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Die Tiefengeothermie greift auf Gesteinsstrukturen zu, die mindestens 400 Meter tief im Erdreich liegen. Abhängig von den Temperaturen im Untergrund sind unterschiedliche Nutzungen möglichen.
In 400 bis 2‘000 Metern Tiefe liegende Aquifere (wasserführende Schichten) weisen Temperaturen von 20 bis 70 °C auf. Das darin vorhandene Thermalwasser eignet sich nicht nur zum Baden, sondern auch für die Wärmegewinnung. Ähnliches ist mit Anlagen möglich, welche sich die Entwässerungen von Tunnelbauten zunutze machen (BFE, Nutzung der Erdwärme - Überblick, Technologie, Visionen).
In 4‘000 Tiefe betragen die Temperaturen in der Schweiz zwischen 150 und 200 °C. Geothermieprojekte, welche auf diese Gesteinsschichten zugreifen, nutzen in der Regel einen Teil der gewonnenen Energie direkt zur Stromproduktion. Der Rest kann in ein Fernwärmenetz eingespeist werden.
Es lassen sich zwei Systeme zur Energiegewinnung in grossen Tiefen unterscheiden: petrothermal und hydrothermal.