Local thermal equilibrium or not? Reconciling the groundwater heat transport mechanisms in heterogeneous sediments at different scales

Oberflächennahe sedimentäre Aquifere in Mitteleuropa sind fundamental wichtig für die Wasserversorgung, und zugleich können sie enorme Mengen thermischer Energie bereitstellen. Das Verständnis der grundlegenden Wärmetransportprozesse ist entscheidend für eine Kontrolle der thermischen Bedingungen in solchen Aquiferen, z.B. für die Quantifizierung von Strömungsregimes, die Abschätzung des Potenzials der geothermischen Nutzung und gleichzeitig die Erhaltung der Grundwasserqualität. Während die fundamentalen Wärmetransportmechanismen (d.h. Diffusion und Advektion) bekannt sind, bleibt die Interpretation ihrer kombinierten Effekte unter dem Einfluss skalenabhängiger Heterogenitäten ungelöst. Sedimente sind typischerweise heterogen auf Skalen von klein (Millimeter) bis groß (mehrere Meter). Zur Beschreibung des Wärmetransports wird in der Hydrogeologie traditionell ein volumen-gemittelter Ansatz verwendet, der ein lokales thermisches Gleichgewicht (engl. „local thermal equilibrium“, LTE) zwischen den Körnern und dem umgebenden Wasser voraussetzt. Dies ist jedoch weder verifiziert noch sind Bedingungen für seine Gültigkeit festgelegt worden. Außerdem ignoriert dieser Ansatz variable Auswirkungen verschiedenskaliger Heterogenitäten auf den Wärmetransport. Damit wird das Zusammenspiel von lokalem thermischem Ungleichgewicht (engl. „local thermal non-equilibrium“, LTNE) und der möglichen Skalierung der makroskopischen thermischen Dispersion übersehen. Dieses Projekt zielt darauf ab, die Wärmetransportmechanismen auf ihren jeweiligen Skalen durch eine Kombination von Labor-, Feld-, analytischen und numerischen Ansätzen in Einklang zu bringen. Auf der kleinen Skala werden spezifische 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 Einflüsse der Sedimentstrukturen zu hinterfragen. An einem etablierten Teststandort mit bekannter Untergrundheterogenität sollen Feldexperimente das Auftreten von LTNE zeigen und die thermische Dispersion als Funktion der geologischen Skalenheterogenität quantifizieren. Sowohl Labor- als auch Feldexperimente werden zur Validierung der hochaufgelösten numerischen Wärmetransport-Simulationen verwendet. Diese werden anschließend eingesetzt, um weitergehende Aspekte, wie die Beziehung zwischen Korngrößenverteilung und Wärmeübergangskoeffizient sowie den Einfluss der geologischen Heterogenität auf LTNE und thermische Dispersion, zu klären. Schließlich werden die Ergebnisse vereinigt interpretiert, um die Wärmetransportmechanismen auf verschiedenen Skalen in Einklang zu bringen. Das Ergebnis wird einen neuartigen und universellen Rahmen für die Modellierung des Wärmetransports in Sedimenten mit natürlichen Heterogenitäten liefern. Das erforschte Wissen wird zugleich Verbesserungen bei der Grundwasserbeobachtung und dem thermischen Management liefern, z. B. bei der Bestimmung des Austausches zwischen Oberflächen- und Grundwasser und für oberflächennahe geothermische Systeme.