Aquifer Thermal Energy Storage (ATES) Systeme ermöglichen die vorübergehenden Speicherung lokal und saisonal überschüssiger thermischer Energien in Grundwasserleitern. Der Erfolg von ATES ist hierbei nicht nur von den Eigenschaften des Grundwasserleiters (hydraulische Durchlässigkeit, Wärmeleiteigenschaften, Porosität), sondern auch vom Zustand der technischen Ausrüstung abhängig. Änderungen von Temperatur und Gaspartialdrücken können während des ATES-Betriebs Clogging- und Scaling-Prozesse initiieren, die unerwünschte hydrogeochemische Reaktionen, Auflösungs-, Ausfällungs- und Ausflockungsprozesse sowie mikrobielles Wachstum hervorrufen. Dies führt zu einer Reduktion der Reservoir-Permeabilität, erhöhten Reinigungs- und Instandhaltungskosten und damit zur verminderten Effizienz von ATES-Projekten.
Zur Minimierung und besseren Einschätzung dieser Prozesse ist eine interdisziplinäre Untersuchung von Clogging- und Scaling-Prozesse unter Berücksichtigung mikrobiologischer, geologischer, hydrogeologischer und geochemischer Parameter erforderlich. Der Schwerpunkt dieser Untersuchungen liegt auf karbonatischen Systemen. Ziel ist die Identifikation maßgeblicher Einflussfaktoren und die Entwicklung gezielter Gegenmaßnehmen, etwa durch den Einsatz von Scaling-Inhibitoren oder CO₂-Zugabe.
Hierzu wurden ATES-Bedingungen in karbonatischen Aquiferen experimentell unter Variation von Temperatur, Hydraulik und chemischer Zusammensetzung simuliert. Als Gesteinsmaterial dienten Treuchtlinger Marmor (Jura; Calcit) und Erzgebirgsmarmor (Kambrium; Calcit und Dolomit). Das verwendete Fluid stammte aus dem Erzgebirgsmarmor-Steinbruch in Hammerunterwiesenthal. Die Versuche wurden bei ATES-relevanten Temperaturen zwischen 5 und 60 °C durchgeführt.
Schüttelversuche (0-D) bei 5, 40 und 60 °C dienten der Untersuchung des hydrochemischen Gleichgewichts zwischen Gestein und Fluid. Weitere Versuche mit zwei verschiedenen Heiz- /Kühl-Regimen über 21 bis 90 Tage simulierten den ATES-Betrieb, ergänzt von 1-D- Säulendurchströmungsversuche zur Simulation und Analyse der ablaufenden Transportprozesse. Beim Treuchtlinger Marmor zeigte sich ein typisches Verhalten eines Karbonatgesteins: ein leichter Anstieg der Ca-Konzentrationen um knapp 10 mg/L bei 5 °C (Calcit-Lösung) und eine Abnahme der Mg- und Ca-Konzentrationen bei 40 und 60 °C (um 10 mg/L bzw. um ca. 25 mg/L; Calcit-Fällung). Beim Erzgebirgsmarmor wurde ein gegensätzliches Verhalten beobachtet: die Ca-Konzentrationen sanken, während Mg und K anstiegen (Auflösung Mg-haltiger Minerale). In ATES-Zyklen reduzierten sich beim Treuchtlinger Marmor Ca- und Mg-Konzentrationen mit zunehmender Zykluslänge (Dolomit- und Calcit-Ausfällung), während beim Erzgebirgsmarmor bei geschüttelten Proben ein Anstieg von Mg- und K-Konzentrationen festgestellt wurde (Auflösung Mg-haltiger Minerale).
PHREEQC-Modellierungen dienten zur numerischen Simulation, Evaluation und Interpretation beobachteter hydrochemischer Prozesse. Weitere Simulationen mit CO₂-Zugabe zeigten, dass dadurch Carbonate in Lösung gehalten und diese Ausfällungen verringert bzw. verhindert werden können.
Die Kombination aus Laboruntersuchungen und PHREEQC-Modellierungen ermöglicht eine präzisere Beschreibung und Vorhersage hydrochemischer Prozesse in karbonatischen ATES-Systemen. Die Ergebnisse tragen zur Entwicklung effektiver Strategien zur Vermeidung von Scaling- und Clogging-Effekten und damit zur Effizienzsteigerung künftiger ATES-Projekte bei.