Lokales thermisches Gleichgewicht oder nicht? Bestimmung der Grundwasser-Wärmetransportmechanismen in heterogenen Sedimenten auf verschiedenen Skalen

• Antragsteller: Professor Dr. Peter Bayer; Professor Dr. Philipp Blum, seit 8/2022
• Fachliche Zuordnung: Hydrogeologie, Hydrologie, Limnologie, Siedlungswasserwirtschaft, Wasserchemie, Integrierte Wasserressourcen-Bewirtschaftung
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 468464290

Oberflächennahe sedimentäre Aquifere in Mitteleuropa sind wichtig für die Wasserversorgung und können enorme Mengen an thermischer Energie speichern und bereitstellen. Das Verständnis der grundlegenden Wärmetransportprozesse ist entscheidend für eine Kontrolle der thermischen Bedingungen in solchen Aquiferen, wie beispielsweise für die Quantifizierung von Strömungsregimen, die Abschätzung des Potenzials für die geothermische Nutzung und die gleichzeitige Erhaltung der Grundwasserqualität. Während die fundamentalen Wärmetransportmechanismen (d.h. Diffusion und Advektion) bekannt sind, bleibt die Interpretation ihrer kombinierten Effekte unter dem Einfluss größenabhängiger Heterogenitäten ungelöst. Sedimente sind typischerweise heterogen auf Skalen von klein (einzelne Körner) bis groß (Verteilung der hydraulischen Leitfähigkeit). In der Hydrogeologie wird zur Beschreibung des Wärmetransports traditionell ein volumengemittelter Ansatz verwendet, der ein lokales thermisches Gleichgewicht (engl. „local thermal equilibrium“, LTE) zwischen den Körnern und dem umgebenden Fluid annimmt. Dieser Ansatz ist jedoch weder verifiziert, noch sind Bedingungen für seine Gültigkeit festgelegt worden. Außerdem ignoriert dieser Ansatz die variablen Auswirkungen von verschiedenskaligen Heterogenitäten auf den Wärmetransport. Zu diesen Effekten gehören das lokale thermische Ungleichgewicht (engl. „local thermal non-equilibrium“, LTNE) und eine scheinbare Skalierung der makroskopischen thermischen Dispersion. Dieses Projekt zielt darauf ab, die Wärmetransportmechanismen auf Skalen vom Korn (Millimeter) bis zur geologischen Heterogenität (Dutzende von Metern) durch die Kombination von Labor- und Feldversuchen, so wie analytischen und numerischen Ansätzen in Einklang zu bringen. Auf der kleinen Skala werden gezielte Säulenexperimente durchgeführt, um den Einfluss realistischer Korngrößenverteilungen auf LTNE und thermische Dispersion zu untersuchen. Auf der großen Skala werden einzigartige Aquifer-Analoge in Wärmetransportmodellen getestet, um die Rolle der Sedimentstrukturen zu untersuchen. An einem Teststandort mit bekannter Untergrundheterogenität werden Feldexperimente das Auftreten von LTNE aufzeigen und die thermische Dispersion als Funktion der geologischen Skalenheterogenität quantifiziert. Sowohl Labor- als auch Feldexperimente werden zur Validierung der detaillierten numerischen Wärmetransportsimulationen verwendet. Diese werden anschließend eingesetzt, um weitergehende Aspekte, wie die Beziehung zwischen Korngrößenmischung und Wärmeübergangskoeffizient sowie den Einfluss der geologischen Heterogenität auf LTNE und thermische Dispersion zu klären. Schließlich werden die Ergebnisse gemeinsam interpretiert, um die Wärmetransportmechanismen auf den verschiedenen Skalen zu verstehen. Das Ergebnis wird einen neuartigen und universellen Rahmen für die Modellierung des Wärmetransports in Sedimenten mit natürlichen Heterogenitäten liefern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Australien, Niederlande
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Dr. Andy Wilkins; Professorin Dr. Alraune Zech
• Ehemaliger Antragsteller: Dr. Gabriel Rau, bis 8/2022