Zu den wichtigen thermischen Eigenschaften eines Gesteins zählen die Wärmeleitfähigkeit λ [W m-1 K-1] und 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 kennzeichnet sein Vermögen, Wärme zu speichern. Letzterer Parameter ist wichtig für die Charakterisierung transienter, d. h. zeitlich veränderlicher Prozesse.
Die Wärmeleitung im Boden erfolgt durch das feste Korngerüst (Feststoffphase), das Bodenwasser (flüssige Phase) und die Bodenluft (gasförmige Phase).
Die Wärmeleitfähigkeit λ ist also ein Maß für die Ausbreitungsgeschwindigkeit thermischer Energie (Wärme) in einem Gesteinskörper. Die spezifische Wärmeleitfähigkeit ist eine temperaturabhängige Materialkonstante. Wertebereiche verschiedener Gesteine können stark variieren. Auch innerhalb eines Gesteins können sich die Angaben sowie Messwerte der spezifischen Wärmeleitfähigkeit in einem breiteren Wertebereich bewegen.
Dies ist auf Unterschiede in der mineralogischen Zusammensetzung sowie des Gesteinsgefüges bzw. unterschiedliche Kompaktions- oder Alterationsgrade zurückzuführen. Die Schichtung oder Schieferung eines Gesteins kann eine Anisotropie, also richtungsabhängig unterschiedliche Wertebereiche, der Wärmeleitfähigkeit bedingen.
Der Hohlraumgehalt bzw. die Gesamtporosität eines Gesteins hat einen starken Einfluss auf die Effizienz des Wärmetransport bzw. die Wärmeleitfähigkeit. Grundsätzlich gilt, je größer die Porosität, desto geringer die Wärmeleitfähigkeit. Entscheidend ist dabei auch Art der Porenraumfüllung. Festgesteine oder Lockersedimente mit einem wassergesättigten Porenporenraum leiten Wärme deutlich besser als solche, deren Porenraum mit Luft gefüllt sind. Kristalline Gesteine zeigen meist zwei- bis dreimal höhere Wärmeleitfähigkeiten als Lockergesteine.
W m-1 K-1
Die Wärmeleitfähigkeit ist der Quotient aus Wärmestromdichte und dem Temperaturgradienten. Die Wärmeleitfähigkeit ist temperatur- und druckabhängig.
Messung am Bohrkern im Labor.
Für die Wärmeleitfähigkeit eines Mediums werden meistens die Werte für Zimmertemperatur angegeben. Durch Kenntnis der Reservoirtemperatur und den Vergleich mit Literaturangaben lassen sich Abschätzungen für tiefe Aquifere treffen. Für die Größe der Wärmeleitfähigkeit ist auch entscheidend, ob die Messungen an trockenen oder feuchten Bohrkernen durchgeführt wurden.
In Bohrungen können Werte der Wärmeleitfähigkeit auch aus gemessenen Temperaturgradienten abgeleitet werden. Generell sind sie ein Ergebnis von Thermal-Response-Tests.
0,3 bis 7,0 W m-1 K-1
Die Wärmeleitung im Boden erfolgt durch das feste Korngerüst (Feststoffphase), das Bodenwasser (flüssige Phase) und die Bodenluft (gasförmige Phase).
Die Wärmeleitfähigkeit von Böden ist stark variabel und hängt hauptsächlich von den folgenden Eigenschaften ab:
Der Wassergehalt ist der maßgebendste Einflussfaktor auf die Wärmeleitfähigkeit.
Die Trockendichte des Bodens (oder der Porenraum) beeinflusst die Wärmeleitfähigkeit:
Die Art der festen Bodenbestandteile ist wichtig, da verschiedene Minerale unterschiedliche Wärmeleitfähigkeiten aufweisen:
Die Wärmeleitfähigkeit kann stark variieren, je nach Bodenart und Zustand (insbesondere Feuchte). Die Werte liegen typischerweise im Bereich von 0,3 bis 7,0 .
Hier sind einige ungefähre Richtwerte für die Wärmeleitfähigkeit verschiedener Zustände:
Bodenart / Zustand | Wärmeleitfähigkeit in | Anmerkungen |
Luft | Sehr schlechter Wärmeleiter | |
Wasser | Leitet besser als Luft, aber schlechter als die meisten Feststoffe | |
Quarz (Feststoff) | Hoher Leitwert | |
Trockener Boden (allgemein) | Geringe Leitfähigkeit durch viel Luft im Porenraum | |
Feuchter/Wassergesättigter Sand | Hohe Leitfähigkeit durch Quarz und Wasser | |
Feuchter/Wassergesättigter Lehm/Schluff | Mittlere Leitfähigkeit | |
Trockener Torf/Organischer Boden | Sehr geringe Leitfähigkeit |
Gestein/Fluide | Wärmeleitfahigkeit λ (W 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 |
Teilweise Gemini, überarbeitet
https://www.geotis.de/homepage/GeotIS-Startpage
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 November 2025, Änderungs- oder Ergänzungswünsche bitte an info@geothermie.de
