Prognostizierbarkeit hydrochemischer Auswirkungen oberflächennaher Wärmespeicherung

Klas Lüders1, Andreas Dahmke1, Ralf Köber1
1 Angewandte Geologie - Aquatische Geochemie und Hydrogeologie, Institut für Geowissenschaften - CAU Kiel

O 4.4 in Geothermische Nutzung im Grundwasser: Auswirkungen, Qualitätssicherung, neue Techniken

22.03.2018, 12:15-12:30, 2

Im Zusammenhang der oberflächennahen Wärmespeicherung auftretende hydrochemische Prozesse können potentiell Auswirkungen auf die Speichereffizienz und die Grundwasserqualität haben. Das Ziel der hier vorgestellten Arbeiten lag in der Optimierung und Bewertung experimenteller Untersuchungsmethoden und hydrochemischer Modellrechnungen hinsichtlich der Eignung zur standortspezifischen Prognostizierung möglicher Gasphasenbildung, der Freisetzung und Festlegung von Schwermetallen und Spurenelementen (SM/SE), der Beeinflussung von Redoxprozessen sowie von Minerallösungs- und Fällungsprozessen. Hierzu wurden Schüttelversuchen, Durchfluss- und Kreislaufsäulenversuchen mit tertiären und quartären Sanden auf jeweils 10, 25, 40 und 70°C temperiert, sowie Festphasenuntersuchungen (u.A. Vollaufschlüsse) und hydrochemische Modellrechnungen durchgeführt und auf Vergleichbarkeit der Ergebnisse überprüft. Dafür wurden in den experimentellen Arbeiten Gasphasenbildungsraten, gelöste Konzentrationen 20 relevanter SM/SE sowie pH, Eh, O2 und Konzentrationen von (an)organischem Kohlenstoff, sowie Hauptkat- und Anionen bestimmt.

Eine Aufheizung von Durchflusssäulenversuchen auf 25, 40 und 70°C führte jeweils zu Gasphasenbildungsraten von 0-1, 1-4 und 8-19 mL(Gas)/L(Grundwasser). Diese Raten konnten in 5 von 6 Säulenversuchen mit auf thermodynamischen Daten basierenden hydrochemischen Berechnungen mit einem Unsicherheitsfaktor <2 abgeschätzt werden, wobei die Abweichung zwischen gemessener und berechneter Gasphasenbildungsrate bei 70°C <2,5 % war. Ob Arsen (Bsp. für SM/SE) bereits bei 25, 40 oder 70°C bis zum Trinkwassergrenzwert (10 µg/L) freigesetzt wird, konnte mit Kreislaufsäulenversuchen bereits innerhalb einer Versuchslaufzeit von 2 Wochen sedimentspezifisch festgestellt werden. Eine anschließende einwöchige Rückkühlung der Versuche auf 10°C zeigte für die Arsenfreisetzung eine durchschnittliche Reversibilität von 67 %. Veränderungen in den Redoxbedingungen traten in Durchflusssäulenversuchen mit Sediment-Wasser-Kontaktzeiten von 36 Stunden nur sporadisch auf, in Kreislaufsäulenversuchen mit andauerndem Sediment-Wasser-Kontakt (insgesamt ~1 Monat) stellten sich hingegen innerhalb der ersten 1-4 Wochen bei allen verwendeten Sedimenten reduzierendere Bedingungen ein. Die in Durchflusssäulenversuchen beobachtete Karbonatfällung ließ sich mit Schüttelversuchen qualitativ reproduzieren und in hydrochemischen Modellrechnungen quantitativ abschätzen.

Wie hier an einzelnen Beispielen dargelegt, besteht durch eine geeignete Kombination experimenteller Laborarbeiten und Modellrechnungen die Möglichkeit, die relevanten hydrochemischen Auswirkungen einer Wärmespeicherung in oberflächennahen Aquiferen standortspezifisch in praktikablen Zeiträumen zu prognostizieren, wodurch nutzbare Temperaturbereiche eingegrenzt oder Gefährdungen gegebenenfalls ausgeschlossen werden können.

Die präsentierte Arbeit ist Teil der Angus-Projekte (Angus+: BMBF, 03EK3022A; Angus II: BMWi, 03ET6122A).



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