AP 1.8

Geochemische Untersuchung von Auswirkungen oberflächennaher, geologischer Wärmespeicher im urbanen Raum

 

AP 1.8 stellt das umfangreichste der ANGUS+-Arbeitspakete dar und umfasst die im Folgenden beschriebenen vier Themenbereiche:

1. Entwicklung und Anwendung von Schnelltests zur Quantifizierung standort- bzw. sedimentspezifischer oberflächennaher Veränderungen hydrogeochemischer Grundwasserzusammensetzung als Funktion der Temperatur

(Klas Hebbeln, Ralf Köber, Andreas Dahmke, alle Arbeitsgruppe Angewandte Geologie an der CAU)
 

Bild: Bohrarbeiten zur Sedimentgewinnung (oben) und Säulenversuche bei unterschiedlichen Temperaturen mit unterschiedlichen Sedimenten (unten)Um standortspezifische Abschätzungen über mögliche, durch Temperaturerhöhungen von bis zu 70°C induzierte Prozessänderungen auch in für die Praxis besser geeigneten Zeiträumen von 3 - 6 Monaten ermöglichen zu können, werden Schnelltests entwickelt. Hierzu werden Batchtests mit Kurzzeit- und Langzeitsäulenversuchen verglichen, die jeweiligen Aussagemöglichkeiten ermittelt und soweit möglich Transferterme aufgestellt. Berücksichtigt werden hierbei die wesentlich betroffen Veränderungen: mikrobiell katalysierte Redoxprozesse, Minerallösungs- und fällungsreaktionen, Sorptionsverhalten und Gasbildung. Für die unterschiedlichen Versuchsansätze werden dabei verschiedene Sedimenttypen verwendet, um die Übertragbarkeit dieses Vorgehens zu überprüfen und zu erwartende geochemische, geophysikalische (AP 1.4) und mikrobiologische (AP 1.9) Veränderungen für typische norddeutsche Aquifere zu beschreiben. Die erhobenen Ergebnisse dienen auch zur Verifikation der in AP 2.4 entwickelten Software.

 

Bild: Kaliumfreisetzung bei unterschiedlichen Temperaturen

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Quantifizierung der Auswirkungen von Wärmeträgerflüssigkeiten-Leckagen aus Erdwärmesonden

(Cordula Dörr, Ralf Köber, Dirk Schäfer, Andreas Dahmke, alle Arbeitsgruppe Angewandte Geologie an der CAU)
 

Bild: Säulenversuche zur Quantifizierung des Abbauverhaltens von WärmeträgerfluidenEine Risikoanalyse der Leckagegefahr des Wärmeträgers aus haustechnischen Anlagen im Hinblick auf das Grundwasser erfolgt anhand von Literaturrecherchen, experimentellen Untersuchungen und numerischen Modellsimulationen. Die Literaturrecherche umfasst dabei eine aktualisierte Zusammenstellung zum Abbauverhalten und Abbauraten von organischen Wärmeträgerinhaltsstoffen (Glykole), eine Recherche der unterschiedlichen in Wärmeträgerflüssigkeiten enthaltenen Zusatzstoffe/Additive (Korrosionsinhibitoren, Biozide, Netzmittel, Duft- und Farbstoffe), die Beeinflussung des relativ guten Abbauverhaltens von Glykol durch Additive sowie das Abbau- und Retentionsverhalten von Additiven. Die bisher durchgeführten Abbauuntersuchungen für Glykole sowie die wenigen für Additive vorliegenden Abbauuntersuchungen wurden im Wesentlichen nur als Batch-Versuche durchgeführt. Batchversuche sind für die Abbauquantifizierung und darauf aufbauende Modellprognosen aufgrund unrealistischer Massenverhältnisse von Sediment zu Lösung und Nichtberücksichtigung oder Überschätzung einzelner Prozesse (z.B. Diffusionslimitierung) in der Regel jedoch nur wenig geeignet. Aus diesen Gründen sollen ergänzende Versuche in realitätsnahen durchströmten Systemen (Säulenversuche) durchgeführt und durch mikrobiologische Untersuchungen des AP 1.9 begleitet werden.

Bild: Freisetzung, Transport sowie Abbau- und Rückhalteprozesse für Wärmetragerfluide

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Quantifizierung des temperaturabhängigen Freisetzungsverhaltens von CKW

(Nicolas Koproch, Ralf Köber, Andreas Dahmke, alle Arbeitsgruppe Angewandte Geologie an der CAU)
 

Bild: Temperierbarer Gerinneversuch in Vorderansicht (oben) und Rückansicht (unten)Die Freisetzung und Mobilität von organischen Schadstoffen (z.B. CKW) wird durch verschiedene temperaturabhängige Eigenschaften wie z.B. der Schadstofflöslichkeit, Sorptivität, Viskosität, Oberflächenspannung und Molekulardiffusion beeinflusst, die im Allgemeinen zu einer erhöhten Mobilität durch steigende Temperaturen führen. Diese verschiedenen Einflussfaktoren sind zwar noch nicht als hinlänglich untersucht zu bezeichnen, es liegen jedoch verschiedene Studien vor, die als Grundlage für die Erstellung von Modellprognosen herangezogen werden können. Bei diesen Studien handelt es sich allerdings um systematische Untersuchungen (Batch oder Säule), bei denen jeweils nur einzelne Parameter variiert und somit nur isolierte Prozesse untersucht und quantifiziert wurden. Komplexere Untersuchungen, die das Zusammenwirken der verschiedenen Prozesse abbilden und sich somit zur Verifizierung entwickelter Modellansätze verwenden lassen, liegen bisher nicht vor. Zur Quantifizierung des Einflusses erhöhter Grundwassertemperaturen auf die Freisetzung und die Mobilität von organischen Schadstoffen unter realitätsnahen Bedingungen werden deshalb Gerinneversuche mit vorliegender NAPL-Phase bei verschiedenen Temperaturen durchgeführt. Durch Variation verschiedener Versuchsrandbedingungen wie der Kf-Wert-Verteilung, der Durchflussgeschwindigkeit oder der Schadstoffquelle-Architektur lassen sich zum einen verschiedene Kontaminationsszenarien wiedergeben und zum anderen Datensätze zur Modellverifizierung erheben. Eine Optimierung der Versuchsauslegung hinsichtlich der Randbedingungen erfolgt deshalb mithilfe numerische Vorabsimulationen. Die mit den Gerinneversuchen erhobenen Datensätze werden zudem als Grundlage für die Arbeitspakete AP 3.4 zum Test der Modellentwicklungen verwendet.

Bild: Mögliche Beeinflussung von NAPL-Freisetzung durch Wärmespeicherung

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Quantifizierung des temperaturabhängigen Mobilitätsverhaltens von Spurenelementen

(Svea Hausberg, Markus Ebert, Frank Dethlefsen, Andreas Dahmke, alle Arbeitsgruppe Angewandte Geologie an der CAU)
 

Bild: Wärmebad für Sorptionsversuche (oben) und Sorptionsmaterialien im Wärmebad  (Mitte). Graph (unten): Entwicklung der Kapazität und Affinität von Langmuir-Sorptionsisothermen zur Beschreibung der Sorption von Arsenat am Quarzsand -Goethit-Gemisch im Temperaturbereich zwischen 10°C und 70°.Im Zuge der Wärmeeinspeicherung kann auch die sorptionslimitierte Mobilität von potentiellen anorganischen Grundwasserkontaminanten beeinflusst werden, wobei eine Untersuchung der Temperaturabhängigkeit von Sorptionsprozessen bislang in der Literatur deutlich unterrepräsentiert ist. Daher werden Kat- und Anionen-Sorptionsreaktionen in Abhängigkeit von variierten Temperaturen, die durch geothermische Anwendungen aber auch durch den leckagebedingten Eintrag von Formationswässern induziert werden können, untersucht. Als Modellsubstanzen werden Zink und Arsenat verwendet, da diese geogen in oberflächennahen Aquiferen assoziiert mit Sulfidmineralen oder Fe(III)(hydr)oxiden auftreten. Darüber hinaus wurde ihr Sorptionsverhalten häufiger untersucht, so dass für Normalbedingungen parametrisierte Oberflächen­komplexierungs­modelle existieren. Zur Untersuchung der temperaturabhängigen sorptionslimitierten Mobilität werden temperierte Umlaufsäulenversuche, temperierte Normaldrucksäulenversuche mit synthetischen Sandmischungen, ein Hochdruckversuch sowie Titrationen der Oberflächenladungen bei unterschiedlichen Temperaturen und ergänzende Batchversuche durchgeführt.

Die Versuchsergebnisse werden zunächst mit einfachen geochemischen Modellansätzen ausgewertet, so dass ein generelles Reaktionsschema herausgearbeitet werden kann, das dann in komplexeren Modellen (AP 2.3, AP 3.4) zur Anwendung kommen kann. Ein Ziel dieser Arbeiten ist es dabei auch, eine Transferfunktion abzuleiten, die verschiedene Sorptionsisothermen, die bei unterschiedlichen Temperaturen bestimmt werden, zu einer "Variothermenfläche" oder gegebenenfalls zu einem "Variothermenraum" zusammenzufassen, um damit Sorptionsprozesse geschlossen bei veränderlichen Temperaturen beschreiben zu können. Diesem Ansatz wird eine Erweiterung von Oberflächen­komplexierungs­modellen auf variierende Temperaturen gegenübergestellt, um zu beurteilen, welcher Ansatz zur Beschreibung der temperaturabhängigen sorptionslimitierten Mobilität besser geeignet erscheint.