Nutzung
Im Erdkern liegen Temperaturen von bis zu 7’000°C vor. Die Wärme wird grösstenteils durch natürliche radioaktive Zerfallsprozesse erzeugt und mittels Materialbewegung, Wärmeleitung und Strahlung an die Oberfläche transportiert. An der Oberfläche befindet sich die aus verschiedenen Platten zusammengesetzte Erdkruste, welche unter den Kontinenten bis zu 60 km und unter den Ozeanen 10 km dick ist. Durch die Materialbewegungen werden die Platten gegeneinander und untereinander verschoben. Dies erzeugt die uns bekannten Erdbeben.
Abbildung 1: Der Schalenbau der Erde – Wärmepotential – Wärmeproduktion.
Wärmestromdichte / Wärmeflussdichte
Die Erdkruste ist sehr heterogen aufgebaut. Unter den Kontinenten ist sie deutlich dicker als unter Ozeanen. Die Kontinente bestehen an ihrer Basis aus kristallinem Grundgebirge (Granit, Gneis), der Ozeanboden aus basaltischen Gesteinen (Basalt, Gabbro). Aus den Dicke- und Materialunterschieden resultieren sehr unterschiedliche Wärmeproduktionsraten. So kann die Wärmeproduktion in Granit 20 mal so gross wie in einem Gabbro sein.
An der Erdoberfläche wird die geförderte Wärmeenergie als Wärmestromdichte gemessen. In der Geothermie wird die in einer bestimmten Zeit übertragene Wärmemenge für eine bekannte Fläche betrachtet. Physikalisch ergibt sich damit eine definierte thermische Leistung je Flächeneinheit in W/m² bzw. mW/m².
Der Energiefluss setzt sich aus dem konstanten Wärmestrom vom Erdkern und Erdmantel sowie einem variablen (weil gesteinsabhängigen) Wärmestrom aus der Erdkruste zusammen. Damit ist die Erdwärme in jedem Falle regenerativ. Sie erschöpft sich nicht.
Abbildung 2: Schematischer Wärmetransport vom Erdinnern zur Erdoberfläche.
Arten der Nutzung
Wie wird dieses Wärmepotenzial heute genutzt? Das heute am weitesten verbreitete System ist die indirekte Wärmenutzung mittels Wärmepumpen. Hierfür wird das Grundwasser (10 bis 12°C) angezapft oder Erdwärmesonden bis in Tiefen von 350 bis 400 m (20°C) realisiert.
Hydrothermale Systeme
Die direkte Nutzung zu Heizzwecken wird heute mit Tiefbohrungen bis 3’000 m realisiert (85 bis 100°C). Hierbei wird im Untergrund vorliegendes, heisses Grundwasser über einen Wärmetauscher direkt dem Heizsystem zugeführt.
Für die Wärmenutzung zur Stromproduktion braucht es heute minimale Temperaturen von 95 – 100°C und Bohrtiefen von 3’000 bis 4’000 m. Zur effizienten Stromproduktion werden jedoch Temperaturen von mehr als 120°C und Bohrtiefen bis 5’000 m benötigt. Bei den hydrothermalen Systemen liegt immer Heisswasser im Untergrund vor.
Stimulierte geothermische Systeme
Dort wo im Untergrund infolge fehlender oder unzureichender Klüftung kein heisses Grundwasser vorkommt, müssen die vorliegenden Gebirgsstrukturen stimuliert werden, d.h. der unterirdische Wärmetauscher muss mittels Massnahmen wie Säuerung, Erweitern bestehender Kluftsysteme verbessert werden (Stimulierte Geothermische Systeme).