Återfyllning av energibrunnar 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 Föroreningar från markytan Kortslutning av vattenförande våningar med olika kvalitéer 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 Foderrör av stål ≥2 m i fast berg 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: Det är artesiskt (vilket är mycket ovanligt) Det står under högre tryck än sött grundvatten högre upp i berget (sällan förekommande) 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) Bilden tagen vid en påbörjad installation av enkelt U-rör där injekteringsröret också blir en extra styrning 5-10 oC

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 Injekterings-slang

Borrvatten i retur Injektering pumpas ned 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 GWE ThermoSeal Dimension ∅8mm; 2-12 mm Sjunkhastighet 21 m/min Densitet 1,1 t/m3 Svällkapacitet 40,60 % Tid för börjad svällning 15 min Svälltryck 9 kN/m2 Permeabilitet 10-11 m/s Lerpellets som hälls ned i hålet Sväller ca 40 % och det går fort

Injekteringen begränsar håldjupet (Tabellen för kollektor i PN16) BHE längd [m] Densitet på grout I suspension 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 3,5 bar 4,7 bar 80 6,3 bar 100 2,0 bar 3,9 bar 5,9 bar 7,8 bar 120 7,1 bar 9,4 bar 140 2,7 bar 5,5 bar 8,2 bar 11,0 bar 160 12,6 bar 180 10,6 bar 14,1 bar 200 11,8 bar 15,7 bar 220 4,3 bar 8,6 bar 12,9 bar 17,3 bar 240 18,8 bar 260 5,1 bar 10,2 bar 15,3 bar 20,4 bar 280 16,5 bar 300 17,7 bar Nedre gräns i Schweiz

Återfyllningens egenskaper Product Suspension density [kg/l] Compression strength / 28 d [N/mm2] Thermal conductivity [W/m.K] Permeability [m/s] K Injektherm® 1.55 2 0.9 ? ThermoCem® 1.46 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 HDG THERMO® 1.79 6 1 x 10-9 Exempel på fabriksproducerade cementbaserade blandningar

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 Boreholes Volume heat exchangers Netvolume (inkl. losses) requirement per borhole (incl. losses) total requirements (incl. losses) Materialcosts per Borehole (incl. losses) total cost for grouting material [m³] [t] [€] #### 40,21 130,78 2,04 102,01 652,88 32 643,81 Volume per borehole Volume per borehole heat exchanger Fill-volume per borehole (incl. losses) Bedarf pro Bohrung (inkl. Verluste) Materialcosts m³ (incl. losses) [€/m] 3,08 0,80 2,62 212,06 3,26 Number of pallets à 1,2 t Number of pallets à 1,0 t Number of sacks à 25 kg   [pieces] 85,00 102,00 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 10-15 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 Slanggenomföringar med expandertätning Returvikt Dragremsa med GC Tryckgivare

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 olle.geothermal@hotmail.com Tel. 0734-128214