Grondwarmte of aardwarmte komt voor een relatief gering deel (30 procent) voort uit de restwarmte van de tijd van het ontstaan van de aarde (accretie), voor een groter deel (70 procent) uit radioactieve vervalsprocessen, welke in de aardkorst al vele miljoenen jaren voortdurend warmte opgewekt hebben en dit vandaag nog steeds doen. Nagenoeg niet van belang zijn aandelen uit zonnestraling op het aardoppervlak en uit warmtecontact met de lucht.

De temperatuur in de binnenkern bedraagt naar verscheidene schattingen 4500 °C tot 6500 °C. 99 procent van onze planeet is warmer dan 1000 °C; 99  van de rest is nog altijd heter dan 100 °C. Bijna overal heeft de bodem op één kilometer diepte een temperatuur van 35 °C tot 40 °C (zie ook geothermische dieptemaat). Onder bijzondere geologische omstandigheden, zoals bijvoorbeeld in huidige of voormalige vulkaangebieden, ontstaan geothermische anomaliën. Hier kan de temperatuur vele honderden graden Celsius bereiken.

Restwarmte uit de tijd van het ontstaan van de aarde

De aarde is circa 4,6 - 4,7 miljard jaar geleden door accretie van materie ontstaan. Hierbij wordt het materiaal verhit, waarbij bewegingsenergie in warmte omgezet wordt. Deze warmteënergie zit wegens de geringe warmtegeleiding van de gesteenten en daarmee de geringe warmteafgifte aan de ruimte vandaag nog voor een groot deel in het binnenste van de aarde en kan als restwarmte uit de tijd van het ontstaan van de aarde gezien worden.

 

Radioactieve vervalsprocessen

Dit aandeel in de grondwarmte is gebaseerd op het natuurlijk verval van de in de aarde aanwezige langlevende radioactieve isotopen zoals bijvoorbeeld Uraan-235 en U238, Thorium-232 en Kalium-40. Deze elementen zijn in de kristalroosters van bepaalde mineralen ingebouwd, bijvoorbeeld in veldspaat en mica in graniet. Het gaat hier om een natuurlijke vorm van kernenergie.

Het vermogen dat uit het radioactieve verval ontstaat bedraagt ongeveer 16 · 10¹² Watt. Bij een gemiddelde aardstraal van 6137 km bedraagt de geothermische vermogensdichtheid van het radioactief verval aan de aardoppervlakte ongeveer 0,032 watt per vierkante meter aardoppervlak.

Warmtestroom uit het binnenste van de aarde

De warmte uit de diepere delen van de aarde wordt door warmtegeleiding en convectie naar ondiepere lagen getransporteerd waarop deze gebruikt kan worden.

De grondwarmtestroom, het door de aarde per vierkante meter aan de ruimte afgegeven vermogen, is ongeveer 0,063 Watt/m² (warmtestroomdichtheid). Dit is een relatief kleine waarde en wijst er al op dat grondwarmte zich overwegend voor decentraal gebruik eigent. In anomale gebieden, zoals bijvoorbeeld vulkanische gebieden, kan de warmtestroming een veelvoud groter zijn.

Vanwege de geringe warmtestroomdichtheid wordt bij grondwarmtebenutting overwegend niet de energie gebruikt die uit de diepte naar boven komt, maar de reeds in de aardkorst opgeslagen energie. Deze wordt vanuit het centrum van de aarde zo langzaam aangevuld dat de energie bij winning dus op een gegeven moment uitgeput raakt. Een grondwarmtebenutting moet dus zo gedimensioneerd worden, dat de afkoeling van de betreffende aarddelen zo langzaam plaatsvindt dat gedurende de gehele levensduur van de installatie een economische warmteopbrengst aanwezig is.