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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

Niedrigtemperatur-Aquiferwärmespeicher (Aquifer Thermal Energy Storage, ATES) mit Betriebstemperaturen um 30 °C haben sich in den letzten 10-15 Jahren, insbesondere in den Niederlanden, als eine effiziente Technologie etabliert. Doch in urbanen Gebieten variieren die Anforderungen an die Wärmeversorgung erheblich, da häufig weiterhin hohe Temperaturen von über 100 °C benötigt werden. Hochtemperatur-ATES ist eine vielversprechende Speichermöglichkeit, die bei geringem Flächenbedarf eine erhebliche Speicherkapazität bietet, jedoch geeignete geologische Bedingungen voraussetzt. Die dabei induzierten hohen Temperaturänderungen beeinflussen thermohydraulische, geochemische und mikrobiologische Prozesse sowie Fluid-Gestein-Interaktionen. Push-Pull-Tests, die im Sommer und Herbst 2025 am HT-ATES-Pilot- und Forschungsstandort Berlin Adlershof durchgeführt wurden, ermöglichten die gezielte Untersuchung dieser Prozesse im schwach verfestigten jurassischen Hettangsandstein (354 bis 399 m uGOK). Basierend auf den aus der Hydrogeologie bekannten Tracer-Push-Pull-Tests wurde das zuvor produzierte Formationswasser zunächst mit 21 °C und anschließend in weiteren fünf Zyklen mit 90 bis 105 °C injiziert. Die Reaktionszeit im Aquifer betrug zwischen 15 Stunden und mehreren Wochen. Bei jeder Injektion wurden Tracer zur hydraulischen Charakterisierung eingesetzt. Ein umfassendes hydrochemisches und mikrobiologisches Monitoringprogramm ermöglicht die Analyse der Wärme- und Stofftransportprozesse sowie der reaktiven Wechselwirkungen im Aquifer und an den obertägigen Anlagenteilen. Die hier gewonnenen Ergebnisse dienen als Grundlage für die Errichtung eines HT-ATES, der künftig in ein bestehendes Fernwärmenetz integriert werden soll.

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.