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Wärmequelle

In der Thermodynamik ist Wärme (Einheit Joule J = kg m² s⁻²) die Energie, die zwischen zwei Systemen aufgrund von Temperaturunterschieden übertragen wird. Das erste System, das die Wärme abgibt, ist die Wärmequelle.

Der physikalische Fachbegriff der Wärme unterscheidet sich deutlich von der umgangssprachlichen Verwendung des Wortes „Wärme“. In der Alltagssprache ist damit meist jene Eigenschaft eines Körpers gemeint, die ihn „warm“ sein lässt und damit einen bestimmten Zustand beschreibt. Dies wird physikalisch am besten durch den Begriff der thermischen Energie ausgedrückt. In dieser Bedeutung trifft man den Wortbestandteil „Wärme“ auch aus historischen Gründen in zahlreichen Fachausdrücken an (z. B. Wärmekapazität, Wärmeinhalt etc.)

Die Wärme fließt dabei stets vom Ort höherer Temperatur zum Ort tieferer Temperatur. Der Wärmetransport kann über Wärmeleitung, Wärmestrahlung oder Konvektion oder (latent) über Phasenwechsel geschehen.

Sytematik der Wärmequellen

Es gibt drei geothermische Wärmequellen:

Die Erde verliert Wärme mit einer Rate von 4 × 10¹³ W, z. B. aufgrund des langsamen Zerfalls radioaktiver Minerale (z. B. U, Th und K), was zu Temperaturen von bis zu ~3700 °C im unteren Erdmantel und einem Wärmefluss zur Oberfläche führt. Infolgedessen steigt die Temperatur linear von der Oberfläche in die Tiefe an, was als normaler 'geothermischer Gradient' oder 'Wärmefluss' definiert wird. In der kontinentalen Kruste (~40 km dick) beträgt der geothermische Gradient typischerweise ~34°C/km, aber in der 7 – 10 km dicken ozeanischen Kruste über dem ansteigenden Erdmantel entlang der Mittelozeanischen Rücken und an einigen Stellen innerhalb der Kontinente steigt die Temperatur um ~6°C/km.
Der Zerfall radioaktiver Minerale in lokal eingedrungenen Graniten in geringer Tiefe von im Allgemeinen < 7 km.
Schließlich kann sich das geschmolzene Gestein (Magma), das sich zwischen dem oberen Mantel (> 1300 °C) und der Kruste bildet, in flachen Magmakammern festsetzen. Bei Eruptionen erreicht das Magma bei sauren Eruptionen eine Temperatur von bis zu ~700 °C und bei basaltischen Eruptionen an der Oberfläche zwischen ~1100 und 1200 °C. Bleibt das Magma jedoch in Kammern, Deichen oder Sills nahe der Oberfläche, ist es die beste Wärmequelle für geothermische Ressourcen. Vergleichsweise können auch andere kleinere geologische und tektonische Prozesse lokale und kleinere Wärmeflussanomalien erzeugen, wie z. B. Metamorphose, freigesetzte Spannungsenergie bei Erdbeben, potentielle Energie in gehobenen Bergen, Erdrotation oder sogar die Reaktivierung älterer Plattengrenzen innerhalb von Kontinenten.

Bedeutung in der Geothermie

In der Tiefengeothermie ist die grundsätzliche Wärmequelle als Bestandteil des geothermischen Systems meist eine tiefer liegende Magmakammer. In vielen Fällen ist die Wärmequelle nicht exakt bekannt.

Bei der Nutzung der Geothermie wird die Wärme am Entzugsort (heat in place, quantity in place) als Wärmequelle bezeichnet, unabhängig davon, wie oder woher die Wärme dort hin gekommen ist