Geothermie oder Erdwärme

Grundlagen der Geothermie

Die Geothermie, oder Erdwärme, ist die in dem oberen (zugänglichen) Teil der Erdkruste gespeicherte Wärme. Sie umfasst die in der Erde gespeicherte Energie, soweit sie entzogen und genutzt werden kann, und zählt zu den regenerativen Energien. 

Sie kann sowohl direkt genutzt werden, etwa zum Heizen und Kühlen im Wärmemarkt, als auch zur Erzeugung von elektrischem Strom oder in einer Kraft-Wärme-Kopplung. Geothermie bezeichnet sowohl die ingenieurtechnische Beschäftigung mit der Erdwärme und ihrer Nutzung, als auch die wissenschaftliche Untersuchung der thermischen Situation des Erdkörpers.

Ursprung geothermischer Energie

Geothermie stammt zum Teil (geschätzt: 30-50 Prozent) aus der Restwärme aus der Zeit der Erdentstehung (Akkretion), zum anderen (geschätzt: 50-70 Prozent) aus radioaktiven Zerfallsprozessen, die in der Erdkruste seit Jahrmillionen kontinuierlich Wärme erzeugt haben und heute noch erzeugen. Ganz oberflächennah kommen Anteile aus der Sonneneinstrahlung auf die Erdoberfläche und aus dem Wärmekontakt mit der Luft dazu.

Die Temperatur im inneren Erdkern beträgt nach verschiedenen Schätzungen 4500 °C bis 6500 °C. 99 Prozent unseres Planeten sind heißer als 1000 °C; 99 Prozent vom Rest sind immer noch heißer als 100 °C. Fast überall hat das Erdreich in 1 Kilometer Tiefe eine Temperatur von 35 °C bis 40 °C (siehe auch Geothermische Tiefenstufe). Unter besonderen geologischen Bedingungen – zum Beispiel in heutigen oder früheren Vulkangebieten – entstehen geothermische Anomalien. Hier kann die Temperatur viele hundert Grad Celsius erreichen.

Restwärme aus der Zeit der Erdentstehung

Die Erde ist vor zirka 4,6 - 4,7 Milliarden Jahren durch Akkretion von Materie entstanden. Hierbei erhitzt sich das Material, wobei kinetische Energie (Bewegungsenergie) in Wärme umgewandelt wird. Diese Wärmeenergie hat sich wegen der geringen Wärmeleitfähigkeit der Gesteine und damit der geringen Wärmeabgabe an den Weltraum bis heute zum Teil erhalten und kann als Restwärme aus der Zeit der Erdentstehung bezeichnet werden.

Radioaktive Zerfallsprozesse

Dieser Anteil der Geothermie geht auf den natürlichen Zerfall der im Erdkörper vorhandenen langlebigen radioaktiven Isotope wie z.B. Uran-235 und U-238, Thorium-232 und Kalium-40 zurück. Diese Elemente sind in die Kristallgitter bestimmter Minerale eingebaut, beispielsweise in die Feldspäte und Glimmer in Graniten. Es handelt sich um eine natürliche Form der Kernenergie. Die Leistung, die aus dem radioaktiven Zerfall resultiert, beträgt etwa 16 x 1012 Watt. Bei einem mittleren Erdradius von 6 371 km beträgt die geothermische Leistungsdichte des radioaktiven Zerfalls an der Erdoberfläche etwa 0,032 Watt (32 mW) pro Quadratmeter Erdoberfläche. Dies würde etwa die Hälfte des terrestischen Wärmestroms ausmachen.

Wärmestrom aus dem Erdinneren

Die Wärme wird aus tieferen Teilen der Erde durch Wärmeleitung, also Konduktion, aber auch durch Konvektion in für die Nutzung erreichbare Tiefen transportiert. Der terrestrische Wärmestrom, die von der Erde pro Quadratmeter an den Weltraum abgegebene Leistung, ist etwa 0,063 Watt/m2; (63 mW/m2;) (Wärmestromdichte). Dies ist ein relativ kleiner Wert und weist schon darauf hin, dass sich Geothermie vorwiegend zur dezentralen Nutzung eignet. In anomalen Gebieten, wie etwa vulkanischen Gebieten, kann der Wärmefluss um ein Vielfaches größer sein.

Wegen der geringen Wärmestromdichte wird bei der Geothermienutzung vorwiegend nicht die aus dem Erdinneren nachströmende Energie, sondern die in der Erdkruste gespeicherte Energie genutzt oder abgebaut. Eine Geothermienutzung muss so dimensioniert werden, dass die Auskühlung des betreffenden Erdkörpers so langsam voranschreitet, dass in der Nutzungszeit der Anlage die Temperatur nur in einem Umfang absinkt, der einen wirtschaftlichen Betrieb der Anlage gestattet.