In der Geothermie bezeichnet ein Geschlossenes System (closed loop) eine Anlage zur Extraktion von Wärme aus dem Untergrund, bei dem das Wärmeträgermedium (Arbeitsmittel) in einem geschlossenen (Rohr-) System geführt wird und keinen direkten Kontakt zu den geologischen Formationen im Untergrund hat. Der Gegensatz zu einem geschlossenen System ist ein offenes System. Das in dem geschlossenen Rohrsystem fließende Trägermedium (Wasser, Sole, CO2 usw.) hat eine tiefere Temperatur als die Umgebung, so dass ihm Wärme durch Wärmeleitung (Konduktion) zufließt.
Auch bei klassischen hydrothermalen Dubletten wird gelegentlich angegeben, sie seien ‚geschlossen‘. Dies bezieht sich dann aber nur auf die Anlagenteile oberhalb des Nutzhorizontes, denn innerhalb des Nutzhorizontes sind diese Anlagen ‚offen‘. Diese Aussagen werden gemacht, um deutlich zu machen, dass das Tiefenwasser, das ja mit Feststoffen oder gelösten Stoffen wie gelösten Gasen belastet sein kann, nicht mit der Umwelt in Kontakt kommt. Dies gilt dann für die Atmosphäre aber auch für den oberflächennäheren Untergrund mit eventuell für die Trinkwasserversorgung relevanten Schichten.
Oberflächennahe Geothermie
Mögliche geschlossene Systeme sind flache oder mitteltiefe Erdwärmesonden, Kollektoren oder Wärmerohre, aber auch Installationen in eingeerdeten Betonbauteilen, in aufgelassenen Bergwerken oder in Tunneln. Derartige Systeme können im Untergrund, im Grundwasser, aber auch in Oberflächengewässern (Seen, Flüssen, Kanälen, Meer) eingebracht sein. Geschlossene Systeme sind in der Oberflächennahen Geothermie der Normalfall und werden alleine in Deutschland (2023) etwa 370.000 mal genutzt.
Technisch handelt es sich bei den Erwärmesonden meist um Einlochsysteme wobei allerdings mehrere Sonden zu Sondenfeldern zusammengefasst werden können. Das einzelne Bohrloch ist meist mit einem U-Rohr oder eine Doppel-U-Rohr bestückt, so dass Hin- und Rücklauf des Arbeitsmittels in demselben Bohrloch sind. Eine technische Alternative sind Koaxialsonden, die grundsätzlich eine etwas bessere Leistung haben, aber technisch aufwendiger sind.
Tiefe Geothermie
Geschlossene Systeme in größerer Tiefe (mehr als ein Kilometer Tiefe), werden in Deutschland etwa seit 1980 als Alternative zu offenen System diskutiert. Bisher sind allerdings als geschlossenen System nur tiefe Erdwärmesonden realisiert worden. Diese haben maximal eine thermische Entzugsleistung von einigen hundert kW pro Bohrloch. Ein Beispiel hierzu ist die Anlage in Arnsberg.
Bei geschlossenen System kann durch die Regulierung der Förderrate und der Rücklauftemperatur die gewünschte Balance zwischen Leistung und Temperatur bis zu einem gewissen Grad eingeregelt werden.
Die Bohrungen dieser Systeme müssen nicht notwendigerweise Vertikalbohrungen sein, sondern können im unteren Bereich abgelenkt oder horizontal geführt sein. Auf diese Art kann von einer Bohrung aus eine größere Zahl von abgelenkten oder horizontalen Bohrungen (Laterale) technisch realisiert werden. So kann eine wesentlich größere Gesamtbohrlochlänge und damit auch eine höhere Gesamt-Entzugsleitung erreicht werden. Technisch wird meist eine Koaxialverrohrung eingesetzt, wobei das Innenrohr gut isoliert sein muss (Vakuumrohr) um einen Wärmeaustausch zwischen gefördertem und zurückgeführtem Arbeitsmittel zu minimieren.
Geschlossene Systeme (closed loop) sind auch mit getrennten Förder- und Reinjektionsbohrungen möglich. Die technische Herausforderung besteht darin, diese beiden Bohrungen in der Tiefe zu verbinden und so eine Schleife (loop) zu realisieren. Die Erdöl-/Erdgasindustrie hat hierzu geeignete Verfahren entwickelt, die auch in der Geothermie geeignet sein können.
Der Wärmeübertrag vom Gestein zur Bohrung erfolgt in geschlossenen Systemen nur durch Konduktion, weshalb diese Systeme gelegentlich auch als 'conduction only' bezeichnet werden. Sie sind deshalb unabhängig von der Wasserführung und Wasserwegsamkeit (Permeabilität) der Bohrungsumgebung, was bedeutet, dass sich das Fündigkeitsrisiko auf die Richtigkeit der Temperaturprognose beschränkt.
Der Wärmeentzug kann durch eine Vielzahl von lateralen Bohrungen im Bohrlochtiefen gesteigert werden. Geschlossene System haben dennoch eine deutlich geringere Leistung als eine (klassische) hydrogeothermische Dublette (mit vergleichbarer Bohrlochlänge), sind aber von der Wasserführung des Gesteins unabhängig.
Bei geschlossenen Systemen wird oft angestrebt, auf eine Förderpumpe zu verzichten und nur den natürlichen, bei allen Geothermiesystemen wirksamen, Thermosyphon-Effekt zu nutzen. Dadurch würde mit dem Wegfall der Förderpumpe der größte interne Stromverbraucher einer Geothermieanlage vermieden und der entsprechende Stromverbrauch eingespart.
Bei geschlossenen Systemen wird meist zunächst unterstellt, dass die Wärme aus dem Gestein der Entnahmebohrung ausschließloch durch Wärmeleitung (Konduktion) zufließt. Abweichend davon kann bei oberflächennahen Systemen der Grundasserstrom eine bedeutende Rolle spielen und in der Regel die Entzugsleistungen verbessern.
Ähnliches gilt auch für die Tiefe Geothermie. Ist hier die Umgebung der Entzugsbohrung ausreichend permeabel, so kann durch die Abkühlung in der Bohrungsumgebnung und die damit verbundene höhere Dichte des Porenwassers eine Vertikalströmung einsetzen, die der Bohrungsumgebung wärmeres Wasser aus dem Hangenden zuführt. Auch dies kann die Leistung der Anlage bzw. die Fördertemperaturen deutlich erhöhen.
Forschungsbedarf
Aktuelle FuE-Projekte konzentrieren sich auf folgende Fragen:
Insgesamt werden geschlossene System wohl vorwiegend dort angewendet werden, wo die leistungsstärkeren offenen Systeme nicht realisierbar sind, z.B. wegen zu geringer Permeabilitäten oder wo das Förderrisiko aufgrundunzureichender geologischer Vorkenntnisse als zu hoch eingeschätzt wird.
Weblinks
Zum selbst nachrechnen:
https://pangea.stanford.edu/ERE/db/Roland/ClosedLoop/index.php
Literatur
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Esmaeilpour, Morteza, Maziar Gholami Korzani, Thomas Kohl: Stochastic performance assessment on long-term behavior of multilateral closed deep geothermal systems: In: Renewable Energy (2023), https://doi.org/10.1016/j.renene.2023.03.074
Gascuel V, Rivard C, Raymond J.: Deep geothermal doublets versus deep borehole heat exchangers: a comparative study for cold sedimentary basins: In: Appl Energy. Nummer 361 (2024), S. 122826, https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2024.122826
Higgins, Brian, John Muir, Joe Scherer, and Alvaro Amaya: GreenFire Energy Closed-Loop Geothermal Demonstration at the Coso Geothermal Field: In: GRC Transactions, Nummer 43 (2019), http://pubs. geothermal-library.org/lib/grc/1034139.pdf
Kolo, Isa, Christopher S. Brown, Gioia Falcone, David Banks, Closed-loop deep borehole heat exchanger: Newcastle Science Central Deep Geothermal Borehole: EGC, 2022
Muir, J.R.: New Opportunities and Applications for Closed-Loop Geothermal Energy Systems: Geoth. Rising Bull, 49(4), 13-17, 2020
White, M.D., Martinez, M., Vasyliv, Y., Bran-Anleu, G.A., Parisi, C., Balestra, P., Horne, R.N., Augustine, C., Pauley, L., Hollett, D., Bettin, G., Marshall, T. and the Closed Loop Geothermal Working Group: Thermal and mechanical energy performance analysis of closed-loop systems in hot-dry-rock and hot-wet-rock reservoirs: In: Geothermal Resources Council, Transactions Nummer 45 (2021)
Weitere Literatur siehe:
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