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Geschlossenes System

Grundprinzip eines geschlossenen Systems (closed loop) in der Tiefengeothermie. Quelle: Eavor Tech.

Elektrische Leistung eines closed loop systems in Abhängigkeit von der horzontalen Länge und den Temperaturen. Bei kleineren Gradienten und somit niedrigeren Temperaturen sind die Leistungen entsprechend kleiner. Quelle: Rising Geothermal

Varianten des closed loop Ansatzes.
Variante 1: Eavor-Lite, 2.500 m, realisiert 2019,
Variante 2: In Sediment, 4.500 m, 2023 noch nicht realisiert, Versuch in Geretsried, Deutschland,
Variante 3: In Festgestein, 6.800 m, 2023 noch nicht realisiert. Quelle: EAVOR

In der Geothermie bezeichnet ein Geschlossenes System (closed loop) eine Anlage zur Extraktion von Wärme aus dem Untergrund, bei dem das Wärmeträgermedium in einem geschlossenen (Rohr-) System geführt wird und keinen direkten Kontakt zur Formation hat. Das Trägermedium (Wasser, Sole, CO₂ usw.) hat eine tiefere Temperatur als die Umgebung, so dass ihm Wärme durch Konduktion und Konvektion zufließt.

Oberflächennahe Geothermie

Mögliche Systeme sind flache oder mitteltiefe Erdwärmesonden, Kollektoren oder Wärmerohre, aber auch Installationen in eingeerdeten Betonbauteilen, in (aufgelassenen) Bergwerken oder in Tunneln. Geschlossene Systeme sind in der Oberflächennahen Geothermie der Normalfall und werden alleine in Deutschland (2023) etwa 370.000 mal genutzt.

Tiefengeothermie

Geschlossene Systeme werden in Deutschland etwa seit 1980 als Alternative zu offenen System diskutiert. Bisher sind allerdings als geschlossenen System nur tiefer Erdwärmesonden realisiert worden. Diese haben maximal eine thermische Entzugsleistung von einigen hundert kW.

Geschlossene Systeme (closed loop) mit getrennten Förder- und Reinjektionsbohrungen sind jedoch patentiert, in Planung oder sogar im Bau (2019). Die technische Herausforderung ist es, diese beiden Bohrungen in der Tiefe zu verbinden. Auch hier fließt der Bohrung Wärme nur durch Konduktion zu, weshalb diese Systeme gelegentlich auch als 'cuduction only' bezeichnet werden. Sie stellen daher auch keine Ansprüche an die Permeabilität der Borungsumgebung. Der Wärmeentzug kann durch die Anlage einer Vielzahl von Lateralen im Bereich der Bohrlochtiefsten gesteigert werden. Dennoch bleibt die Frage der Wirtschaftlichkeit verglichen mit einer üblichen Dublette. Voraussichtlich werden geschlossene System eine um ein Vielfaches kleinere Leistung haben als eine Dublette (mit vergleichbarer Bohrlochlänge) an demselben Standort.

Um eine nennenswerte Leistung einer closed-loop Anlage zu erreichen, werden Konstruktionen mit vielen Lateralen und extremen Gesamtbohrlochlängen von bis zu 380 km vorgeschlagen (EAVOR). Dennoch bleiben viele technologische Barrieren und offene Fragen:

Wegen der enormen notwendigen Bohlochlängen erfordert das Design, wenn Wirtschaftlichkeit angestrebt wird, eine drastische Reduzierung der Bohrkosten bei gleichzeitig außergewöhnlich komplexen Bohrplänen deren Realisierungsmöglichkeit fraglich bleibt.
Das Design enthällt eine perfekte Abdichtung von vielen Kilometern (z.B. 300) unverrohrtem und unzementiertem Bohrloch, die sicher sein muss, selbst wenn das Bohrloch und die umgebende Formation im Laufe der Zeit abkühlen. Dies gilt auch für die Durchörterung von Störungszonen, Karstbereichen oder Ähnlichem.
Eine freie Konvektion von flüssigem Wasser in der Bohrungsumgebung, die die Konduktion ergänzen könnte wird nur schwach sein, da das Systhem nur einen schwachen Druckgradienten erzeugt, um Wasserkonvektion anzutreiben.
Es bleibt unklar, ob der pumpenlose (Thermosyphon) Kreislauf des Arbeitsmittels wirklich mit ausreichendem Durchfluss funktioniert und ausreichend steuerbar ist.
Das wichtigste technische Hindernis besteht vor allem darin, dass konduktionsbasierte Wärmetauscher mit geschlossenem Kreislauf wenig Energie pro Meter Bohrloch produzieren werden im Vergleich zum Herstellunsgaufwand und auch zu klassischen hydrothermalen Dubletten.

Insgesamt werden geschlossene System wohl nur dort angewendet werden, wo die leistungsstärkeren offenen Systeme nicht realisierbar sind, z.B. wegen zu geringer Permeabilitäten.