Zu den wichtigen thermischen Eigenschaften eines Gesteins zählt die spezifische Wärmekapazität c [J kg-1 K-1].
Die Wärmeleitfähigkeit beschreibt das Vermögen eines Stoffes, thermische Energie in Form von Wärme zu transportieren. Die Wärmekapazität hingegen kennzeichnet sein Vermögen, Wärme zu speichern. Letzterer Parameter ist wichtig für die Charakterisierung transienter, d. h. zeitlich veränderlicher Prozesse.
Die Wärmekapazität C [J/K] eines Gesteinskörpers beschreibt also das Verhältnis der zu- oder abgeführten Wärmeenergie bezogen auf die dadurch hervorgerufene Temperaturänderung. Die massenspezifische Wärmekapazität cp [J/(kg∙K)] ist eine temperaturabhängige Stoffeigenschaft, die der Menge an Wärme entspricht, die benötigt wird, um die Temperatur eines Körpers definierte Masse um ein Kelvin zu erhöhen.
Entsprechend beschreibt die massenspezifische Wärmekapazität die Fähigkeit eines Gesteins Wärme zu speichern. Die isobare spezifische Wärmekapazität entspricht der spezifischen Wärmekapazität eines Gesteines bei konstantem Druck. Um die spezifische Wärmekapazität auf ein Gesteinsvolumen zu beziehen, also die volumenbezogene spezifische Wärmekapazität cv [J/(m³∙K)] auszuweisen, ist die spezifischer Wärmekapazität mit der Gesteinsdichte ρ zu multiplizieren.
Für die Wärmekapazität gilt:
Die spezifische Wärmekapazität ist das Verhältnis der einem Körper zugeführten Wärme zur entsprechenden Temperaturänderung und seinem Gewicht. Sie beschreibt das Vermögen eines Stoffes Wärme zu speichern und ist temperaturabhängig. Die isobare spezifische Wärmekapazität cp ist die spezifische Wärmekapazität bei konstantem Druck. Die volumenbezogene spezifische Wärmekapazität ist das Produkt aus spezifischer Wärmekapazität und Dichte.
Messung am Bohrkern im Labor.
Für Hochenthalpielagerstätten wird international oft pauschal angenommen:
Die volumenbezogene spezifische Wärmekapazität c gibt an, welche Menge an Wärmeenergie erforderlich ist, um eine Volumeneinheit des Untergrundmaterials um 1 K zu erwärmen. Besteht das Untergrundmaterial aus mehreren Komponenten (z. B. Gesteinsmatrix und Porenwasser) und ist die (wassergesättigte) Porosität ø
bekannt, dann kann die spezifische Wärmekapazität c nach dem Gesetz von Kopp (1865) berechnet oder zumindest abgeschätzt werden.
cGestein = cMatrix∙(1- ø)+cPorenwasser∙ø
Die Formel kann erweitert werden, wenn die Gesteinsmatrix aus mehr als zwei Komponenten besteht, wie etwa Sand und Ton, oder der Porenraum nicht vollständig wassergesättigt ist sondern auch Luft enthällt. Für die spezifische Wärmekapazität des Untergrundmaterials spielt der Porenwassergehalt eine wichtige Rolle, da Wasser mit c = 4.180 kJ/(kg∙K) eine hohe spezifische Wärmekapazität hat. Aufgrund des höheren Wassergehalts können Lockersedimente bei hohem Grundwasserstand eine höhere Wärmekapazität aufweisen als Festgesteine. Typische Werte für spezifische Wärmekapazitäten unterschiedlicher Gesteine sind in Tabelle 1 aufgeführt. Alternativ zur volumenbezogenen spezifischen Wärmekapazität kann die spezifische Wärmekapazität auch massebezogen angegeben werden, die Umrechnung zwischen den beiden Angaben erfolgt über die Dichte des jeweiligen Untergrundmaterials. Die volumenbezogene spezifische Wärmekapazität ist das Produkt aus der massebezogenen spez. Wärmekapazität und Dichte und wird in J/m³∙K angegeben.
Gestein/Fluide | Wärmeleitfahigkeit λ (J s−1 m−1 K−1) | spez. Wärmekapazitat c (kJ kg−1 K−1) |
Kies, Sand, trocken | 0,3 - 0,8 | 0,50 - 0,59 |
Kies, Sand, nass | 1,7 - 5,0 | 0,85 - 1,90 |
Ton, Lehm, feucht | 0,9 - 2,3 | 0,80 - 2,30 |
Kalkstein | 2,5 - 4,0 | 0,80 - 1,00 |
Dolomit | 1,6 - 5,5 | 0,92 - 1,06 |
Marmor | 1,6 - 4,0 | 0,86 - 0,92 |
Sandstein | 1,3 - 5,1 | 0,82 - 1,00 |
Tonstein | 0,6 - 4,0 | 0,82 - 1,18 |
Granit | 2,1 - 4,1 | 0,75 - 1,22 |
Gneis | 1,9 - 4,0 | 0,75 - 0,90 |
Basalt | 1,3 - 2,3 | 0,72 - 1,00 |
Quarzit | 3,6 - 6,6 | 0,78 - 0,92 |
Steinsalz | 5,4 | 0,84 |
Luft | 0,02 | 1,01 |
Wasser | 0,59 | 4,18 |
GICON: Geothermische Potenzialanalyse Projektstandort Darmstadt: Landesamt, 2024
Kürten, S.: Zur thermischen Nutzung des Untergrunds mit flächigen thermo-aktiven Bauteilen, Dissertation, Fakultät für Bauingenieurwesen:
Aachen : Dissertation, Fakultät für Bauingenieurwesen, RWTH Aachen University, 2014.
Stober, Ingrid; Kurt Bucher (2020): Geothermie, Springer Spektrum, 3. Auflage. ISBN 978-3-662-60939-2 ISBN 978-3-662-60940-8 (eBook). https://doi.org/10.1007/978-3-662-60940-8.
Weitere Literatur siehe:
zuletzt bearbeitet April 2025, Änderungs- oder Ergänzungswünsche bitte an info@geothermie.de
