Hydrochemische Monitoringsysteme sind sowohl für Grundwasser-relevante Untersuchungen als auch für den sicheren und nachhaltigen Betrieb von Geothermiekraftwerken unumgänglich. Durch das regelmäßige und zielgerichtete Messen ausgewählter Parameter können wertvolle Informationen über die chemische Zusammensetzung des Grund- bzw. Tiefenwassers sowie über stattfindende Wechselwirkungen und mögliche Umweltauswirkungen gewonnen werden.
Neben der Aufnahme von Vor-Ort-Parametern (Temperatur, pH-Wert, spezifische elektrische Leitfähigkeit, Säure- und Basenkapazität, etc.), umfassen hydrochemische Monitoringsysteme meist auch die Analyse der Hauptionen und Spurenelemente, sowie isotopenanalytische und gasphysikalische Untersuchungen. Darüber hinaus sind eine geeignete Probenahmestrategie (Entnahmestellen, Messfrequenz, etc.), der Messumfang und die analytischen Verfahren wesentliche Faktoren bei der Konzeptionierung eines standort-spezifischen Monitoringprogramms.
Die Kationen Natrium, Kalium, Calcium, Magnesium und Ammonium sowie Chlorid, Sulfat, Nitrat, Nitrit und Hydrogenkarbonat aufseiten der Anionen sind meist Bestandteil hydrochemischer Analysen, da diese die Hauptinhaltsstoffe natürlicher Grund- und Tiefenwässer darstellen. Anhand der chemischen Zusammensetzung der Wässer lassen sich sowohl Rückschlüsse über die Genese, die im Untergrund durchströmten Gesteine und stattfindende Fluid-Gesteins-Wechselwirkungen ziehen. Entsprechend der dominierenden chemischen Komponenten, können Grundwässer einem bestimmten Wassertyp zugeordnet werden.
Ähnlich wie die Hauptinhaltstoffe verhelfen auch die im Wasser gelösten Spurenstoffe, wie beispielsweise Barium, Lithium, Fluorid etc., im Untergrund ablaufende Prozesse zu verstehen sowie Informationen über die Genese, stattfindende Fluid-Gesteins-Wechselwirkungen und den geologischen Aufbau im Untergrund zu gewinnen.
Der pH-Wert entspricht dem negativ dekadischen Logarithmus der H30+-Ionen im Wasser und gibt an wie sauer oder basisch eine Lösung ist. Somit ergibt sich: je höher die Wasserstoffionen-Konzentration in der Lösung, desto niedriger ist der pH-Wert und dementsprechend saurer die Lösung. Im Gegenzug weist ein hoher pH-Wert auf einen basischen Charakter hin. Dabei können Werte zwischen 0 und 14 angenommen werden. Weist eine Lösung einen pH-Wert von 7 auf, ist diese als „neutral“ zu bezeichnen.
Die spezifische elektrische Leitfähigkeit (μS/cm bei 25°C) beschreibt die Fähigkeit eines Wassers elektrischen Strom zu leiten und misst daher die im Wasser vorhandenen Ionen. Somit ist dies auch ein Maß für den Mineralisationsgehalt des vorliegenden Wassers.
Wird wider Erwarten eine erhöhte Leitfähigkeit festgestellt, kann dies Hinweis auf die Beeinflussung bzw. Kontamination des Grundwassers geben. Zu beachten ist jedoch, dass die elektrische Leitfähigkeit von Wasser mit steigender Temperatur zunimmt. Daher werden die Messwerte in der Regel auf eine Referenztemperatur von 25°C umgerechnet.
Im Grund- und Tiefenwasser gelöstes Kohlendioxid wird meist aus der Atmosphäre über Niederschläge eingetragen. Gleichzeitig kann es aber auch durch magmatische Aktivität oder metamorphe Gesteinsumwandlungen aus der Tiefe entlang von Störungen aufsteigen. Sobald sich Kohlendioxid in Wasser löst, reagiert es mit Wassermolekülen zu Kohlensäure. Die Kohlensäure kann wiederrum in Hydroniumionen (H3O+, H+), Hydrogenkarbonat (HCO3-) und Karbonat (CO32-) dissoziiert werden.
Die Bildung und Dissoziation von Kohlensäure erfolgt in zwei Dissoziationsschritten, welche maßgeblich vom pH-Wert abhängen:
(I) CO2 + H2O ⇄ H+ + HCO3-
(II) HCO3- ⇄ H+ + CO32-
Das „Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht“ beschreibt somit das chemische Gleichgewicht zwischen den Ionen der Kohlensäure, dem Kohlendioxid und dem Calciumkarbonat und bestimmt im Wesentlichen, ob das Wasser einen kalkabscheidenden oder kalkauflösenden Charakter aufweist.
Besonders bei der Förderung geothermischen Tiefenwassers aus Kalkaquiferen, spielt das Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht eine wesentliche Rolle. Infolge von Druck-, Temperatur- und pH-Wert Veränderungen kann es dabei zu erheblichen Ausfällungen an Calciumkarbonat im Bereich der Förderpumpe oder dem obertägigen Anlagensystem kommen. Um eine Bildung karbonatischer Ausfällungen (Scales) zu verhindern, können unterschiedliche Inhibitoren (z.B. Kohlenstoffdioxid) auf Förderseite zugegeben werden.
Die Säurekapazität bezeichnet die Pufferkapazität eines Wassers und ist ein Maß dafür, wie viel Säure ein Wasser aufnehmen kann bis zum Erreichen eines bestimmten pH-Werts. In natürlichen Gewässern wird die Säurekapazität durch die jeweiligen Anteile an Hydroxid, Karbonat und Hydrogenkarbonat kontrolliert. Die Messung der Säurekapazität erfolgt hierbei durch die Titration mit Salzsäure. Zwischen einem pH-Wert von 4,3 und 8,2 liegt der Anteil anorganischen Kohlenstoffs im Wasser hauptsächlich als Hydrogenkarbonat vor. Somit gilt die Säurekapazität bis zu einem pH-Wert von 4,3 als unmittelbares Maß für den Gehalt an Hydrogenkarbonat im Wasser.
Ähnlich wie die Säurekapazität bezeichnet auch die Basenkapazität die Pufferkapazität eines Wassers. Allerdings beschreibt diese, wie viel Base ein Wasser bis zum Erreichen eines bestimmten pH-Werts aufnehmen kann. In natürlichen Gewässern wird die Basenkapazität durch die jeweiligen Anteile an Hydroxid, Karbonat und Hydrogenkarbonat kontrolliert. Die Messung der Basenkapazität einer Wasserprobe erfolgt mittels Titration einer starken Base (z.B. Natronlauge). In Kombination mit der Säurekapazität, wird die Basenkapazität in der Wasseranalytik für die Berechnung des gelösten Kohlenstoffdioxids, des Hydrogenkarbonat- und des Karbonat-Ions verwendet. So ist die Basenkapazität bis zu einem pH-Wert von 8,2 ein unmittelbares Maß dafür, wieviel Kohlendioxid in der Wasserprobe enthalten ist.
Bei dem Redox-Potential eines Wassers handelt es sich um das Konzentrationsverhältnis der enthaltenen oxidierten und reduzierten Stoffe und ist somit Maß für die vorliegenden elektrochemischen Bedingungen. Der Wertebereich reicht von + 800 mV (stark oxidierendes Milieu) bis -300 mV (stark reduzierendes Milieu). Ein Anstieg des Redox-Potentials geht mit einem Absinken des pH-Werts einher.
Wird ein hohes Redox-Potential ermittelt, so liegt ein sauerstoffreiches Milieu mit vielen oxidierenden Verbindungen (z.B. Eisen- und Manganoxide, Nitrat, Sulfat) vor. Ein niedriges Redox-Potential weist hingegen auf ein sauerstoffarmes Milieu und reduzierende Verbindungen (Fe2+, Mn2+, organische Substanzen) hin.
Als Tracer werden Substanzen bezeichnet, welche bereits in geringen Konzentrationen im Wasser nachweisbar sind und daher für eine Vielzahl an hydrologischen, hydrochemischen und geologischen Fragestellungen als Markierungsstoff eingesetzt werden. Dabei wird der Tracer in geringer Menge in Fließgewässer, im Grundwasser oder Tiefenwasser eingebracht und ermöglicht so eine Untersuchung der Fließwege und Fließeigenschaften (Fließgeschwindigkeit, Verweildauer, Dispersion, etc.).
Auch in der Tiefengeothermie finden Tracerexperimente Anwendung um beispielsweise Fließwege zwischen der Injektions- und Förderbohrung sowie etwaige Wasser-Gesteins-Wechselwirkungen zu ermitteln. Speziell in der Geothermie müssen Tracer daher einigen Anforderungen gerecht werden. Ein geeigneter Tracer zeichnet sich hierbei durch eine Kompatibilität mit dem geothermischen Fluid, durch die Löslichkeit im Fluid sowie durch Thermostabilität aus. Gleichzeitig darf der Tracer nicht infolge von physikalischen oder chemischen Sorptions- und Ionenaustauschprozessen mit Mineralen im Reservoir verloren gehen. Auch sollte der Tracer nicht natürlicherweise im Reservoir vorhanden sein, d.h. seine Hintergrundkonzentration sollte möglichst gering sein. Die Auswahl eines Tracers richtet sich stark nach der jeweiligen Fragestellung und den standortspezifischen Gegebenheiten.