Hydraulic Fracturing

Hydraulic Fracturing (im deutschsprachigen Raum meist "Fracking" genannt; die Schreibweise "Fracing" wird selten verwendet) ist eine Methode der Tiefbohrtechnik, bei welcher durch das Einpressen eines Fracfluides in eine Bohrung an dieser künstliche Risse erzeugt werden. Ziel ist es dabei, die Permeabilität in der Nähe dieser im Produktionsbereich zu erhöhen, wenn dies eine wirtschaftlichere Förderung der zu fördernden Ressource erlaubt oder gerade die Förderung erst ermöglicht.

Im Englischen lauten die Bezeichnungen "fracking,", fraccing, "hydrofracking, "Frac'ing"" oder "frac jobs".

Anwendungsgebiete

Die Anwendung von Fracturingtechniken bietet sich bei allen flüssigen und gasförmigen Ressourcen an, deren Förderung durch eine geringe Permeabilität des Reservoirgesteins eingeschränkt ist, um dadurch höhere Flussraten der Fluide zu erzielen oder ehemals hohe Flussraten wiederherzustellen. Die Methode des Fracens ist in der Förderung von Erdöl und Erdgas sehr verbreitet. So war diese Stimulationsmethode im Jahr 2008 mehr als 50.000mal im Einsatz. Ihre Entwicklung im Bereich der Erdöl- und Erdgasproduktion geht in die 1940er Jahre zurück. Die erste kommerzielle Anwendung fand 1949 statt. In anderen Bergbaubereichen ist die Anwendung sogar noch älter. Heutzutage sind etwa 90 % der Gasbohrungen in den Vereinigten Staaten gefract. Gerade in tief versenkten Formationen bietet sich hier das Fracen an, da die Permeabilität mit der Versenkung abnimmt. Eine besondere Bedeutung erhält das Fracen im Bereich des unkonventionellen Erdgases (Tight Gas, Shale Gas und Kohleflözgas), da dessen Reservoire per Definition über eine geringe Permeabilität verfügen.

Anwendungen Reservoirstimulation mittels Fracen sind außerhalb der Produktion von Erdöl und Erdgas ebenfalls geläufig:

• Stimulation des Wasserflusses in der Tiefen Geothermie
• Stimulation von Grundwasserbrunnen
• Im Bergbau auf feste mineralische Ressourcen. So bietet es sich in einigen Fällen an, Bohrungen zur langfristigen Vorentgasung in Steinkohlegruben zu fracen.

Technik

Beim Frac job wird das Frac Fluid in die Bohrung gepresst. Der hierbei im zu fracenden Bereich erreichte Druck muss dabei die geringste im Gestein anliegende Spannung überschreiten. Dabei drückt das Frac Fluid das Gestein gegen die geringste anliegende Spannung hin auseinander. Im Normalfall liegen die niedrigeren Spannungsrichtungen in der Vertikalen, da der senkrechte lithostatische Druck ohne weitere Einflüsse die Hauptspannung darstellt. Im Fall von tektonischer Fernwirkung können aber auch andere Spannungsrichtungen die Hauptspannung sein.

Gegen Ende des Frac Jobs wird das eingepresste Frac Fluid fast vollständig zurückgepumpt, wobei dem Fluid beigesetzte Additive, welches gewöhnlich Sand ist, in den Rissen verbleiben, um diese offen zu halten und somit den induzierten Frac einen hoch permeablen Zugang zur Bohrung offen zu halten.

Fracfluide

Die beim Fracken verwandten Fluide sind das hydraulische Medium, welches den Druck zum Aufsprengen des Gesteins überträgt. Die Menge der Flüssigkeit besteht vor allem aus Wasser, dem weitere Stoffe beigemischt werden. So wird vor allem Sand beigestellt, welcher die Aufgabe hat, die erzeugten Risse offen zu halten. Dazu werden weitere Additive zugegeben, welche spezielle Aufgaben erfüllen sollen. Beispiele für mögliche Additive sind:

• Gele (z. B. aus Guar - Viskositätserhöhung zum besseren Sandtransport
• Schäume (aus Schaumbildner und z. B. CO₂ oder N₂) - Transport und Ablagerung des Sandes
• Säuren (HCl, Essigsäure, Ameisensäure) – Lösung von Mineralen
• Korrosionsschutzmittel – bei der Zugabe von Säuren zum Schutz der Anlagen
• Brecher (Säuren, Oxidationsmittel, Enzyme) - Verringerung der Viskosität des Frac Fluids zur besseren Rückholung der Fluide
• Biozide - Verhinderung von Bakterienwachstum an org. Bestandteilen
• Fluid-Loss-Additive (Sand, Lehm,…) – Verringerung des Ausflusses des Frac Fluids in das Gestein
• Reibungsminderer (Latexpolymere, Copolymere des Akrylamids) - Verringerung der Reibung innerhalb der Fluide

Über die Auswirkungen der Additive auf die Umwelt sind seit einiger Zeit in der Öffentlichkeit Diskussionen entbrannt, da einige der verwandten Additive toxisch bzw. in der deutschen Gefahrstoffverordnung als Karzinogene erfasst sind. Der Anteil der Additive in der Flüssigkeit ist prozentual gemessen gering, jedoch bemisst sich die absolute Menge durchaus in Tonnen, da insgesamt sehr große Mengen der Frac-Flüssigkeit benötigt werden.

Wirtschaftlichkeit

Da die künstlich erzeugten Risse jeweils nur eine relativ eng um das Bohrloch begrenzte Wirkung haben, ist die Zahl der nötigen Bohrungen im Vergleich zur herkömmlichen Erdgasförderung sehr viel höher. Die Förderungsdauer ist also relativ zur Anzahl der Bohrungen. Die Gasmenge, die pro Bohrloch förderbar ist, ist zudem um ein Vielfaches kleiner als bei herkömmlicher Gasförderung von leicht erschließbaren Feldern. Die Förderung unkonventioneller Gasvorkommen ist daher wesentlich aufwendiger als die bisherige Gasförderung. Die Betrachtung des Ertrags kann rein energetisch geschehen, also die Bilanz der zur Bohrung und zur Förderung nötigen Gesamtenergie und der daraus zu gewinnenden Energiemenge in Form von Erdgas. Diese Bilanz ist beim Hydraulic Fracturing stets kleiner als bei konventioneller Förderung.

In der Gaslagerstätte Söhlingen/Niedersachsen ist es bereits 2003 zu ersten Fracs gekommen. Ebenso erteilte das Bergamt Niedersachsen im Jahr 2008 wiederholt Bohrgenehmigungen für ExxonMobil, obwohl die Konsequenzen der Frac-Methode nicht ausreichend erforscht und die Auswirkungen auf das betroffene Borringhauser Moor sowie die nahgelegene Stadt Damme nicht seriös abzuschätzen sind. Bislang wurden von Exxon fünf Probebohrungen abgeteuft (Stand: August 2010), zwei weitere sind bis Ende 2011 geplant.

Auch andere Unternehmen planen derartige Projekte. In den USA wird die Methode seit 2005 angewandt, wodurch die Gasförderung in den USA binnen weniger Jahre stark anstieg. Dank der Erschließung umfangreicher "Schiefergasvorkommen" stieg die amerikanische Erdgasproduktion zwischen Anfang 2007 und Mitte 2008 um 14 Prozent. Zum einen bewirkt die Menge der Vorkommen eine Erhöhung des Angebots auf dem Energiemarkt, was den Preis des Erdgases fallen lässt und dieses als Energiequelle gegenüber Erdöl attraktiver macht. Besonders im Transportsektor wird eine zunehmende Umstellung von benzin- auf erdgasbetriebene Fahrzeuge erwartet. Zum anderen erhöhen die großen Vorkommen des fossilen Rohstoffs auf amerikanischen Territorium die Unabhängigkeit der USA vom Erdölimport.

Umweltprobleme

Die Bohrungen im Rahmen des Hydraulic Fracturing haben direkte Auswirkungen auf die Umwelt. Probleme können durch die eingesetzten Zuschlagstoffe und Flüssigkeiten entstehen, sobald diese aus den Rissen im Gestein ins Grundwasser übergehen. Noch vor wenigen Jahren wurde ein solcher Übergang zum Beispiel im Falle von Kohleflözgasen von der amerikanischen Umweltbehörde (EPA) als unwahrscheinlich angesehen, wobei diese Beurteilung u.a. auf die große Entfernungen zwischen den Reservoiren und den grundwasserführenden Aquiferen und eben die geringe Permeabilität der gefracten Schichten zurückging. Auch stufen die meisten Unternehmen, welche diese Methode einsetzen, diese Gefahr als nicht zu hoch ein. Eine Garantie, dass sich jene Risse, nicht auch in wasserführende Schichten fortsetzen, kann nicht gegeben werden, was allerdings in den meisten geologischen Fragestellungen der Fall ist, da eine hundertprozentige Erkundung der Verhältnisse untertage schlicht nicht möglich ist. Ebenso kann das sehr unwahrscheinliche Eindringen des Gases in Grundwasserschichten oder gar ein Austreten an der Erdoberfläche nicht ausgeschlossen werden.

Als weiteres Problem wird angesehen, dass sich Teile der Fracfluide in den Rissen ablagern. Dies ist im Fall einiger Zusätze (Sande) sogar gewollt, da diese die Risse aufhalten. Der Großteil des restlichen Fracfluides wird allerdings bei der Druckabsenkung am Ende des Vorgangs wieder zur Bohrung zurückgeführt. Des Weiteren besteht bei der späteren Produktion ein Stoffstrom zur Bohrung hin und nicht weg von dieser. Daher wurde auch diese Gefahr durch die EPA zunächst als eher untergeordnet eingestuft.

Im November 2010 wurde die EPA vom US-Kongress mit einer Neubewertung der potentiellen Kontamination von Grund- und Trinkwasser durch den Frac-Prozess beauftragt. Die Ergebnisse dieser Studie werden nicht vor 2012 erwartet.

In den USA sind bereits Fälle belegt, in denen das Erdgas sich über solche Risse mit dem Grundwasser vermischt hat, sich darin löst, und über Wasserhähne in die Haushalte von Verbrauchern gelangt, die nahe der Förderungsfelder und Bohranlagen wohnen. Der im Jahr 2010 von Josh Fox gedrehte und vielfach ausgezeichnete Dokumentarfilm Gasland machte sich aufgrund dieser Phänomene die Fracking-Methode zum Gegenstand. Gezeigt wird unter anderem, dass die Konzentration des Gases in den betroffenen Wasserleitungen so hoch ist, dass sich das Wasser aus dem Wasserhahn mit einem Feuerzeug entzünden lässt. Die Löslichkeit von Gasen ist über den umgebenden Druck begrenzt. Die möglichen gesundheitlichen Folgen durch mit Erdgas kontaminiertes Trinkwasser sind bislang nicht umfassend untersucht.

Auch der mögliche Transport der Zuschlagsflüssigkeiten aus dem hydraulischen Erzeugen von Rissen ins Grundwasser ist bedenklich. Da einige der eingesetzten Chemikalien krebserregend oder anderweitig gesundheitsschädigend sind, ist die Gefahr einer Umweltbelastung nicht gering.

Eine Untersuchung des US-Kongresses vom April 2011 summiert die 2005 bis 2009 eingesetzten Mengen an Frac-Hilfsstoffen, die karzinogene aromatische Verbindungen wie Benzol oder Ethylbenzol enthalten, auf über 43 Millionen Liter, und eine unmittelbare Umweltbelastung ergibt sich durch von diesen Verbindungen unzureichend gereinigten Abwässern, die in den Vereinigten Staaten in Oberflächengewässer eingeleitet werden.

Die Firmen, die diese Methode einsetzen, verweisen zwar auf die geringen Anteile dieser Zusatzsstoffe, jedoch ist bei einigen der bedenklichen Stoffe nicht die Verdünnung entscheidend, sondern sie dürften nach der in Deutschland geltenden Wassergefährdungsklassifikation grundsätzlich überhaupt nicht mit Wasser vermischt werden.

• 2011 fanden Wissenschaftler der Duke University in North Carolina das Trinkwasser von 60 Haushalten in der Umgebung von Schiefergasbohrungen. 13 von 26 Trinkwasserbrunnen in einem Umkreis von einem Kilometer der Bohrungen waren so stark mit Methan angereichert, dass das Wasser Feuer fangen konnte. In 34 Brunnen, die weiter entfernt waren, war das nur in einem Fall so.

• Eine Studie der Cornell University (New York) kommt zu dem Ergebnis, dass unkonventionell gefördertes Erdgas schädlicher für den Treibhauseffekt ist als Kohle: Reines Methan, das nach dem Fracking unkontrolliert aus dem Boden entweicht, verstärkt den Treibhauseffekt; es richtet dort weitaus größere Schäden als CO₂ an. Der „Carbon Footprint“ von unkonventionell gefördertem Gas sei mindestens 20 Prozent größer als der von Kohle.

Diskussion in Deutschland

Im November 2010 löste eine Meldung des Nachrichtenmagazins "Der Spiegel" eine Debatte über Fracking aus, die bis heute (Mai 2011) anhält. Die Meldung begann mit den Sötzen "In Deutschland gibt es einen Run auf neue Erdgasquellen: Energieunternehmen wie Exxon Chart zeigen, BNK Petroleum oder die Stadtwerke Hamm hoffen auf satte Erlöse. Allerdings setzen sie dabei auf unkonventionelle Fördermethoden - und die bergen große Risiken. Im Oktober 2008 bohrte Exxon, in Deutschland vor allem durch seine Tankstellenmarke Esso bekannt, in der Nähe der Ortschaft Damme. Drei Mal presste der Konzern Fracing-Flüssigkeit in das Bohrloch, 1100 bis 1500 Meter tief in die Erde. Insgesamt leitete der Konzern ungefähr zwölf Millionen Liter Flüssigkeit in den Untergrund. Diese bestand zu 98 Prozent aus Wasser, wie Exxon mitteilt. Hinzu kamen Quarzsand - und sechs Chemikalien, die einen Anteil von 0,2 Prozent an der Flüssigkeit hatten. Insgesamt presste Exxon also rund 24.000 Liter Chemikalien in den Boden, wie viel von welchem Stoff, teilte der Konzern nicht mit." Der Spiegel veröffentlichte eine detaillierte Liste, welche Stoffe das waren, das viele davon - auch in geringen Konzentartionen - giftig und/oder krebserregend sind - und das in den USA aus einigen Wasserhähnen Wasser kommt, das soviel Gas enthält, dass man es anzünden (sic) kann. spiegel.de zitiert eine Studie von Werner Zittau

Weblinks

• Artikel "Methan-Verunreinigungen - Gasbohrungen machen Trinkwasser explosiv" auf Spiegel Online
• Artikel "Fragwürdige Fördertechnik: Benebelt vom Gas-Rausch" auf Spiegel Online,
• Energywatchgroup.org - Erdgas
• Kurzstudie zu Unkonventionellem Erdgas.pdf
• Offizielle Website des Films Gasland (engl.)
• Gefahr fürs Trinkwasser? Wie internationale Konzerne in Deutschland Erdgas fördern, "Monitor", 18. Nov. 2010
• Versorgungssicherheit durch Erdgas aus unkonventionellen Lagerstätten Interview mit Prof. Dr. Bernhard Cramer, BGR und Prof. Dr. Kurt M. Reinicke, TU Clausthal, WEG kompakt 5/2010
• Exxon: US-Konzern vergiftet Grundwasser in Norddeutschland, "Panorama", 3. März 2011
• Chemicals Were Injected Into Wells, Report Says, New York Times, 16. April 2011