Aquifer

Ein Grundwasserleiter (auch Aquifer) ehemals auch als Grundwasserhorizont oder Grundwasserträger bezeichnet, ist ein Gesteinskörper mit Hohlräumen, der zur Leitung von Grundwasser geeignet ist. Eine weite Verbreitung hat inzwischen auch der ursprünglich aus dem englischen Sprachraum stammende Begriff Aquifer erfahren, jedoch ohne in die für Deutschland gültige hydrogeologische Begriffsbestimmung nach DIN 4049-3 übernommen worden zu sein. Obwohl auch in Teilen der deutschen Fachwelt meist als Synonym zum Grundwasserleiter genutzt, bezeichnet ein Aquifer ursprünglich eine zur Abgabe von signifikanten Wassermengen geeignete Schichtenfolge bzw. Teile derselben. Dies schließt Wasser der ungesättigten Zone explizit mit ein, was aber in der für Deutschland gültigen Definition des Grundwassers nicht der Fall ist. Ein Grundwasserleiter erstreckt sich also im Gegensatz zu einem Aquifer nur über die gesättigte Zone, was zur Folge hat, dass beide Begriffe höchstens im Einzelfall als Synonyme gebraucht werden können. Man kann jedoch davon ausgehen, dass bei der Verwendung des Begriffs Aquifer im deutschsprachigen Raum ein Grundwasserleiter gemeint ist.

Es werden drei Arten von Grundwasserleitern unterschieden:

1. Porengrundwasserleiter bestehen aus Locker- oder Festgestein, dessen Porenraum von Grundwasser durchflossen wird
2. Kluftgrundwasserleiter bestehen aus Festgestein. Sie enthalten durchflusswirksame Klüfte und Gesteinsfugen
3. Karst-Grundwasserleiter bestehen aus verkarsteten Karbonatgesteinen mit durchflusswirksamen Verkarstungen

Ein Grundwasserleiter wird geologisch durch wasserundurchlässige Schichten (z. B. Tone) begrenzt, die dann Aquifugen genannt werden.

Ihre Kenntnis und Erkundung ist wichtig für die Trinkwassergewinnung und die bergbauliche Grundwasserbeeinflussung (siehe dazu: Tagebauentwässerung, Wasserhaltung).

Einer der größten Grundwasserleiter ist der Ogallala-Aquifer in den USA.

Die wichtigste Eigenschaft eines Grundwasserleiters ist die Transmissivität.

Begriffe und Arten

Ein Grundwassernichtleiter ist im Gegensatz zu einem Grundwasserleiter ein Gesteinskörper, der zur Leitung von Grundwasser nicht geeignet ist. Ein Geringleiter ist dagegen ein Grundwasserleiter mit einem sehr geringen Durchlässigkeitsbeiwert, wobei der Übergang zu einem Nichtleiter in der Praxis fließend ist. Einen den Grundwasserleiter begrenzenden Bereich mit schlechter Durchlässigkeit bezeichnet man auch als Grundwasserhemmer. All diesen zu eigen ist meist eine geringe Korngröße sowie eine geringe effektive Porosität. Die entsprechenden Begriffe des englischen Sprachraums sind Aquifuge für den Nichtleiter und Aquitarde für den Geringleiter.

Ein Grundwasserkörper ist ein räumlich eindeutig abgrenzbares Grundwasservorkommen, wohingegen der Grundwasserraum den mit Grundwasser gefüllten Gesteinskörper bezeichnet. Die Grundwassermächtigkeit ist als lotrechter Abstand zwischen Grundwasseroberfläche und Grundwassersohle definiert, also zwischen der oberen und unteren Grenze des Grundwasserkörpers. Des Weiteren unterscheidet man zwischen gespannten und ungespannten Grundwasserleitern, die über die relative Position von Grundwasseroberfläche und Grundwasserdruckfläche definiert sind. Dabei ist die Grundwasserdruckfläche der Bereich, bis zu dem das Wasser entsprechend seinem hydrostatischen Druck in einem freien Brunnen ansteigen würde. Insofern dieser Bereich der Grundwasseroberfläche entspricht, handelt es sich um einen ungespannten bzw. freien Grundwasserleiter. Wird der Anstieg des Grundwassers jedoch vor Erreichen der Druckfläche durch eine nicht- bzw. schlechtleitende Schicht unterbunden, so liegt ein gespannter Grundwasserleiter vor. Diese Unterscheidung wirkt sich maßgeblich auf das Verhalten eines Grundwasserleiters bei der Anlage von Grundwassermesstellen sowie der Durchführung von Pumpversuchen und der letztlichen Grundwasserentnahme aus. Einen Sonderfall des gespannten Grundwasserleiters bilden artesische Grundwasserleiter, bei denen die Druckfläche über dem Erdboden liegt und das Grundwasser somit unter ungespannten Verhältnissen (z. B. durch das Abteufen einer Bohrung) eine Quelle bilden würde.

Aquifere als Wärme- und Kältespeicher

Aquifere können darüber hinaus genutzt werden, um Wasser zu speichern und gezielt zum Heizen oder Kühlen von Gebäuden einzusetzen. Im Sommer wird dazu das Wasser über Sonnenkollektoren erwärmt und in einem Aquifer (W) gespeichert. Dieses warme Wasser wird im Winter zum Heizen der Gebäude verwendet und das kalte Wasser fließt dann in ein anderes Aquifer (K). Dieses kalte Wasser dient im Sommer der Gebäudekühlung und fließt dann durch die Sonnenkollektoren, wird erwärmt und wieder im Aquifer (W) gespeichert.

Aquifere als CO₂-Speicher

Es werden Überlegungen angestellt und die Möglichkeit untersucht, Aquifere ab einer Tiefe von 900 Metern und tiefer als CO₂-Speicher zur CO₂-Sequestrierung zu nutzen. Im Gegensatz zur Sequestrierung in Ozeanen (bis zu 1000 Dekaden) kann hierbei – nach Grimston et al. (2001) – mit einer Speicherdauer von über 100.000 Dekaden gerechnet werden. Die Speicherung in Ozeanen birgt jedoch enorme ökologische Gefahrenpotentiale, sollte solch eine Speicherblase an die Oberfläche dringen. Die Speicherung in Aquiferen weit unterhalb einer nutzbaren Grundwassertiefe, wird - aufgrund begrenztem Speicherpotential - als Zwischentechnologie für die Vermeidung von CO₂-Emissionen bei der Energiegewinnung gesehen.

Erdgas aus Aquiferen

Die Löslichkeit eines Gases in einer Flüssigkeit steigt mit zunehmendem Druck und sinkt mit zunehmender Temperatur. Durch die steigende Temperatur in zunehmender Tiefe sinkt die Löslichkeit. Dieser Effekt wird jedoch durch den höheren Druck ausgeglichen. Das in Gesteinsporen gehaltene Wasser (Formationswasser) kann mit wachsender Tiefe größere Mengen Gas binden. Bei Druckentlastung löst sich dann ein Teil des Gases und tritt entweder als freies Gas in die Atmosphäre oder wird bei geeigneten geologisch-strukturellen Voraussetzungen in Lagerstätten gefangen. Der im Formationswasser verbleibende Teil wird als Aquifergas bezeichnet. Hauptproblem bei der Förderung ist die Landabsenkung, wie sie in Japan und Italien beobachtet wurde. Dieser kann jedoch durch Reinjektion des entgasten Wassers beigekommen werden.

Literatur

• DIN 4049-3 (Hydrologie, Teil 3: Begriffe zur quantitativen Hydrologie)
• Jordan, Hanspeter und Hans-Jörg Weder: Hydrogeologie. Grundlagen und Methoden
• Bernhard Hölting, Wilhelm G. Coldewey (2005): Hydrogeologie. Einführung in die Allgemeine und Angewandte Hydrogeologie. 6. Auflage. Spektrum akademischer Verlag, München.
• Kinzelbach W., Rausch R. Grundwassermodellierung
• Freeze R.A., Cherry, J.A., Groundwater

Weblinks

• Projektinformation: Aquiferspeicher für das Reichstagsgebäude
• Wissenskatalog Energie: Aquiferspeicher für den Reichstag