Det er vanskelig å overse byggekranene langs Ring 3, rett overfor Ullevål Stadion i Oslo. Her reises Campus Ullevål – et moderne kontorkompleks bestående av to bygg, som fra 2026 blir hovedkontoret til Norges Geotekniske Institutt (NGI). Når det står ferdig, vil det huse 1 500 arbeidsplasser innen naturvitenskapelige fagmiljøer.
At NGIs nye hovedkvarter bygges på geoteknisk utfordrende grunn, kan være en tilfeldighet, eller – kanskje en skjebnens ironi. Byggegropen er gravd ut i mektige lag av kvikkleire. Dette krever sikringstiltak.
Ved graving i tykke løsmasser er det standard prosedyre å stabilisere byggegropen med støttekonstruksjoner. På Campus Ullevål benyttes en spunt til dette formålet.
Vanligvis fungerer spunter kun som midlertidige støttekonstruksjoner, men i Norge lar man dem ofte bli stående i bakken også etter at bygget er ferdigstilt. I Campus Ullevåls tilfelle skal stålveggene imidlertid ikke bare bli værende – de får også en viktig funksjon etter at bygget står klart.
Den modifiserte spunten skal utveksle varme med løsmassene rundt, og på den måten bruke grunnen som et termisk energilager, eller en termos. Vi kaller derfor spunten en energivegg.
Om sommeren vil spunten levere overskuddsvarme til leira (og kjøle ned bygget), mens om vinteren vil varmen hentes tilbake for oppvarming av bygget. Dette er ikke en teknologi som «produserer» energi, men snarere en løsning for effektiv lagring og gjenbruk, noe som reduserer avhengigheten av eksterne energikilder.
Bruk av grunnen som energilager er ikke nytt i Norge, men dette er første gangen teknologien tas i bruk ved hjelp av spunt i løsmasser. Konseptet er kjent, men anvendelsen i denne sammenhengen er innovativ.
Det finnes heller ikke mye installasjons- og driftserfaring fra utenfor våre landegrenser. Tidligere vurderinger har fastslått at et fullskala prosjekt må til for å kunne verifisere konseptet og fremskynde teknologiutviklingen av spunt for energilagring.
Det er nettopp det som skjer nå. Prosjektet har fått støtte fra Enova gjennom programmet Fullskala innovativ energi- og klimateknologi. Målet er å dokumentere nytte og verdi for liknende fremtidige prosjekter.
Godt egnet på Ullevål
Det er estimert at løsningen kan dekke 5 – 8 prosent av Campus Ullevåls totale energibehov. Løsningen ble valgt til fordel for andre alternativer (som energibrønner og solceller på fasaden) blant annet på grunn av plassproblemer og de krevende geotekniske forholdene.
Det er særlig tre prinsipielle fortrinn med å benytte energispunt til termisk energilagring:
- Stålveggene fungerer som en stor varmeveksler, som gir effektiv varmeoverføring til omkringliggende løsmasser og bedre driftsbetingelser enn vanlige kollektorløsninger.
- Ettersom spunten installeres uansett, er merkostnaden begrenset til kollektorrør og komponenter i energisentralen.
- Løsningen egner seg i områder med tykke løsmasser, der bergvarme er kostbart eller uegnet.
Spuntens overflateareal mot leira er ca. 5 600 m2. Av dette utgjør 4 250 m2 energispunt. Rørføringer for kollektorrør har blitt montert på utsiden av spunten. Rørene skal sirkulere vann som absorberer varme eller kulde fra spunten og løsmassene omkring. Vannet avgir så varmen/kulden til en varmepumpe i byggets energisentral for videre distribusjon til byggets øvrige energisystem.
Totalt vil energiveggen inneholde 33 000 liter vann som bruker 1 time på å sirkulere én runde i systemet. Det er anslått at spunten kan tilføre minst 50 kW kontinuerlig termisk effekt til en varmepumpe og ha en energiytelse på 150 – 250 MWh/år. Det store vannvolumet gjør derimot at effekten kan være betydelig høyere i kortere perioder av døgnet i situasjoner hvor byggets varmebehov gir variable driftsforhold.
Over tid er det imidlertid leiras termiske egenskaper som bestemmer hvor fort varmen brer seg fra vannet og ut fra veggen. Leire har bedre lagringskapasitet, men lavere termisk ledningsevne, enn berg. Dette gjør at det tar lengre tid å overføre varmen enn i tilsvarende bergvarmeanlegg. For å kunne få tilsvarende kapasitet på systemet, er vi derfor avhengig av et stort areal for varmeoverføring, noe spuntarealet bidrar til.
Mer temperaturvariasjoner i grunnen
Anlegget er ikke ferdigstilt, og vi forventer at faktiske driftsdata kan bli tilgjengelig fra vinteren 2027. Vi har imidlertid iverksatt et måleprogram som registrerer temperaturer og poretrykk omkring byggegropen slik situasjonen er i dag.
Energispunten er installert fra 0,5 – 15 meters dyp, og må forholde seg til årstidsvariasjonene i området. Innsamlede temperaturdata fra sensorer tett inntil spunten viser kort fortalt at sesongvariasjonene er store ved overflaten, men mindre jo dypere vi måler. Ved to av måleprofilene var temperaturen uendret gjennom året ved ca. 15 meters dyp.
Når det settes i gang drift av energispunten vil varme og kulde tilføres langs hele dens lengde. Dermed vil også leira som ligger dypere ned i jordprofilet få påført temperaturvariasjoner mellom 2 – 25 °C, leire som til nå har hatt nokså stabil temperatur omkring 9 °C. Vi har også laget en numerisk modell for å forstå hvordan den termiske responsen vil bli. Den ble benyttet til å analysere hvor langt ut fra spunten denne varmen vil kunne klare å bre seg over en fyringssesong.
Modellen etterligner den forventede termiske responsen basert på at spunten varmes opp fra 15 °C til 25 °C over en periode på tre måneder (en antatt realistisk syklustid). Modellen anslår at temperatursonen ikke vil bre seg lengre ut enn ca. 5 meter omkring spunten, hvorpå de nærmeste 2 meterne av spunten står for de største endringene (> 5 °C). Når syklusen snus, og varmen hentes ut igjen, vil den begrensede transportlengden for varmen bidra til å redusere tapet til omgivelsene.
Det er avgjørende å ha god forståelse for hvor mye leira vil varmes opp og kjøles ned som følge av energispuntene. Det er nemlig knyttet risiko til å la spunten blir for kald fordi vann i leira kan fryse og skape setninger når dette tiner igjen.
Foreløpig ligger begrensningen for drift mellom 2 – 25 °C for temperaturen som tilføres spunten fra fordamperen og fra kjølesystemet. Leira skal dermed ikke risikere å fryse, men ei heller ikke risikere å bli for varm, noe som kan påvirke dens stabilitet.
Øvre nivå settes til 25 °C med bakgrunn i at dette er temperaturer som allerede er målt på spunten i løpet av sommeren 2023 og 2024. Det vil imidlertid være mulig å øke denne grensen etter at anlegget er testet ut og hvis kjølesystemet kan ha bruk for dette.
Erfaring og overføringsverdi til andre prosjekter
Arbeidene med installasjon av energisystemet i spunten vil foregå i løpet av sommeren og høsten 2025. Campus Ullevål vil bli ferdigstilt i løpet av sommeren 2026 og det er først da de faktiske dataene om kostnader ved anlegget og erfaringer fra driften av anlegget vil foreligge.
Detaljprosjekteringen er pågående, og justeringer i energisystemet kan påvirke hvordan energispunten skal driftes. Dermed er det fortsatt stor usikkerhet rundt energidekningsgrad, temperaturforhold og optimal driftstemperatur.
Når bygget er klart og driften er i gang, skal vi høste erfaringer. Målet er da at dataene fra fullskalaprosjektet vil kunne dokumentere energispuntenes funksjon og at dette vil gi nytte og overføringsverdi også for andre lignende prosjekter i Norge og verden for øvrig. Interesserte aktører må derfor gjerne ta kontakt for å drøfte dette når vi har flere resultater klare.
SONDRE GJENGEDAL OG TORE INGVALD BJØRNARÅ
Norges Geotekniske Institutt
Denne artikkelen er et sammendrag av en lengre tekst skrevet i forbindelse med Geoteknikkdagen 2024.