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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung superabsorbierender
Materialien zur Erhöhung der Wärmekapazität
bzw. zur Verbesserung des Wärmeübergangs in Wärmespeichern.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner Wärmespeicher
umfassend mindestens ein superabsorbierendes Material, insbesondere
Erdwärmespeicher.
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Hintergrund der Erfindung
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Ein
generelles Problem der herkömmlichen Wärmeversorgung
ist, dass die vorhandene Wärme an ihrem Entstehungsort
oder Entstehungszeitpunkt häufig nicht direkt nutzbar ist,
da das Energieangebot tageszeitlich und saisonal schwankt und der
Energiebedarf häufig hierzu zeitversetzt auftritt. Bei
der Nutzung von Sonnenenergie beispielsweise wird Energie tagsüber
bzw. verstärkt in den Sommermonaten erzeugt, während
die Hauptverbrauchszeiten nachts bzw. in den Wintermonaten auftreten.
Sowohl zum Ausgleich derartiger tageszeitlicher Schwankungen, als
auch zum Ausgleich saisonaler Schwankungen werden daher Wärmespeichertechnologien
eingesetzt. Für die Wärmespeicherung über
kurze wie auch lange Zeiträume werden häufig unterirdische Erdwärmespeicher
verwendet.
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In
thermischen Erdspeichern oder Erdwärmespeichern kann Wärmeenergie
in Boden- oder Gesteinsmassen unterirdisch gespeichert werden. Dabei
dienen Erdwärmespeicher zum Beispiel dem Ausgleich jahreszeitlich
bedingter Temperaturschwankungen oder tageszeitlich bedingter Temperaturschwankungen
in einem die natürliche Wärme, meistens Sonnenwärme,
nutzenden Heizungssystem. Bei den Bemühungen, die Beheizung
von Gebäuden von fossilen Brennstoffen abzukoppeln, haben
zunehmend gekoppelte Systeme wie Solarenergie, Kraftwärmekopplung,
oder geothermale Energie an Bedeutung gewonnen. Der Wärmespeicher
dient gewissermaßen als Puffer, um den zeitlichen Versatz von
Wärmeanfall und Wärmebedarf (Tag-Nacht/Sommer-Winter)
auszugleichen. Unter Ausnutzung der Wärmekapazität
des Erdbodens, beispielsweise unterhalb von Gebäuden, zur
Speicherung von Wärme besteht beispielsweise die Möglichkeit,
im Sommer aus Sonnenenergie mittels Solaranlagen gewonnene Wärme
für die Deckung des Heizwärme- und/oder Brauchwarmwasserbedarfs von
Wohn- und Arbeitsräumen zu speichern und damit auch nachts
oder im Winter nutzbar zu machen, in welchen die durch Sonnenenergie
anfallende Wärmemenge gering ist. Auch die Speicherung
von Kraftwerkswärme oder geothermischer Energie in Erdwärmespeichern
ist schon vorgeschlagen worden.
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Die
für Wärmespeicher üblicherweise verwendeten
technischen Lösungen umfassen einerseits Tanks mit Wasserfüllung,
die beispielsweise im Keller eines Gebäudes oder im angrenzenden
Erdreich installiert und über Wärmetauscher oder
Wärmepumpen mit dem Heizsystem oder Warmwassersystem des
Hauses verbunden sind, siehe z. B.
DE 20101963 U1 . In diesen Speichern wird
die hohe spezifische Wärmekapazität des Wassers
genutzt, allerdings sind hierfür vom umliegenden Erdreich flüssigkeitsdicht
und wärmeisolierend abgegrenzte Wassertanks im oder außerhalb
des Gebäudes mit erheblichen Raumbedarf und Wartungsbedarf
erforderlich.
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Ferner
sind Erdwärmespeicher bekannt, welche über Sonden,
Rohrleitungen, Bohrlöcher oder ähnliche Vorrichtungen
zugeführte Wärme unterirdisch im Erdboden speichern.
Hierfür können, je nach geologischen Gegebenheiten,
zum Beispiel natürlich vorliegende Gesteinsschichten als
Speichermedium verwendet werden, oder eigens für die Wärmespeicherung
unterirdisch angelegte Erdwärmespeicher. Diese können
von der Umgebung isoliert sein (hermetische Speicher), oder zumindest
teilweise offen mit der Umgebung verbunden sein (nicht-hermetische
oder teil-hermetische Speicher). Die Wärmezuleitung und
Wärmeableitung in die Speichermedien erfolgt in der Regel über
Sonden oder Rohrleitungen, die üblicherweise über
einen Wärmetauscher mit einem Heizsystem verbunden sind.
Die Sonden oder Rohrleitungen können über Bohrungen
in das Speichermedium eingebracht sein, oder werden bei einem aus
Schüttgut bestehenden Speichermedium in dieses eingebettet,
siehe z. B.
EP 0056797
A2 ,
DE-OS-2731178 .
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Bei
letzteren Erdwärmespeichern werden die Sonden oder Rohre
oft mit Betonmischungen oder aushärtenden zementhaltigen
Gesteinsmischungen umgeben, um die Wärme einleitenden Erdsonden zum
Zwecke eines besseren Wärmeübergangs zum umliegenden
Gestein fest zu umschließen, siehe z. B.
DE 3101537 A1 ,
DE 10 2005 037 587 U1 .
Ein Nachteil derartiger Installationen ist, dass bei Leckagen im
Sondensystem bzw. den Rohrleitungen diese von außen nicht
mehr einfach zugänglich sind und somit eine Wartung erschwert
wird. Ein weiterer Nachteil derartiger Systeme ist, dass der Wärmeübergang
von den Wärme zuführenden Sonden bzw. Rohrleitungen
in das umgebende Gestein suboptimal ist.
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Da
Wasser eine höhere spezifische Wärmekapazität
als Sand, Kies oder Gestein aufweist, werden Erdwärmespeicher
oft mit Wasser gesättigt bzw. feucht gehalten. Generell
stellt sich dabei ferner das Problem, dass durch die ständige
Zuführung von Wärmeenergie eine fortschreitende
Austrocknung der Speichermassen erfolgt. Diese Austrocknung, insbesondere
in oberflächennahen Schichten, führen einerseits
zu erheblichen Wärmeverlusten durch Verdunstung oder Diffusion,
andererseits zu einer Verminderung der spezifischen Wärmekapazität
des Speichermediums insgesamt. Darüber hinaus verschlechtert
sich durch Austrocknung des Materials unmittelbar an den Rohren
oder Sonden der Wärmeübergang in das bzw. vom
umliegenden Medium. Gleiches gilt bei Sonden für geothermische
Wärmegewinnungsanlagen.
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Es
besteht daher ein Bedarf nach verbesserten Wärmespeichern
mit erhöhter Wärmekapazität. Ferner besteht
ein Bedarf nach technischen Lösungen zur Verbesserung des
Wärmeübergangs in Wärmespeichern, insbesondere
unterirdischen Erdwärmespeichern, und/oder geothermalen
Sondensystemen.
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Aufgabe
der Erfindung ist daher, Möglichkeiten zur Verbesserung
bzw. Erhöhung der Wärmekapazität und/oder
des Wärmeübergangs in Wärmespeichern,
insbesondere in unterirdischen Erdwärmespeichern, und/oder
geothermalen Sondensystemen anzugeben. Darüber hinaus ist
eine Aufgabe der Erfindung, Wärmespeicher, insbesondere
unterirdische Erdwärmespeicher anzugeben, die eine verbesserte
Wärmekapazität und/oder einen verbesserten Wärmeübergang
aufweisen.
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Die
oben genannten Aufgaben sowie weitere Aufgaben werden erfindungsgemäß gelöst
durch den Gegenstand der unabhängigen Verwendungs- und Produktansprüche.
Bevorzugte Ausführungsformen sind in abhängigen
Ansprüchen angegeben.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Gemäß einem
Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung eines superabsorbierenden
Materials zur Erhöhung der Wärmekapazität
in Wärmespeichern. Gemäß einem weiteren
Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung eines superabsorbierenden
Materials zur Verbesserung des Wärmeübergangs
von Wärmeüberträgern auf diese umgebendes
festes Speichermaterial, insbesondere auf den festen Speicherkern
in Wärmespeichern.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Wärmespeicher
umfassend mindestens ein superabsorbierendes Material bereitgestellt.
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Beschreibung der Figuren
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1 zeigt
den schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen
Erdwärmespeichers.
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2 zeigt
eine alternative beispielhafte Anordnung einer in superabsorbierendes
Material eingebetteten Erdsonde in einem unterirdischen Erdwärmespeicher.
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3 zeigt
ein Diagramm unterschiedlicher spezifischer Wärmekapazitäten
verschiedener Wärmespeichermaterialien.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Bei
Versuchen zur Ermittlung des Wasserhaltevermögens superabsorbierender
Materialien in Sandböden hat sich gezeigt, dass bei Verwendung derartiger
Materialien eine Erhöhung der Feldkapazität (diejenige
Wassermenge, die ein zunächst wassergesättigter
Boden nach 3 bis 4 Tagen noch gegen die Schwerkraft halten kann)
auftritt. Die Erhöhung der Feldkapazität ergibt überraschenderweise
auch eine deutliche Verbesserung der spezifischen Wärmekapazität
des mit superabsorbierendem Material vermengten Bodens. Da Wasser
eine höhere spezifische Wärmekapazität
als Sand, Gestein oder Bodenpartikel aufweist, bewirkt die Wassereinlagerung
in die mit dem Gestein vermengten superabsorbierenden Materialien
eine signifikante Erhöhung der Wärmekapazität
des Gemisches aus superabsorbierender Materialien und Sand. Durch
die Wasserrückhaltekräfte der in den Boden eingebrachten
superabsorbierenden Materialien wird dabei eine Verdunstung des
Wassers auch bei Wärmeeintrag über einen längeren
Zeitraum weitgehend verhindert bzw. deutlich reduziert.
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Somit
kann in Wärmespeichern enthaltend superabsorbierende Materialien
Wärmeverlusten durch Verdunstung vorgebeugt werden. Durch
den Einlagerungsmechanismus des Wassers im Polymer und seine Bindung
im Polymer wird so auch eine nicht gewünschte Energiediffusion
in offenen, nicht-hermetischen Wärmespeichersystemen durch vertikalen
bzw. horizontalen Wassertransport unterdrückt, da das vorhandene
Wasser im superabsorbierenden Polymer fixiert wird. Ferner hat sich
gezeigt, dass mit Wasser vollgesaugte superabsorbierende Materialien
zum Beispiel vorbeifließendes Regenwasser oder Grundwasser
vom Speichermaterial fernhalten und somit weiterhin Wärmeverluste
durch Wärmetransport aus dem Wärmespeicher vermindern
bzw. verhindern. Darüberhinaus verhindert die Verwendung
wasserhaltender, superabsorbierender Materialien in hermetisch abgeschlossenen
Wärmespeichern im Falle eine Leckage das Austreten von Wasser,
wodurch auch hier Wärmeverluste vermindert bzw. vermieden,
zumindest aber verzögert werden.
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Im
Gegensatz zu anorganischen wasserspeichernden Materialien wie beispielsweise
Ton wirkt sich das elastische Verhalten der superabsorbierenden
polymeren Materialien darüber hinaus günstig aus.
Durch die Volumenausdehnung der polymeren Materialien bei Wasseraufnahme
wird ein Quelldruck in den Böden bzw. Speichermedien aufgebaut,
was zu einem erheblich besseren Wärmeübergang
und einer verbesserten Verteilung der vom Wärmeüberträger
in das Speichermedium eingebrachten oder daraus abgeführten
Wärme führt.
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Gemäß der
vorliegenden Erfindung wird zur Erhöhung der spezifischen
Wärmekapazität und/oder der Verbesserung des Wärmeübergangs
in Wärmespeichern mindestens ein superabsorbierendes Material
verwendet. Superabsorbierende Materialien im Sinne der Erfindung
sind solche Stoffe, die in Wasser unlöslich sind und ein
Mehrfaches ihres Eigengewichtes an Wasser aufnehmen und zumindest zeitweise
binden können.
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Der
Begriff „superabsorbierendes Material” wie hier
verwendet umfasst zwei Arten von Stoffen wie hierin beschrieben.
Zum Einen sind dies organische superabsorbierende Polymere, die
auch als Superabsorber, Hydrogele oder auch als Superslurper bezeichnet
werden und aus Anwendungen im Hygienebereich wie z. B. in Windeln
und Damenbinden bekannt sind. In alternativen Ausführungsformen
umfasst der Begriff „superabsorbierendes Material” ein Hybridmaterial
aus superabsorbierendem organischem Polymer mit darin einpolymerisierten
bzw. eingebundenen Mineralbestandteilen, beispielsweise kommerziell
erhältlich unter der Bezeichnug GEOHUMUS®.
Beide Materialarten können erfindungsgemäß als
superabsorbierendes Material verwendet werden.
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Da
Wasser eine höhere spezifische Wärmekapazität
als beispielsweise Gestein aufweist, wird bei Verwendung Wasser
absorbierender superabsorbierender Materialien in Wärmespeichern
die Gesamtwärmekapazität bezogen auf die eingesetzte Masse
des eingesetzten Speichermaterials (spezifische Wärmekapazität)
signifikant erhöht. Die Begriffe spezifische Wärmekapazität
und Wärmekapazität werden hierin synonym verwendet
und beziehen sich auf die Masse des im jeweiligen Kontext angegebenen
Materials bzw. Materialgemisches. Das Ausmaß der möglichen
Erhöhung der spezifischen Wärmekapazität
ist dabei zum einen von der Menge des verwendeten superabsorbierenden
Materials im Verhältnis zum sonstigen Wärme speichernden
Material, sowie vom Wassergehalt des verwendeten superabsorbierenden
Materials abhängig.
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Die
gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung
bereitgestellten bzw. mit der Erfindung verwendbaren Wärmespeicher
können beliebige Arten von konventionellen Wärmespeichern
sein, das heißt oberirdische oder unterirdische Wärmespeicher,
vorzugsweise unterirdische Erdwärmespeicher. Die Wärmespeicher
können dabei hermetische, das heißt geschlossene
Systeme sein, in welchen das Wärme oder Kälte
speichernde Medium bzw. das Wärme speichernde Material
durch eine Einhausung bzw. Isolierung von der Umwelt im Wesentlichen
abgeschlossen ist. Ferner können die Wärmespeicher gemäß der
vorliegenden Erfindung auch nicht-hermetische Wärmespeicher
sein, das heißt solche Wärmespeicher, bei welchen
das Wärme speichernde Material, zum Beispiel Erdboden,
Sand, Kies, Erde oder Gestein, nicht oder nur teilweise von der
Umgebung abgeschirmt bzw. abgeschlossen ist.
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Nicht-hermetische
Wärmespeicher sind beispielsweise unterirdische Erdwärmespeicher,
bei welchen die Wärmeüberträger wie z.
B. Erdwärmesonden bzw. Wärmetauscherrohre für
die Zuführung und Abführung gespeicherte Wärme
unterirdisch im Erdboden verlegt sind oder über Bohrungen
in festes Gestein eingebracht sind. Die Wärmeüberträger
können z. B. in Baugruben eingebracht werden und anschließend
mit Schüttmaterial wie Erdboden, Aushub, Kies, Sand, Gestein
und Gemischen davon verfüllt werden. Derartige Erdwärmespeicher
sind im Stand der Technik bekannt und sind im einfachsten Fall überall
dort anwendbar, wo die Gefahr von Wärmeverlusten durch
zu- oder abfließendes Grund- oder Sickerwasser nicht oder
nicht in relevantem Umfang gegeben ist.
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Bei
hermetischen Wärmespeichern wird üblicherweise
ein Einhausung, Hülle oder Einschalung der Speichermedien
mit den darin eingebetteten Wärmeüberträgern
vorgesehen, wobei Wärmeverlusten an die Umgebung durch
eine geeignete Isolierung und/oder Abdichtung vorgebeugt wird.
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Selbstverständlich
sind Wärmespeicher grundsätzlich nicht nur zur
Wärmespeicherung, sondern auch zur Speicherung von Kälte,
etwa für Klimatisierungszwecke geeignet. Die vorliegende
Erfindung kann sowohl im Bereich der Wärmespeicherung,
als auch der Kältespeicherung verwendet werden. Der hier
verwendete Begriff der Wärmespeicherung schließt
deshalb immer auch die Speicherung von Kälte mit ein.
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Gemäß der
vorliegenden Erfindung wird durch Verwendung von superabsorbierendem
Material in derartigen konventionellen Wärmespeichern, insbesondere
Erdwärmespeichern der Wärmeübergang verbessert
und/oder die spezifische Wärmekapazität des Wärme
speichernden Materials bzw. Materialgemisches erhöht.
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Erfindungsgemäß verwendbare
superabsorbierende Materialien umfassen gemäß einer
Ausführungsform mindestens ein superabsorbierendes organisches
Polymer. Vorzugsweise ist das superabsorbierende organische Polymer
ein Polymer oder Copolymer aus Polyacrylsäure, Polymethacrylsäure, Copolymeren
von Acrylsäuren und Salzen der Acrylsäure (insbesondere
Acrylsäurenatriumsalz oder Acrylsäurekaliumsalz),
Polysaccharide, Polyacrylamide, oder Gemische davon, und/oder allgemein
Hydrogele, Polyvinylpyrrolidon und ähnliche organische Polymere,
die gegebenenfalls vernetzt sein können. Diese polymeren
Materialien können, obgleich selbst in Wasser unlöslich,
Wasser in einer Menge aufnehmen, die einem Vielfachen des Eigengewichts
des trockenen Polymers entspricht.
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Erfindungsgemäß bevorzugt
sind superabsorbierende Materialien, die mindestens das 10fache,
mindestens das 25fache, mindestens das 50 fache und besonders bevorzugt
mindestens das 80fache ihres Trockengewichts an Wasser in freier Quellung
bei Raumtemperatur, z. B. 20°C, aufnehmen können.
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Besonders
bevorzugte superabsorbierende organische Polymere sind vernetzte
Copolymere aus Acrylsäure und Acrylsäurenatriumsalz
und/oder Acrylsäure und Acrylsäurekaliumsalz.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung wird als superabsorbierendes Material ein Hybridmaterial
aus superabsorbierendem organischem Polymer (z. B. wie oben beschrieben)
mit darin einpolymerisierten bzw. eingebundenen Mineralbestandteilen
verwendet. Derartige Hybridmaterialien sowie deren Herstellung ist
beispielsweise in den internationalen Patentanmeldungen
WO 2006/119828 und
WO 2003/000621 beschrieben,
deren Inhalt hiermit per Zitierung einbezogen wird. Hybridmaterialien
dieser Art sind unter der Bezeichnung GEOHUMUS
® von Geohumus
International GmbH, Frankfurt/Main, Deutschland, im Handel erhältlich,
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Diese
Hybridmaterialien bestehen aus superabsorbierenden organischen Polymeren
wie oben erwähnt, vorzugsweise aus vernetzten Copolymeren von
Acrylsäure und Acrylsäurenatriumsalz und/oder Acrylsäurekaliumsalz,
wobei dort Mineralbestandteile wie Gesteinsmehle, Sand und dergleichen
während der Polymerisationsreaktion in das entstehende polymere
Netzwerk einpolymerisiert werden und somit in der entstehenden schwammartigen,
vernetzten organischen Polymermatrix eingebunden sind. Diese Hybridmaterialien
können wie Superabsorber, obgleich selbst in Wasser unlöslich,
Wasser in einer Menge aufnehmen, die einem Vielfachen des Eigengewichts
des trockenen Hybridmaterials entspricht.
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In
besonderen Ausführungsformen können zur weiteren
Erhöhung der spezifischen Wärmekapazität
dieser Hybridmaterialien ggf. modifizierte Hybridmaterialien verwendet
werden, die beispielsweise Metallpulvern wie etwa Eisenpulver enthalten
bzw. mit diesen versetzt sind. Solche Materialien sind nach den
in obigen internationalen Patentanmeldungen beschriebenen Verfahren
prinzipiell zugänglich, wobei lediglich der Mineralstoffanteil
mindestens teilweise durch Metallpulver ersetzt wird.
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Die
hier genannten Hybridmaterialien können in der vorliegenden
Erfindung wie die reinen Superabsorber selbst vorteilhaft zur Verbesserung
des Wärmeübergangs in Wärmespeichern
und zur Verbesserung bzw. Erhöhung der spezifischen Wärmekapazität
in Wärmespeichern verwendet werden.
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Das
superabsorbierende Material wird zur erfindungsgemäßen
Verwendung mit üblichen in Wärmespeichern verwendbaren
Materialien wie zum Beispiel einem Schüttmaterial vermischt
und die Mischung dann im Wärmespeicher als Wärme
speicherndes Material verwendet. Alternativ wird die Mischung des
superabsorbierenden Materials mit dem Schüttmaterial mit
weiterem Wärmespeichernden Material vermengt bzw. diesem
zugesetzt. Im Falle von superabsorbierenden Polymeren bewirkt die
Vermischung des superabsorbierenden Polymers mit geeignetem Schüttmaterial
unter Anderem, dass ein Aufschwemmen der quellenden Polymere bei
starker Wasserzutritt vermieden wird und das superabsorbierende
Polymer möglichst gleichmäßig im Wärme speichernden
Medium verteilt wird.
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Im
Falle der Verwendung von Hybridmaterialien wird ein Aufschwemmen
bzw. eine Separierung des Materialgemisches durch die schwammartige Struktur
des Hybridmaterials, das eine Verzahnung im Schüttmaterial
bewirkt, vermieden.
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Im
Allgemeinen wird das superabsorbierende Material möglichst
gleichmäßig im Wärmespeicher verteilt.
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Bei
hermetisch abgeschlossenen unterirdischen Erdwärmespeichern
kann es bevorzugt sein, die Mischung aus superabsorbierendem Material
mit Schüttmaterialien in unmittelbarer Nähe angrenzend zu
den Erdwärmesonden bzw. Wärmetauscherrohrleitungen
einzubringen, oder dort in höherer Konzentration einzubringen,
so dass dieses Materialgemisch enthaltend superabsorbierendes Material
eine Verbindung der Sonden bzw. Rohrleitungen mit dem umliegenden
Speichermedium, beispielsweise Gestein, herstellt.
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Aufgrund
der durch die Wasseraufnahme und Wasserhaltefähigkeiten
des superabsorbierenden Materials bedingten Erhöhung der
spezifischen Wärmekapazität einerseits und der
Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit kommt
es bei dieser Ausführungsform zu einer deutlichen Verbesserung
des Wärmeübergangs von den Wärmesonden
bzw. Wärmetauscherrohren zum umliegenden Gestein, da das superabsorbierende
Material enthaltende Gemisch aufgrund seiner höheren spezifischen
Wärmekapazität die eingebrachte Wärme
besser aufnehmen und durch die verbesserte Wärmeleitfähigkeit
im umliegenden Speichermaterial verteilen kann. Der Wärmeübergang
in Wärmespeichern und deren Ankopplung an umliegende Erdbereiche
wird hiermit beträchtlich verbessert.
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Darüber
hinaus sorgt die elastische Eigenschaft des in Gegenwart von Wasser
quellenden superabsorbierenden Materials für einen verbesserten Kontakt
des Speichermediums mit den Sonden bzw. Wärmetauscherrohren,
so dass auch bei stark schwankenden Temperaturen ein Wärme
leitender Kontakt zwischen dem Speichermedium und den Sonden bzw.
Rohrleitungen gewährleistet werden kann und die Bildung
von Wärme isolierenden Lücken bzw. Luftschichten
weitgehend vermieden wird.
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Das
zur Mischung mit dem superabsorbierenden Material verwendbare Schüttmaterial
kann jedes beliebige in konventionellen Wärmespeichern verwendete Material
sein, beispielsweise Erdboden, Sand, Kies, Erde, Ton, Abraum, Schlacke,
Bauschutt, Aushub und dergleichen, sowie Mischungen davon. Die Mischung
des superabsorbierenden Materials mit dem Schüttmaterial
kann dabei erfolgen bevor das Gemisch in den Wärmespeicher
eingebracht wird. Alternativ kann das superabsorbierende Material
auch in bereits vorliegende Wärmespeicher eingebracht werden,
beispielsweise über Bohrungen, durch Unterheben, Druckluftinjektion
oder ähnliche Maßnahmen.
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Da
die superabsorbierenden Hybridmaterialien bereits Mineralbestandteile
in beträchtlichem Umfang, vorzugsweise mehr als 30 Gewichtsprozent oder
sogar mehr als 50 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht des trockenen
Hybridmaterials, enthalten, ist zu deren Verwendung in Wärmespeichern eine
Vermischung mit Schüttmaterial in einigen Ausführungsformen
nicht unbedingt erforderlich, das Hybridmaterial kann als alleiniges
Speichermaterial eingesetzt werden.
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Vorzugsweise
wird jedoch das Hybridmaterial, wie auch das superabsorbierende
Polymer, für die erfindungsgemäße Verwendung
in Wärmespeichern mit geeignetem Schüttmaterial
wie oben beschrieben vermischt eingesetzt.
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Ein
weiterer Vorteil der genannten Hybridmaterialien gegenüber
reinen Superabsorbern ist, dass diese selbst keine Hydrogele mehr
ausbilden, sondern eine schwammartige Struktur, die durch ihren Mineralstoffgehalt
hinreichend beschwert ist und durch Ihre Struktur in Gemengen mit
Schüttmaterial üblicherweise verzahnt ist, um
auch bei starkem Wasserzutritt im Wärmespeicher keine Aufschwemmung
oder Ausschwemmung des Hybridmaterials zu zeigen.
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Gemäß dieser
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Hybridmaterial
im Erdspeicher gleichmäßig verteilt oder vorzugsweise
in räumlicher Nähe bzw. unmittelbar in der Umgebung der
Wärmesonden bzw. der Wärmetauscherrohrleitungen
eingebracht werden, um eine Wärme leitende Verbindung zwischen
den Sonden bzw. Rohren und dem umgebenden Speichermedium zu gewährleisten.
In bestimmten Ausführungsformen kann das Hybridmaterial
mit Schüttmaterialien wie Erdboden, Sand, Kies und dergleichen
vermengt werden oder darin eingebracht werden.
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Vorzugsweise
wird das superabsorbierende Material im trockenen Zustand mit Schüttmaterial vermischt
und/oder in den Wärmespeicher eingebracht und anschließend
mit Wasser in geeigneter Menge, vorzugsweise bis zur Sättigung,
zur Quellung gebracht. Dies ist insbesondere bei hermetischen Systemen
bevorzugt. In nicht-hermetischen Wärmespeichern können
geeignete Zuführungssysteme zum feucht halten des superabsorbierenden
Materials vorgesehen werden, beispielsweise durch Zuführung
von Regenwasser und/oder Grundwasser in offenen Erdwärmespeichern.
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In
allen Ausführungsformen der Erfindung kann das Speichermedium
des Wärmespeichers ganz oder teilweise aus superabsorbierendem
Material bestehen. Auch Mischungen aus Hybridmaterial mit konventionellen
Superabsorbern können als superabsorbierendes Material
verwendet werden.
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Vorzugsweise
wird in Erdwärmespeichern zur Erhöhung der spezifischen
Wärmekapazität und/oder Verbesserung des Wärmeübergangs
das mindestens eine superabsorbierende Material in ausreichender
Menge verwendet, um die spezifische Wärmekapazität
des Gemisches im feuchten Zustand gegenüber dem trockenen
Wärme speichernden Material ohne superabsorbierendes Material
um mindestens das 1,5fache, vorzugsweise um mindestens das Doppelte,
besonders bevorzugt mindestens das Dreifache zu erhöhen.
Das superabsorbierende Material wird in Mengen von 0,5 Gew.-% bis
100 Gew.-% in dem Wärme-speichernden Material wie hierin
beschrieben verwendet, bezogen auf die trockene Gesamtmasse, bevorzugt mehr
als 1 Gew.-%, etwa 2 bis 50 Gew.-%, 2,5 bis 25 Gew.-%, 3 bis 20 Gew.-%,
und besonders bevorzugt mit etwa 2 bis 10 Gew.-%.
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Im
Falle der Verwendung reiner superabsorbierender organischer Polymere
beträgt der Anteil des superabsorbierenden Polymers in
der Mischung mit Schüttmaterial bzw. im Wärme
speichernden Medium mindestens etwa 0,5 Gew.-%, etwa mindestens 1
Gew.-%, vorzugsweise 2 Gewichtsprozent bis 100 Gewichtsprozent,
bevorzugt 2 bis 30 Gew.-%, 2,5 bis 25 Gew.-%, 3 bis 25 Gew.-%, und
besonders bevorzugt mit etwa 2 bis 10 Gew.-% üblicherweise
jedoch nicht mehr als 25 Gewichtsprozent. Die Gewichtsprozentangaben
beziehen sich stets auf trockenes, das heißt im Wesentlichen
wasserfreies superabsorbierendes Material, bezogen auf das Gesamtgewicht der
Mischung bzw. das Gesamtgewicht des Speichermediums im Wärmetauscher.
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Bei
Verwendung von superabsorbierenden Hybridmaterialien im Gemisch
mit Schüttmaterial beträgt die Menge des Hybridmaterials
in der Mischung mindestens etwa 1 Gew.-%, zum Beispiel von 2 bis 100
Gewichtsprozent, bevorzugt 2 bis 50 Gew.-%, 2,5 bis 25 Gew.-%, 3
bis 20 Gew.-%, und besonders bevorzugt mit etwa 2 bis 10 Gew.-%,
gegebenenfalls auch 20 bis 50 Gewichtsprozent der Mischung, bezogen
auf trockenes Material
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In
weiteren Ausführungsformen können die superabsorbierenden
Materialien in unmittelbarer Umgebung der Wärmeüberträger
wie Wärmetauscherrohrleitungen bzw. Wärmesonden
in Speichern verwendet werden, die feste Speichermedien verwenden,
wie beispielsweise Felsgestein oder Beton, in welche die Sonden
bzw. Wärmetauscher mit Bohrungen abgeteuft werden bzw.
einbetoniert werden. Dabei werden konstruktive Hohlräume
um die Sondenkörper herum mit superabsorbierenden Materialien
und deren Gemischen verfüllt und mit einer Vorrichtung
bzw. Öffnung zur Bewässerung versehen.
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Bevorzugt
sind jedoch Erdwärmespeicher, in welchen als Speichermaterialien
Schüttmaterialien verwendet werden, welche eine nachträgliche
Entfernung der Wärmesonden bzw. Rohrleitungen beispielsweise
für Wartungszwecke ermöglichen.
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Die
besonderen Vorteile der vorliegenden Erfindung liegen darin, dass
durch Verwendung superabsorbierender Materialien, sei es in Mischung mit
Schüttmaterial oder auch durch Verwendung von mineralgesteinshaltigen
Hybridmaterialien wie oben beschrieben, der Wärmeübergang
von Wärmesonden bzw. Wärmetauscherrohrleitungen
in Wärmespeichern erheblich verbessert werden kann. Die
superabsorbierenden organischen Polymere bzw. Hybridmaterialien
haben durch Aufnahme von Wasser eine deutlich erhöhte spezifische
Wärmekapazität im Vergleich zu Gesteinsmaterialien.
Damit ergibt sich auch in Gemischen der superabsorbierenden Polymere
oder der Hybridmaterialien mit Schüttmaterial durch Wasseraufnahme
und Bindung des Wassers im Polymeranteil insgesamt eine signifikante
Erhöhung der spezifischen Wärmekapazität
des im Erdwärmespeicher verwendeten Wärme speichernden Materials.
Gleichzeitig zeigt sich aufgrund der Hydrogeleigenschaften bzw.
schwammartigen Struktur der verwendeten superabsorbierenden Materialien
eine hinreichende Flexibilität, um auch bei durch Temperaturschwankungen
verursachten Bewegungen innerhalb des Speichermediums oder der Sonden
wie Dehnungen, Komprimierungen, die Entstehung von Hohlräumen,
Luftblasen und dergleichen, die Wärmeleitungsisolatoren
darstellen, dass ein konstanter Wärmeübergang
bei hoher Wärmekapazität kontinuierlich gewährleistet
werden kann.
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Die
superabsorbierenden Materialien verfügen ferner über
eine hohe Wasserrückhaltekraft, da sie Wasser auch aus
dem umliegenden Speichermedium absorbieren und nachhaltig zurückhalten
können, so dass durch hohen Wärmeeintrag bei Wärmespeichern
des Standes der Technik bedingte Austrocknungserscheinungen verhindert
oder weitgehend vermieden bzw. längerfristig verzögert
werden können. Hierin sind diese Materialien insbesondere auch
anorganischen Wasserabsorbern wie Bentonit, Ton und dergleichen überlegen.
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Die
Verwendung superabsorbierender Materialien in Wärmespeichern,
insbesondere in Erdwärmespeichern, z. B. in Verbindung
mit Wärmetauschersystemen, Heizungsanlagen, Brauchwassersystemen
und Systemen zur Nutzung regenerativer Energien, wie beispielsweise
Solaranlagen und dergleichen, stellt daher eine kostengünstige
und hoch wirksame Maßnahme zur Verbesserung der Energiebilanz
derartiger Wärmespeichersysteme dar, da sie Wärmeverluste
durch geringe Wärmekapazität und insbesondere
schlechten oder schwankenden Wärmeübergang vermeiden
hilft.
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Die
Erfindung wird durch die beigefügten Figuren weiter veranschaulicht,
die einzelne Ausführungsformen der Erfindung zeigen, jedoch
nicht einschränkend zu verstehen sind.
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Bezugnehmend
auf die 1 wird ein schematischer Aufbau
eines erfindungsgemäßen Wärmespeichers
gezeigt. In der Ausführungsform der 1 liegt
ein Erdwärmespeicher vor, bei dem ein Wärmeüberträger,
wie eine Erdsonde 1, in ein Superabsorber enthaltendes
Material 2 eingebettet ist. Der Wärmeüberträger
bzw. die Erdsonde 1 können z. B. eine Rohrwendel,
ein Rohrbündel, ein Plattentauscher etc. sein, welche üblicherweise
in der konventionellen Energiespeichertechnik als Wärmeüberträger
genutzt werden. Diese Wärmeüberträger
bzw. Erdsonden konventioneller Bauart sind aus einem geeigneten
Material gemacht, beispielsweise aus Metallen oder Kunststoff, welches
eine Wärmeübertragung von der Erdsonde an die
wärmespeichernde Umgebung 3 ermöglicht.
Die feste, wärmespeichernde Umgebung 3 ist beispielsweise
Erdboden, Gestein, Beton, oder künstlich angelegte Aufschüttungen
aus Kies, Sand, etc. Im Falle von hermetischen Wärmespeichern
kann die wärmespeichernde Umgebung in einer Einhausung,
beispielsweise in Form von isolierenden Wänden umschlossen
sein, um Wärmeverluste zu verringern. Bei unterirdischen
Erdwärmespeichern sind Erdsonde 1, Superabsorbierendes Material 2 und
wärmespeichernde Umgebung 3 wie in 1 gezeigt
unterhalb der Erdoberfläche 4 angeordnet, z. B.
unterhalb eines Gebäudes, Gartens oder Fahrwegs. Wie in 1 gezeigt,
ist die Erdsonde 1 in konventioneller Weise ggf. über
eine Zirkulationspumpe 5 direkt oder über einen
Wärmetauscher 6 mit einer Wärmequelle
und/oder einem Heiz- oder Kühlsystem verbunden. Hierbei
wird bei flüssigen Wärmeübertragungsmitteln
in der Erdsonde mit dem Rücklauf 7 ein Kreislauf
geschlossen.
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2 zeigt
eine alternative beispielhafte Anordnung der Erdsonde 1,
eingebettet in superabsorbierendes Material 2 in einem
unterirdischen Erdwärmespeicher.
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3 zeigt
die unterschiedliche spezifische Wärmekapazität
ausgewählter erfindungsgemäß verwendbarer
Materialien und Materialgemische im Vergleich zu Wasser, trockenem
und feuchtem Sand. Hierbei stehen die einzelnen Balken und Zahlenwerte
für die gemessene Wärmekapazität folgender
Materialien und Materialgemische:
- 1
- = trockener Sand
- 2
- = nasser Sand, ca.
21 Gew.-% Wassergehalt
- 3
- = Wasser
- 4
- = wassergequollenes
Hybridmaterial (1 Teil Geohumus® mit
10 Teilen Wasser) in einer Menge von 50 Gew.-% in Sand (entsprechend
ca. 4,5 Gew.-% trockenem Geohumus®-Anteil
im Gemisch)
- 5
- = wassergequollenes
Hybridmaterial (1 Teil Geohumus® mit
10 Teilen Wasser)
- 6
- = wassergequollenes
Hybridmaterial (1 Teil Geohumus® mit
50 Teilen Wasser)
- 7
- = wassergequollener
Superabsorber (1 Teil SAP mit 5 Teilen Wasser)
- 8
- = wassergequollener
Superabsorber (Hydrogel) (1 Teil SAP mit 100 Teilen Wasser)
-
Das
verwendete Wasser war vollentsalzt, der Sand stammte den Quarzwerken
Baums, Typ L60, der eingesetzte Superabsorber war von Evonik, Typ Stockosorb.
Gemessen wurde die spezifische Wärmekapazität
mittels kalorimetrischer Messung; Werte angegeben für 20°C.
-
3 zeigt
anschaulich, dass bereits geringfügig mit Wasser gequollenes
Hybridmaterial in Mischung mit Sand zu einer deutlichen Erhöhung
der spezifischen Wärmekapazität des Gemisches
führt. Durch Beigabe eines wassergesättigten Materials
mit superabsorbierenden Eigenschaften ist also eine deutliche Steigerung
der Wärmekapazität von Böden (hier Sand)
erreichbar. Die Wärmekapazität des Gemisches von
Sand mit teilgequollenem Hybridmaterial übertrifft die
von nassem Sand, wobei das Gemisch mit Hybridmaterial den Vorteil
aufweist, dass das Wasser im Polymer gebunden und somit nicht mehr
frei beweglich ist. Wärmeverluste durch Diffusion und Verdunstung
werden vermieden. Auch ist zu erwarten, dass die Wärmekapazität
dieses Gemisches bei Aufnahme weiteren Wassers noch ansteigt.
-
Ferner
kann man in 3 erkennen, dass die erreichbaren
Werte der spezifischen Wärmekapazität der wasserhaltigen
superabsorbierenden Materialien über denen des reinen Wassers
(4,2 J/(g·K)) liegen. Dies ist, ohne auf eine bestimmte
Theorie festgelegt werden zu wollen, damit zu erklären,
dass die Wassermoleküle in die Polymermatrix eingelagert werden
und somit nicht mehr frei beweglich sind. Dies unterbindet einen
ungehinderten Wärmetransport oder 'Fluß' durch
ortsungebundene Wassermoleküle.
-
Genau
dies ist bei den Erdsondensystemen und Erdwärmespeichern
wünschenswert, da durch eine relativ ortsfeste Bindung
von Wassermolekülen um die Wärmetauschersonde
herum ein 'virtueller Tank' erhöhter Wärmekapazität
gegenüber dem 'Normalboden' entsteht.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 20101963
U1 [0004]
- - EP 0056797 A2 [0005]
- - DE 2731178 A [0005]
- - DE 3101537 A1 [0006]
- - DE 102005037587 U1 [0006]
- - WO 2006/119828 [0030]
- - WO 2003/000621 [0030]
