Återfyllning av borrhål i geoenergisystem : konventioner, metod och material

Abstract (Swedish)

Populärvetenskaplig sammanfattning:
Ett geoenergisystem består av ett eller flera borrhål, energibrunnar, som via värmeväxlare är kopplade till en värmepump. I en del fall är det önskvärt att borrhålen återfylls. Detta görs för att förhindra spridning av föroreningar från ytan och mellan olika vattenförande marklager som borrhålet kan penetrera. Utomlands görs detta regelbundet och omfattande forskning har bedrivits på området. I Sverige saknar dock branschen klara riktlinjer och tillräcklig kunskap om hur och med vad det ska göras. Den här litteraturstudien är en förstudie till en handledning om hur återfyllning ska ske. Syftet är att ge en bred överblick över forskningsläget och konventionerna främst i Sverige, USA och Tyskland med fokus på vilka material man använder sig av och varför, samt vilken teknik som används. Ett försök att utreda hur bentonit reagerar på frysning och på salt grundvatten har också gjorts.

Studien visar att när borrhål återfylls i Tyskland och USA görs det nästan uteslutande genom tryckinjektering nerifrån och upp via ett påfyllnadsrör som sänks ner tillsammans med kollektorslangarna. Utifrån den undersökta litteraturen har slutsatsen nåtts att det främst är cementbaserade och bentonitbaserade material med olika tillsatser som används utomlands. Tillsatserna förstärker bland annat materialens förmåga att täta borrhålet, deras värmeledningsförmåga, frystålighet och injekterbarhet. Bentonit är en naturligt förekommande lera som har förmågan att ta upp stora mängder vatten och svälla flera gånger sin egen volym.

Den främsta svagheten hos de bentonitbaserade material är en dålig motståndskraft mot uttorkning som orsakar stora volymförluster och kraftig försämring av värmeledningsförmågan. Dessutom har materialen ofta lägre värmeledningsförmåga från första början än de cementbaserade. Nackdelen med de cementbaserade materialen är istället att de stelnar i borrhålet. Därmed saknar de generellt förmågan att upprätthålla en kontakt med kollektorslangen om denna drar ihop sig. Detta sker då den kyls av när värme utvinns ur borrhålet. En försämrad kontakt skapar små glapp mellan slangarna och materialet vilket gör borrhålet mindre tätt och hindrar värmeöverföringen mellan berggrunden och systemet.

Baserat på litteraturen som studerats i den här undersökningen har inga definitiva slutsatser kunnat dras angående bentonitbaserade materials reaktion på nedfrysning och salt grundvatten. Vid val av material är det dock klart att hänsyn måste tas till både markförhållandena och vilka hot man vill skydda sig mot.

Abstract

A shallow geothermal energy system consists of one or several boreholes connected to a heat pump through borehole heat exchangers. In some circumstances it’s desirable that the boreholes are grouted. This is carried out primarily to reduce the risk of contaminants being transported from the surface and between aquifers that the borehole penetrates. In the USA and Germany grouting is regularly performed and a substantial amount of research has been conducted on this topic. In Sweden the industry lacks clear guidelines and enough knowledge about
how and with what to grout. This literature study is an introductory investigation for a manual on how this should be done. Its purpose is to take a broad look at the current research state and conventions primarily in Sweden, Germany and the USA focusing on what materials and techniques are employed. An attempt at describing how bentonite is affected by freezing and saltwater has also been made.

When boreholes are filled in Germany and the USA it’s almost exclusively done by pressure grouting through a tremie pipe from the bottom up. The pipe is lowered into the hole along with the borehole heat exchangers. The investigation concludes that cement- and bentonite based materials with additives are mainly used. The additives enhance, among other things, the materials’ thermal conductivity, bond strength to the heat exchanger, resistance to freezing and pumpability.

A cement based grout generally hardens up into a solid material in the borehole. This prevents it from keeping a tight bond with the heat exchanger when the pipe contracts upon cooling during heat extraction from the borehole. This increases the hole’s permeability and hinders the transfer of heat between formation and brine fluid which reduces the system’s efficiency. The primary weakness of bentonite based materials is their poor resistance to dehydration which causes large volume losses and a major reduction in thermal conductivity. In addition, they also generally have a lower thermal conductivity than the cement based grouts.

Based on the literature studied in this investigation no clear conclusion could be drawn about how a bentonite based grout reacts on freezing and saltwater. However, it is clear that both geological and hydrogeological factors, aswell as the type of contaminant the borehole is to be sealed against, must be considered when choosing a grouting
material.

Abstract (Swedish)

Ett geoenergisystem består av ett eller flera borrhål, energibrunnar, som via värmeväxlare är kopplade till en värmepump. I en del fall är det önskvärt att borrhålen återfylls. Detta görs för att förhindra spridning av föroreningar från ytan och mellan olika akvifärer som borrhålet kan kortsluta. Utomlands görs detta regelbundet och omfattande forskning har bedrivits på området. I Sverige saknar dock branschen klara riktlinjer och tillräcklig kunskap om hur och med vad det ska göras.
Den här litteraturstudien är en förstudie till en handledning om hur återfyllning ska ske. Syftet är att ge en bred överblick över forskningsläget och konventionerna främst i Sverige, USA och Tyskland med fokus på vilka material man använder sig av och varför, samt vilken teknik som används. Ett försök att utreda hur bentonit reagerar på frysning och på salt grundvatten har också gjorts.

Studien visar att när borrhål återfylls i Tyskland och USA görs det nästan uteslutande genom tryckinjektering nerifrån och upp via ett påfyllnadsrör som sänks ner tillsammans med kollektorslangarna. Utifrån den undersökta litteraturen har slutsatsen nåtts att det främst är cementbaserade och bentonitbaserade material med olika tillsatser som används utomlands. Tillsatserna förstärker bland annat materialens vidhäftning till kollektorslangen samt deras termiska konduktivitet, frystålighet och injekterbarhet.

De cementbaserade materialen stelnar generellt i borrhålet. Därmed förlorar de förmågan att följa kollektorslangen som drar ihop sig då köldbärarens temperatur sjunker när värme utvinns ur borrhålet. Detta ökar borrhålets permeabilitet och hindrar värmeöverföringen mellan formation och köldbärare vilket försämrar systemets funktion. Den främsta svagheten hos de bentonitbaserade material är en dålig motståndskraft mot uttorkning som orsakar stora volymförluster och kraftig försämring av dess termiska konduktivitet. Dessutom har materialen ofta lägre termisk konduktivitet än de cementbaserade.

Baserat på litteraturen som studerats i den här undersökningen har inga definitiva slutsatser kunnat dras angående bentonitbaserade materials reaktion på nedfrysning och salt grundvatten. Vid val av material är det dock klart att hänsyn måste tas till den geologiska och hydrogeologiska miljön, samt vilka hot man vill skydda sig mot övervägas.

• author: Hjulström, Joakim
• supervisor: Johan Barth; Mikael Calner
• organization: Department of Geology
• alternative title: Grouting of boreholes in shallow geothermal energy systems : conventions, methods and materials
• course: GEOX01 20112
• year: 2012
• type: M2 - Bachelor Degree
• subject: Earth and Environmental Sciences
• keywords: shallow geothermal energy, energibrunn, borrhål, bentonit, återfyllning, geoenergi, bergvärme, grout, borehole, bentonite
• publication/series: Examensarbeten i geologi vid Lunds universitet
• report number: 298
• language: Swedish
• additional info: Johan Barth är VD för Geotec, Svenska Borrentreprenörers Branschorganisation.
• id: 2340705
• date added to LUP: 2012-02-10 14:56:07
• date last changed: 2012-03-19 11:11:06