Ursprung geothermischer Energie
Im Inneren unseres Planten ist eine gigantische Menge an Energie in Form von Wärme gespeichert. Rund 99% der Erdmasse sind heißer als 1000°C, lediglich 0,1% weisen Temperaturen unter 100°C auf. Dieser Wärmeinhalt ist jedoch nicht gleichmäßig in der Erde verteilt, sondern nimmt vom rund 6700°C heißen Erdkern zur durchschnittlich 15° C „kühlen“ Erdoberfläche hin ab.
Alleine die oberen 10 km der Erdkruste, also ein sehr kleiner und vergleichsweise eher kalter Teil der Erde, bergen mit der immense Menge von rund 100.000.000 Exa-Joule (EJ) an Wärmeenergie das theoretische Potenzial zur mehr als 100.000 fachen Deckung des gesamten aktuellen Energieverbrauchs der Welt (2005: ~500EJ).
Der Ursprung dieser 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 auf den Zerfall radioaktiver Elemente in den Gesteinen seit der Erdentstehung zurückgeführt. Der Zerfall ist ein andauernder Prozess und sorgt für einen stetigen Wärmenachschub.
- Auch das Klima hat seinen Anteil, jedoch zeigt sich diese Auswirkung nur in den obersten Metern der Erdkruste und stellt daher nur einen winzigen Teil des Gesamtpotentials dar. Manche Anlagen zur Erschließung der oberflächennahen Geothermie machen sich aber gerade diesen geringen Prozentsatz erfolgreich zu Nutze.
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 dadurch 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.
Aufgrund dieser Prozesse wird die Restwärme aus der Zeit der Erdentstehung auch als Akkretionswärme bezeichnet.
Radioaktiver Zerfall
Der natürliche Zerfall der im Erdkörper vorhandenen, langlebigen, 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 in der Hauptsache durch das Klima beeinflusst. Dies zeigt sich in der Tatsache, dass der Boden im Winter bis in etwa ein Meter Tiefe gefroren sein kann, sich im Sommer aber erheblich aufheizt. Der Wärmeeintrag erfolgt neben dem direkten Weg über die Sonneneinstrahlung auch indirekt über den Wärmeaustausch aus der Luft oder durch versickerndes Regenwasser.
Die jahreszeitenabhängige Temperatureinwirkung, auch Jahresgang genannt, geht mit zunehmender Tiefe zurück, und hat in den gemäßigten Breiten bereits ab einer Tiefe von 10-20m keinen Einfluss mehr. Hier herrschen ganzjährig konstante Temperaturen, welche in etwa dem langjährigen Temperaturmittel an der Oberfläche entsprechen. Mit zunehmender Tiefe nimmt die Temperatur entsprechend dem terrestrischen Wärmestrom und dem hieraus resultierenden geothermischen Gradienten zu.
Terrestrischer Wärmestrom und geothermischer Gradient
Der terrestrische Wärmestrom bezeichnet den zur Erdoberfläche gerichteten Wärmetransport aus dem Erdinneren. Die treibende Kraft stellt hierbei das Temperaturgefälle vom rund 6700°C heißen Erdkern zur durchschnittlich 15°C warmen Erdoberfläche dar. Der Wärmetransport erfolgt über die Mechanismen der Wärmeleitung (Konduktion) innerhalb des festen Gesteins und der Konvektion wie im Beispiel von 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, welcher die Temperaturzunahme mit 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 der vorliegenden geologischen 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 Maximalwerte von 7-9 °C/100 m erreicht werden.
In den vulkanisch aktiven Zonen der Erde sind geothermische Gradienten von 10 – 20 °C/100 m oder höher keine Seltenheit.