Forskningsprojekt ska ge
effektivare bergvärme

	KTH-forskaren José Acuna försöker hitta det optimala borrhålsdjupet.

Bergvärmen kan bli mer effektiv tack vare sex borrhål vid ett flerfamiljshus i södra Stockholm. – Vi sparar mycket energi om värmeöverföringen från berget blir bättre, säger forskaren José Acuna.

Försäljningen av värmepumpar minskar och ansökningarna om att installera bergvärme var under 2008 betydligt färre jämfört med motsvarande period de senaste åren. Men samtidigt är forskare vid institutionen för energiteknik hos Kungliga tekniska högskolan, KTH, på väg göra bergvärmeanläggningar mer effektiva.

Letar optimal dimensionering
KTH bedriver sin forskning vid flera fastigheter i Stockholmstrakten, bland annat i ett flerfamiljshus i Hammarbyhöjden. I de sex 260 meter djupa hål som fastighetsägaren låtit borra i marken runt huset försöker doktoranden José Acuna hitta den optimala dimensionen för de kollektorslangar som löper ner och upp ur borrhålen. Dimensionen är avgörande för hur framgångsrik värmeöverföringen mellan slangen och berget blir.
    – Vi vill ha så liten temperaturdifferens som möjligt mellan berget och den vätska vi får upp från slangarna. Är temperaturskillnad liten tar vi mycket energi från berget, säger José Acuna.
    Han tror att forskningsprojektet kommer att visa att även små förändringar av tekniken ökar värmefaktorn med 8–10 procent.
    Värmefaktorn är ett mått på hur mycket värmeenergi som genereras per tillförd elenergi.
    Den vätska som cirkulerar i kollektorslangen brukar i Sverige bestå av 30 procent etanol och 70 procent vatten. Etanolen gör att vattnet inte fryser, men bidrar samtidigt till att viskositeten ökar och att vätskan får svårare att cirkulera. Är vätskan bara vatten så är det betydligt mer lättflytande. Därför testar KTH att minska etanolkoncentrationen. När vätskan cirkulerar dåligt behövs en stark cirkulationspump. 
    Som en del i projektet, och i samarbete med privata företag, använder KTH också koldioxid för att få vätskan i kollektorslangen att cirkulera naturligt. Med bara koldioxid i slangarna ändrar den densitet tack vare att den växlar mellan flytande form och gas. Det gör att koldioxiden kan förflytta sig på egen hand, utan hjälp av en cirkulationspump.
    – Behöver man inte använda pumpen sparar man el. På det sättet hoppas vi kunna öka värmefaktorn med ytterligare cirka tio procent, säger José Acuna.

	José Acuna besöker Lidköpingsgatan och kontrollerar bergvärmeanlägg-ningen minst en gång i veckan.

Energi kan försvinna på vägen
För att hålla koll på temperaturen har José Acuna installerat mätinstrument på olika djup i borrhålen. Tack vare att han får exakta temperaturvärden hela vägen, i och utanför slangarna, kan han följa hur vätskan fungerar vid olika koncentrationer och olika flöden.
    I Stockholm är temperaturen de första hundra metrarna under marknivå cirka åtta grader. För varje hundra meter neråt i marken ökar temperaturen med cirka en och en halv grad.
    – Men man måste hinna samla energin och ta upp den. Samlar man för mycket energi där nere är det risk att värmen skickas bort på vägen upp. Vi försöker hitta det optimala borrhålsdjupet.
    Är borrhålet tusen meter djupt hittar man visserligen mycket värme, men för att få upp vätskan med den temperaturen måste borrhålet delvis isoleras på vägen upp. Tekniskt är det fullt möjligt, men eftersom en stor del av investeringen är att borra, blir installationskostnaden högre ju djupare hålet är.
    – Vi tittar också på kostnaderna. Bergvärmen måste vara kommersiellt gångbar, konstaterar José Acuna.
    Grundvattennivån är en avgörande faktor för om bergvärmeutvinningen ska bli effektiv eller inte, eftersom vatten leder värme tjugo gånger bättre än luft. På Lidköpingsgatan ligger nivån på ungefär tio meters djup och det är först från den punkten som värmeöverföringen fungerar på ett tillfredsställande sätt.
    – Borrar man snett utåt blir det ändå tillräcklig spridning när man kommer ner en bit i marken. En fördel med lutande borrhål är att då vilar slangen förmodligen mot ena kanten, vilket ger bättre värmeöverföring, förklarar José Acuna.
    Bergarten har också betydelse för resultatet. I Sverige är granit och gnejs vanligast och de ger bra förutsättningar för att uppskatta bergets termiska egenskaper.

	Vätskan som cirkulerar i kollektorslangen har lägre koncentration av etanol.

Koppar – bra men dyrt
Materialet i kollektorn är en annan viktig faktor. Koppar leder mycket bra men det är ett dyrt material och det blir svårt att installera i borrhål. Polyeten är relativt billigt och det material som används mest. Polyetenslangar är lätta att installera.
    José Acuna tittar till bergvärmeanläggningen på Lidköpingsgatan minst en gång i veckan. Han kan kontrollera flöden och temperaturnivåer vid olika djup. När han ska beskriva hur anläggningen fungerar gör han en jämförelse med kylskåp, där den kalla sidan motsvaras av borrhålet/berget. Kylskåpet tar energi ur maten så att maten blir kallare, och lämnar sedan ifrån sig värme på baksidan av kylskåpet.
    – Man tar energi ur berget, skickar den till värmepumpen och från pumpen går värmeenergin vidare in i fastigheten för att värma upp luft och tappvatten.
    Fastigheten har 19 lägenheter och använder två värmepumpar för att klara distributionen. I en vanlig familjevilla räcker det med en värmepump. Installationen är enkel, framhåller José Acuna, ett hål på 260 meter tar en dag att borra. Slangarna kommer i en rulle och går snabbt att stoppa ner i hålen.
    – Man kan lita på berget som värmekälla, mer än på luft eller sol. Berget håller nästan samma temperatur året om.

Torbjörn Tenfält

Fakta/KTH-projektet Det forskningsprojekt José Acuna driver på KTH ska vara klart i december 2010. Projektet är en del av ett fyraårigt forsknings- och utvecklingsprogram för kyl- och värmepumpteknik som kallas EFFSYS2. Programmet finansieras av industrin och Energimyndigheten.

SVEP och branschen stöder KTH-projektet

Ett 30-tal företag och organisationer är med och finansierar José Acunas forskning. – Här överbryggas klyftorna mellan forskningsvärlden och industrin på ett föredömligt sätt, säger Martin Forsén, vd på Svenska Värmepumpföreningen (SVEP).

Branschorganisationen SVEP har stora förhoppningar på KTH:s forskningsprojekt och deltar i finansieringen.
    – Vi har lyckats väl med att engagera branschens aktörer och vet redan i dag att projektet tillför ökade kunskaper kring värmeöverföring i borrhål. Om det kommer att leda till ett avgörande teknikskifte i utformningen av våra kollektorsystem återstår att se, men redan nu testas flera olika prototyper utifrån de lärdomar som dragits från projektet, säger Martin Forsén.

6 miljarder årligen
SVEP har en majoritet av landets tillverkare, importörer och återförsäljare i branschen som medlemmar. Jan-Erik Nowacki, teknisk rådgivare på SVEP, konstaterar att bergvärmepumpar tar upp cirka 6 terawatt-timmar (TWh) lagrad solenergi ur marken varje år. För de svenska hushållen är den energin värd minst 6 miljarder kronor årligen.
    Till energin från borrhålen lägger man sedan 3 TWh el och därmed får alla svenska hus in 9 TWh till sina radiatorer och för tappvarmvattnet. Enligt Jan-Erik Nowacki kostar den elenergin cirka 4 miljarder kronor per år för hushållen.
    – I dag är värmen kanske minus en grad när vi får upp den ur borrhålet. Tack vare José Acunas projekt kan den i framtiden bli noll grader. Vid en ytlig betraktelse kan en sådan liten förbättring verka meningslös, men den innebär faktiskt 2 procent lägre elförbrukning, som hypotetiskt skulle vara värd 80 miljoner kronor per år, säger Jan-Erik Nowacki.
    Kenneth Weber driver ETM Kylteknik och Eureftec AB, och har täta kontakter med José Acuna och andra forskare på Kungliga tekniska högskolan.
    – På KTH finns bred kunskap och stor erfarenhet. För mig leder kontakterna till många nya uppslag – det blir som ett ständigt pågående diskussionsforum.

Varvtalsstyrda värmepumpar
Kenneth Weber arbetar med varvtalsstyrning av värmepumpar och använder värmepumpen som enda värmekälla för att täcka energi- och effektbehovet. Han har varit knuten till José Acunas bergvärmeforskning ända sedan starten för två år sedan och får genom projektet goda möjligheter att bland annat pröva koldioxid som köldbärare i kollektorrören.
    En fastighetsägare har borrat tre hål vid sin fastighet i Norrtälje där ETM/Eureftec installerat en varvtalsstyrd värmepump, stoppat ner rör och mätutrustning i borrhålen. KTH-forskarna mäter och tyder siffrorna.
    – En annan har ju varken ro eller tillräckliga kunskaper för utvärdering av alla mätvärden, jag är alltid på språng till nya jobb och projekt, säger Kenneth Weber.
    Om tre år, när projektet är färdigt, hoppas han ha svar på om tekniken fungerar och om den är kommersiellt gångbar.
    – Man måste alltid börja med att prova tekniken. När man löst de tekniska delarna går man vidare med myndighetskontakter och ser hur man kan använda de nya lösningarna i företaget. Det är enda vägen, annars fastnar du i det ekonomiska.
    För att kunna konkurrera i branschen är det som företagare nödvändigt att hålla sig ajour med de senaste forskningsrönen, understryker Kenneth Weber.
    – Har forskarna hundra idéer kanske en blir kommersiellt gångbar, det är så man måste tänka.

Nibe och Grundfos stöttar projektet
Nibe finns bland de större företag som stödjer forskningsprojektet vid KTH.
    – Genom att hitta mer effektiva kollektorer med mindre värmemotstånd kan vi få en högre temperatur på köldbäraren, säger David Kroon på Nibe Innovation.
    Värmepumpstillverkare strävar efter att arbeta med effektiva system där värmepumpen är en central del men där även borrhålet spelar en betydande roll, konstaterar David Kroon.
    – Vi är förstås intresserade av sådana här projekt eftersom resultaten kan ha en positiv påverkan på värmepumpsmarknaden.
    Ett annat stort företag som sponsrar forskningsprojektet är Grundfos. Carl Johansson, produktansvarig på företaget, tycker att det är för tidigt att säga vad projektet kan bidra till rent kommersiellt, men konstaterar att det handlar om att få en så bra värmeupptagning från berget som möjligt.
    – Våra energieffektiva pumpar passar bra in i projektet. Förhoppningen är att få fram effektivare system som förbrukar mindre energi och bidrar till en bättre miljö, säger Carl Johansson.

Torbjörn Tenfält