Ursprung geothermischer Energie

Quelle: GFZ Potsdam

Im Inneren der Erde ist eine gigantische Menge Energie in Form von Wärme gespeichert. Rund 99% der Erdmasse sind heißer als 1.000°C und nur 0,1% weisen Temperaturen unter 100°C auf. Diese Wärme ist jedoch nicht gleichmäßig in der Erde verteilt. Sie nimmt vom rund 5.000-7.000°C heißen Erdkern zur durchschnittlich 15° C „kühlen“ Erdoberfläche hin ab.
Allein die oberen 10 km der Erdkruste, also ein sehr kleiner und vergleichsweise kalter Teil der Erde, bergen mit rund 100.000.000 Exa-Joule (EJ) an Wärmeenergie das theoretische Potenzial zur mehr als 100.000fachen Deckung des gesamten aktuellen Energieverbrauchs der Erde (2009: ~500EJ).

Der Ursprung dieser geothermischen Energie liegt in sehr unterschiedlichen Quellen:

  • Ein großer Teil der Wärme stammt aus der Zeit der Erdentstehung vor 4,7 Mrd. Jahren. Zwischen 30 und 50% der vorhandenen Erdwärme werden als Restwärme der damaligen Prozesse angesehen (Restwärme und Akkretionswärme)
  • Mit einem Anteil von 50-70% wird der Hauptteil jedoch auf den Zerfall natürlicher radioaktiver Elemente in den Gesteinen zurückgeführt. Der Zerfall ist ein andauernder Prozess und sorgt für einen stetigen Wärmenachschub.
  • Die Auswirkungen des Klimas zeigen sich nur in den obersten Metern der Erdkruste und stellen daher nur einen sehr geringen Teil des Gesamtpotenzials dar. Manche Anlagen zur Erschließung der Oberflächennahen Geothermie machen sich aber gerade diesen geringen Prozentsatz erfolgreich zunutze.

Restwärme/ Akkretionswärme

Die Erde, wie auch die anderen Planeten unseres Sonnensystems, ist aus einer kosmischen Wolke aus Gas, Staub und Gesteinsbrocken entstanden. Das durch die Schwerkraft bedingte Zusammenballen und die immer stärkere Verdichtung der Materie (Akkretion) sowie die freigesetzte Wärme aus einer Vielzahl von Meteoriteneinschlägen bewirkten eine stetige Aufheizung der jungen Erde bis zur weitgehenden Aufschmelzung. Die Restwärme aus der Zeit der Erdentstehung wird daher auch als Akkretionswärme bezeichnet.

Radioaktiver Zerfall

Der natürliche Zerfall der im Erdkörper vorhandenen radioaktiven Isotope wie Uran 238, Uran 235, Thorium 232 oder Kalium 40 setzt Wärme frei. Nach heutiger Vorstellung wird davon ausgegangen, dass diese radioaktiven Elemente in den Gesteinen der kontinentalen Kruste angereichert sind.

Klimaeinfluss

In den obersten Metern der Erdkruste wird die Temperatur des Untergrundes durch das Klima beeinflusst. Dies zeigt sich darin, dass der Boden im Winter bis in etwa ein Meter Tiefe gefroren sein kann, während er sich im Sommer aber erheblich aufheizt. Der Wärmeeintrag erfolgt neben dem direkten Weg über die Sonneneinstrahlung auch indirekt über den Wärmeaustausch mit der Luft oder durch versickerndes Regenwasser.

Die jahreszeitenabhängige Temperatureinwirkung, auch Jahresgang genannt, geht mit zunehmender Tiefe zurück. In etwa 20 Metern Tiefe herrscht ein Gleichgewichtszustand zwischen Außen- und Innentemperatur der Erde. Dort sind die klimatisch bedingten Schwankungen nicht mehr feststellbar und die Temperatur entspricht ganzjährig der Jahresmitteltemperatur am jeweiligen Standort. In Deutschland betragen die Temperaturen in 10-20 Metern Tiefe daher ca. 8-12 °C. Mit zunehmender Tiefe steigt die Temperatur entsprechend dem terrestrischen Wärmestrom aus der Tiefe und dem daraus resultierenden geothermischen Gradienten an. In Mitteleuropa nimmt die Temperatur um etwa 3 °C pro 100 Meter Tiefe zu (s.u.).

Terrestrischer Wärmestrom und geothermischer Gradient

Der terrestrische Wärmestrom bezeichnet den zur Erdoberfläche gerichteten Wärmetransport aus dem Erdinneren. Die treibende Kraft ist dabei das Temperaturgefälle vom rund 5.000-7.000°C heißen Erdkern zur durchschnittlich 15°C "kühlen" Erdoberfläche. Der Wärmetransport erfolgt zum einen über die Mechanismen der Wärmeleitung (Konduktion) innerhalb des festen Gesteins und zum anderen über Konvektion wie bei aufsteigenden Thermalwässern.

In der Geothermie stellt der terrestrische Wärmestrom eine wichtige Größe zur Berechnung des Wärmenachschubs aus dem Erdinneren dar. Aus ihm ergibt sich der so genannte geothermische Gradient, der die Temperaturzunahme in der Tiefe bezeichnet. Die natürliche mittlere Wärmestromdichte an der Erdoberfläche beträgt 65 mW/m², was einem mittleren geothermischen Gradienten von 3°C pro 100m entspricht. Dieser Mittelwert gilt auch für große Teile des Untergrundes in Deutschland. Je nach vorliegender geologischer Situation können diese Werte jedoch sehr unterschiedlich ausfallen. So beträgt der geothermische Gradient in der südlichen Eifel etwa 2,6 – 2,7 °C/100 m und im bayrischen Voralpenland (Molasse) etwa 3,5 – 4,5 °C/100 m. Im Oberrheingraben können sogar Maximalwerte von 7-9 °C/100 m erreicht werden. Weltweit sind in vulkanisch aktiven Zonen auch geothermische Gradienten von 10 – 20 °C/100 m oder höher keine Seltenheit.