Geoenergi. | 5 feb

Vintervarma fotbollsplaner – och minskad driftkostnad

Fotbollsspelare gläds säkerligen åt de konstgräsplaner som redan är uppvärmda, särskilt i de norra delarna av landet. Dessa möjliggör träning och matcher året runt, vilket framför allt gynnar ungdomsfotbollen. Av Sveriges 1 200 konstgräsplaner är det bara ett drygt 80-tal som hittills är vintervärmda, i huvudsak med fjärrvärme och med en avsevärd driftkostnad. Ett givet alternativ är att istället använda ett geoenergilager med en betydligt lägre driftkostnad.

I ett internationellt forskningsprojekt (IEA ES Task 38. Ground source deicing and snow melting systems for infrastructure) studeras hur geoenergi kan användas för att reducera de allt högre uppvärmningskostnaderna för markuppvärda ytor. Det finns i dag totalt cirka 600 000 kvadratmeter uppvärmda gågator i ett 20-tal svenska stadskärnor, vilket motiveras med minskat antal fallolyckor, men även minskade kostnader för traditionell snö- och halkbekämpning.

För fotbollsplaner är motivet lite annorlunda. Här gäller det att hålla planerna frostfria för att det ska bli ett tjänligt underlag för träning och matcher. I dag är det cirka 500 000 kvadratmeter som värms under vintern så att både elit- och ungdomsfotboll ges möjlighet att träna och spela matcher då naturgräsplanerna ligger i träda. Den ökade energikostnaden för att hålla planerna uppvärmda upplevs som besvärande både för kommuner och fotbollsklubbar.

Sett över hela Europa värms konstgräsplanerna med elslingor eller naturgaspannor med betydande utsläpp av växthusgaser. I Task 38 har påvisats att de geoenergisystem som kan lagra solvärme eller överskottsvärme från sommar till vinter är ett gångbart alternativ.

Konstgräsets uppbyggnad
Konstgräset är i princip detsamma oavsett om planen värms upp eller inte. Riktlinjerna för hur planerna ska byggas och underhållas ges av Svenska Fotbollförbundet (2020) från vilken figur 1 hämtats.

Lagren består överst av en konstgräsmatta med elastiska granulat, sedan ett tunt lager med fillersand följt av en vattengenomsläpplig stötdämparmatta. Under mattan ligger ett sand- och gruslager med dräneringsrör. Spelytan har en lutning på cirka 1 procent från mittlinjen ut mot sidorna för att underlätta avrinning av regn. Om planen värms upp ligger värmerören oftast i spår i stötdämparen. Rören består vanligtvis av pex med en diameter på 20–25 mm och avståndet mellan rören 200 mm.

Det kritiska materialet för värmeledning från rör till spelyta är granulaten. Dessa har en låg värmeledningsförmåga, vilket kräver en relativt hög framledningstemperatur. Å andra sidan kommer stötdämparen, som också har en låg värmeledning, att isolera mot värmeförluster nedåt. I äldre system har värmerören lagts under stötdämparmattan, vilket gjort att dessa system är mindre energieffektiva.

I dag är det cirka 500 000 kvadratmeter som värms under vintern så att både elit- och ungdomsfotboll ges möjlighet att träna och spela matcher då naturgräsplanerna ligger i träda.

Konstgräsets effektbehov
Den vanliga strategin är att hålla gräset fritt från frost ned till en omgivningstemperatur på 20 °C. Därför bestäms värmebehovet i första hand av utomhustemperaturen. Sekundärt påverkar även hur mycket det blåser, men det är oftast bara svaga vindar vid riktigt kall väderlek. Dimensionerat efter dessa förutsättningar klarar värmesystemet även att smälta bort lättare snöfall, men vid tyngre snöfall måste snön tas bort mekaniskt.

Faktiska mätvärden rapporteras sällan, men de som finns från mellansvenskt klimat indikerar ett effektbehov av 50–70 W/m2 vid 20 °C. Oavsett var man är i landet borde denna effekt gälla för system som har värmerören på ovansidan av stötdämparmattan. Ligger rören under densamma krävs en betydligt högre effekt, troligen 100–120 W/m2.

Det årliga värmebehovet är direkt kopplat till hur många dagar som utetemperaturen ligger under fryspunkten. I de verkligt uppmätta fallen (Uppsala och Helsingfors) blev årsbehovet 800 MWh (120 kWh/m2) respektive 700 MWh (90 kWh/m2). I dessa fall var framledningen till värmeslingorna uppemot +30 °C vid utetemperaturen 20
°C. Detta gör i att man istället för pexrör skulle kunna använda rör av PE, vilket är betydligt billigare.

Antalet dagar med frosttemperatur varierar med klimatet, men är typiskt 100–150 dagar i norra Sverige, 50–100 dagar i Mellansverige och mindre än 50 dagar i den sydligaste delen av landet. En kartläggning som utfördes 2010 och som omfattade 15 arenor över hela Sverige indikerade ett genomsnittligt årligt värmebehov av cirka 1 000 MWh (125 kWh/m2).

Lovande system med geoenergi
Grundvattentemperaturen kan i vissa fall vara så hög att den kan användas direkt för att hålla en fotbollsplan över fryspunkten under större delen av vintern. En mer effektiv lösning är dock att använda sig av ett så kallat akviferlager där fotbollsplanen tjänar som en solfångare på sommaren och där solvärme lagras fram till vintern (se figur 2).

Den största fördelen med att använda ett akviferlager är uppdelningen ”varma” och ”kalla” brunnar, vilket gör det möjligt att lagra och producera en relativt hög temperatur. Om en värmepump för spetslasttäckning skulle behövas kan en gynnsam COP för denna förväntas. Detta gör att akviferlagrets årsvärmefaktor bedöms ligga i intervallet 8–10.

Nackdelen med akviferlager är att lämpliga akviferer sällan finns i omedelbar närhet av idrottsanläggningen. Dessutom krävs det tillstånd som kan vara både kostsamt och ta lång tid att få. Härtill kan grundvattnets kemi vara ogynnsam och ge upphov till drifttekniska problem i form av igensättning i brunnar och värmeväxlare, oftast med järnhydroxider. Sammantaget begränsar detta potentialen för akviferlager.

Ett lagringssystem som kan användas i nästan alla geologiska miljöer och som kräver ett minimum av tillstånd är däremot ett så kallat borrhålslager. Ett sådant består av flera tätt liggande borrhål i berg. Enkla U-rör i PE (kollektorer) installeras i borrhålen vilka sedan kopplas ihop parallellt. I Skandinavien är borrhålen normalt fyllda med grundvatten (se figur 3).

Av Sveriges 1 200 konstgräsplaner är det bara ett drygt 80-tal som hittills är vintervärmda, i huvudsak med fjärrvärme och med en avsevärd driftkostnad. Ett givet alternativ är att istället använda ett geoenergilager med en betydligt lägre driftkostnad.

På grund av ett relativt högt värmemotstånd hos U-rören kommer framledningen från borrhålslagret att ha en betydligt lägre temperatur än akviferlagrets. Därför är en värmepump nödvändig för att klara temperaturkraven en stor del av vintern. Om exempelvis hälften av värmetillförseln är ”frivärme” och den andra hälften är värmepumpsproducerad kan en årsvärmefaktor i intervallet 6–8 ändå påräknas. En ekonomisk fördel med borrhålslagret är att borrhålen har en lång livslängd (>50 år) vilket kommer att minska den årliga kapitalkostnaden. En annan fördel är att borrhålssystemet, jämfört med akviferlagrets brunnar, är praktiskt taget fritt från underhållskostnader.

Istället för att helt förlita sig på enbart solvärme för lagring kan överskottsvärme användas, exempelvis i form av kondensorvärme från kylmaskiner till ishallar. Detta kallas vanligen för hybrida system, se figur 4.

I Sverige finns det fyra hybrida system, alla med borrhålslager, och alla belägna i centrala sportanläggningar med konstis av något slag (se tabell 1).

Det ska nämnas att dessa system också används för uppvärmning och varmvatten till omklädningsrum och andra byggnader i anläggningarna. Utöver dessa fyra finns det ett system med grundvattenvärme i Hallsberg. Där används grundvattnen med temperaturen +8 °C som basvärme men spetsas till +14 °C då kondensvärme från ishallen tillförs.

Konstgräset som solfångare
Det finns inga publicerade mätningar på hur mycket solenergi som kan fångas från konstgräs. Vad man däremot vet är att bruttoinstrålningen är i storleksordningen 1 000 kWh/m2 i vårt land, vilket är ungefär tio gånger mer än vad som går åt för planuppvärmningen. Vi vet också att konstgräs absorberar 75–80 procent av solinstrålningen och därmed får en varm yta. Det borde alltså finnas gott om värme men nyckelfrågan är hur mycket som kan fångas av rörsystemet som ligger några centimeter under den termiskt tröga granulaten. De teoretiska bedömningar som gjorts i Task 38 tyder på att betydligt mer solvärme går att utvinna och lagra än som går åt för uppvärmningen påföljande vinter.

Om exempelvis hälften av värmetillförseln är ”frivärme” och den andra hälften är värmepumpsproducerad kan en årsvärmefaktor i intervallet 6–8 ändå påräknas.

Via värmeuttaget kyls konstgräset ner. Detta är en bonus som bedöms minska slitaget på gräset och samtidigt minska glidbrännskador på spelarna.

Ekonomi
För att det ska vara ekonomiskt genomförbart bör den extra investeringskostnaden för att installera ett energilager betalas av inom rimlig tid genom de energibesparingar marklagret skapar. Besparingen är främst kopplad till priset för drivel och alternativ energikostnad, vilket i Sverige är fjärrvärme. Differensen används vanligen för beräkning av återbetalningstiden, vilken är ett enkelt mått på lönsamhet. Exempelvis var den extra investeringen för systemet i Backavallen cirka 10 miljoner kronor (2009). Med ett energibesparingsvärde på en miljon kronor beräknades systemet vara återbetalat på cirka tio år. Beräkningsexempel som utförts i Task 38-projektet indikerar ungefär samma lönsamhet för borrhålslager
medan system med akviferlager har snabbare återbetalningstid – om förutsättningar för ett sådant system finns.

Som en bonus kommer ett geoenergisystem att släppa ut betydligt mindre växthusgaser än fjärrvärmeuppvärmda och bidrar således till energiomställningen. Denna fördel går dock inte att prissätta. En annan fördel med geoenergisystemet, som inte heller kan prissättas, är den låga känsligheten för framtida energiprishöjningar.

 

 

Den största nackdelen är en hög initial investeringskostnad för systemen. Å andra sidan bedöms denna uppvägas av en lång avskrivningstid för huvudparten av investeringen, vilket håller nere den årliga kapitalkostnaden.

Marknadsbedömning
Det finns flera fördelar med akviferlager och borrhålslager. Energikostnadsbesparingen kan förväntas vara minst 80 procent, vilket gör systemen kostnadseffektiva ur driftsynpunkt. Dessutom är underhållskostnaden för främst borrhålslager praktiskt taget noll. Just detta alternativ kan dessutom anläggas i alla geologiska miljöer. Geoenergin är därtill gratis, skattefri, förnybar, och är mindre känslig för
framtida energiprissvängningar.

Det redan stora antalet fotbollsplaner med konstgräs växer med cirka 50 planer per år. Hur många av dessa som blir uppvärmda beror bland annat på vilken energikostnad som kan påräknas. I detta perspektiv framstår
geoenergi som ett gångbart alternativ som kan få beslutsfattare att våga satsa på uppvärmda nyanlagda planer. På samma grunder bör också geoenergi ses som gångbart för konvertering av befintliga fjärrvärmeuppvärda anläggningar. En sådan konvertering kan exempelvis göras då konstgräset ändå måste läggas om och nuvarande granulat bytas ut mot ett miljövänligare.

Den förhållandevis låga driftkostnaden tillsammans med betydande miljövinster gör att geoenergi borde ses som ett intressant alternativ för både nya vintervarma konstgräsplaner och renovering av befintliga.