Denne byggeløsningen henter varme rett fra jorda
Med en helt ny type pæleskjøt kan jordvarme hentes direkte via pælene som forankrer bygg i bakken. Oppfinnelsen gjør det enklere, raskere, billigere og tryggere å utnytte miljøvennlig energi.
Den nye pæleskjøten som nå er patentert av NTNU Technology Transfer AS kobler sammen prefabrikkerte betong-elementer til ønsket lengde på en hurtig og sikker måte. Pælene forankres i grunnfjell, og er utstyrt slik at de kan utnytte jordvarme direkte for å varme opp eller kjøle ned bygg.
Nøkkelen i prosjektet DEP Joint (Driven Energy Piles) er en pæleskjøt av stål som kan sees øverst i pælen i bakgrunnen. Skjøten er videreutviklet av stipendiat Habibollah Sadeghi ved Institutt for bygg og miljøteknikk på NTNU.
Slipper å bore egne brønner
Den nye løsningen gjør at byggeiere som vil utnytte jordvarme ikke trenger å bore egne brønner for å få tak i den, noe som er både kostbart og krevende.
Hittil har ingen greid å hente jordvarme direkte gjennom fundamentet i et bygg på en rimelig og effektiv måte.
Kobling etter LEGO-prinsippet
Nøkkelen i prosjektet DEP Joint (Driven Energy Piles) er en kvadratisk pæleskjøt av stål, som er videreutviklet av stipendiat Habibollah Sadeghi ved Institutt for bygg og miljøteknikk på NTNU.
Skjøtestykket har to hann-plugger og to hunn-plugger som kobles raskt og enkelt til hverandre. To bolter av stål låser skjøtestykkene sammen.
– Det kan minne litt om måten man bygger LEGO på, sier Sadeghi, som har designet noen nye åpninger på sidene av pæleskjøtene.
Åpningene gjør at innstøpte slanger kan kobles trygt og effektivt uten at det går ut over bærekapasiteten til pælene.
Nøkkelen i prosjektet DEP Joint er den kvadratiske stål-skjøten. Den er påsveiset armering som sikrer innfesting mellom skjøtestykket og betongelementet . Stålskjøten har to hann-plugger og to hunn-plugger som kobles raskt og enkelt til hverandre og låses sammen med et par stålstifter. Fotos: DEP Joint/Montasje: Sølvi W. Normannsen
Varme med voldsomt potensial
Nest etter solenergi er jordvarme vår største tilgjengelige kilde til fornybar energi. Hele 99 prosent av jordkloden har en temperatur på over 1000 grader Celsius. Kombinert med varmepumper kan konstruksjoner under bakkenivå utnytte den stabile varmen som finnes så å si rett under føttene våre – selv i kalde Norge.
Mulighetene er store, og mange jobber med saken. Alt handler om å utvikle teknologi som er effektiv og sikker nok.
Første PhD på energipæler i Norge
Stipendiat Habibollah Sadeghi ved Institutt for bygg- og miljøteknikk, NTNU. Foto: Sølvi W. Normannsen
Iranske Habibollah Sadeghi er den første i Norge som tar doktorgrad på energipæler. I starten av studiet, pløyde han gjennom all litteratur han kom over på feltet.
Han sier han raskt ble klar over begrensningene og utfordringene ved ferdigstøpte pæler. På markedet fantes bare enkle elementer, med forholdsvis korte lengder. Løsninger for å skjøte betongpæle-elementene sammen fantes heller ikke.
Fikk idéen fra u-bahn i Østerrike
Et kurs i Sveits og et eksempel fra Østerrike ga Sadeghi idéen til en løsning. I undergrunnsbanen i Jenbach går mer enn 100 kilometer med varmevekslerrør gjennom vegger, foringer og støpte betongplater.
Hvert år høster dette prosjektet 175 og 437 MWh til henholdsvis oppvarming og kjøling fra omgivelsene rundt tunneler og underjordiske stasjoner.
– Systemet satte meg på ideen om å koble pæle-elementene sammen på en like effektiv og trygg måte, sier stipendiaten.
Stål som styrker bæreevnen
Innfestingen mellom skjøtestykket og betongelementet skjer ved at armeringen av stål sveises til skjøtestykket. Pælene støpes på fabrikk, og supersterke slanger, eller energisløyfer, støpes inn. Disse kobles sammen samtidig som pælene når de rammes ned i bakken. Væsken som varmes opp av jordvarmen sirkulerer gjennom disse sløyfene.
Støping av betongpæler hos Sandnes & Jærbetong AS. Pælene støpes i liggende former og er armert med et indre «stålkorsett». Dette styrker bæreevnen og beskytter mot støt, vibrasjoner og annen påvirkning som gjerne skjer når pælene rammes ned i bakken. Fotos: DEP Joint/Montasje: Sølvi W. Normannsen
Strenge kvalitetskrav
En viktig fortrinn for DEP Joint, er at systemet baseres på prefabrikkerte betongpæler. De produseres i store antall, og er dermed underlagt strenge kvalitets- og sikkerhetskrav.
Lodve Berre, NTNU Technology Transfer AS. Foto: NTNU
Ett annet fortrinn er at det vil være mye enklere å sjekke kvaliteten på det som kommer fiks ferdig ut fra fabrikk enn å sjekke pæler støpt i borehull på byggeplassen.
Sadeghi og veilederen hans, professor Rao Martand Singh, har jobbet tett med NTNU Technology Transfer AS for å få hjelp til å løfte idéen videre.
– Det finnes ingen tilsvarende løsning på markedet i dag, sier forretningsutvikler Lodve Berre i NTNU TTO.
Dette er NTNU Technology Transfer:
Etablert i 2003 og eies av NTNU (85 prosent) og Helse Midt-Norge (15 prosent).
Selskapet skal bidra til at idéer og forskningsresultater som eierne etter norsk lov eller avtale har eiendomsrett til, får bredest mulig anvendelse i samfunnet.
NTNU Technology Transfer as har registrert og jobbet med i alt 2142 ideer, sendt inn 1053 patentsøknader og gjort 267 kommersialiseringer (selskapsetableringer og teknologilisenser) siden oppstarten.
I 2022 hadde selskapet 9,4 (7,8 MNOK året før) millioner kroner i lisensinntekter. 7,8 MNOK av dette går til utbetaling eller avsetning til utbetaling til oppfinnere og fagmiljø.
NTNU Technology Transfer AS hadde eierandeler i 34 selskaper ved årsskiftet. Eierskap er midlertidig, aksjer holdes i påvente av salg. Salg av aksjer ga 5,3 millioner (0,3 MNOK) i 2022.
Selskapet har 26 ansatte. Daglig leder: Eivind Andersen. Styreleder: Gunnar Bovim.
Utfordringer med dagens brønner
Brønnene som bores for å hente jordvarme til nye bygg i dag, er gjerne 150-300 meter dype. Borehullene gir store mengder overskuddsmasse som må fraktes bort.
Samtidig kan grunnforholdene by på ulike utfordringer. Jordmasser kan for eksempel være forurenset og kreve spesialbehandling. I tillegg kan endringer i vannstand gi ustabil grunn og medføre setninger og setningsskader.
– DEP Joint-pælene kan enkelt og uten problemer brukes i områder med forurenset jord og lavt vannspeil, sier Berre.
Flere pæler oppveier for dype hull
Siden elementene må transporteres fra fabrikk til byggeplass kan de ikke være lenger enn 12-15 meter. Dette er en ulempe, da lange energi-sløyfer er ønskelig fordi de kan hente mer varme.
Dette dilemmaet løser DEP Joint slik:
– I stedet for å bore et 300 meter dypt hull, kan vi heller installere 12 energipæler ned til grunnfjell som ligger på 50-60 meters dyp. Slik kan vi hente ut nært den samme energimengden, sier Sadeghi.
Ekstra kostnad tjenes fort inn
Energipælene er litt dyrere og tar litt mer tid å installere, men det tjenes inn på godt under ett år, mener forskeren.
Her i landet rammes 250.000 meter med betongpæler ned i jorda, hvert år. Stort sett alle større bygg har slike fundamenter. Dette, kombinert med at verden aldri hatt større behov for ren og effektiv energi, er kjernen i DEP Joints forretningsidé.
– Om man kan redusere energibehovet for oppvarming og nedkjøling i nybygg med to tredeler tilsvarer det enorme mengder spart i strøm globalt. Det vil også hjelpe like mye på belastningen på strømnettet, sier forretningsutvikler Lodve Berre i NTNU TTO.
Særlig effektivt i kaldt klima
Habibollah Sadeghi har publisert flere studier der han har sammenlignet ytelse, potensiale og økonomi for ulike varmepumpe-systemer både i Norge og Europa.
Driven precast concrete geothermal energy piles: Current state of knowledge
Current status of heat pumps in Norway and analysis of their performance and payback time
Det finnes mange løsninger, men systemer som utnytter jordvarme kommer særdeles godt ut. Kostnadene ved installasjon er høyere, men tjenes raskt inn i forhold til byggets levetid.
– I et kaldt klima som det norske, er jordvarme-pumper særlig effektive fordi temperaturen nede i bakken er stabil, sier forskeren.
Patentert og klar for lisensavtale
DEP Joint er et FORNY-prosjekt finansiert av Forskningsrådet med 5 millioner kroner.
Som arbeidsgiver eier NTNU rettighetene til stipendiat Sadeghi´s oppfinnelse, mens NTNU Technology Transfer forvalter intellektuell eiendom på vegne av universitetet.
Selskapet har søkt om patentbeskyttelse, og jobber med å få stålskjøten ut på markedet gjennom en lisensavtaler med en eller flere produsenter.
Tøffe tester i Finland
De første prototypene ble produsert av den finske produsenten Leimet Oy mot slutten av 2022. En annen samarbeidspartner, Sandnes & Jærbetong, har støpt koblingen inn i pelene.
I mai 2023 gikk pælene gjennom svært tøffe, europeiske standard slag-, trykk- og lekkasjetester hos Leimet OY. Deretter ble de sendt til Tampere universitet for bøynings-tester.
Her går en betongpæle med stålskjøt gjennom en bøyetest ved Tampere Universitet i Finland. Foto: Habibollah Sadeghi
Pælene er sikre, sterke og tette
Testene viste at skjøtene kom uskadd fra det hele, og at både rør og koblinger er lekkasjefrie. De viste også at pælene har like god bæreevne og styrke som tradisjonelle, ferdigstøpte betongpælene som er på markedet i dag.
Dermed oppfyller DEP Joint kravene til CE-merking. Det betyr at grunnleggende sikkerhetskrav er oppfylt og at pæleskjøten er klar for bruk i byggeindustrien.
Globalt marked
Siden alle større bygg trenger fundamenter er potensialet formidabelt, mener aktørene i prosjektet.
– Og markedet er globalt – for løsningen er like god til nedkjøling som til oppvarming, sier Lodve Berre i NTNU Technology Transfer.
Pæleskjøt under testing i Finland. Foto: Habobillah Sadeghi
I sommer skal en ny energipæl støpes i Stavanger. Den blir 24 meter lang og består av én kobling og to betongelementer. Etter hvert skal pælen monteres i nærheten av NTNU i Trondheim, der forskerne skal måle hvor mye energi den kan hente. Et annet mål er å installere pæler under et ordinært nybygg, ifølge Habibollah Sadeghi.
Planen er å gjøre dette i samarbeid med en byggherre – og forhåpentligvis med pilotstøtte fra ENOVA.
