DE102009033413A1 - Improvement of the heat transfer and the heat capacity of heat accumulators - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung superabsorbierender Materialien zur Erhöhung der Wärmekapazität bzw. zur Verbesserung des Wärmeübergangs in Wärmespeichern. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen Wärmespeicher, umfassend mindestens ein superabsorbierendes Material, insbesondere Erdwärmespeicher.The present invention relates to the use of superabsorbent materials to increase the heat capacity or to improve the heat transfer in heat stores. The present invention also relates to a heat store comprising at least one superabsorbent material, in particular a geothermal heat store.

Description

Technisches GebietTechnical area

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.The The present invention relates to the use of superabsorbent Materials to increase the heat capacity or to improve the heat transfer in heat storage. The present invention further relates to heat storage comprising at least one superabsorbent material, in particular Geothermal memory.

Hintergrund der ErfindungBackground of the invention

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.One general problem of conventional heat supply is that the existing heat at its source or time of origin is often not directly usable, because the energy supply fluctuates daily and seasonally and the Energy demand often occurs this time-delayed. at The use of solar energy, for example, becomes energy during the day or amplified during the summer months while generated the main consumption times occur at night or during the winter months. Both to compensate for such daytime fluctuations, as Heat storage technologies are also used to compensate for seasonal fluctuations used. For heat storage over short as well as long periods are often underground geothermal energy storage used.

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.In Thermal storage tanks or geothermal energy can heat energy stored in soil or rock masses underground. there For example, geothermal energy stores serve the purpose of balancing seasonally Conditional temperature fluctuations or daily temperature fluctuations in one the natural heat, mostly solar heat, using heating system. In the effort, the heating of decoupling buildings from fossil fuels increasingly coupled systems such as solar energy, combined heat and power, or geothermal energy gained in importance. The heat storage effectively serves as a buffer to offset the timing of Heat accumulation and heat requirement (day-night / summer-winter) compensate. Taking advantage of the heat capacity of the ground, for example below buildings, to Storage of heat, for example, it is possible Heat generated in the summer from solar energy using solar systems to cover the heating and / or domestic hot water needs of Store living and working spaces and thus at night or to make usable in winter, in which by solar energy amount of heat is low. Also the storage of power plant heat or geothermal energy in geothermal energy storage has already been suggested.

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.The technical solutions commonly used for heat storage include on the one hand tanks with water filling, for example, installed in the basement of a building or in the adjacent soil and connected by heat exchangers or heat pumps with the heating system or hot water system of the house, see, for. B. DE 20101963 U1 , In these stores, the high specific heat capacity of the water is used, but this liquid-tight and heat-insulating demarcated water tanks in the or outside of the building with considerable space and maintenance required for the surrounding soil.

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 .Furthermore, geothermal storage are known which store via probes, pipes, boreholes or similar devices supplied heat underground in the ground. For this purpose, depending on geological conditions, for example, naturally present rock strata can be used as a storage medium, or specially for the heat storage underground geothermal storage. These may be isolated from the environment (hermetic storage) or at least partially openly connected to the environment (non-hermetic or semi-hermetic storage). The heat supply and heat dissipation into the storage media is usually via probes or pipes, which are usually connected via a heat exchanger with a heating system. The probes or pipelines can be introduced via bores in the storage medium, or are embedded in a bulk storage medium in this, see, for. B. EP 0056797 A2 . DE-OS-2731178 ,

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.In the latter geothermal energy storage probes or pipes are often surrounded with concrete mixtures or hardening cementitious rock mixtures to firmly enclose the heat-conducting geothermal probes for the purpose of better heat transfer to the surrounding rock, see, for. B. DE 3101537 A1 . DE 10 2005 037 587 U1 , A disadvantage of such installations is that in the case of leaks in the probe system or the pipes, these are no longer easily accessible from the outside, thus making maintenance difficult. Another disadvantage of such systems is that the heat transfer from the heat supplying probes or pipes into the surrounding rock is suboptimal.

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.Since water has a higher specific heat capacity than sand, gravel or rock, geothermal storage tanks are often saturated with water or kept moist. In general, this also raises the problem that due to the constant supply of heat energy, a progressive dehydration of the storage masses takes place. This dehydration, especially in near-surface layers, on the one hand lead to considerable heat losses through evaporation or diffusion, on the other hand to a reduction of the specific heat capacity of the storage medium as a whole. In addition, due to drying out of the material directly on the tubes or probes, the heat transfer to or from the surrounding medium worsens. The same applies to probes for geothermal heat recovery systems.

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.It There is therefore a need for improved heat storage with increased heat capacity. It also exists a need for technical solutions to improve the Heat transfer in heat accumulators, in particular Underground geothermal energy storage, and / or geothermal Probe systems.

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.task The invention is therefore, possibilities for improvement or increase the heat capacity and / or the heat transfer in heat storage, especially in underground geothermal energy stores, and / or specify geothermal probe systems. In addition, it is an object of the invention, heat storage, in particular specify underground geothermal storage, which improved Heat capacity and / or improved heat transfer exhibit.

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.The The above objects and other objects are achieved according to the invention by the subject matter of the independent use and product claims. Preferred embodiments are dependent Claims specified.

Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention

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.According to one Aspect, the present invention relates to the use of a superabsorbent Material for increasing the heat capacity in heat storage. According to another Aspect, the present invention relates to the use of a superabsorbent Material for improving the heat transfer from heat exchangers to these surrounding ones solid storage material, in particular on the solid memory core in heat storage.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Wärmespeicher umfassend mindestens ein superabsorbierendes Material bereitgestellt.According to one Another aspect of the present invention is a heat storage comprising at least one superabsorbent material provided.

Beschreibung der FigurenDescription of the figures

1 zeigt den schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Erdwärmespeichers. 1 shows the schematic structure of a geothermal reservoir according to the invention.

2 zeigt eine alternative beispielhafte Anordnung einer in superabsorbierendes Material eingebetteten Erdsonde in einem unterirdischen Erdwärmespeicher. 2 shows an alternative exemplary arrangement of embedded in superabsorbent material ground probe in a subterranean geothermal storage.

3 zeigt ein Diagramm unterschiedlicher spezifischer Wärmekapazitäten verschiedener Wärmespeichermaterialien. 3 shows a diagram of different specific heat capacities of different heat storage materials.

Detaillierte Beschreibung der ErfindungDetailed description of the invention

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.at Try to determine the water retention capacity of superabsorbent Materials in sandy soils have been shown to be so when using such Materials an increase in field capacity (the one Amount of water that is an initially water-saturated Can still hold ground against gravity after 3 to 4 days) occurs. The increase in field capacity surprisingly results also a significant improvement in specific heat capacity of the soil mixed with superabsorbent material. There water a higher specific heat capacity as sand, rock or soil particles, causes the water retention into the superabsorbent materials mixed with the rock a significant increase in heat capacity the mixture of superabsorbent materials and sand. By the water retention forces of the introduced into the soil Superabsorbent materials will cause evaporation of the Water even with heat input over a longer Period largely prevented or significantly reduced.

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.Consequently can be stored in heat stores containing superabsorbent materials Heat losses are prevented by evaporation. By the mechanism of incorporation of the water in the polymer and its binding In the polymer as well as an undesirable energy diffusion in open, non-hermetic heat storage systems by vertical or horizontal water transport suppressed because the existing Water is fixed in the superabsorbent polymer. Further, it has become shown that water-absorbed superabsorbent materials For example, passing rainwater or groundwater Keep away from the storage material and thus continue heat losses reduce heat transfer from the heat storage or prevent. Moreover, the use prevents it water-retaining, superabsorbent materials in hermetically sealed Heat storage in case of leakage leakage of water, whereby here too heat losses are reduced or avoided, but at least delayed.

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.In contrast to inorganic water-storing materials such as clay, the elastic behavior of the superabsorbent polymeric materials has an additional effect cheap. Due to the volumetric expansion of the polymeric materials in the case of water absorption, a swelling pressure is built up in the trays or storage media, which leads to a considerably better heat transfer and an improved distribution of the heat introduced into or removed from the heat transfer medium by the heat transfer medium.

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.According to the The present invention is used to increase the specific Heat capacity and / or the improvement of heat transfer in heat accumulators at least one superabsorbent material used. Superabsorbent materials according to the invention are such substances that are insoluble in water and a Record multiple of their own weight in water and at least temporarily can bind.

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.The term "superabsorbent material" as used herein includes two types of fabrics as described herein. On the one hand, these are organic superabsorbent polymers, which are also referred to as superabsorbents, hydrogels or as Superslurper and from applications in the field of hygiene such. B. in diapers and sanitary napkins are known. In alternative embodiments, the term "superabsorbent material" is a hybrid material of superabsorbent organic polymer having copolymerized therein or integrated mineral components, such as commercially available under the Description of product Geohumus ®. Both types of material can be used according to the invention as superabsorbent material.

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.There Water has a higher specific heat capacity when, for example, has rock, it becomes water when used absorbent superabsorbent materials in heat accumulators the total heat capacity related to the mass used of the used storage material (specific heat capacity) significantly increased. The terms specific heat capacity and heat capacity are used synonymously herein and refer to the mass of the given in the context Material or material mixture. The extent of possible Increase in the specific heat capacity is on the one hand by the amount of superabsorbent used Material in relation to the other heat-storing Material, as well as the water content of the used superabsorbent Material dependent.

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.The according to one aspect of the present invention provided or usable with the invention heat storage can use any type of conventional heat storage be, that is aboveground or underground heat storage, preferably underground geothermal storage. The heat storage can be hermetic, that is closed Be systems in which the heat or cold storing medium or the heat-storing material by an enclosure or insulation of the environment in essence is completed. Furthermore, the heat storage according to the present invention also non-hermetic heat storage be, that is such heat storage, in which the heat-storing material, for example soil, Sand, gravel, earth or rock, not or only partially from the Environment is shielded or completed.

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.Non-hermetic Heat storage are, for example, underground geothermal storage, in which the heat exchanger such. B. geothermal probes or heat exchanger tubes for the supply and discharge stored heat underground in the ground or through holes are introduced into solid rock. The heat exchangers can z. B. are introduced into excavations and then with bulk material such as soil, excavation, gravel, sand, rocks and mixtures thereof are filled. Such geothermal storage are known in the art and are everywhere in the simplest case applicable where the risk of heat loss through inflow or outflow of groundwater or leachate or not is not given to a relevant extent.

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.at Hermetic heat storage usually becomes an enclosure, shell or shuttering of the storage media with the heat exchangers embedded in it provided, with heat losses to the environment through a suitable insulation and / or sealing is prevented.

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.Of course Heat storage are basically not only for Heat storage, but also for storing cold, suitable for air conditioning purposes. The present Invention can be used both in the field of heat storage, as well as the cold storage can be used. This here used term of heat storage includes therefore always the storage of cold with a.

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.According to the The present invention is achieved by using superabsorbent Material in such conventional heat storage, in particular Geothermal heat storage improves the heat transfer and / or the specific heat capacity of the heat increasing material or material mixture increases.

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.According to one embodiment, superabsorbent materials which can be used according to the invention comprise at least one superabsorbent organic polymer. Preferably, the superabsorbent organic polymer is a polymer or copolymer of polyacrylic acid, polymethacrylic acid, Copolymers of acrylic acids and salts of acrylic acid (especially acrylic acid sodium salt or acrylic acid potassium salt), polysaccharides, polyacrylamides, or mixtures thereof, and / or generally hydrogels, polyvinylpyrrolidone and like organic polymers which may optionally be crosslinked. These polymeric materials, although insoluble in water, can hold water in an amount that is a multiple of the dry polymer's own weight.

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.According to the invention preferred are superabsorbent materials that are at least 10 times at least 25 times, at least 50 times and more preferably at least 80 times its dry weight of water in free swelling at room temperature, eg. B. 20 ° C, can accommodate.

Besonders bevorzugte superabsorbierende organische Polymere sind vernetzte Copolymere aus Acrylsäure und Acrylsäurenatriumsalz und/oder Acrylsäure und Acrylsäurekaliumsalz.Especially preferred superabsorbent organic polymers are crosslinked Copolymers of acrylic acid and acrylic acid sodium salt and / or acrylic acid and acrylic acid potassium salt.

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,According to a particularly preferred embodiment of the present invention, the superabsorbent material used is a hybrid material of superabsorbent organic polymer (e.g., as described above) having incorporated therein mineral constituents. Such hybrid materials and their preparation is described, for example, in the international patent applications WO 2006/119828 and WO 2003/000621 whose content is hereby incorporated by citation. Hybrid materials of this type are available under the name Geohumus ® from Geohumus International GmbH, Frankfurt / Main, Germany, in trade,

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.These Hybrid materials are made of superabsorbent organic polymers as mentioned above, preferably from crosslinked copolymers of Acrylic acid and acrylic acid sodium salt and / or acrylic acid potassium salt, where there are mineral components such as minerals, sand and the like during the polymerization reaction in the resulting polymer Network polymerized and thus in the resulting spongy, crosslinked organic polymer matrix are involved. These hybrid materials like superabsorbents, although insoluble even in water, To absorb water in an amount that is a multiple of its own weight of the dry hybrid material.

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.In particular embodiments may be further Increase in the specific heat capacity these hybrid materials may use modified hybrid materials containing, for example, metal powders such as iron powder or are offset with these. Such materials are according to the described in the above international patent applications accessible in principle, with only the mineral content at least partially replaced by metal powder.

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.The Hybrid materials mentioned herein can be used in the present Invention as the pure superabsorbent itself advantageous for improvement the heat transfer in heat storage and to improve or increase the specific heat capacity be used in heat storage.

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.The superabsorbent material becomes the invention Use with conventional usable in heat storage Materials such as a bulk material mixed and then the mixture in the heat storage as heat storing material used. Alternatively, the mixture of the superabsorbent material with the bulk material with further heat-storing material blended or this added. In the case of superabsorbent polymers causes the Mixing of the superabsorbent polymer with suitable bulk material Among other things, that swelling of the swelling polymers at strong access of water is avoided and the superabsorbent Store polymer as evenly as possible in the heat Medium is distributed.

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.in the Case of using hybrid materials becomes flooding or a separation of the material mixture by the sponge-like structure of the hybrid material, which has a toothing in the bulk material causes avoided.

Im Allgemeinen wird das superabsorbierende Material möglichst gleichmäßig im Wärmespeicher verteilt.in the Generally, the superabsorbent material is as much as possible evenly distributed in the heat storage.

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.at hermetically sealed underground geothermal energy storage it may be preferable to use the mixture of superabsorbent material adjacent to bulk materials in close proximity the geothermal probes or heat exchanger piping to introduce or to introduce there in higher concentration, such that this material mixture contains superabsorbent material a connection of the probes or pipes with the surrounding Storage medium, for example, rocks, manufactures.

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.Due to the increase in the specific heat capacity on the one hand and the increase in the thermal conductivity caused by the water absorption and water-holding capabilities of the superabsorbent material, this embodiment significantly improves the heat transfer from the heat probes or heat exchanger tubes to the surrounding rock, since the mixture containing the superabsorbent material due to its higher specific heat capacity, it can absorb the introduced heat better and distribute it through the improved thermal conductivity in the surrounding storage material. The heat transfer in heat accumulators and their coupling to surrounding earth areas is hereby considerably improved.

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.About that In addition, the elastic property of the provides in the presence of water swelling superabsorbent material for improved contact the storage medium with the probes or heat exchanger tubes, so that even with strongly fluctuating temperatures a heat conductive contact between the storage medium and the probes or Piping can be guaranteed and the formation heat insulating gaps or air layers is largely avoided.

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.The bulk material usable for mixing with the superabsorbent material can be any material used in conventional heat storage be, for example, soil, sand, gravel, soil, clay, overburden, slag, Building rubble, excavated material and the like, and mixtures thereof. The mixture of the superabsorbent material with the bulk material can be done before the mixture in the heat storage is introduced. Alternatively, the superabsorbent material be introduced into already existing heat storage, for example via holes, by lifting, compressed air injection or similar measures.

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.There the superabsorbent hybrid materials already have mineral components to a considerable extent, preferably more than 30 weight percent or even more than 50 wt .-% based on the total weight of the dry Hybrid material, is one for their use in heat accumulators Bulk mixing in some embodiments not absolutely necessary, the hybrid material can be used as sole Storage material can be used.

Vorzugsweise wird jedoch das Hybridmaterial, wie auch das superabsorbierende Polymer, für die erfindungsgemäße Verwendung in Wärmespeichern mit geeignetem Schüttmaterial wie oben beschrieben vermischt eingesetzt.Preferably However, the hybrid material, as well as the superabsorbent Polymer, for the use according to the invention in heat accumulators with suitable bulk material used mixed as described above.

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.One another advantage of the above hybrid materials pure superabsorbers is that they no longer hydrogels themselves form, but a sponge-like structure, by their mineral content is adequately weighted and conflicted with your structure Bulk material is usually toothed to even with strong water access in the heat storage no suspension or draining the hybrid material.

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.According to this Embodiment of the present invention may be the hybrid material evenly distributed in the ground storage or preferably in close proximity or in the immediate vicinity of Heat probes or the heat exchanger piping be introduced to a heat conductive connection between to ensure the probes or pipes and the surrounding storage medium. In certain embodiments, the hybrid material with bulk materials such as soil, sand, gravel and the like be mixed or incorporated into it.

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.Preferably The superabsorbent material is mixed in the dry state with bulk material and / or introduced into the heat accumulator and then with water in a suitable amount, preferably to saturation, brought to swelling. This is especially true for hermetic systems prefers. In non-hermetic heat storage can suitable delivery systems to keep the superabsorbent moist Be provided material, for example by feeding of rainwater and / or groundwater in open geothermal reservoirs.

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.In In all embodiments of the invention, the storage medium the heat accumulator wholly or partly from superabsorbent Material exist. Also mixtures of hybrid material with conventional Superabsorbents can be used as superabsorbent material be used.

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.-%.Preferably is used in geothermal energy storage to increase the specific Heat capacity and / or improvement of heat transfer the at least one superabsorbent material in sufficient Quantity used to the specific heat capacity of the mixture in the wet state against the dry Heat-storing material without superabsorbent material at least 1.5 times, preferably at least twice, particularly preferably at least three times increase. The superabsorbent material is added in amounts of 0.5% by weight to 100% by weight in the heat-storing material as herein described, based on the dry total mass, preferably more 1% by weight, about 2 to 50% by weight, 2.5 to 25% by weight, 3 to 20% by weight, and more preferably about 2 to 10% by weight.

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.In the case of using pure superabsorbent organic polymers, the proportion of the superabsorbent polymer in the bulk material or heat-storing medium is at least about 0.5 wt%, at least about 1 wt%, preferably 2 wt% to 100 Weight percent, preferably 2 to 30 wt .-%, 2.5 to 25 wt .-%, 3 to 25 wt .-%, and particularly preferably from about 2 to 10 wt .-% but usually not more than 25 weight percent. The percentages by weight always refer to dry, that is substantially anhydrous superabsorbent material, based on the total weight of the mixture or the total weight of the storage medium in the heat exchanger.

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 Materialat Use of superabsorbent hybrid materials in the mixture with bulk material is the amount of hybrid material in the mixture at least about 1% by weight, for example from 2 to 100 Weight percent, preferably 2 to 50 wt .-%, 2.5 to 25 wt .-%, 3 to 20% by weight, and more preferably about 2 to 10% by weight, optionally also 20 to 50 weight percent of the mixture, based on dry material

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.In other embodiments, the superabsorbent Materials in the immediate vicinity of the heat exchanger as heat exchanger tubes or heat probes be used in stores that use fixed storage media, such as rock or concrete, in which the probes or heat exchangers are drilled with holes or be embedded in concrete. This will be constructive cavities around the probe body with superabsorbent materials and their mixtures filled and with a device or opening for irrigation.

Bevorzugt sind jedoch Erdwärmespeicher, in welchen als Speichermaterialien Schüttmaterialien verwendet werden, welche eine nachträgliche Entfernung der Wärmesonden bzw. Rohrleitungen beispielsweise für Wartungszwecke ermöglichen.Prefers However, geothermal storage, in which as storage materials Bulk materials are used, which is a subsequent Removal of the heat probes or pipes, for example for maintenance purposes.

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.The particular advantages of the present invention are that by using superabsorbent materials, whether in admixture with Bulk material or by using mineral rock Hybrid materials as described above, the heat transfer of heat probes or heat exchanger pipelines can be significantly improved in heat storage. The superabsorbent organic polymers or hybrid materials have a significantly increased specific by intake of water Heat capacity compared to rock materials. This also results in mixtures of the superabsorbent polymers or the hybrid materials with bulk material by water absorption and binding of the water in the polymer portion as a whole a significant Increase in the specific heat capacity of the heat storage material used in the geothermal storage. At the same time, due to the hydrogel properties or spongy structure of the superabsorbent materials used a sufficient flexibility, even in case of temperature fluctuations caused movements within the storage medium or probes like stretching, compression, the formation of cavities, Air bubbles and the like, the heat pipe insulators represent that a constant heat transfer continuously ensured at high heat capacity can be.

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.The superabsorbent materials also have a high water retention power, as they also drain water Absorb the surrounding storage medium and retain it sustainably can, so that by high heat input at heat accumulators prevented by the prior art dehydration phenomena or largely avoided or delayed in the longer term can be. Here are these materials in particular superior to inorganic water absorbers such as bentonite, clay and the like.

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.The Use of superabsorbent materials in heat accumulators, especially in geothermal storage, z. B. in connection with heat exchanger systems, heating systems, service water systems and systems for using renewable energy, such as Solar systems and the like, therefore, provides a cost-effective and highly effective measure to improve the energy balance Such heat storage systems, as they heat losses due to low heat capacity and in particular avoid poor or fluctuating heat transfer helps.

Die Erfindung wird durch die beigefügten Figuren weiter veranschaulicht, die einzelne Ausführungsformen der Erfindung zeigen, jedoch nicht einschränkend zu verstehen sind.The Invention is further illustrated by the attached figures, show the individual embodiments of the invention, however are not meant to be limiting.

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.Referring to the 1 a schematic structure of a heat accumulator according to the invention is shown. In the embodiment of the 1 is a geothermal heat storage, in which a heat exchanger, such as a geothermal probe 1 , in a superabsorbent material containing 2 is embedded. The heat exchanger or the ground probe 1 can z. As a coiled tubing, a tube bundle, a plate exchanger, etc., which are commonly used in conventional energy storage technology as a heat exchanger. These heat exchangers or probes of conventional design are made of a suitable material, such as metals or plastic, which is a heat transfer from the probe to the heat-storing environment 3 allows. The solid, heat-storing environment 3 is, for example, soil, rock, concrete, or artificially constructed piles of gravel, sand, etc. In the case of hermetic heat storage, the heat-storing environment in a housing, for example in the form of isolie enclosed walls to reduce heat loss. Underground geothermal energy storage are geothermal probes 1 , Superabsorbent material 2 and heat-storing environment 3 as in 1 shown below the surface of the earth 4 arranged, z. B. below a building, garden or driveway. As in 1 shown is the ground probe 1 in a conventional manner, if necessary via a circulation pump 5 directly or via a heat exchanger 6 connected to a heat source and / or a heating or cooling system. This is in liquid heat transfer agents in the geothermal probe with the return 7 closed a cycle.

2 zeigt eine alternative beispielhafte Anordnung der Erdsonde 1, eingebettet in superabsorbierendes Material 2 in einem unterirdischen Erdwärmespeicher. 2 shows an alternative exemplary arrangement of the ground probe 1 , embedded in superabsorbent material 2 in an underground geothermal energy storage.

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)
3 shows the different specific heat capacity of selected materials and material mixtures usable according to the invention compared to water, dry and moist sand. The individual bars and numerical values represent the measured heat capacity of the following materials and material mixtures:
1
= dry sand
2
= wet sand, about 21 wt .-% water content
3
= Water
4
= Water-swollen hybrid material (1 part Geohumus ® with 10 parts of water) in an amount of 50 wt .-% in sand (corresponding to about 4.5 wt .-% of dry content in the mixture Geohumus ®)
5
= Water-swollen hybrid material (1 part Geohumus ® with 10 parts of water)
6
= Water-swollen hybrid material (1 part Geohumus ® with 50 parts of water)
7
= water-swollen superabsorber (1 part SAP with 5 parts water)
8th
= water-swollen superabsorbent (hydrogel) (1 part SAP with 100 parts water)

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.The used water was desalted, the sand came from the quartz works Baums, type L60, the superabsorber used was from Evonik, Stockosorb type. The specific heat capacity was measured by calorimetric measurement; Values given for 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. 3 shows clearly that even slightly swollen with water hybrid material in mixture with sand leads to a significant increase in the specific heat capacity of the mixture. By adding a water-saturated material with superabsorbent properties, a significant increase in the heat capacity of soils (here sand) can be achieved. The heat capacity of the mixture of sand with partially swollen hybrid material surpasses that of wet sand, the hybrid material mixture having the advantage that the water is bound in the polymer and thus is no longer freely mobile. Heat losses through diffusion and evaporation are avoided. It is also to be expected that the heat capacity of this mixture will increase even more when water is taken up.

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.Furthermore, you can in 3 recognize that the achievable specific heat capacity values of the hydrous superabsorbent materials are above those of pure water (4.2 J / (g · K)). This is, without wishing to be bound by any particular theory, to explain that the water molecules are embedded in the polymer matrix and thus are no longer freely movable. This prevents unimpeded heat transfer or 'flow' through non-localized water molecules.

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.Exactly This is the geothermal systems and geothermal energy storage desirable because of a relatively stationary bond of water molecules around the heat exchanger probe around a 'virtual tank' of increased heat capacity opposite the 'normal ground' arises.

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Claims (15)

Verwendung eines superabsorbierenden Materials zur Erhöhung der Wärmekapazität und/oder Verbesserung des Wärmeübergangs in Wärmespeichern.Use of a superabsorbent material to increase the heat capacity and / or improvement the heat transfer in heat storage. Verwendung nach Anspruch 1, wobei der Wärmespeicher ein hermetischer oder nicht-hermetischer Wärmespeicher ist.Use according to claim 1, wherein the heat storage a hermetic or non-hermetic heat storage is. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der Wärmespeicher ein unterirdischer Erdwärmespeicher ist.Use according to one of claims 1 or 2, wherein the heat storage a subterranean geothermal storage is. Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das superabsorbierende Material mindestens ein superabsorbierendes organisches Polymer umfasst.Use according to one of the preceding claims, wherein the superabsorbent material is at least one superabsorbent includes organic polymer. Verwendung nach Anspruch 4, wobei das superabsorbierende Material eine Mischung aus mindestens einem superabsorbierenden organischen Polymer und mindestens einem Schüttmaterial ist.Use according to claim 4, wherein the superabsorbent Material a mixture of at least one superabsorbent organic polymer and at least one bulk material is. Verwendung nach Anspruch 5, wobei das mindestens ein Schüttmaterial ausgewählt ist aus Erdboden, Sand, Kies, Erde, Ton, Abraum, Schlacke, Bauschutt, Aushub, und dergleichen.Use according to claim 5, wherein the at least a bulk material is selected from soil, Sand, gravel, soil, clay, overburden, slag, rubble, excavation, and like. Verwendung nach Anspruch 4, wobei das superabsorbierende Material ein Hybridmaterial aus superabsorbierendem, organischem Polymer mit darin einpolymerisierten Mineralbestandteilen ist.Use according to claim 4, wherein the superabsorbent Material a hybrid material of superabsorbent, organic Polymer having incorporated therein in copolymerized mineral constituents. Verwendung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei das superabsorbierende organische Polymer ausgewählt ist aus mindestens einem aus, ggf. vernetzter, Polyacrylsäure, Polymethacrylsäure, Copolymere von Acrylsäure und Salzen der Acrylsäure (insbesondere Natriumacrylat, Kaliumacrylat), Polysaccharide, Polyacrylamide, Hydrogele, Polyvinylpyrrolidon;Use according to one of claims 4 to 7, wherein the superabsorbent organic polymer is selected is from at least one of, possibly crosslinked, polyacrylic acid, Polymethacrylic acid, copolymers of acrylic acid and salts of acrylic acid (especially sodium acrylate, Potassium acrylate), polysaccharides, polyacrylamides, hydrogels, polyvinylpyrrolidone; Verwendung eines superabsorbierenden organischen Polymers umfassend ein vernetztes Copolymer von Acrylsäure und Acrylsäure-Natrium- oder Kaliumsalz, vermischt mit mindestens einem Schüttmaterial ausgewählt aus Sand, Kies, Erde, Ton, Abraum, Schlacke, oder Bauschutt, zur Erhöhung der Wärmekapazität und/oder zur Verbesserung des Wärmeübergangs in Wärmespeichern.Use of a superabsorbent organic Polymer comprising a crosslinked copolymer of acrylic acid and acrylic acid sodium or potassium salt mixed with selected from at least one bulk material Sand, gravel, soil, clay, overburden, slag, or rubble, to increase the heat capacity and / or to improve the heat transfer in heat storage. Verwendung eines superabsorbierenden Materials umfassend ein Hybridmaterial bestehend aus superabsorbierendem, organischem Polymer umfassend ein vernetztes Copolymer von Acrylsäure und Acrylsäure-Natrium- oder Kaliumsalz mit darin einpolymerisierten Mineralbestandteilen, zur Erhöhung der Wärmekapazität und/oder zur Verbesserung des Wärmeübergangs in Wärmespeichern.Use of a superabsorbent material comprising a hybrid material consisting of superabsorbent, organic Polymer comprising a crosslinked copolymer of acrylic acid and acrylic acid sodium or potassium salt with copolymerized therein Mineral components, to increase the heat capacity and / or to improve the heat transfer in Heat registers. Wärmespeicher umfassend mindestens ein superabsorbierendes Material.Heat storage comprising at least one superabsorbent Material. Wärmespeicher nach Anspruch 11, wobei das superabsorbierende Material mindestens ein superabsorbierendes organisches Polymer umfasst.A heat accumulator according to claim 11, wherein the superabsorbent material at least one superabsorbent organic Polymer includes. Wärmespeicher nach Anspruch 11 oder 12, wobei das superabsorbierende Material eine Mischung aus mindestens einem superabsorbierenden organischen Polymer und mindestens einem Schüttmaterial ist.A heat accumulator according to claim 11 or 12, wherein the superabsorbent material is a mixture of at least one superabsorbent organic polymer and at least one bulk material is. Wärmespeicher nach Anspruch 11 oder 12, wobei das superabsorbierende Material ein Hybridmaterial aus superabsorbierendem, organischem Polymer mit darin einpolymerisierten bzw. gebundenen Mineralbestandteilen ist.A heat accumulator according to claim 11 or 12, wherein the superabsorbent material is a hybrid material of superabsorbent, organic polymer with polymerized or bound therein Mineral ingredients is. Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei der Wärmespeicher ein hermetischer oder nicht-hermetischer Erdwärmespeicher ist.Heat accumulator according to one of claims 11 to 14, where the heat storage is a hermetic or non-hermetic Geothermal storage is.
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