Wie funktioniert Geothermie?
Wie entsteht die Wärme?
Die Wärmeentwicklung im Erdinneren beruht auf zwei Effekten. Zum einen trägt der radioaktive Zerfall von langlebigen Isotopen in der Erdkruste dazu bei. Zum anderen ist es die Erstarrungswärme, die beim Erkalten des flüssigen, äußeren Erdkerns freigesetzt wird. Die Erdkruste ist mit einer Stärke von etwa 40 Kilometern nur eine vergleichsweise dünne Schicht über dem knapp 3.000 Kilometer starkem, festen Erdmantel. Darunter liegt der flüssige Erdkern mit einem Radius von 3.400 Kilometern.
Wie gelangt die Wärme an die Erdoberfläche?
Bereits an der Grenze zwischen Erdkruste und Erdmantel werden Temperaturen von 1.200 Grad Celsius gemessen. Dem steht eine mittlere Temperatur an der Erdoberfläche von 14 Grad Celsius im Jahresmittel gegenüber. Der zuletzt genannte Wert stammt aus vorindustrieller Zeit und ist inzwischen durch die Zufuhr von Treibhausgasen in die Atmosphäre um mindestens 1,5 Grad Celsius gestiegen (Klimawandel).
Die hohe Temperaturdifferenz zwischen dem Inneren der Erde und der Erdoberfläche verursacht einen kontinuierlichen Wärmestrom, ähnlich einer warmen Thermik in der Luft. Bezogen auf 1 Quadratmeter Erdoberfläche fließen 65 Milliwatt (mW) Wärme in Richtung Erdoberfläche.
Zum Vergleich: Ein Mensch hat eine Hautoberfläche von 1 bis 2 Quadratmeter und eine Wärmeleistung von 50-100 Watt. Damit ist die Wärmeleistung der Hautoberfläche 1.000 Mal stärker als der geothermische Wärmestrom zur Erdoberfläche (d.h. die Wärmeleistung, die pro Quadratmeter Bodenfläche zur Erdoberfläche aufsteigt).
Bedingt durch die Wärmequellen
- Solarstrahlung auf die obersten Schichten des Erdbodens,
- natürlicher radioaktiver Zerfall in der Erdkruste und
- Erstarrungswärme aus dem Erdkern
wird Geothermie zu den regenerativen Energien gezählt.
Wie wird die geothermische Wärme genutzt?
Bei der Nutzung ist – unabhängig von der Anwendung und dem genutzten Wärmereservoir – die Höhe des Wärmestroms zu beachten, also jene oben genannte Wärmeleistung von 65 Milliwatt pro Quadratmeter. Sie begrenzt sowohl die Wärmeentzugsleistung, wie auch die zeitliche Dauer, mit der ein Wärmeentzug mit einer bestimmten Leistung vorgenommen werden kann. Steht durch hinreichend großflächige Reservoire ein entsprechender Wärmestrom aus dem Erdinneren zur Verfügung, kann geothermische Wärme kontinuierlich entzogen werden – unabhängig von Tages- oder Jahreszeiten.
Geothermischen Quellen werden in Oberflächennahe Geothermie und in Tiefe Geothermie unterschieden. Dabei gibt es keine feste Tiefe, sondern es wird das Temperaturniveau im Untergrund herangezogen: Bis 25 Grad Celsius wird von Oberflächennaher Geothermie gesprochen, bei höheren Temperaturen von Tiefer Geothermie. Diese Temperatur wird bei etwa 400 Metern Tiefe angetroffen.
Das Temperaturniveau ist bereits wenige Meter unter Erdoberfläche ganzjährig konstant. Damit ist ein kontinuierlicher Betrieb nahezu unabhängig von Jahres- und Tageszeiten möglich.
