Geothermie

Erdwärme ist die im zugänglichen Teil der Erdkruste gespeicherte Wärme (thermische Energie), sie kann aus dem Erdinneren stammen oder (beispielsweise in Frostböden) durch Niederschläge oder Schmelzwässer eingebracht worden sein und zählt zu den regenerativen Energien, die durch Erdwärmeübertrager entzogen und genutzt werden kann. Erdwärme kann sowohl zum Heizen, zum Kühlen (siehe dazu Eis-Speicher-Wärmepumpe), zur Erzeugung von elektrischem Strom oder in der kombinierten Kraft-Wärme-Kopplung genutzt werden. In einem Erdpufferspeicher „zwischengelagerte“ Wärme wird nicht zur Erdwärme gezählt.

Geothermie bezeichnet sowohl die geowissenschaftliche Untersuchung der thermischen Situation als auch die ingenieurtechnische Nutzung der Erdwärme.

Geothermie ist eine Kerntechnologie der Wärmewende, sie hat das Potential, ganze Großstädte mit erneuerbarer Wärme zu versorgen.

Geschichte

Heiße Quellen waren den Menschen schon in prähistorischer Zeit bekannt und wurden immer wieder zu verschiedenen Zwecken genutzt. Schon bei Plinius dem älteren findet sich die Verbindung zwischen Vulkanismus und heißen Quellen. In der frühen Neuzeit wurde in Chaudes-Aigues mittels der dort verfügbaren warmen Quellen ein Fernwärme-Netz aufgebaut, welches noch heute im Betrieb ist. Die geothermische Tiefenstufe fiel Bergleuten mit Erreichen zunehmender Teufen im Untertagebau auf. Als im 19. Jahrhundert geologische Erkenntnisse ein erhebliches Alter der Erde immer wahrscheinlicher erscheinen ließen, wurde die Frage nach der Herkunft der – scheinbar unerschöpflichen – Erdwärme und der Energie der Sonne immer akuter. Erst die Entdeckung der Radioaktivität konnte schließlich eine Antwort liefern. Anfang des 20. Jahrhunderts begann man im US-Bundesstaat Oregon das Hot Lake Hotel geothermal zu beheizen. 1904 wurde in Larderello erstmals elektrische Energie mittels Geothermie erzeugt.

Geothermische Energie

Ursprung

Die bei ihrer Entstehung glutflüssige Erde ist innerhalb weniger Millionen Jahre erstarrt. Seit über vier Milliarden Jahren ist der radiale Temperaturverlauf im Erdmantel nur wenig steiler als die Adiabate. Dieser Temperaturgradient ist mit etwa 1 K/km viel zu klein, als dass Wärmeleitung einen wesentlichen Beitrag zum Wärmetransport leisten könnte. Vielmehr treibt der über die Adiabate hinausgehende Betrag des Temperaturgradienten die Mantelkonvektion an. Die im Vergleich zum Erdalter sehr rasche Konvektion – die ozeanische Kruste wurde und wird selten älter als 100 Millionen Jahre – wäre ohne aktive Wärmequellen im Erdinneren bald zum Erliegen gekommen. Das heißt, dass thermische Energie, die noch aus der Zeit der Entstehung der Erde stammt, am heutigen Wärmestrom kaum beteiligt ist.

Der zeitliche Temperaturverlauf war zunächst von der Kinetik des radioaktiven Zerfalls dominiert. Kurzlebige Nuklide sorgten für ein Maximum der Manteltemperatur im mittleren Archaikum. Seit früher Zeit trägt auch Kristallisationsenthalpie von der Grenze des langsam wachsenden, festen inneren Erdkerns und gravitative Bindungsenergie aus der damit verbundenen Schrumpfung des ganzen Kerns zur Mantelkonvektion bei.

Heute stammt immer noch der größere Teil der Wärmeleistung aus dem radioaktiven Zerfall der langlebigeren Nuklide im Mantel, ²³⁵U und ²³⁸U, ²³²Th und ⁴⁰K. Der Beitrag jedes Nuklids wird berechnet aus der Zerfallsenergie und der Zerfallsrate; diese wiederum aus der Halbwertszeit und der Konzentration. Konzentrationen im Mantel sind der Messung nicht zugänglich, sondern werden aus Modellen der Gesteinsbildung geschätzt. Es ergibt sich eine Leistung aus radioaktivem Zerfall von etwa 20 bis 30 Terawatt oder 40 bis 50 kW/km². Der gesamte Erdwärmestrom aus radioaktiven Zerfallsprozessen beträgt etwa 900 EJ pro Jahr. Dies entspricht wiederum einer Leistung von etwa 27,5 Terawatt für die gesamte Erde. Seit kurzem werden Zerfallsraten mittels Neutrinodetektoren auch direkt gemessen, in Übereinstimmung mit dem bekannten Ergebnis, allerdings noch sehr ungenau, ±40 %. Angesichts der Langlebigkeit von Uran-238 und Thorium-232 ist auch auf geologischen Zeitskalen nicht mit einem „Versiegen“ dieser Quelle der Erdwärme zu rechnen.