Um Aquifereigenschaften zu charakterisieren und oberflächennahe Geothermie effizient zu nutzen, ist ein vertieftes Verständnis des advektiven Wärmetransports in sedimentären Aquiferen entscheidend. Die Modellierung des Wärmetransports basiert dabei üblicherweise auf der Annahme eines lokalen thermischen Gleichgewichts (LTE) zwischen der festen und fluiden Phase des porösen Mediums. Diese Annahme ist jedoch bei schnellem oder präferentiellem Fließen häufig nicht erfüllt, wenn der Wärmeaustausch zwischen den Phasen verzögert erfolgt und somit ein lokales thermisches Nichtgleichgewicht (LTNE) entsteht, bei dem sich die Temperaturen von Fluid- und Festphase unterscheiden. Zwei grundlegende Modellierungsansätze können verwendet werden: der Einphasen-Ansatz nach dem LTE-Konzept, der durch Mittelung über ein repräsentatives Elementarvolumen ein sofortiges thermisches Gleichgewicht annimmt, sowie der Zweiphasen-Ansatz nach dem LTNE-Konzept, der unterschiedliche Temperaturfelder in Feststoff und Fluid berücksichtigt und diese über einen Wärmeübergangskoeffizienten koppelt.

Wärmetransportmodelle, die Prozesse auf Feldskala abbilden, basieren typischerweise auf dem Einphasen-Ansatz. Gebhardt et al. (2025) zeigen jedoch, dass unter Anwendung dieses Ansatzes LTNE-ähnliche Effekte auftreten können, verursacht durch großräumige Variationen der hydraulischen Leitfähigkeit. Welche hydrogeologischen Bedingungen und Skalen eine Anwendung des Zweiphasen-Ansatzes in natürlichen Aquiferen erforderlich machen, ist bislang allerdings noch nicht vollständig geklärt.

Zur Untersuchung der Relevanz porenskalenbedingter LTNE-Effekte auf der Feldskala wurde ein Zweiphasen-Ansatz zur Beschreibung des Wärmetransports implementiert und die Ausbreitung der Wärmefahne einer Erdwärmesonde (EWS) in dem Multiphysics-Framework MOOSE numerisch für sedimentäre Grundwasserleiter simuliert. In verschiedenen Simulationsszenarien wurde der Einfluss sowohl homogener als auch heterogener Verteilungen der hydraulischen Leitfähigkeit mit unterschiedlichen charakteristischen Längenskalen (L_x = 1, 10, 100 m), der Korngröße (0,002 m bis 0,15 m), der mittleren Fließgeschwindigkeit, sowie der Injektionstemperatur auf die Temperaturdifferenz zwischen fluider und fester Phase (ΔT = T_f −T_s) in Abhängigkeit von der Entfernung zur EWS untersucht.

Vorläufige Ergebnisse zeigen, dass ΔT für die meisten untersuchten Fälle und Parameterkombinationen unterhalb von 10^-3 K liegt. Angesichts der typischen Messgenauigkeit von Temperatursensoren sind Temperaturdifferenzen dieser Größenordnung vernachlässigbar. Dies weist darauf hin, dass der Einphasen-Ansatz in den meisten praxisrelevanten Szenarien ausreichend ist. Gleichzeitig ermöglichen die Ergebnisse auf Porenskala eine Abgrenzung der Skalen und Parameterbereiche, in denen der Zweiphasen-Ansatz erforderlich ist, um potenzielle LTNE-Effekte adäquat zu erfassen.

Gebhardt, H., Zech, A., Rau, G. C., & Bayer, P. (2025). Effective thermal retardation in aquifers of heterogeneous hydraulic conductivity. Water Resources Research, 61, e2025WR040153. https://doi.org/10.1029/2025WR040153