mini|Nesjavellir-Kraftwerk in Island Erdwärme ist die im zugänglichen Teil der Erdkruste gespeicherte Wärme (thermische Energie), sie kann aus dem Erdinneren stammen oder durch Niederschläge oder Schmelzwässer sozusagen als solare Wärme in den oberflächennahen Untergrund eingebracht worden sein. Sie 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 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 gilt in Deutschland als Schlüsseltechnologie der Wärmewende, sie hat das Potenzial, ganze Großstädte mit erneuerbarer Wärme zu versorgen (siehe hierzu die Wärmestrategie der Stadt München). Weltweit wird Geothermie an geeigneten Standorten im großen Stil auch zur Stromerzeugung genutzt.
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 mini| Der Anteil verschiedener langlebiger Radionuklide an der Erdwärme von Entstehung der Erde („4.5 Ga ago“) bis heute. Gut zu erkennen die exponentielle Abnahme des Beitrages der kürzerlebigen Isotope mini|Geothermische Anlage in Kalifornien mini|Bohrturm in Bayern
Die bei ihrer Entstehung durch den ständigen Zusammenprall von Gesteinsbrocken aufgeheizte und zunächst glutflüssige Erde ist an ihrer Oberfläche relativ rasch 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 Tiefe 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.Ingrid Stober: Geothermie. Springer-Verlag, 2012, ISBN 978-3-642-24331-8, S. 9 (). 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.Thomas J. Ahrens: Global Earth Physics. American Geophysical Union, 1995, ISBN 978-0-87590-851-9, S. 154 (). Seit kurzem werden Zerfallsraten mittels Neutrinodetektoren auch direkt gemessen, in Übereinstimmung mit dem bekannten Ergebnis, allerdings noch sehr ungenau, ±40 %.The KamLAND Collaboration: Partial radiogenic heat model for Earth revealed by geoneutrino measurements. Nature Geoscience 4, 2011, S. 647–651, doi:10.1038/ngeo1205. Angesichts der Langlebigkeit von Uran-238 und Thorium-232 ist auch auf geologischen Zeitskalen nicht mit einem „Versiegen“ dieser Quelle der Erdwärme zu rechnen.
Wärmestrom aus dem Erdinneren Der vertikale Wärmetransport durch Mantelkonvektion endet unter der Erdkruste. Von dort wird Wärme zunächst zum größten Teil durch Wärmeleitung transportiert, was einen viel höheren Temperaturgradienten als im Mantel erfordert, in kontinentaler Kruste oft in der Größenordnung von 30 K/km, siehe geothermische Tiefenstufe. Zusammen mit der Wärmeleitfähigkeit ergibt sich die lokale Wärmestromdichte. Diese beträgt im Durchschnitt etwa 65 mW/m² im Bereich der Kontinente und 101 mW/m² im Bereich der Ozeane, global gemittelt 87 mW/m², was in einer global integrierten Wärmeleistung von etwa 44 Terawatt resultiert.
Das ist nur etwa das Doppelte des Weltenergiebedarfs, was bedeutet, dass Erdwärmenutzung im großen Stil immer auf eine lokale Abkühlung des Gesteins hinausläuft.Büro für Technikfolgenabschätzung beim Deutschen Bundestag: Möglichkeiten geothermischer Stromerzeugung in Deutschland. (PDF; 3,2 MB) Seite 18. Aufgrund der Wärmekapazität des Gesteines und der damit verbundenen Menge der gespeicherten Wärme kann aber bei ausreichend großem Volumen die Abkühlung innerhalb der Nutzungsdauer gering bleiben und die Erdwärmenutzung somit nachhaltig sein. Der Weltenergiebedarf ist verglichen mit der in der Kruste gespeicherten Wärme klein. Diese lokale Abkühlung ihrerseits bewirkt dann eine Vergrößerung des Zuflussbereichs. Bei vorhandenen Aquiferen kann das effektiv genutzte Volumen von vornherein größer sein, da hier neben den Temperaturgradienten auch die Druckgradienten eine Rolle spielen. Diese finden sich beispielsweise in Grabenbrüchen (in Deutschland der Oberrheingraben) oder in tiefen Sedimentbecken. Solche Gebiete sind zunächst Gebieten vorzuziehen, in denen ein dichtes Gestein für die Konvektion erst erschlossen werden muss. Im Umfeld von Salzdiapiren kann durch deren hohe Wärmeleitfähigkeit Wärme aus einem großen Volumen zufließen.
Im oberflächennahen Grundwasser und in den oberflächennahen Gesteinsschichten wächst mit geringer werdenden Tiefen der Anteil an der Erdwärme, der letztlich oberflächennah im Wesentlichen aus solarer Energie (Niederschlagswasser und direkte Sonneneinstrahlung) stammt.
Einteilung der Geothermiequellen Tiefe Geothermie Tiefe Geothermie ist die Nutzung von Lagerstätten, die in größeren Tiefen als 400 m unter Geländeoberkante erschlossen werden. Diese Grenze ist in der VDI-Richtlinie 4640 definiert.
Wärme ist umso wertvoller, je höher das Temperaturniveau ist, auf dem sie zur Verfügung steht. Es wird unterschieden zwischen Hochenthalpie- (hohe Temperaturen) und Niederenthalpielagerstätten (geringere Temperaturen). Als Grenze wird meist eine Temperatur von 200 °C angegeben.Tiefe Geothermie auf www.geothermie.de, abgerufen am 27. August 2023.
Hochenthalpie-Lagerstätten Land Anzahlder Vulkane theoretischeDauerleistung USA 133 23.000 MWel Japan 101 20.000 MWel Indonesien 126 16.000 MWel Philippinen 53 6.000 MWel Mexiko 35 6.000 MWel Island 33 5.800 MWel Neuseeland 19 3.650 MWel Italien (Toskana) 3 700 MWel (Quelle:V. Steffansson: World geothermal assessment (PDF; 179 kB))
Die weltweite Stromerzeugung aus Geothermie wird durch die Nutzung von Hochenthalpie-Lagerstätten, die Wärme bei hoher Temperatur liefern, dominiert. Dies sind geologische Wärmeanomalien, die oft mit aktivem Magmatismus einhergehen; dort sind mehrere hundert Grad heiße Fluide (Wasser/Dampf) in einer Tiefe von wenigen hundert Metern anzutreffen. Ihr Vorkommen korreliert stark mit aktiven oder ehemals aktiven Vulkanregionen. Es gibt aber auch Hochenthalpiefelder, die einen rein plutonitischen oder strukturgeologischen Hintergrund haben.
Abhängig von den Druck- und Temperaturbedingungen können Hochenthalpie-Lagerstätten mehr dampf- oder mehr wasserdominiert sein. Früher wurde der Dampf nach der Nutzung in die Luft entlassen, was zu erheblichem Schwefelverbindungsgeruch führen konnte (Italien, Larderello). Heute werden die abgekühlten Fluide in die Lagerstätte re-injiziert (zurückgepumpt). So werden negative Umwelteinwirkungen vermieden und gleichzeitig die Produktivität durch Aufrechterhalten eines höheren Druckniveaus in der Lagerstätte verbessert.
Das heiße Fluid kann zur Bereitstellung von Industriedampf und zur Speisung von Nah- und Fernwärmenetzen genutzt werden. Besonders interessant ist die Erzeugung von Strom aus dem heißen Dampf. Hierfür wird das im Untergrund erhitzte Wasser genutzt, um eine Dampfturbine anzutreiben. Der geschlossene Kreislauf im Zirkulationssystem steht so unter Druck, dass ein Sieden des eingepressten Wassers verhindert wird und der Dampf erst an der Turbine entsteht (Flash-Verdampfung).
Niederenthalpie-Lagerstätten In nichtvulkanischen Gebieten können die Temperaturunterschiede im Untergrund sehr unterschiedlich ausgeprägt sein. Aufgrund eines meist moderaten bis geringen geothermischen Gradienten sind dort in der Regel tiefe bis mitteltiefe Bohrungen notwendig, um die Wärme einer großenergetischen direkten Nutzung zukommen zu lassen. Aus wirtschaftlicher Sicht sind die Niederenthalpie-Lagerstätten vor allem hinsichtlich der direkten Wärme-Nutzung (z. B. für Fernwärmenetze) interessant. Eine geothermische Verstromung erfolgt in den Niederigenthalpie-Lagerstätten in einzelnen Fällen bei Vorlauftemperaturen > 100 °C, meist über binäre Kraftwerke.
Verfahren der Tiefen Geothermie
Es existieren einige Verfahren (bzw. Systemtypen) zur Nutzung der tiefen Geothermie. Die am weitestens verbreiteten bzw. derzeit in Erprobung stehenden vier Arten der Wärmeentnahme aus dem Untergrund werden im Folgenden dargestellt. Welches der in Frage kommenden Verfahren zum Einsatz kommt, ist von den jeweils vor Ort herrschenden geologischen Rahmenbedingungen, von der benötigten Energiemenge sowie dem geforderten Temperaturniveau der Wärmenutzung abhängig. Die tiefe Geothermie wird häufiger zur direkten Wärmegewinnung genutzt, da sich so bereits bei geringeren Vorlauftemperaturen ein hoher Wirkungsgrad erzielen lässt.Tiefengeothermie: Ist Wärme aus der Tiefe eine Lösung für nachhaltige Energieversorgung?, Ingenieur.de, abgerufen am 27. August 2023 Derzeit (2025) sind in Mitteleuropa fast ausschließlich hydrothermale Nutzungen im Einsatz und in Planung. Ein paar wenige HDR-Pilotprojekte gab es beispielsweise in Bad Urach (D), in Soultz-sous-Forêts im Elsass (F) und in Basel (CH). Aktuell (2025) läuft ein HDR-Pilotprojekt im schweizerischen Haute-Sorne. Darüber hinaus existieren auch ein paar geschlossene Systeme zur Nutzung der Tiefengeothermie (Tiefe Erdwärmesonden, Closed Loop Systeme).
Hydrothermale Systeme