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Geschichte

Im Umfeld vulkanisch aktiver Bereiche kommen häufig heisse Quellen oder warme Bereiche im Boden vor. In diesen Bereichen wurde und wird die Geothermie seit Jahrtausenden gezielt durch den Menschen genutzt. Beispiele hierfür sind aus China, Japan, Neuseeland oder der Türkei bekannt. In Europa gehören zu den bekannten frühen Nutzern der Erdwärme die Römer und Isländer. Sie verwendeten diese natürliche Wärmequelle für Koch-, Heiz- und Badezwecke. Die direkte private oder industrielle Nutzung war immer an Bereiche der Erdoberfläche gebunden, wo der Boden schnell warm oder viel heisses Wasser zur Verfügung stand. Demzufolge sind überhaupt nur bestimmte Regionen für die praktische geothermische Nutzung in Frage gekommen. Die Geschichte geothermischer Energiegewinnung ist eng an den in der Toscana gelegenen Ort Larderello gebunden. Bereits 1827 entstand hier die erste Anlage zur energetischen Nutzung von Erdwärme. Dafür wurde einer der heissen Tümpel mit einer Kuppel übermauert: der erste natürlich beheizte Niederdruckdampfkessel war geschaffen. Seit 1904 wird hier Elektrizität durch ein geothermisches Kraftwerk erzeugt. Heute kommen etwa 1.6 % des in Italien hergestellten Stromes aus Larderello.

Thermalquellen dienen seit Jahrtausenden als natürliche Badestellen. Das Foto entstand auf Vulcano (Italien) wo Thermalwasser und schwefelhaltiger vulkanischer Schlamm bis heute zum Baden und Entspannen genutzt wird.
Thermalquellen dienen seit Jahrtausenden als natürliche Badestellen. Das Foto entstand auf Vulcano (Italien) wo Thermalwasser und schwefelhaltiger vulkanischer Schlamm bis heute zum Baden und Entspannen genutzt wird.

Erst zu Beginn der Aufklärung befasste man sich wissenschaftlich mit der Geschichte und dem inneren Aufbau der Erde genauer. Es entstand der Forschungszweig der Geognosie, aus dem seinerseits die moderne Geologie hervorging.

Ansicht des Erdinnern nach dem Jesuiten und Universalgelehrten Athanasius Kirchner (1602-1680)
Ansicht des Erdinnern nach dem Jesuiten und Universalgelehrten Athanasius Kirchner (1602-1680). Kirchners Modell des Erdinnern wurde durch seine 1678 erschienene Arbeit Mundus subterraneus bekannt und war noch bis ins 19te Jahrhundert weit verbreitet. Die Abbildung wurde aus der Erdgeschichte von Melchior Neumayr (1886) entnommen.

Seit Anfänden der geologischen Erforschung der Erde wuchs das Wissen um ihren inneren Aufbau beständig. Im Freiberger Bergbau-Revier ermittelte 1791 Alexander von Humboldt erstmals, dass die Temperatur mit der Tiefe um 3,8 °C pro 100 m zunimmt. Damit war der geothermische Gradient (bzw. geothermische Tiefenstufe) entdeckt! Benfield schliesslich führte 1939 erstmals die Bestimmung der Wärmestromdichte durch. Heute ist der innere Aufbau unserer Erde bekannt (siehe Abbildung unten). Unter der sehr dünnen Erdkruste folgt der Erdmantel (gelbe und hellorange Farben) und im Zentrum befindet sich der Erdkern, der aussen flüssig, innen aber fest ist (rot und dunkelorange).

Vereinfachtes, modernes Bild mit dem Schalenaufbau der Erde. Mit zunehmender Tiefe steigt die Temperatur kontinuierlich an.
Vereinfachtes, modernes Bild mit dem Schalenaufbau der Erde. Mit zunehmender Tiefe steigt die Temperatur kontinuierlich an.

Über die ganze Erde verteilte Temperaturmessungen in tiefen Bergwerken und Bohrungen zeigten, dass sich die Temperatur im Mittel um 3 °C pro 100 m Tiefenzunahme erhöht. Diese allgemeine Annahme spiegelt meist nicht die Verhältnisse vor Ort wider. Bei der Wärmeverteilung spielt die regionale Geologie eine entscheidende Rolle. Der geothermische Gradient von 3 K/100 m ist letztlich ein gemittelter Durchschnittswert, der von Ort zu Ort stark variieren kann.

spontane Verdampfung (Exhalation)
Auf Lanzarote ist der geothermische Gradient deutlich steiler. Hier erreicht man bereits nach wenigen Metern Temperaturen von einigen hundert Grad Celsius. Wird in ein wenige Meter tiefes Loch Wasser geschüttet, so kommt es zur spontanen Verdampfung (Exhalation)
Rollenmeissel
Vielen geothermischen Grundfragen muss mehr den je nachgebohrt werden

Die mittlere Temperatur der Erdoberfläche liegt bei 14 °C. In diesem Bereich bis maximal 20 m spielen saisonale Schwankungen (Sonne, Niederschläge) eine grosse Rolle. Mit zunehmender Tiefe dominieren die endogenen Wärmequellen. Bisher ist noch nicht genau bekannt, aus welchen Quellen sich die Erdwärme zusammensetzt. Ein erheblicher Teil stammt noch als Restwärme aus der Zeit der Erdentstehung (hier schwanken die Angaben der Literatur zwischen 30 und 50 %). Ein weiterer grosser Teil der Erdwärme leitet sich unmittelbar aus dem kontinuierlich anhaltenden Zerfall natürlicher Radioisotope her. Trotz der langen Nutzung und wissenschaftlichen Erforschung der Herkunft der Erdwärme sind noch viele Detailfragen der oberflächennahen- und tiefen Geothermie bis heute nicht gelöst.

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