt med det omgivande grundvattnet. I hålen satte vi innerrör, så att det blev som en koaxiallösning säger Claes Regander.

Två varianter

Foderrören gängades samman, eftersom tiden för svetsning i ett fullskalesystem beräknades motsvara omkring ett års arbetstid. Man gjorde två varianter av experimenthålen. I det ena sattes ett rostfritt dubbelrör med vakuumspalt.

– Det här skulle vara ”state of the art”- lösningen, eftersom vakuum är en så bra isolator. Den är tekniskt sett i någon mening optimal, men av kostnadsskäl aldrig tänkt att användas. Vi gjorde den för att jämföra den andra varianten med, säger Claes Regander.

I det andra hålet sattes en EPDMslang; tillverkad av specialgummi och förstärkt med en inbäddad stålspiral. Det är samma typ av slangar som används bland annat i motorer och som klarar de höga temperaturerna.

EPDM kräver högre flöden

– Den är väsentligt billigare i inköp än stålröret, men frågan är om den skulle vara tillräckligt bra, säger Claes Regander som berättar att man även gjorde en rad andra undersökningar av hålen, bland annat geofysiska mätningar och termiska responstester. Man räknade i första hand på en lösning utan värmepumpar – lagret skulle växlas direkt mot fjärrvärmenätet.

Stålrörsvärmeväxlaren fungerade som väntat mycket bra vid de olika flödeshastigheter man provade med.

– Men EPDM-slangen klarade inte låga flöden. Vid flöden på 0,2–0,3 liter per sekund var den direkt dålig. Det blev så kallad termisk kortslutning, när gummit inte förmådde isolera utan släppte tillbaka den omgivande värmen in i slangen. Men vid högre flöden, från 0,6 upp till 0,8 liter per sekund, var den billigare EPDM-lösningen nästan lika bra som stålröret.

– Så EPDM-slangen skulle kunna vara ett fungerande alternativ för ett fullskalesystem, förutsatt att flödet överstiger 0,6 liter per sekund vid inlagring och uttag av energi. Men borrhålen kan inte göras djupare än cirka 120 meter, för då ökar den termiska kortslutningen igen.

Täta borrhål viktigt

Sammanfattningsvis betonar Claes Regander vikten av att täta borrhålen så att inte grundvattenrörelser orsakar oacceptabla energiförluster.

– Det gäller i första hand foderrören, vi hade problem med att få foderrörsgängorna helt täta. Men sen märkte vi även att det på utsidan av foderrören hade bildats en tunn grundvattenfylld spalt som minskade värmeledningen mellan borrhålet och omgivande berg. Men detta är problem som vi räknar att kunna komma tillrätta med under den fortsatta projektutvecklingen och för det fullt utbyggda systemet räknar vi med en verkningsgrad på 75–80 procent.

Passar europeisk geologi

Avslutningsvis betonar Claes Regander vikten av fortsatt forskning och utveckling, inte minst på materialsidan.

– Det finns en marknad både inom och utom Sverige för att lagra spillvärme från energiprodukter och större industrier, men det finns ingen beprövad teknik eller färdiga produkter för värmeväxling vid de här temperaturerna. Den teknik vi utvecklar här passar för den geologi som finns i stora delar av Europa, till exempel i Tyskland, Danmark och Polen.

TEXT: JÖRGEN OLSSON FOTO: CLAES REGANDER OCH SWECO

Sverige är bäst i klassen vad gäller köldbärarvätskor, bioetanol är bästa valet och allt pekar på att forskning och framtid handlar om att ta miljöanpassningen till nästa nivå. Det menar Monika Ignatowicz vid KTH Energiteknik som länge forskat kring köldbärarnas egenskaper.

Etanol eller glykol i vattnet – hur blandar jag den bästa köldbäraren, vad är bästa receptet för att kunna ta värme från berget till värmepumpen? Enligt Monika Ignatowicz, doktorand och forskningsingenjör på KTH, talar det mesta för etanol.

– Jag rekommenderar bioetanol. Som forskare ser jag att det är den produkt som bäst uppfyller de krav vi måste kunna ställa på en modern köldbärare, säger hon.

De krav Monika Ignatowicz tänker på handlar främst om låg pumpeffekt, bra termofysikaliska egenskaper, låg giftighet och bra miljöegenskaper – och det uppfyller främst bioetanol, menar hon.

Egenskaperna varierar

– Etanol löser sig relativt lätt i vatten, den har låg fryspunkt och eventuella läckage innebär vanligen inte något större miljöproblem, etanol oxiderar och bryts ner naturligt, förklarar Monika Ignatowicz.

Om det finns läckage i marken har bioetanol kortast nedbrytningstid, mellan tio och 28 dagar och redan tionde dagen är 90 procent nedbrutet. Glykol kräver upp till 90 dagar för att brytas ned.

Geoenergiindustrin vill ha enkla köldbärare, menar hon, och dit räknas inte propylenglykol som är giftigt. Köldbärarvätskor som bygger på salt såväl som glykol – där olja används vid tillverkningen, kräver destruktion och det är omständligt. Då ska systemet tömmas och innehållet skickas i container till en anläggning för destruktion, eller återvinning. Destruktion görs i alla kommuner och på några få ställen finns företag som återvinner glykolen genom att separera den från vätskan.

– Det är också svårt att få till bra saltbaserade köldbärare. De är termofysikaliskt bra och har bra miljöegenskaper, men de är korrosiva, de fräter och det kräver korrosionsskydd

Monika Ignatowicz, KTH Energiteknik.

Olika länder olika skydd

Olika länder använder olika frostskydd i vattenlösningen. I USA och Kanada är metanol och propylenglykol vanliga. Europa använder främst etanol, salt och propylenglykol. I Finland, som har ett förhållandevis kallt klimat, körs systemen med låga temperaturer och det ställer stora krav på frostskyddet. Det krävs då en högre koncentration av etanolen, vilket medför andra och besvärligare brandskyddsklasser än vid den koncentration vi normalt använder.

– Tyskland har strikta normer för hur borrhålen ska designas, men det är tråkigt att propylenglykol fortfarande är största och enda köldbärare, tycker Monika Ignatowicz.

Metanol som används som köldbärare i USA har en bra prestanda, låg energianvändning och pumpeffekt, men det är väldigt giftigt. År 2000 förbjöds det inom EU. USA har börjat konvertera sina system till propylenglykol eller bioetanol.

Etanol dominerar

I Sverige använder vi över 80 procent bioetanol. Men även om detta är den köldbärare Monika Ignatowicz förespråkar kan hon i sin forskning visa på stora skillnader mellan olika etanolbaserade köldbärare och de egenskaper som påverkar värmeövergångstalen.

Den vanligaste etanolbaserade produkten i Sverige visade sig ha bäst egenskaper bland alla produkter i Europa – tio procent högre värmeöverföring och tre procent lägre tryckfall jämfört med andra etanolbaserade produkter.

En utmaning är att etanol har relativt hög brännbarhet. Stora anläggningar med många borrhål sänker gärna koncentrationen. Är den för hög sjunker flampunkten och dagens gräns för vad som klassas som brandfarligt är 30 grader celcius. I Sverige är det vanligt med 25 procentig koncentration, och det innebär en flampunkt som ligger ganska nära gränsen.

– Ju lägre koncentration desto bättre prestanda för värmepumpen, förklarar hon. Det krävs mindre pumpeffekt och mindre energi för att snurra köldbäraren och det ger högre effekt på den värme som skickas in i systemet. Risken är annars dålig energibesparing och låg kostnadseffektivitet.

En annan utmaning är att etanol ses som berusningsmedel. Generellt krävs att man tillsätter ett denatureringsmedel för att ta ifrån etanolen denna effekt, vilket i och för sig kan ge köldbärarvätskan en lägre viskositet. Den blir mer lättflytande, med de bättre egenskaper det medför.

– Alla alkoholer har en viss giftverkan, men etanol är den minst giftiga. Men man ska veta att köldbärare med keton som denaturering kräver åtta procent högre pumpeffekt, den har sämre värmekapacitet och lägre värmeledningsförmåga.

Just nu driver Monika Ignatowicz ett forskningsprojekt kring framtida köldbärare som är finansierat av Energimyndigheten, 13 olika företag – flera inom geoenergi och några tillverkare av köldbärare – samt Kylbranschens Samarbetsstiftelse, KYS.

Fokus är på att få fram icke brandfarliga, mindre korrosiva och mer energieffektiva och miljöanpassade köldbärare, berättar hon om det arbete som startade 2018 och slutar 2022. De ska både uppfinna nya och förbättra de köldbärare som finns.

– En insats är att vi har förbättrat recepten på denatureringsämnen som finns. En annan är att vi tittar närmare på en produkt som glycerol för att den är lätt att tillverka, kostnadseffektiv, har kort nedbrytningstid och bra miljöegenskaper. Glycerolen har flampunkten över 100 grader och skulle kunna användas som både denatureringsämne och flampunktshöjare.

Miljöanpassning är framtiden

– I framtiden kommer vi att prioritera miljöanpassade och energieffektiva köldbärare, det är jag övertygad om. Vi miljömärker redan bergvärmesystem, säger Monika Ignatowicz. Framtiden kan handla om att återanvända spill i form av alkoholrester för att blanda med vattnet, eller använda tallolja för att höja flampunkt och lösningsgrad. Till samma prisnivå men med en annan tillverkningsmetod, menar hon.

– Sverige är bäst i klassen, vi är duktiga på både energiprestanda och brännsäkerhet, men kraven är fler än så. Det är mycket som ska uppfyllas, och inte minst handlar det om att vässa det vi redan är bra på.

TEXT: MIA ISING FOTO: PRIVAT

José Acuña, geoenergiforskare på KTH i Stockholm, välkomnar de större dimensioner på kollektorrör som har etablerats på marknaden. – Det är en positiv utveckling som rätt använda kan ge bättre prestanda i de flesta geoenergisystem, säger han.

Utvecklingen mot allt djupare borrhål har drivit fram kollektorrör med större dimensioner. U-rör i såväl 45 som 50 millimeter blir allt vanligare val. José Acuña menar att de kan bidra till ett mer effektivt system vid de flesta borrhålsdjup, inte bara de djupa över 250-300 meter.

– Det är viktigt att förstå att de större dimensionerna har bättre förutsättning att jobba med relativt högre köldbärarflöden än de vanliga dimensionerna 32 och 40 millimeter. Är borrhålslagret tillräckligt laddat med kyla/värme så underlättar de större dimensionerna en högre effektkapacitet. Att ta hänsyn till detta när olika delar av systemet dimensioneras är viktigt och kräver att ansvariga projektörer från olika discipliner synkroniserar sina val av komponenter.

Mer flexibla

José Acuña understryker betydelsen av att anpassa och se över hela systemet för att få ut mesta möjliga effekt av att använda större dimensioner på u-rören, både för värme och kyldriftfall. Med driftfall avses det sätt systemet arbetar under en viss tidsperiod i ett specifikt syfte.

– Beroende på hur ett geoenergisystem är utformat kan det krävas olika flöden sommar och vinter för att garantera den tilltänkta effekttäckningen. Fördelen med större dimensioner är att de är mer flexibla, de tillåter ett större omfång av olika flödeshastigheter. Då kan värmepumpar respektive kylmaskiner och övriga värmeväxlande delar ställas in för att jobba med olika driftfall.

Alternativet till att gå upp i dimension är att ha flera mindre u-rör i samma borrhål, till exempel i dimension 2×32 millimeter. José Acuña ser fördelar i att gå upp till 45 eller 50 millimeter istället.

– Tryckfallet i kollektorn är betydligt högre vid dubbla 32 millimeter, därför lönar det sig att gå upp i dimension istället.

Samverkande faktorer

Huruvida det är rätt att gå upp i dimension eller inte beror på flera samverkande faktorer i hela systemet, menar José Acuña.

– Det enkla svaret är att vid borrhål som är djupare än 250 meter, då bör man gå upp i dimension, gärna till 50 millimeter. Det ger mindre tryckfall vilket minskar behovet av pumpenergi.

– Det mer komplexa svaret är att det kan löna sig att gå upp i dimension även vid grundare borrhål. Det beror på hur systemet byggs i sin helhet. Dimensioner på 45 och 50 millimeter gör det möjligt att utnyttja flexibla flöden med olika driftfall och på så sätt kunna garantera borrhålens effekttäckning. Detta under förutsättning att berglagret är laddat.

Ett 45 eller 50 millimeters u-rör har större chans att komma närmare borrhålsväggen än 32 och 40 millimeter, vilket kan gynna värmeöverföringen.

– Det finns dock ingen garanti på detta när det kommer till u-rörsbaserade lösningar, säger José Acuña.

TEXT: LARS WIRTÉN FOTO: JONAS KULLMAN/BENGT DAHLGREN AB