Bei der Seethermie wird das Wasservolumen eines natürlichen oder künstlichen Sees verwendet, um Wärme zu gewinnen. Dazu wird Seewasser entnommen, über einen Wärmetauscher Wärmeenergie entzogen und das thermisch veränderte Wasser wieder dem See zugeführt. Für Kleinstanlagen ist auch ein Wärmeaustausch direkt im See möglich.
Die Entnahme und Rückgabe von Seewasser hat den Vorteil, dass der Kreislauf des Seewassers über den Wärmetauscher vom Heizkreislauf über die Wärmepumpe getrennt wird. Um ganzjährig Wärme über die Seethermie gewinnen zu können, eignen sich tiefe Seen mit möglichst großem Volumen am besten, da die verfügbare Energiemenge vom Wasservolumen abhängt. In diesen Fällen ist das saisonale Schichtungsverhalten der Seen zu berücksichtigen.
Vor allem in den Wintermonaten ist der Wärmebedarf am größten. In dieser Zeit mischen sich die meisten Seen bis in größere Tiefen. Bei dieser Durchmischung liegen homogene vertikale Temperaturverteilungen vor, die beim Dichtemaximum von 4 °C oder höher liegen. Damit kann ein Temperaturunterschied zwischen Entnahme- und Rückgabewasser von mindestens 3 K genutzt werden. Kühlen die Seen aufgrund des Austauschs mit der Atmosphäre oder durch eine hohe thermische Nutzung stärker aus, reduziert sich das nutzbare Wärmepotenzial.
Durch die bereits eingesetzte globale Klimaerwärmung kommt es auch in Seen zu einer Temperaturerhöhung, die sich positiv auf die Seethermie auswirken kann. Ob die Seethermie den Effekt der Klimaerwärmung kompensieren kann, ist im Einzelfall zu prüfen bzw. angesichts des meist geringen Wärmebedarfs im Sommer zu hinterfragen.
Um die physikalischen Auswirkungen der Seethermie quantifizieren zu können, müssen prognosefähige Seemodelle eingesetzt werden. Dabei sind die Einschichtung des Rückgabewassers im saisonalen Verlauf sowie die seeweite Ausbreitung und Veränderung des Wärmehaushalts des Sees zu untersuchen.
Diese Prozesse finden auf unterschiedlichen Raum- und Zeitskalen statt. Während die Einschichtung von der kleinräumigen Anlagengeometrie abhängt, spielen die seeweiten Strömungs- und Durchmischungsprozesse eine wesentliche Rolle bei der Beurteilung der Auswirkungen auf den Gesamtsee.
Zur Berücksichtigung der unterschiedlichen Raum- und Zeitskalen haben wir ein gekoppeltes Modellsystem entwickelt, das mit einem Strahlmodell die Einschichtung und mit dreidimensionalen Seemodellen die seeweite Ausbreitung simuliert. Beide Modellansätze sind miteinander gekoppelt.
Die Wirkung der Seethermie auf die hydrodynamischen Prozesse bildet die Grundlage für die Beurteilung ihrer Auswirkungen auf die biologischen und chemischen Prozesse im See. So kann mit der Entnahme und Rückgabe von Wasser in unterschiedlichen Tiefen eine Umverteilung von Nährstoffen verbunden sein.
Aus diesem Grund wird das Rückgabewasser im hydrodynamischen Modell markiert, sodass dessen Ausbreitung im Hinblick auf sensible Seebereiche tiefendifferenziert analysiert werden kann. Zur Quantifizierung der Auswirkungen auf den Nährstoffhaushalt werden ökologische Modelle eingesetzt, die mit den hydrodynamischen Modellen gekoppelt sind. Dabei werden die wesentlichen Nährstoffe wie Phosphor und Stickstoff sowie zentrale Prozesse der Primärproduktion, darunter Wachstum, Respiration, Mortalität und Fraß, berücksichtigt.
Die Seemodelle sind individuell für jeden See unter Berücksichtigung der geometrischen Verhältnisse (z. B. Seemorphologie), der meteorologischen Bedingungen sowie der Nährstoffzufuhr aufzubauen. Für eine belastbare Prognose ist es erforderlich, die Modellergebnisse mit Messdaten zu vergleichen, um die saisonale Variabilität zu validieren.