Erdbeben durch Fracking

Fracking und Erdbeben, wie kann das sein?

In der schon oben zitierten ZDF-Dokumentation "ZOOM" erläutert Prof. Thorsten Dahm, Universität Hamburg, dass durch Fracking in der Nähe der Gas-Förderanlagen Risse an Häusern entstehen können. In eigenen geologischen Untersuchungen hat er nachgewiesen, dass es in Fracking-Regionen Häufungen von regionalen Erdbeben gibt. Betroffene Anwohner berichten im Film sogar davon, dass ihre Häuser nach der Bohrloch-Erschließung meterlange Risse aufwiesen. So etwas kennt man sonst nur aus dem Ruhrgebiet als Setzungsrisse infolge von Bergsenkungen, wenn sich das Deckgebirge in ehemaligen Kohleabbaugebieten absenkt. Ebenso berichten Anwohner, dass das Erdreich tagelang und unerklärlicherweise Weise vibrierte und Haushaltsgegenstände zum Schwingen angeregt wurden. In einigen Gebäuden wurden sogar Risse im Mauerwerk festgestellt. In der ZDF-Dokumentation bestreiten die im Interview angesprochenen Betreiber jeden Zusammenhang mit Fracking.

Induzierten Erdbeben als weiträumigen Effekt des Frackings kommt man auf die Spur, wenn man sich die aktuellen Fracking-Techniken anschaut. Auf den WEB-Seiten eines der größten Ausrüster von Öl- und Gas-Bohrtechnik, Schlumberger Limited, fanden wir in einem Produkt-Video eine mögliche Erklärung dieser "unerklärlichen" Erdbeben.

Abb.: Online-Video der Fa. Schlumberger zum Technik high-frequency pulse fracking, Quelle: Schlumberger Produkt-Video, Stand: 1.6.2014.

 

Das Video zeigt das neue "high-frequency pulse fracking"-Verfahren, mit dem die Fracking-Flüssigkeit in die Gesteinsrisse eingepresst wird. Die Pumpen für die Fracking-Flüssigkeit erzeugen dabei nach E. d'Huteau (2011) keinen festen statischen Druck, sondern werden so betrieben, dass eine periodisch ansteigende Konzentration an Sand und Beimischungen in das Bohrloch gepresst wird, siehe Abb. unten.

Abb.: Druck-Zeit-Diagramm im high-frequency pulse fracking Verfahren, Quelle: E. d'Huteau: Open-Channel Fracturing - A fast Track to Production, Oil Field Review, Atumn 2011:23, no.3 , Stand: 1.2.2014.

 

Der dazu notwendige Druckaufbau im Bohrloch wird begleitet von mechanischen Druckschwingungen im Pumpensystem, die sich über das Erdreich weiträumig ausbreiten. Diesen Effekt kann man auch im Alltag beobachten, wenn im Straßenbau mit so genannten Rüttlern die Erde verdichtet wird und die nähere Umgebung mit in Schwingung versetzt wird. Beim "high-frequency pulse fracking"-Verfahren werden nicht wie im Straßenbau nur wenige Quadratmeter in Schwingung versetzt, sondern das gesamte vom Fracking erfasste Volumen entlag einer mehrere hundert Meter langen Strecke. Die beobachteten Phänomene der Anwohner in der ZDF-Dokumentation "ZOOM" belegen damit die Wirksamkeit der Methode und zugleich auch das mögliche Risiko des Frackings, Risse und Spalten zu erzeugen oder zu mobiliseren, die dann seismische Auswirkungen haben.

Erdbeben als Ursache des Verpressens von Abwässern?

Immer wieder gab es einzelne Berichte zu Erdbeben, die im Zusammenhang von Fracking genannt wurden. Die in der Öl-Industrie tätigen Unternehmen haben immer jeden Zusammenhang bestritten. In der populärwissenschaftlichen Dokumentation "Geheimnisvoller Planet: Erdbeben" vom 21.09.2015 auf N24 wurden neuste Untersuchungen der US Geologenvereinigung (United States Geological Survey, USGS) vorgestellt. Diese haben die schwere Erdbeben in den zentralen Bundesstaaten der USA untersucht und dabei mehrere Auffälligkeiten festgestellt (siehe auch Grafik unten):

1. Werden in den letzten Jahren Erdbeben in Regionen beobachtet, in denen bisher nie Beben aufgetreten sind
2. Treten in Regionen mit Erdbeben in bisher geringer Stärke nun Beben mit deutlich höherer Bebenstärke auf
3. Das Zentrum dieser Erdbeben liegt in geringer Tiefe und legt eine menschchliche Verursachung nahe

Abb.: Anzahl der Erdbeben pro Tag im US-Bundesstaat Oklahoma im Zeitraum 2008 - 2019. Quelle: Oklahoma Geological Survey (OGS), Stand 08.12.2023 (Oklahoma Geological Survey), Bild öffnen

Anlass der Studie ist das Auftreten von schwereren Erdbeben (größer als 3) in einem Bundesstaat, der bisher geologisch völlig unauffällig war. Doch in den letzten Jahren traten ohne erklärbaren Grund Erdbeben mit schweren Gebäudeschäden auf. Das schwerste mit der Stärke 5,6 ereignete sich im Frühjahr 2011 in der Stadt Prague. Der USGS-Studie nach wurden früher in Oklahoma etwa 3 Erdbeben der Stärke 3 pro Jahr gemessen (Abb. oben). Jetzt sind es nach Angaben des Geologen Mark Peterson 1 bis 2 Erdbeben pro Tag, der die Situation so beschreibt: In Oklahoma gibt es nun mittlerweile mehr Erdbeben der Stärke 3 als in Kalifornien, ohne dass eine vergleichbare geologisch aktive Zone wie die der St. Andreas Spalte bekannt ist.

Die Frage danach, woher diese plötzliche Erdbebentätigkeit kommt, beantworten die Wissenschaftsjournalisten im oben genannten Beitrag auf N24 so: Wird Wasser, tief in den Untergrund gepresst, ändert das die geologischen Festigkeitseigenschaften und das Spannungsgefüge im Gestein. Außerdem wirkt Wasser als Schmierstoff zwischen geologischen Verwerfungen. Wenn nun im Bereich der Abwasser-Verpressung tektonische Spannungen kritische Werte aufweisen, kann das Verpressen die kritische Spannung überschreiten und es kommt zum Abgleiten von Schichten - ein Erdbeben.

Die Kartenillustrationen unten zeigen den engen Zusammenhang dieses Sachverhalts: Werden große Mengen an Fracking Abwässer in die Erde gepresst, so wird der geologische Untergrund instabil. Die Online-Daten der Energie und Umweltabteilung des Staates Oklahoma zeigen dies. - Werden die Verpressstellen für die Fracking Abwässer in die Karte eingeblendet, so überwältigt einen die Zahl an Punkten, an denen das passiert. An diesen Punkten werden die mit Salz und radioaktiven Stoffen belasteten Abwässer mit hohem Druck in die Tiefe verpresst. Ein Verfahren, das auch in Deutschland angewendet wird. Pro Bohrung sind das Millionen von Litern.

 

Abb.: Die Karte des US Bundesstaates Oklahoma mit Verpressstellen von Fracking Abwässern (Violett), Quelle: Google/Oklahoma Ministerium für Energie und Umwelt, Stand 24.09.2015 (Erdbebenkarte Online öffnen)

Blendet man in die Karte zusätzlich alle Erdbeben seit 1980 mit einer Stärke 3 oder höher ein, so wird der Zusammenhang sichtbar: Dort wo die Anzahl an Verpressstellen hoch ist, dort steigt auch die Wahrscheinlichkeit schwererer Erdbeben. 

Abb.: Die Karte des US Bundesstaates Oklahoma mit Verpressstellen von Fracking Abwässern (Violett) und Erdbeben der Stärke 3 oder höher seit 1980 (Orange, Rot), Quelle: Google/Oklahoma Ministerium für Energie und Umwelt, Stand 24.09.2015 (Erdbebenkarte Online öffnen)

 

Fracking: Fakten, Messdaten

In den USA sind durch langjährigen Umgang mit Fracking Schäden entstanden, zu denen es mittlerweile eine Reihe von Untersuchungen gibt. Wir stellen hier die wichtigsten Ergebnisse zusammen, so dass Sie sich selbst ein Bild machen können.

 

Die Mobilisierung von gebundenem Methan-Gas durch Fracking

Es gibt zahlreiche Berichte von Anwohnern aus Fracking-Regionen, die mit Beginn der Gasbohrungen von der Verschlammung des Brunnenwassers und der Anreicherung des Wassers mit Methan-Gas berichten. Die Öl- und Gas-Gesellschaften bestreiten jeden Zusammenhang und verweisen auf zufällige natürliche Vorkommnisse.

In wissenschaftlichen Untersuchungen stellte sich heraus, dass der Methangehalt in der Umgebung der Fracking-Bohrung ansteigt und selbst noch in einigen Kilometern Entfernung vom Bohrloch deutlich erhöht ist [2011Stephen]. Die Daten unten wurden in der Grenzregion der Bundesstaaten Pennsylvania/New York ermittelt.

Abb.: Zunahme der Methan-Konzentration im Brunnenwasser in Richtung Bohrloch nach Stephen et. al. (2011) [2011Stephen], Abstand zum Bohrloch in Metern (m), Kreise: Aktives Bohrloch, Dreiecke: Inaktives Bohrloch, Grau: Grenzwerte des US Innenministeriums

In der Abbildung ist gut zu erkennen, dass der Methangehalt im Brunnenwasser erwartungsgemäß in Bohrlochnähe zunimmt, aber auch noch in einigen Kilometern Entfernung deutlich erhöht ist. Dies zeigt, wie weiträumig die Methan-Gas Mobilisierung durch Fracking reicht.

Eine andere Studie aus Garfield County, Colorado, bestätigt prinzipiell den selben Sachverhalt. Hier wurde der Zusammenhang ermittelt zwischen der Fracking-Aktivität in der Region und dem Methangasgehalt des Brunnenwassers. Die Messungen ergaben, dass mit der Anzahl der Bohrlöcher ein Ansteigen der Methan-Konzentration im Oberflächenwasser einhergeht.

Abb.: Anstieg der Methan-Konzentration im Brunnenwasser mit der Anzahl der Bohrlöcher in Garfield County, Colorado, USA, nach Thyne (2008), [2008Thyne]

Die Untersuchungen oben belegen damit, dass mit Fracking Methangas unkontrolliert freigesetzt wird und so seinen Weg in Grund- und Brunnenwasser findet. Fracking ist also eine erfolgreiche Methode zur Mobilisierung von Methangas.

 

Der Streit um die Herkunft des Methans in den "brennenden Wasserhähnen"

In den Videos der Öl-Industrie wird gerne behauptet, dass das Methan-Gas (CH₄) in den Wasserproben ausschließlich aus mikrobiologisch gebildetem, oberflächennahem, sogenanntem "biogenem" Methan besteht. Zum Beispiel handele es sich hier um Sumpf- oder Moor-Gas, das auch ohne Fracking im Brunnenwasser gefunden wird. Aber Methangas kann grundsätzlich aus unterschielichen Tiefen des Untergrundes entweichen (siehe folgende Abbildung).

Abb.: Zonen der Entstehung von Methan in der Erde nach R. C. Burruss (2009), [2009Burruss]

Wissenschaftler wie Stephen (2011), [2011Stephen] untersuchten daher die Herkunft des Methan-Gases in den Fracking-Regionen Pennsylvania und New York und verwendeten dazu die Methode der Altersbestimmung des Kohlenstoff-Isotops ¹⁴C (Halbwertszeit 5715 Jahre). Wenn das Methan, wie von der Öl- und Gasindustrie behauptet, biogenen Ursprungs ist, dann stammt das Methan aus jungen biologischen Zersetzungsprozessen und muss dann einen hohen Anteil an ¹⁴C enthalten. Wenn dagegen altes "thermogenes" Methan aus dem tiefen Speichergestein mobilisiert wird, ist im Methan ein höherer Anteil des Kohlenstoff-Isotops ¹⁴C in das Isotop ¹³C zerfallen.

In den Brunnenwasseranalysen zeigt sich, dass der Methananteil mit dem Kohlenstoff-Isotop ¹³C erhöht ist und somit Fracking in tiefen Schichten nachweislich "thermogenes" Methan freisetzt.

Abb.: Methan-Konzentration im Trinkwasser in Pennsylvania nach Stephen (2011), [2011Stephen]. Grauer Bereich rechts: freigesetztes Methan "thermogenen" Ursprungs; grauer Bereich links: Methan mikrobiologisch-biogenen Ursprungs. Gefüllte Symbole: Messproben aus Wasserquellen mit aktiver Gasförderung.

 

Auch Messungen in anderen US-Bundesstaaten wie in Colorado bestätigen diesen Befund.

Abb.: Analyse der Isotopenverhältnisse von Kohlenstoff (¹³C/¹²C) und Deuterium (²H/¹H) zur Bestimmung der Herkunft des Methan im Trinkwasser in Garfield County, Colorado (USA), nach Thyne (2008) [2008Thyne]. Rechts oben kann der aus dem Tiefengestein freigesetzte "thermogene" Methan-Anteil gut von mikrobiologischen Methan-Quellen abgegrenzt werden (Isotopennachweis).

Diese Untersuchung belegt, dass Gruppen von  Brunnenwasserproben eine ähnliche Isotopen-Zusammensetzung des Methans aufweisen. Dabei läßt sich die Methananreicherung in Wasserproben aus der Nähe von Fracking-Bohrungen (blaue Rauten) deutliche "thermogenen" Methanvorkommen zuordnen.

 

Versalzung des Brunnenwassers (und der Böden)

In der oben genannten Studie zu Garfield County wurde des Weiteren festgestellt, dass mit Zunahme der Bohrlöcher auch der Salzgehalt der Brunnen zunimmt. Dabei ist der Mechanismus noch nicht geklärt, in welcher Weise der Chlorid-Anstieg mit der Fracking-Aktivität zusammenhängt, aber der Zusammenhang ist unbestreitbar.

Abb.: Anstieg des Salzgehalts in Brunnenwasserproben in Garfield County, Colorado, USA mit auffälligem Salz- oder Methan-Gehalt im Zeitraum 2001 bis 2006, nach Thyne (2008) [2008Thyne]; oben (blaue Rauten): Anstieg des Methangehalts; unten (braune Quadrate): Anstieg des Salzgehalts (Chlorid).

Ist die Versalzung von einzelnen Trinkwasserquellen vielleicht noch akzeptierbar, ist dies für Bewohner ländlicher Gebiete ohne eine zentrale Wasserversorgung ein ernsthaftes Problem. Denn mit der Versalzung des Brunnenwassers wird die Trinkwassergewinnung schwieriger und durch die Bewässerung der Felder werden die Böden mittelfristig versalzen. Wenn die Anzahl der Fracking-Bohrungen in die Zehntausende geht, ist dies ein großflächiges Problem mit Wirkung auf die regionale Trinkwasserversorgung.

 

Lösung radioaktiver Stoffe aus dem Gestein durch Fracking

Mittlerweile sind mehrere wissenschaftliche Studien veröffentlicht worden, in denen die chemische Zusammensetzung der zurückgepumpten Abwässer sowie die Zusammensetzung der darin gelösten radioaktiven Stoffe analysiert wurden. Ein gute Zusammenfassung findet man in der Arbeit von Fisher (1995), Rowan et al. (2011), [2011Rowan] oder in der Arbeit von Haluszczak et al. (2013), [2013Haluszczak] sowie in der Arbeit von Warner et al. (2012), [2012Warner], die auf hunderte von Messproben basieren. In diesen Arbeiten wurden Salz(Chlorid)-Gehalte gefunden, die von 1,47 bis 402 g/L reichen. Die Nordsee hat einen bescheidenen Salzgehalt von 3,5 g/L.

Viele dieser Analysen zeigen dabei einen wichtigen Zusammenhang. Und zwar steigt mit dem Salzgehalt der Abwässer auch die Menge des gelösten Radiums, was auf die Chemie im Untergrund zurückgeführt wird.

Abb.: Anstieg der Radium-Konzentration (Ra-226, in pCi) mit dem Gehalt an gelösten Stoffen (mg/L) im Fracking Rücklaufwasser in logarithmischer Darstellung nach Rowan et. al. (2011), [2011Rowan]. Rot: Geologischer Formation "Marcellus". Blau: Andere geologische Formationen. Offene Symbole: Proben aus der gleichen Formation mit Aktivitäten unterhalb der Nachweisgrenze.

Nach Rowan et. al. (2011) beschreibt folgender Zusammenhang den beobachteten Befund: Und zwar sinkt mit steigendem Salz/Chlorid-Gehalt die Fähgkeit des Muttergesteins, gelöstes Radium chemisch zu binden. Das Radium ist daher stärker im Wasser der Gesteinsporen gelöst und wird mit der Bohrwasserrücklauf gefördert.

Bei der Auswertung der Daten wurde nach Rowan et. al. (2011) noch ein weiterer Zusammenhang sichtbar: Abwasser mit einer hohen Konzentration an gelöstem Salz weisen durchgängig eine erhöhte Radioaktiviät auf. Dieser Befund ist relativ unabhängig davon, aus welcher geologischen Formation/Region die Wasserproben stammen.

Abb.: Messungen der Radioaktivität (Radium-226-Isotop, offene Symbole) im Abwasser nach Rowan (2011). Waagerecht gestrichelt (- - - ) dargestellt ist die Einleitungsgrenze von radioaktiven Stoffen für industrielle Zwecke in den USA (60 pCi, ca. 3 Bequerel). Die einzelnen Zellen der Tabellengrafik zeigen Daten aus Studien in unterschiedlichen Gesteinsformationen, siehe Rowan et. al. (2011), [2011Rowan].

Die gefundenen Radium-Konzentrationen sind durchgängig so hoch, dass sie den US-Grenzwert für industrielle radioaktive Abwässer in der Regel immer überschreiten und in vielen Fällen um den Faktor Hundert darüber liegen. Einzelne Proben besaßen noch höhere Werte, vgl. Rowan et. al. (2011).

Der hier beobachtende Befund ist grundsätzlich nicht auf die regionale Geologie beschränkt (Marcellus/Devon-Formation). Eine Anreicherung von radioaktiven Isotopen (Radium, Uran) wurde auch in den Bohrwässern anderer Gesteinsformationen beobachtet. So wurde auch in der Münsterland-Bohrung in den Schichten des Unterkarbons bei ca. 5440 m Tiefe eine deutlich erhöhte Radioaktivität (Uran) nachgewiesen, vgl. Andres (1963), S 521. In dieser Tiefe erfolgt bei Bremen das Fracking.

 

Begrenzte Quellenergiebigkeit

Allen unkonventionellen Gas-Vorkommen gemeinsam ist die Eigenschaft, dass das förderbare erschlossene Gas-Volumen eines Bohrlochs gering ist im Vergleich zu reichen konventionellen Gas-Vorkommen und dass zudem die Förderleistung geringer ist. Als Konsequenz führt dies dazu, dass die per Fracking erschlossenen Quellen schneller versiegen. Leider gibt es keine veröffentlichten Daten dazu, wie schnell solche Quellen versiegen. Von Geologen sind aber Modellrechnungen veröffentlicht worden, die zeigen, wie sich die Gas-Ausbeute für "konventionelle" Gas-Vorkommen mit der Zeit verringert (http://geology.com).

Abb.: Modellrechnung zur Verringerung der Gas-Ausbeute "konventioneller" Gas-Vorkommen mit der Zeit, Quelle: http://geology.com

Wenn für "konventionelle" Gas-Vorkommen nach schon 5 Jahren die Leistung auf ein Zehntel der Anfangsleistung abfällt, ist bei der Ausbeutung von unkonventionellem Gas ein noch rascheres Versiegen zu erwarten. Gelegentlich werden 1 bis 2 Jahre genannt. Deshalb muss man in rascher Folge dicht bei dicht neue Bohrlöcher setzen.

Zusammenfassung

1. Anders als die Öl- und Gas-Industrie behauptet, kann die "thermogene" Herkunft des Methans in Trinkwasserbrunnen eindeutig nachgewiesen werden. Die Isotopenanalysen zeigen, dass in den Wasserhähnen nicht nur "Sumpfgas" brennt, sondern durch Fracking mobilisiertes Erdgas.
2. Die "thermogene" Methan-Konzentration im Brunnenwasser ist in der Nähe von Fracking-Bohrstellen deutlich erhöht. Dieser Sachverhalt wurde nicht nur für vereinzelte Wasserquellen nachgewiesen, sondern dutzendfach.
3. In der Nähe von Fracking-Bohrstellen steigt der Salzgehalt des Brunnenwassers. Auch wenn die Ursachen nicht ganz klar sind, so ist die Tragweite des Frackings unübersehbar: Unbrauchbare Brunnen, versalzene Böden.
4. Amerikanische Untersuchungen haben gezeigt, dass beim Fracking große Mengen an radioaktiv belastetem Abwasser entstehen. Hierzu schweigt die Öl- und Gas-Industrie in den Hochglanzbroschüren.
5. Die Ausbeutung unkonventioneller Gas-Vorkommen ist verbunden mit einer hohen Dichte an Bohrstellen (1 Bohrstelle pro Quadratmile) und ist damit ein großflächiger Raubbau an der Natur. Nicht zuletzt dieser Sachverhalt macht das Fracking zu einem unverantwortbaren Akt.

Fracking verändert das Land

 

Und so sieht die Realität aus...

Wenn man den Prospekten und Hochglanzbroschüren der Öl-Gesellschaften Glauben schenkt, ist die Methode sauber, billig und umweltschonend. Schön animierte Videos und sauberes Info-Material verschweigen jedoch die Kehrseite der Medaille. Zahlreiche Internetseiten, die vom Namen her Interessen-neutrale Aufklärung versprechen, wie beispielsweise www.erdgassuche-in-deutschland.de, entpuppen sich schnell als Werbeplattform der Öl-Konzerne wie hier die von ExxonMobile. Schauen Sie selbst. - Hier zeigen wir Ihnen das, was Sie nicht in den Prospekten lesen können.

 

Geringe Ausbeute pro Bohrloch

Bei "unkonventionellen" Erdgas-Vorkommen muss das Gestein erst aufgebrochen werden, um das Gas heraus zu lösen. Die pro Bohrloch förderbaren Mengen variieren stark, sind aber in der Regel immer geringer als gewöhnliche (konventionelle) Gasvorkommen aus leicht erschließbaren Gasfeldern. Dieses wichtige Detail hat aber eine dramatische Konsequenz:

1. Das zu erwartende Fördervolumen pro Quelle ist nicht so hoch wie in konventionellen Gasfeldern.
2. Die Quellen erschöpfen sich rascher und werden früher unwirtschaftlich.
3. Mit Punkt 1 und 2 steigt die Notwendigkeit, versiegende Quellen in rascher Folge durch neue Fracking-Bohrungen zu ersetzen.
4. Die Landschaft und die Natur werden großflächig beansprucht. In den USA empfiehlt das Energieministerium (DOE) einen Mindestabstand von 2,3 km ( 2 Quadratmeilen) pro Bohrung.

Eine umfangreiche Studie der US Bundesbehörde mit dem Titel "Landscape Consequences of Natural Gas Extraction in Bradford and Washington Counties, Pennsylvania,  2004–2010" dokumentiert schon heute die Landschaftszerstörung durch Fracking, vgl. U.S. Geological Survey, PDF, Stand 1.5.2013.

 

Landschaftsverbrauch ohnegleichen

In den  Fracking-Regionen, wie hier in Wyoming, sieht man auf Luftbildaufnahmen Fracking-Felder, die bis an den Horizont reichen. Man mag vielleicht der Auffassung sein, das Gebiet liegt in einer wasserarmen Region, ist wenig bevölkert und damit kann das Fracking keine großen Schäden anrichten.

Bei uns stellt sich aber die Frage: Woher soll das Ackerland kommen, auf dem die Bohrplattformen stehen, auf dem das belastete Abwasser zwischengelagert wird, auf dem die schweren LKWs zur Versorgung der Bohrstationen fahren sollen?

Abb.: Luftaufnahmen aus der Region Pinedale, Anticline und Jonah, Wyoming, USA zeigen, wie hier Bohrloch an Bohrloch liegen, Quelle http://ecoflight.org/, Bild links öffnen, Bild rechts öffnen

 

Fracking in bewaldeten Gebieten - ein Spinnennetz

Aber auch in Waldregionen wie hier in Pennsylvania, USA  wird das Fracking angewendet. Anders als in Wüstenregionen hat hier das Fracking  einschneidende Wirkung auf die lokale Tier- und Pflanzenwelt und auf das Grundwasser. Wie ein Spinnennetz durchziehen Bohrstationen, Infrastruktur-Wege und Pipelines große Waldgebiete und teilen diese in viele kleine Parzellen auf. Die beiden Bilder unten zeigen Satellitenaufnahmen einer Waldregion in den USA, Pennsylvania, Region McKean County, in 2 Vergrößerungen:

Abb.: Luftaufnahme aus der Region McKean County, Pennsylvania, USA, Maßstab: Horizontale Bildkante 25 km, Quelle: Internetportal U.S. Geological Survey, Bild öffnen

Abb.: Vergrößerter Kartenausschnitt oben, Maßstab: Horizontale Bildkante 4 km, Quelle: Internetportal U.S. Geological Survey, Bild öffnen

 

Bohrlöcher, so weit das Auge reicht

In den USA gibt es mehrere zehntausend Bohrlöcher. Die Luftbildaufnahme eines einzelnen Gas-Feldes unten vermittelt einen Eindruck davon, wie massiv die USA in diese Gas-Fördermethode eingestiegen sind. In Deutschland oder auch in Europa ist ein derartiger Landschaftsverbrauch unvorstellbar.

Abb.: Luftbildaufnahme eines Gas-Feldes bei Pinedale, Sublette County, Wyoming, USA,  Aufnahme aus ca. 15 km Höhe, Bildbreite ca. 15 km, Quelle: US-Agrarministerium (USDA) (www.wyomingoutdoorcouncil.org, Stand 1.5.2013), Bild öffnen oder Satellitenkarte öffnen

Was ist Fracking

Warum wird Fracking eingesetzt

Mit dem Fracking-Verfahren (aus dem engl. "hydraulic fracturing", kurz fracking) lassen sich fossile Brennstoffe auch in Gesteinsschichten ausbeuten, deren Gehalte an Öl und Gas mit konventionellen Methoden nicht erschlossen werden können. Dazu zählen einerseits in Gestein gebundenes Erdöl und Erdgas sowie Vorkommen in Gesteinen, die nur eine geringe Gas-Durchlässigkeit besitzen. Andererseits lassen sich damit auch noch Restvorkommen von konventionellen Lagerstätten ausbeuten.

Abb.: Bohrverfahren zur Öl- und Erdgasgewinnung mittels Fracking

Das Fracking-Verfahren wird schon seit den 40er-Jahren des letzten Jahrhunderts in den USA zur Öl- und Gas-Förderung eingesetzt. Dort soll es nach Recherche der ZDF-Dokumentation von Christian Wilk (2011, 30 Min.): "ZOOM, Gefährliche Gier - riskante Erdgassuche in Deutschland" mittlerweile an die 70-tausend Bohrungen geben. Und auch in Deutschland ist das Verfahren nach Recherche des Films schon über 300 mal angewendet worden, hauptsächlich in Norddeutschland. Für die Öl- und Gas-Industrie ist dieses Verfahren aber noch aus einem anderen Aspekt interessant geworden. Da das öffentliche Bewusstsein um das Risiko von Offshore-Bohrinseln seit der Explosion der Ölbohrplattform Deepwater Horizon (20. April 2010) gestiegen ist und die gesetzlichen Anforderungen für Risiko-Rücklagen in Öl-Katastrophen strenger geworden sind, stellen unkonventionelle Gas-Vorkommen an Land für die Öl-Gesellschaften eine interessante Alternative ohne großes Risiko dar.

In dem Zusammenhang liest man oft Begriffe, die sich auf den Typ der Gas-Lagerstätte beziehen, die wir hier kurz erläutern wollen:

• Shale Gas: In Tongestein enthaltenes Methan (aus dem engl. Shale für Schiefer, oft auch als Schiefergas bezeichnet)
• Flözgas (CBM = Coal Bed Methane): Methan in Kohlenflözen
• Tight Gas: Erdgas in besonders undurchlässigen Gesteinen wie dem Trias- und Rotliegend-Sandstein

Zum besseren Verständnis erläutern wir hier die Besonderheiten der Lagerstätten-Gesteine.

 

Gesteine der Gas-Lagerstätten

Die beiden Grafiken unten illustrieren die unterschiedlichen Eigenschaften von Speichergesteinen, die sich je nach Porenvolumen und Durchlässigkeit in konventionelle und unkonventionelle Gas-Lagerstätten unterscheiden:

Abb. links: Lagerstätte mit konventionell gebundenem Erdgas, Abb. rechts: Lagerstätte mit in Poren gebundenem unkonventionellem Erdgas, Grafiken: Dr. H.-G. Hettwer

 

Eigenschaften von konventionellen Gas-Lagerstätten

Durch folgende Eigenschaften zeichnet sich dieser Gesteinstyp aus:

• Das Gestein besitzt eine gute Durchlässigkeit zwischen den Porenräumen
• Wasser kann von außen in der Gestein eindringen
• Erdgas kann durch den Gesteinsdruck des Deckgebirges von allein zum Bohrloch fließen

 

Eigenschaften von unkonventionellen Gas-Lagerstätten

Durch folgende Eigenschaften zeichnet sich dieser Gesteinstyp aus:

• Die Porenräume des Gesteins sind sehr klein (< 20% von konventionellen Lagerstätten)
• Geringe bis keine Durchlässigkeit (1/1000 von konventionellen Lagerstätten oder kleiner)
• Wasser kann nicht eindringen, bleibt auf der Oberfläche stehen
• Das Erdgas kann nicht von allein zum Bohrloch fließen
• Für eine große Ausbeute muss ein großes Gesteinsvolumen "gefrackt" werden

 

Der Ablauf einer Bohrlocherschließung mittels Fracking

Bohrlocherschließung

Um die Vorkommen auszubeuten, werden die undurchlässigen Gesteinsschichten durchbohrt (s. Grafik oben), um dann in ca. 2000 m - 6000 m Tiefe in das Öl- oder Gas-führende Gestein vorzudringen, in dem fossile Energieträger gebunden sind. Die Bohrungen werden entweder senkrecht in das gasführende Gestein gebracht oder zunächst als senkrechte Bohrung begonnen und dann als Horizontalbohrung im gasführenden Gestein fortgesetzt (siehe Abbildung unten). Die Länge des horizontalen und vertikalen Vortriebs ist typischerweise ähnlich groß, so dass bei einer Bohrlochtiefe von 2000 m der horizontale Vortrieb ebenfalls bei 2000 m liegt. Unter dem folgenden Video-Link wird das Horizontalbohrverfahren von National Geographics anschaulich beschrieben.

Vorbereitungen zum Fracking: Explosives Aufbrechen des Gesteins

Nach dem Fertigstellen der Bohrung werden im horizontalen Bereich der Bohrung mit einer sogenannten Perforationskanone hunderte Löcher quer zum Bohrkanal gesprengt um das Speichergestein zu durchlöchern (engl. perforieren) und aufzubrechen. Erst danach kann das Fracking beginnen. Detaillierte Angaben darüber, wie eine Perforationskanone aufgebaut ist sowie Informationen zur Sprengtechnik und Angaben zur Tiefe der Sprenglöcher finden Sie in dem Artikel von Brad Hansen mit dem Thema: "Casing Perforating Overview" (Download, US-Umweltschutzbehörde, United States Environmental Protection Agency EPA). Die folgende Zeichnung daraus skizziert schematisch den Aufbau:

Abb.: Aufbau einer Perforationskanone nach Brad Hansen (2011), Sprengrichtung siehe Pfeile, Quelle: Link öffnen, (Stand 02.05.2021)

Die Wirkungsweise der Perforationskanone ist in den beiden Abbildungen unten dargestellt. Die Explosion der einzelnen Sprengladungen (links) erzeugt entlang des Explosionskanals eine Serie von Löchern im Gestein (rechts). Diese Sprengungen erzeugen neben den Explosionskanälen auch Risskeime im Gestein, die durch die Fracking-Flüssigkeit aufgeweitet werden.

Abb. Links: Simulierter Explosionsvorgang mit einer Perforationskanone nach Bassam Salim (2011): Stimulation Technology StimGun, Quelle: https://www.perforators.org, PDF, (Stand 02.05.2021)
Abb. Rechts: Testsprengung in Beton nach D. Pratt (2011): HERO Shaped Charges - Providing Clean Perforation Tunnels that Minimize Formation Damage & Maximize Communication, Quelle: http://www.perforators.org, PDF, (Stand Mai, 2013)

 

Die typische Perforationskanone besteht nach Brad Hansen (2011) in der Regel aus mehreren miteinander verbundenen, mit Sprengstoff präparierten Rohrsegmenten, um vor dem Fracking im Bereich der Horizontalbohrung einige hundert bis tausend Perforationssprengungen vornehmen zu können.

Hier die wichtigsten Daten einer typischen Perforationskanone, (Stand 02.05.2021) aus der Veröffentlichung von Brad Hansen (2011):

• Typischer Rohr-Durchmesser der Perforationskanone: 2” bis 4” (5 bis 10 cm)
• Typischer Loch-Durchmesser des Sprengkanals: 0.23” bis 0.72” (0,6 bis 1,8 cm)
• Typische Loch-Tiefe des Sprengkanals im Gestein: 6” bis 48” (15 bis 122 cm)
• Typische Anzahl der Sprenglöcher pro Meter: 12 bis 36 (d. h. einige 100 bis 1000 Sprenglöcher pro Bohrung)

 

Das eigentliche Fracking

Erst jetzt beginnt das eigentliche Hydraulic Fracturing. Nach den Sprengungen wird unter hohem Druck (500 - 1000 bar) die Fracking-Flüssigkeit (Wasser, Sand und Chemikalien) mit dem Ziel eingepresst, das Sprengloch und die Risse im Gestein aufzuweiten. Die Beimischung von Sand dient dazu, die Risse daran zu hindern, sich nach dem Zurückpumpen der Fracking-Flüssigkeit wieder zu schließen. Die Fracking-Flüssigkeit setzt sich zusammen aus Wasser, Sand sowie diversen Zusatzstoffen (Benzol, Formaldehyd, Diesel, etc.), die u. a. als Schmiermittel dienen. Abhängig von der Bohrloch-Tiefe und Bohrloch-Länge werden einige Millionen Litern Fracking-Flüssigkeit benötigt, um den Druck im Bohrloch aufzubauen, vgl. wildernesscommittee.org (10.12.2023).
Nachdem das Aufbrechen des Gesteins abgeschlossen ist, wird die Fracking-Flüssigkeit wieder aus dem Gestein als Abwasser zurückgepumpt. In der Regel können zwischen 70% bis 90% der Fracking-Flüssigkeit wieder zurückgepumpt und dann zwischengelagert werden. Der Rest der Flüssigkeit verbleibt in Poren, Rissen und Spalten des Gesteins.

Die Gas-Förderung

Bei der produktiven Gas-Förderung wird das im Gestein freigesetzte Gas (vorrangig Methan, CH₄) über das Bohrloch gefördert. Oft werden um das eigentliche Bohrloch zusätzliche Bohrungen erstellt, um das Frackingvolumen zu erhöhen und die Ausbeute zu verbessern.