Komposit-Adsorbentien, die aus einer mit hygroskopischem Salz imprägnierten Zeolithmatrix bestehen, bilden eine vielversprechende Materialklasse für die thermochemische Energiespeicherung (TCES). Sie vereinen die hohe Wärmespeicherdichte des Salzes und die einfache technische Handhabbarkeit des Zeoliths. Dabei verhindert die poröse Matrix das Auslaufen von Salzlösung und kompensiert volumenänderungen während der Ad- und Desorption. Das dynamische Sorptionsverhalten solcher Komposite unterscheidet sich jedoch von dem reiner Zeolithe. Speziell die Adsorptionskinetik ist langsamer, was zu Problemen wie einer geringeren und nicht konstanten thermischen Leistung sowie unvollständiger Adsorption und langen Adsorptionspasen von Energiespeichern auf Basis dieser Materialien führt. Numerische Modellierung hat sich als wichtiges Werkzeug erwiesen, um die Ursachen solcher Leistungseinschränkungen zu identifizieren. Dadurch erleichtert es die Entwicklung von thermochemischen Energiespeichern: Optimale Designs und Arbeitsbedingungen können per Simulation gefunden werden bevor Prototypen gebaut werden müssen. In dieser Arbeit wurde ein numerisches Modell einer Adsorbensschüttung in einer offenen Sorptionskammer entwickelt, in die Open-Sourve Finite-Elemente-Software OpenGeoSys implementiert und mittels experimenteller Daten validiert. Die Modellierungserebnisse zeigen, dass etablierte Sorptionskinetiken das dynamische Adsorptionsverhalten von Salz/Zeolith-Kompositen unter anwendungsrelevanten Arbeitsbedingungen erfassen. Außerdem zeigen sie, dass der Hauptgrund für die Unterschiede zwischen dem Sorptionsverhalten der Komposite und reiner Zeolithe in ihren qualitativ unterschiedlichen Sorptionsgleichgewichten liegt. Ein zweiter Fokus dieser Arbeit liegt darauf zu untersuchen, ob ein begrenzter Umfang an experimentellen Daten genügt, um die entwickelten numerischen Modelle zu kalibrieren. Diese Möglichkeit wurde durch Simulationen von dynamischen Adsorptionsvorgängen an Komposit-Adsorbentien bestätigt. Zudem wurden Kriterien entwickelt, die die Rekonstruktion eines robusten Adsorptionsgleichgewichtsmodells aus einem beschränkten expermientellen Datensatz erlauben. Schließlich wurde im Kontext der Dubinin-Polanyi-Theorie der Adsorption in Mikroporen festgestellt, das die Wahl eines bestimmten Adsorbatdichtemodells nur einen kleinen Einfluss auf Vorhersagen der Leistungsfähigkeit von Adsorbentien für die TCES hat. Die Ergebnisse dieser Arbeit bilden eine fundierte Grundlage für die zukünftige numerische Untersuchung von Materialien, Reaktorgeometrien und Arbeitsbedingungen während der Entwicklung von thermochemischen Energiespeichern, die auf Zeolithen oder Komposit-Adsorbentien basieren.:Used symbols and abbreviations 1. Introduction 2. Foundations 2.1. Thermochemical energy storage 2.2. Zeolites and salt/zeolite composites 2.3. Dubinin-Polanyi theory 2.4. Multiphysical model of a fixed adsorbent bed 2.5. Experimental data 3. Assessment of adsorbate density models 4. Water loading lift and heat storage density prediction 5. Modelling of sorption isotherms based on sparse experimental data 6. Modelling sorption equilibria and kinetics of salt/zeolite composites 7. Summary 7.1. Main achievements 7.2. Conclusions and outlook Bibliography A. Publications A.1. Assessment of adsorbate density models A.2. A comparison of heat storage densities A.3. Water loading lift and heat storage density prediction A.4. Modelling of sorption isotherms based on sparse experimental data A.5. Modelling sorption equilibria and kinetics of salt/zeolite composites / Composite adsorbents consisting of a zeolite host matrix impregnated with a hygroscopic salt are a promising material class for thermochemical energy storage (TCES). They combine the high heat storage density of the salt with the easy technical manageability of the zeolite, which prevents the leakage of salt solution and inhibits volume changes upon ad- and desorption. The dynamic sorption behaviour of such composites, however, is different from the pure host matrix material. Particularly, the adsorption kinetics are slower, which leads to issues such as low and non-steady thermal output power, incomplete adsorption and long adsorption phases of TCES devices using these composite materials. Numerical modelling has proven to be a valuable tool to identify the causes for such performance limitations. Therefore, it facilitates the development of TCES devices: it allows to easily find optimum designs and operating procedures before actual prototypes have to be built. In this thesis a numerical model of a packed adsorbent bed in an open sorption chamber has been developed, implemented in the open-source finite element software OpenGeoSys and validated with experimental data. The modelling results show that established sorption kinetics models capture the dynamic sorption behaviour of salt/zeolite composites under application-relevant operating conditions. Moreover, they show that the main cause for the differences between the composites' and pure zeolite's sorption behaviour lies in their different sorption equilibria. A second focus of the thesis is to investigate the use of limited experimental data for the calibration of the numerical models. This possibility has been confirmed by dynamic sorption simulations of the composite materials. Furthermore, criteria were determined that allow the reconstruction of a robust adsorption equilibrium description from a reduced experimental data set. Finally, in the context of the Dubinin-Polanyi theory of adsorption in micropores, it has been found that the choice of a specific adsorbate density model has only a small influence on performance predictions of adsorbents for TCES. In summary, the results from this thesis will facilitate the screening of materials, reactor geometries and operating conditions via numerical simulations during the design of TCES devices based on zeolites and composite sorbents.:Used symbols and abbreviations 1. Introduction 2. Foundations 2.1. Thermochemical energy storage 2.2. Zeolites and salt/zeolite composites 2.3. Dubinin-Polanyi theory 2.4. Multiphysical model of a fixed adsorbent bed 2.5. Experimental data 3. Assessment of adsorbate density models 4. Water loading lift and heat storage density prediction 5. Modelling of sorption isotherms based on sparse experimental data 6. Modelling sorption equilibria and kinetics of salt/zeolite composites 7. Summary 7.1. Main achievements 7.2. Conclusions and outlook Bibliography A. Publications A.1. Assessment of adsorbate density models A.2. A comparison of heat storage densities A.3. Water loading lift and heat storage density prediction A.4. Modelling of sorption isotherms based on sparse experimental data A.5. Modelling sorption equilibria and kinetics of salt/zeolite composites

Groundwater flow modelling provides an important quantitative instrument for addressing issues related to the quantity and quality of groundwater and the connected water resources. Consequently, groundwater flow models have been developed and used ubiquitously in science to deepen the understanding of subsurface processes and their drivers as well as management and planning tools. The present work investigates how numerical models can be linked to field investigations and public databases to quantitatively approach questions in the area of groundwater research. The primary goal is to develop new, efficient ways to overcome limitations of the individual hydrological concepts for solving specific hydrological problems and to increase the understanding of practical applicability of different methods. For this purpose, tailor-made approaches were developed for different study areas covering diverse spatial scales: the hydrology of a small mining lake, the riparian aquifer at the scale of a single meander as well as the aquifer systems of a large-scale river basin in China. The first part of the work deals with the physical and mathematical modelling of water constituents balance in a meromictic mining lake in Lusatia. The capability of using a rather simple mass-balance model based on a sufficient dataset of field data to evaluate lake stratification and lake-groundwater interaction were shown. In the second part, a transient numerical groundwater flow model was developed for the riparian aquifer of a stream meander and was calibrated by three different salt tracer tests. The model was used to proof the reliability of subsurface travel times derived from time series analysis and to give insights in the riparian zone dynamics during changing hydraulic gradients. The third part of the work describes the methodology to conduct risk assessment of groundwater contamination on the large catchment scale of the Songhua River in China. A comprehensive literature study was conducted to get an overview about measurement data on water quality data in China. A three-dimensional numerical flow and mass transport model was applied to access the flow and matter transport dynamics in the aquifer system of a sub-basin considering changing groundwater exploitation scenarios. Consequently, numerical groundwater modelling was combined with processed remote sensing and web mapping service data to overcome field data limitations and to derive groundwater vulnerability, groundwater hazard and groundwater risk maps for the entire Songhua River Basin. Summarizing, this doctoral thesis could develop new methods of combining field measurements, data assimilation and aggregation from various sources and groundwater modelling strategies and successfully apply these methods to find solutions on problems of multiple scales and across water systems. / Die Grundwassermodellierung stellt eine wichtige wissenschaftliche Methode zur quantitativen Analyse von Fragestellungen zum Schutz der Menge und Güte der Grundwasserressourcen sowie der angeschlossenen Wasserkörper dar. Dementsprechend werden Grundwassermodelle sowohl für Planungs- und Bewertungszwecke im Wasserressourcenmanagement als auch zur wissenschaftlichen Erforschung der Prozesse im Untergrund entwickelt und angewendet. Die vorliegende Arbeit untersucht in diesem Rahmen, wie numerische Modelle, Feldmessungen und Daten generiert aus Fernerkundungsdaten und Webplattformen systematisch verknüpft werden können, um Fragestellungen im Bereich der Grundwasserforschung quantitativ zu beantworten. Das Ziel der Arbeit ist es neue effiziente Abläufe zu entwickeln, die die Limitierung der einzelnen Methoden überwinden und diese auf deren Anwendbarkeit für die Lösung spezifischer hydrologischer Probleme zu analysieren. Zu diesem Zweck wurden in dieser Doktorarbeit fallspezifische Lösungen für verschiedene Untersuchungsgebiete entwickelt, die sowohl in der räumlichen Skale als auch in den zu untersuchenden hydrologischen Fragestellungen eine große Diversität aufweisen. Im ersten Teil der Arbeit wurde die Massenbilanz von Wasserinhaltsstoffen in einem meromiktischen Tagebaurestsee im Lausitzer Revier durch physikalische und mathematische Modellierungsmethoden untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass auf Basis einer gewonnenen mehrjährigen Zeitreihe von Messdaten ein einfaches Massenbilanzmodell in der Lage ist, sowohl Seeschichtungs- als auch Grundwasseraustauschdynamiken quantitativ zu beschreiben. Der zweite Teil der Arbeit umfasst die Entwicklung eines transienten numerischen Grundwassermodells für den quartären Uferaquifer im Bereich eines Flussmäanders der Selke welches anhand von Daten aus mehreren Salztracertests kalibriert wurde. Das Modell wurde dafür verwendet die transienten Verweilzeiten in der gesättigten Zone des Mäanderbogens unter dem Einfluss dynamischer hydraulischer Bedingungen zu untersuchen. Die Ergebnisse wurden im Anschluss mit Verweilzeiten verglichen, die aus der Analyse der zeitlichen Verschiebung von gemessenen elektrischen Leitfähigkeitszeitreihen zwischen Fluss und Grundwassermessstellen gewonnen wurden. Durch dieses kombinierte Verfahren konnten sowohl die Beschränkungen der zeitreihenbasierten Verweilzeitberechnung aufgezeigt als auch ein tieferes Systemverständnis für die Interaktionsdynamiken zwischen Grund- und Flusswasser auf der Mäanderskala gewonnen werden. Der dritte Teil der Arbeit beschreibt die Vorgehensweise für die Bewertung des Grundwasserkontaminationsrisikos im Einzugsgebiet des Songhua Flusses in China. Eine umfassende Literaturstudie wurde durchgeführt, um einen Überblick über die Verfügbarkeit von Messdaten zur Belastung der Wasserressourcen Chinas mit organischen Schadstoffen zu erhalten. Danach wurde für ein Teileinzugsgebiet ein dreidimensionales numerisches Grundwassermodell auf Basis der vorhandenen hydrogeologischen Daten aufgebaut. Dieses wurde dazu verwendet die Änderungen im Stofftransports und den Schadstoffkonzentrationen innerhalb des Aquifersystems unter steigenden Entnahmeraten zu analysieren. Basierend auf diesen Studien wurden auf der Skale des Gesamteinzugsgebiets, um die beschränkte Verfügbarkeit von Felddaten auszugleichen, die Ergebnisse der numerischen Grundwassermodellierung mit Fernerkundungsdaten und Webdatenbanken in einem Indexsystem kombiniert mit dem für die oberflächennahen Aquifere Vulnerabilität, Gefährdungspotential und Verschmutzungsrisiko in einer räumlichen Auflösung von 1 km² bestimmt wurden. Zusammenfassend konnten durch die vorliegende Doktorarbeit neue passgenaue Methoden zur effektiven Kombination von in-situ Messungen, der Datenerhebung und Datenintegration aus vielfältigen Datenquellen sowie numerischen Grundwassermodellierungsstrategien entwickelt und zur Lösung der untersuchten hydrologischer Fragestellen auf den verschiedenen Skalen und über die Grenzen der einzelnen hydrologischen Teilsysteme hinaus erfolgreich angewandt werden.

Groundwater flow modelling provides an important quantitative instrument for addressing issues related to the quantity and quality of groundwater and the connected water resources. Consequently, groundwater flow models have been developed and used ubiquitously in science to deepen the understanding of subsurface processes and their drivers as well as management and planning tools. The present work investigates how numerical models can be linked to field investigations and public databases to quantitatively approach questions in the area of groundwater research. The primary goal is to develop new, efficient ways to overcome limitations of the individual hydrological concepts for solving specific hydrological problems and to increase the understanding of practical applicability of different methods. For this purpose, tailor-made approaches were developed for different study areas covering diverse spatial scales: the hydrology of a small mining lake, the riparian aquifer at the scale of a single meander as well as the aquifer systems of a large-scale river basin in China. The first part of the work deals with the physical and mathematical modelling of water constituents balance in a meromictic mining lake in Lusatia. The capability of using a rather simple mass-balance model based on a sufficient dataset of field data to evaluate lake stratification and lake-groundwater interaction were shown. In the second part, a transient numerical groundwater flow model was developed for the riparian aquifer of a stream meander and was calibrated by three different salt tracer tests. The model was used to proof the reliability of subsurface travel times derived from time series analysis and to give insights in the riparian zone dynamics during changing hydraulic gradients. The third part of the work describes the methodology to conduct risk assessment of groundwater contamination on the large catchment scale of the Songhua River in China. A comprehensive literature study was conducted to get an overview about measurement data on water quality data in China. A three-dimensional numerical flow and mass transport model was applied to access the flow and matter transport dynamics in the aquifer system of a sub-basin considering changing groundwater exploitation scenarios. Consequently, numerical groundwater modelling was combined with processed remote sensing and web mapping service data to overcome field data limitations and to derive groundwater vulnerability, groundwater hazard and groundwater risk maps for the entire Songhua River Basin. Summarizing, this doctoral thesis could develop new methods of combining field measurements, data assimilation and aggregation from various sources and groundwater modelling strategies and successfully apply these methods to find solutions on problems of multiple scales and across water systems. / Die Grundwassermodellierung stellt eine wichtige wissenschaftliche Methode zur quantitativen Analyse von Fragestellungen zum Schutz der Menge und Güte der Grundwasserressourcen sowie der angeschlossenen Wasserkörper dar. Dementsprechend werden Grundwassermodelle sowohl für Planungs- und Bewertungszwecke im Wasserressourcenmanagement als auch zur wissenschaftlichen Erforschung der Prozesse im Untergrund entwickelt und angewendet. Die vorliegende Arbeit untersucht in diesem Rahmen, wie numerische Modelle, Feldmessungen und Daten generiert aus Fernerkundungsdaten und Webplattformen systematisch verknüpft werden können, um Fragestellungen im Bereich der Grundwasserforschung quantitativ zu beantworten. Das Ziel der Arbeit ist es neue effiziente Abläufe zu entwickeln, die die Limitierung der einzelnen Methoden überwinden und diese auf deren Anwendbarkeit für die Lösung spezifischer hydrologischer Probleme zu analysieren. Zu diesem Zweck wurden in dieser Doktorarbeit fallspezifische Lösungen für verschiedene Untersuchungsgebiete entwickelt, die sowohl in der räumlichen Skale als auch in den zu untersuchenden hydrologischen Fragestellungen eine große Diversität aufweisen. Im ersten Teil der Arbeit wurde die Massenbilanz von Wasserinhaltsstoffen in einem meromiktischen Tagebaurestsee im Lausitzer Revier durch physikalische und mathematische Modellierungsmethoden untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass auf Basis einer gewonnenen mehrjährigen Zeitreihe von Messdaten ein einfaches Massenbilanzmodell in der Lage ist, sowohl Seeschichtungs- als auch Grundwasseraustauschdynamiken quantitativ zu beschreiben. Der zweite Teil der Arbeit umfasst die Entwicklung eines transienten numerischen Grundwassermodells für den quartären Uferaquifer im Bereich eines Flussmäanders der Selke welches anhand von Daten aus mehreren Salztracertests kalibriert wurde. Das Modell wurde dafür verwendet die transienten Verweilzeiten in der gesättigten Zone des Mäanderbogens unter dem Einfluss dynamischer hydraulischer Bedingungen zu untersuchen. Die Ergebnisse wurden im Anschluss mit Verweilzeiten verglichen, die aus der Analyse der zeitlichen Verschiebung von gemessenen elektrischen Leitfähigkeitszeitreihen zwischen Fluss und Grundwassermessstellen gewonnen wurden. Durch dieses kombinierte Verfahren konnten sowohl die Beschränkungen der zeitreihenbasierten Verweilzeitberechnung aufgezeigt als auch ein tieferes Systemverständnis für die Interaktionsdynamiken zwischen Grund- und Flusswasser auf der Mäanderskala gewonnen werden. Der dritte Teil der Arbeit beschreibt die Vorgehensweise für die Bewertung des Grundwasserkontaminationsrisikos im Einzugsgebiet des Songhua Flusses in China. Eine umfassende Literaturstudie wurde durchgeführt, um einen Überblick über die Verfügbarkeit von Messdaten zur Belastung der Wasserressourcen Chinas mit organischen Schadstoffen zu erhalten. Danach wurde für ein Teileinzugsgebiet ein dreidimensionales numerisches Grundwassermodell auf Basis der vorhandenen hydrogeologischen Daten aufgebaut. Dieses wurde dazu verwendet die Änderungen im Stofftransports und den Schadstoffkonzentrationen innerhalb des Aquifersystems unter steigenden Entnahmeraten zu analysieren. Basierend auf diesen Studien wurden auf der Skale des Gesamteinzugsgebiets, um die beschränkte Verfügbarkeit von Felddaten auszugleichen, die Ergebnisse der numerischen Grundwassermodellierung mit Fernerkundungsdaten und Webdatenbanken in einem Indexsystem kombiniert mit dem für die oberflächennahen Aquifere Vulnerabilität, Gefährdungspotential und Verschmutzungsrisiko in einer räumlichen Auflösung von 1 km² bestimmt wurden. Zusammenfassend konnten durch die vorliegende Doktorarbeit neue passgenaue Methoden zur effektiven Kombination von in-situ Messungen, der Datenerhebung und Datenintegration aus vielfältigen Datenquellen sowie numerischen Grundwassermodellierungsstrategien entwickelt und zur Lösung der untersuchten hydrologischer Fragestellen auf den verschiedenen Skalen und über die Grenzen der einzelnen hydrologischen Teilsysteme hinaus erfolgreich angewandt werden.

Nowadays society strongly depends on its available resources and the long term stability of the surrounding ecosystem. Numerical modelling has become a general standard for evaluating past, current or future system states for a large number of applications supporting decision makers in proper management. In order to ensure the correct representation of the investigated processes and results of a simulation, verification examples (benchmarks), that are based on observation data or analytical solutions, are utilized to evaluate the numerical modelling tool. In many parts of the world, groundwater is an important resource for freshwater. While it is not only limited in quantity, subsurface water bodies are often in danger of contamination from various natural or anthropogenic sources. Especially in arid regions, marine saltwater intrusion poses a major threat to groundwater aquifers which mostly are the exclusive source of freshwater in these dry climates. In contrast to common numerical groundwater modelling, density-driven flow and mass transport have to be considered as vital processes in the system and in scenario simulations for fresh-saltwater interactions. In the beginning of this thesis, the capabilities of the modelling tool OpenGeoSys are verified with selected benchmarks to represent the relevant non-linear process coupling. Afterwards, variable-density application and process studies on different scales are presented. Application studies comprehend regional groundwater modelling of a coastal aquifer system extensively used for agricultural irrigation, as well as hydro-geological model development and parametrization. In two process studies, firstly, a novel method to model gelation of a solute in porous media is developed and verified on small scale laboratory observation data, and secondly, investigations of thermohaline double-diffusive Rayleigh regimes on medium scale are carried out. With the growing world population and, thus, increasing pressure on non-renewable resources, intelligent management strategies intensify demand for potent simulation tools and development of novel methods. In that way, this thesis highlights not only OpenGeoSys’ potential of density-dependent process modelling, but the comprehensive importance of variable-density flow and transport processes connecting, both, avant-garde scientific research, and real-world application challenges.

Nowadays society strongly depends on its available resources and the long term stability of the surrounding ecosystem. Numerical modelling has become a general standard for evaluating past, current or future system states for a large number of applications supporting decision makers in proper management. In order to ensure the correct representation of the investigated processes and results of a simulation, verification examples (benchmarks), that are based on observation data or analytical solutions, are utilized to evaluate the numerical modelling tool. In many parts of the world, groundwater is an important resource for freshwater. While it is not only limited in quantity, subsurface water bodies are often in danger of contamination from various natural or anthropogenic sources. Especially in arid regions, marine saltwater intrusion poses a major threat to groundwater aquifers which mostly are the exclusive source of freshwater in these dry climates. In contrast to common numerical groundwater modelling, density-driven flow and mass transport have to be considered as vital processes in the system and in scenario simulations for fresh-saltwater interactions. In the beginning of this thesis, the capabilities of the modelling tool OpenGeoSys are verified with selected benchmarks to represent the relevant non-linear process coupling. Afterwards, variable-density application and process studies on different scales are presented. Application studies comprehend regional groundwater modelling of a coastal aquifer system extensively used for agricultural irrigation, as well as hydro-geological model development and parametrization. In two process studies, firstly, a novel method to model gelation of a solute in porous media is developed and verified on small scale laboratory observation data, and secondly, investigations of thermohaline double-diffusive Rayleigh regimes on medium scale are carried out. With the growing world population and, thus, increasing pressure on non-renewable resources, intelligent management strategies intensify demand for potent simulation tools and development of novel methods. In that way, this thesis highlights not only OpenGeoSys’ potential of density-dependent process modelling, but the comprehensive importance of variable-density flow and transport processes connecting, both, avant-garde scientific research, and real-world application challenges.:Abstract Zusammenfassung Nomenclature List of Figures List of Tables I Background and Fundamentals 1 Introduction 1.1 Motivation 1.2 Structure of the Thesis 1.3 Variable-Density Flow in Literature 2 Theory and Methods 2.1 Governing Equations 2.2 Fluid Properties 2.3 Modelling and Visualization Tools 3 Benchmarks 3.1 Steady-state Unconfined Groundwater Table 3.2 Theis Transient Pumping Test 3.3 Transient Saltwater Intrusion 3.4 Development of a Freshwater Lens II Applications 4 Extended Inverse Distance Weighting Interpolation 4.1 Motivation 4.2 Extension of IDW Method 4.3 Artificial Test and Regional Scale Application 4.4 Summary and Conclusions 5 Modelling Transient Saltwater Intrusion 5.1 Background and Motivation 5.2 Methods and Model Setup 5.3 Simulation Results and Discussion 5.4 Summary, Conclusion and Outlook 6 Gelation of a Dense Fluid 6.1 Motivation 6.2 Methods and Model Setup 6.3 Results and Conclusions 7 Delineating Double-Diffusive Rayleigh Regimes 7.1 Background and Motivation 7.2 Methods and Model Setup 7.3 Results 7.4 Conclusions and Outlook III Summary and Conclusions 8 Important Achievements 9 Conclusions and Outlook Bibliography Publications Acknowledgements Appendix