In der Geothermie bezeichnet ein Geschlossenes System (closed loop geothermal system GLGS) 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.
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.
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. In der Regel sind diese Bohrungen koaxial komplettiert und haben ein vakkumiertes Innenrohr. Eine neue Lösung hierzu weist auch in den Rohr-Verbindungen ein Vakuum auf und eliminiert dadurch den Wärmeverlust nahezu vollständig. Das Vakuum kann nach der Installation kontinuierlich überwacht werden. Geht das Vakuum verloren, kann es jederzeit mit einer kleinen Vakuumpumpe an der Oberfläche wiederhergestellt werden. Bei richtiger Auslegung beträgt die Lebensdauer dieser vakuumierten Rohrleitung über 50 Jahre.
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 (durchgehendes Vakuumrohr) um einen Wärmeaustausch zwischen gefördertem und zurückgeführtem Arbeitsmittel zu minimieren.
Mit Vertikalbohrungen wird bei gleicher Bohrlochlänge natürlich eine größe Tiefe und damit eine Umgebung mit höheren Temperaturen erreicht. Die Entzugsleistung und die erreichbare Temperatur des geförderten Wassers sind dann höher. Die Anlage hat einen höheren Wirkungsgrad als eine Anlage mit Horizontalbohrungen gleicher Länge. Um auch bei mehr oder weniger vertikalen Bohrungen eine große Leistung an einem Standort zu realisieren, kann auch eine größere Zahl (50?) von Tiefen Erwärmesonden von einem Bohrplatz aus eingerichtet werden. Das ähnelt dann dem Geostar in der Oberflächennahen Geothermie. So kann von einem Bohplatz aus ein großes Volumen für den Wärmeentzug erschlossen werden. Technisch ist wohl ein gemeinsamer Bohrkeller möglich.
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 (magnetic ranging technology), 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. Sollte im Einzelfall der Thermosyphon-Effekt nicht ausreichen kann er durch Elemente des Lufthebeverfahrens ergänzt werden.
Mitteltiefe und tiefe heat-pipes sind eine weitere Alternative geschlossener Systeme. Heute (2025) sind heat-pipes bis zu einigen tausend Metern Tiefe realisiert. Bei den hohen Temperaturen in größerer Tiefe kommt auch Wasser als Arbeistmittel in Frage. Dennoch wird auch von Ammoniak als Arbeitsmittel berichtet. Entscheidend bei diesen phase-change Sonden ist die Pasenwechsel-Temperatur und die latente Wärmemenge des Phasenübergangs.
Da die heat-pipes ohne Pumpen auskommen und die Arbeitsmittelzirkulation nur gravitativ angetrieben ist werden diese Sonden auch SLGHP (super-long gravity heat pipe) genannt. Sie sind eine ernstzunehmende Alternative zu anderen geschlossenen Systhemen.
Geschlossene Systeme werden auch für superheiße Reservoire angedacht, also für Temperaturen deutlich über 200 Grad. Hier ist oft die Permeabilität für hydrothermale Systeme nicht ausreichend und EGS schwierig. Derartige Anlagen könnten auch in einem tieferen Stockwerk unterhalb existierender Hochenthalpie-Anlagen realisiert werden
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 Grundwasserstrom 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 Bohrungsumgebung und die damit verbundene höhere Dichte des Porenwassers eine Vertikalströmung (Zirkulationszellen) einsetzen, die der Bohrungsumgebung wärmeres Wasser aus dem Hangenden zuführt. Auch dies kann die Leistung der Anlage bzw. die Fördertemperaturen deutlich erhöhen.
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.
Zum selbst nachrechnen:
https://pangea.stanford.edu/ERE/db/Roland/ClosedLoop/index.php
Doran, Hannah R, Theo Renaud, Gioia Falcone, Lehua Pan and Patrick G. Verdin: Modelling an unconventional closed-loop deep borehole heat exchanger (DBHE): sensitivity analysis on the Newberry volcanic setting: In: Geothermal Energy. Nummer 9(1) (2021), S. 1-24, 10.1186/s40517-021-00185-0
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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