Grundlagen Schiefergas
Es ist seit langem bekannt, dass Schiefer (richtig wäre: Tonsteine, Erläuterung hier) erhebliche Mengen an Erdöl oder Erdgas enthalten können. Jedoch erst der technische Fortschritt in den Bereichen Richtbohren und Hydraulic Fracturing machte es möglich, diese Rohstoffe wirtschaftlich zu fördern. Der Barnett Shale in Texas, USA, war die erste Schiefergas-Lagerstätte weltweit, aus der Erdgas in großem Umfang gefördert wurde. Ausgeprägte Bohraktivitäten begannen dort in den späten 1990er Jahren.
Was ist Schiefergas?
Schiefergas* ist Erdgas aus Tonsteinen. Erdgaslagerstätten kommen weltweit in vielen verschiedenen Sedimentgesteinen vor, z.B. in Sandsteinen, Kalksteinen oder Tonsteinen. Während Sandsteine oft eine gute Durchlässigkeit aufweisen, dh., die kleinen Poren im Gestein gut miteinander verbunden sind und das Gas deshalb durch das Gestein fließen kann, haben Tonsteine in der Regel eine äußerst geringe Durchlässigkeit. Deshalb ist die Produktion von Schiefergas technisch aufwändiger als bei Erdgas aus gut durchlässigem Gestein.
Wo kommt Schiefergas vor?
Schichten mit Tonsteinen sind oft in Sedimentfolgen zu finden, Tonsteine sind die am häufigsten vorkommenden Sedimentgesteine weltweit. Große Sedimentbecken, in denen sich die Sedimente über Millionen von Jahren angesammelt haben, sind günstige Stellen, um große Mengen an Tonsteinen mit ausreichender Mächtigkeit zu bilden. Nicht alle Tonsteine enthalten entsprechende Mengen an Erdgas. Geologische Modellierung kann die Explorationsgeologen an aussichtsreiche Standorte führen. Anschließend müssen durch Untersuchungen an erbohrten Gesteinsproben Informationen über den Gasgehalt der Tonsteine gewonnen werden.
Da die Erkungung und Förderung von Schiefergas lediglich in Nordamerika im großen Umfang betrieben wird, sind die Informationen über das weltweite Vorkommen von Schiefergas sehr unvollständig. Im EIA-Bericht aus dem Jahr 2013 "Technically Recoverable Shale Oil and Shale Gas Resources: An Assessment of 137 Shale Formations in 41 Countries Outside the United States" sind Informationen über 95 Sedimentbecken in 41 Ländern (Abb. 1) mit Kurzbeschreibungen der Geologie, der Eigenschaften des Reservoirs und der Ressourcen in den einzelnen Sedimentbecken enthalten.
Abb. 1: Karte der großen Schiefergas-Sedimentbecken in 41 Ländern (EIA, 2013).Nordamerika
Die großen Schiefergas-Vorkommen in Nordamerika sind in Abb. 2 dargestellt. In vielen der Tonstein-Formationen wurde Erdgas nachgewiesen, das auch bereits gefördert wird. Die Schiefergas-Förderung hat in den Vereinigten Staaten im Barnett Shale, Texas, in den späten 1990ern begonnen.
Fig. 2: Erdgas Ressourcen in Nordamerika (IEA, 2012).Europa
Ob die großen Tonstein-Vorkommen in Europa (Abb. 3-5) für die Schiefergas-Förderung im großen Umfang geeignet sind, ist in den meisten Fällen noch nicht bekannt. Einige wenige Bohrungen wurden vorgenommen, und nun werden im Rahmen wissenschaftlicher Untersuchungen Daten bezüglich der Standorte und des Ursprungs der Tonstein-Vorkommen erfasst und zusammengestellt.
Ein bedeutender Ansatz in dieser Richtung ist das Projekt "Gas Shales in Europe" (GASH). Hierbei handelt es sich um die erste europäische interdisziplinäre Initiative zur Erforschung von Schiefergas. GASH wird vom GFZ, dem Deutschen GeoForschungsZentrum, koordiniert. Im Projekt werden eine GIS-basierte europäische Schwarzschiefer-Datenbank entwickelt sowie 12 Forschungsprojekte in einer internationalen Arbeitsgruppe mit Experten aus Forschungsinstituten, Geologischen Diensten, Universitäten und externen Beratern durchgeführt.
Abb. 3: Potentielle Schiefergas-Sedimentbecken in Osteuropa (EIA, 2013).
Abb. 4: Schiefergas-Sedimentbecken und Coalbed Methan in Westeuropa (IEA, 2012).
Abb. 5: Untersuchte Schiefergas-Sedimentbecken in Polen (EIA, 2013).Welche Vorteile gibt es?
Abb. 1: Geschätzte technisch förderbare Schiefergas-Mengen für ausgesuchte Sedimentbecken in einigen europäischen Ländern (Aus: U.S. EIA „World Shale Gas Resources: An Initial Assessment of 14 Regions Outside the United States", 2011 und „Technically Recoverable Shale Oil and Shale Gas Resources: An Assessment of 137 Shale Formations in 41 Countries Outside the United States”, 2013).Sichere Energieversorgung
Gemäß dem U.S. Energy Information Administration (EIA) Bericht von 2013 verfügen die USA über 567 Billionen (1012) Kubikfuß (trillion cubic feet, Tcf) Schiefergas. Angesichts des Energieverbrauchs der USA im Jahr 2012 entspricht dies der Energieversorgung der USA für 22 Jahre. Im Jahr 2011 lag der Anteil an Schiefergas bei 34 % des gesamten in den USA geförderten Erdgases. Er könnte nach Prognosen der EIA Annual Energy Outlook 2013 im Jahr 2040 sogar auf 50 % der gesamten US-amerikanischen Erdgasförderung wachsen.
Die geschätzten Schiefergas-Vorkommen in den europäischen Ländern sind in Abb. 1 dargestellt (aktuellere Schätzungen liegen für Deutschland, Polen und Großbritannien vor: Polen: 12-27 (möglicherweise bis zu 67) Tcf (Państwowego Instytutu Geologicznego, März 2012); Deutschland: 11-71 Tcf technisch förderbare Schiefergasressourcen (Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR), Januar 2016); Großbritannien**: 822-2281 Tcf (British Geological Survey, Juli 2013), Dänemark: 0-13,4 Tcf (USGS Studie, Dezember 2013), Lithauen***: 36-181 Tcf (Lazauskiene & Zdanaviciute, 2014). Schiefergas kann dazu beitragen, den langfristigen Erdgasbedarf aus inländischer Erzeugung zu decken, da die meisten europäischen Länder Erdgas importieren (Tab.1; lediglich die Niederlande, Dänemark und Norwegen sind Erdgasexporteure).
Tab. 1: Erdgasimporte ausgesuchter europäischer Länder (basierend auf Daten aus dem Jahr 2009, EIA 2011)
| Land | Importe (Exporte) | Land | Importe (Exporte) | |
|---|---|---|---|---|
| Frankreich | 98% | Dänemark | (47%) | |
| Deutschland | 84% | Schweden | 100% | |
| Niederlande | (38%) | Polen | 64% | |
| Norwegen | (96%) | Türkei | 98% | |
| Großbritannien | 33% | Ukraine | 54% |
**In der Studie von Großbritannien wird kein Gewinnungsfaktor genannt und die Mengen beziehen sich auf die Schiefergas-Gesamtmengen. Bei einer konservativen Schätzung von 10 % liegen die technisch gewinnbaren Mengen bei 82-228 Tcf.
***In der Studie von Lithauen wird kein Gewinnungsfaktor genannt und die Mengen beziehen sich auf die Schiefergas-Gesamtmengen. Bei einer konservativen Schätzung von 10 % liegen die technisch gewinnbaren Mengen bei 3.6 – 18.1 Tcf.
Positive wirtschaftliche Auswirkungen
Untersuchungen zeigen, dass die Schiefergas-Industrie in den USA viele Arbeitsplätze geschaffen sowie tiefgreifende positive Auswirkungen auf die Wirtschaft hat, wie etwa die Senkung der Verbraucherkosten für Erdgas und Strom, die Ankurbelung des Wirtschaftswachstums und die Erhöhung des Steueraufkommens von Bund, Ländern und Kommunen.
Weltweit liegen 32 % der geschätzten Erdgas-Vorkommen in Tonstein-Formationen (EIA, 2013). Durch die schnelle Förderung von großen Mengen Schiefergas und Öl aus unkonventionellen Lagerstätten bei relativ geringen Kosten wurde die amerikanische Öl- und Erdgas-Förderung revolutioniert. Laut EIA (2013) lag der Schiefergas-Anteil im Jahr 2012 an gefördertem Erdgas bei 40% in den USA.
Die im Dezember 2011 veröffentlichte Studie „The Economic and Employment Contributions of Shale Gas in the United States“ von IHS§ kommt zu dem Schluss, dass die Schiefergas-Produktion im Jahr 2010 18,6 Milliarden US-Dollar zum Steueraufkommen von Bund, Ländern und Kommunen sowie den Abgabeneinnahmen des Bundes beigetragen hat. Zudem geht aus der Studie hervor, dass der Beitrag von Schiefergas zum BIP im Jahr 2010 über 76 Milliarden US-Dollar betrug. Im Juni 2012 wurde ein aktualisierter Bericht „The Economic and Employment Contributions of Unconventional Gas Development in State Economies” von IHS veröffentlicht, in dem neben Schiefergas auch Erdgas aus undurchlässigen Gesteinsschichten (tight gas) und aus Kohleflözen (coal bed methane) berücksichtigt wurden. Im Bericht wird angenommen, dass der Bereich der unkonventionellen Gas-Industrie (Schiefergas, Methan aus Kohleflözen sowie tight gas) jährlich mehr als 49 Milliarden US-Dollar Staatseinnahmen und 197 Milliarden US-Dollar zum BIP bis 2015 beitragen wird. Des Weiteren wurden bisher 1 Million Arbeitsplätze im Jahr 2010 durch die Gas-Industrie aus unkonventionellen Lagerstätten geschaffen und wird noch weiter bis 2015 auf 1,5 Millionen Arbeitsplätze anwachsen.
Die im September 2011 veröffentlichte Studie „Ohio’s Natural Gas and Crude Oil Exploration and Production Industry and the Emerging Utica Gas Formation - Economic Impact Study“ hebt den wirtschaftlichen Beitrag und Nutzen der Erdgas- und Erdölindustrie für den Bundesstaat Ohio hervor. Sie enthält eine Abschätzung der wirtschaftlichen Vorteile der geplanten Industrieinvestitionen für die Entwicklung der Utica Shale Formation in Ohio. Die Studie stellt u.a. fest, dass „bis zum Jahr 2015 mehr als 204.000 Arbeitsplätze durch Erkundung, Verpachtung, Bohrungen und Bau einer Verbindungspipeline für die Utica Shale Formation geschaffen oder unterstützt werden.“ Eine von IHS veröffentlichte aktuellere Studie „America’s New Energy Future: The Unconventional Oil and Gas Revolution and the US Economy. Volume 2 – State Economic Contributions” von Dezember 2012 berichtet über Steuereinnahmen auf Landes- und Kommunenebene in Ohio von 910 Millionen US-Dollar durch die Industrie im Jahr 2011. Weiterhin sind laut der Studie derzeit 38.380 Arbeitsplätze im Sektor der unkonventionellen Gas- und Öl-Industrie vorhanden und es werden noch weitere bis 2020 auf 143.595 und bis 2035 auf 266.624 Arbeitsplätze geschaffen.
§ Information Handling Services (IHS Inc.) stellt Informationen zu den Themen Energie, Produktlebenszyklen, Wirtschaft, Umwelt und Sicherheit zusammen.
Verminderung von Treibhausgas-Emissionen
Erdgas produziert bei der Verbrennung deutlich weniger CO2 und andere Luftschadstoffe als Kohle und Öl, Erdgas ist deshalb der sauberste fossile Rohstoff. Die Klimafreundlichkeit von konventionellem Erdgas ist allgemein anerkannt, wird jedoch in Bezug auf Erdgas aus Tonsteinen in Frage gestellt, da dessen Produktion zu erhöhten Treibhausgasemissionen führt.
Die Ergebnisse der meisten aktuellen wissenschaftlichen Studien zeigen allerdings, dass die Auswirkungen von Schiefergas auf das Klima im Vergleich zu konventionellem Erdgas nur geringfügig höher sind und deutlich geringer als die von Kohle. Das setzt voraus, dass die besten derzeit verfügbaren Technologien bei der Produktion verwendet werden. Allerdings räumen die meisten Studien ausdrücklich große Unsicherheit bezüglich einiger oder vieler ihrer Annahmen ein und es besteht noch Forschungsbedarf zu diesem Thema (siehe SHIP “Climate Impact”).
Welche Risiken gibt es?
Bei der Gasförderung aus Tonsteinen wird aufgrund ihrer geringen Durchlässigkeit Hydraulic Fracturing (hydraulische Rissbildung, mehr dazu siehe hier und hier) angewandt. Mit dieser Technologie werden ein hoher Bedarf an Frischwasser, die Erzeugung von großen Abwassermengen, induzierte Seismizität, Treibhausgasemissionen und Grundwasserverunreinigungen in Verbindung gebracht. Weitere Belastungen für die Umwelt und die Öffentlichkeit sind die große Anzahl an Bohrplätzen, Betriebslärm und ein verstärkter Lkw-Verkehr. Nicht zuletzt gibt es auch ein wirtschaftliches Risiko, nämlich für die Produzenten von Schiefergas.
Die Technologien im Bereich der Schiefergas-Erschließung haben sich in den letzten Jahren stark entwickelt und werden weiter verbessert. Einige Umweltbelastungen sind mit Hilfe dieser neuen technologischen Entwicklungen schon effektiv verringert worden. Die bekanntesten Beispiele sind die Verringerung von Treibhausgasemissionen bei der SchiefergasFörderung und die Verringerung des Frischwasserbedarfs durch vermehrtes Recycling und Wiederverwenden von Abwasser. Andere Probleme, wie zum Beispiel induzierte Seismizität, müssen bei der Forschung und Entwicklung noch stärkere Beachtung finden.
Wasserverunreinigungen
Grundwasserverunreinigungen können durch ausgelaufene Flüssigkeiten an der Oberfläche oder durch ein Leck im Bohrloch entstehen. Der Aufstieg von Flüssigkeiten durch die Gesteinsformationen zwischen der Tonstein-Formation und oberflächlichen grundwasserführenden Schichten ist prinzipiell auch möglich, jedoch sehr unwahrscheinlich.
Abwasser entsteht bei der Produktion von Schiefergas hauptsächlich in der Rückflussphase, wenn ein Teil der eingepressten Flüssigkeit, dem sog. Fracfluid, nach dem Hydraulic Fracturing wieder an die Oberfläche gelangt. Zusätzlich zu dem im Fracfluid enthaltenen Stützmittel und den Chemikalien hat das zurückfließende Wasser durch den Kontakt mit dem Tonstein eine Reihe von Elementen aufgenommen, darunter auch natürlich vorkommende radioaktive Stoffe. Dieses Wasser muss zur Wiederverwertung oder Entsorgung angemessen aufbereitet werden.
Dies kann mit heute verfügbaren Technologien erreicht werden, ist aber sehr kostenintensiv. Diese Technologien werden derzeit weiterentwickelt, um die Effizienz zu steigern und Kosten einzusparen. Dennoch kam es in der Vergangenheit in den USA bereits zu Vorfällen wie dem Ableiten von verunreinigtem Wasser in Flüsse, der Benutzung ungeeigneter öffentlicher Wasseraufbereitungsanlagen und dem Überlaufen von Abwasser durch unsachgemäße Handhabung. Diese Vorfälle müssen untersucht und beseitigt werden, und vor allem muss aus solchen Vorfällen für die Zukunft gelernt werden.
Wasserbedarf
Beim Hydraulic Fracturing werden erhebliche Wassermengen verwendet. Dieses Wasser kann aus natürlichen Quellen wie Flüssen oder aus dem Grundwasser bezogen werden. Zunehmend wird auch das zurückgewonnene Fracfluid recycelt und wiederverwendet. Der Wasserbedarf der Schiefergas-Industrie macht in aller Regel nur einen kleinen Teil des gesamten Wasserverbrauchs einer bestimmten Region aus. Dennoch muss dieser Bedarf durch die Zusammenarbeit der Industrie mit den regionalen Wasserbehörden richtig verwaltet werden. Generell stellt die Verfügbarkeit von Wasser für die Produktion von Schiefergas nur in den wasserarmen Regionen der Erde ein Problem dar.
Induzierte Seismizität
Durch das Erzeugen von Rissen im Tonstein löst das Hydraulic Fracturing Millionen sehr kleiner und lokaler seismischer Ereignisse aus. Die Betreiber profitieren in hohem Maße von diesen Ereignissen, deren Signale mit speziellen Geräten aufgezeichnet werden können: damit kann die örtliche und zeitliche Verteilung der in der Tiefe erzeugten Risse genau lokalisiert werden.
Auf der anderen Seite kann der in der Tiefe auf das Gestein ausgeübte Druck mit dem natürlich vorhandenen Spannungsfeld wechselwirken. Auf diese Weise könnten weitere seismische Ereignisse induziert werden, die größer sein können als die gewollt produzierte Mikroseismizität. Solche offenbar mit dem Hydraulic Fracturing von Tonsteinen verbundenen seismischen Ereignisse sind vorgekommen und haben trotz ihres geringen Ausmaßes große Aufmerksamkeit erregt und eingehende Untersuchungen nach sich gezogen.
Verfahren zur Verringerung des Risikos induzierter Seismizität sind im Rahmen der geothermischen Energieerzeugung entwickelt worden. Diese Praktiken können in ähnlicher Weise auf die Schiefergas-Förderung angewandt werden, da bei der Energieerzeugung aus Erdwärme ähnliche Techniken des Hydraulic Fracturing angewendet werden. Präzises Wissen über das unter der Erde bestehende Spannungsfeld und die mechanischen Eigenschaften des Gesteins ist jedoch immer begrenzt, so dass die Verringerung des Risikos induzierter Seismizität auch in Zukunft eine komplexe und anspruchsvolle Aufgabe bleibt.
Treibhausgasemissionen
Wenn Methan, der Hauptbestandteil von Erdgas, in die Atmosphäre gelangt, kann es als starkes Treibhausgas wirken, das zur globalen Erwärmung beiträgt. In der Rückflussphase einer Schiefergas-Bohrung können große Mengen an Methan in die Atmosphäre freigesetzt werden: das an die Oberfläche zurückfließende Fracfluid bringt Erdgas mit sich, das aus dem frischen Rissen im Tonstein freigesetzt wird.
Bei der Schiefergas-Erschließung war es bis vor kurzem üblich, das in der Rückflussphase produzierte Gas in die Atmosphäre zu entlassen oder es abzufackeln. Das Abfackeln (Verbrennen) des Gases führt zur Umwandlung von Methan in das ebenfalls zu den Treibhausgasen zählende Kohlendioxid und ist deshalb aus Gründen des Klimaschutzes nicht wünschenswert. Mit heute verfügbaren Technologien, sogenannten Reduced Emission Completions (REC), kann das austretende Gas jedoch am Bohrloch aufgefangen werden. RECs werden von den Shale Gas Produzenten aus verschiedenen Gründen zunehmend angewendet. Zu diesen Gründen zählen der Umweltschutz, aber auch der Erlös aus dem Verkauf des aufgefangen Erdgases.
Wirtschaft
Eine ganzheitliche Betrachtung der Erschließung von Schiefergas muss neben den ökologischen Risiken und gesellschaftlichen Herausforderungen auch wirtschaftliche Faktoren einschließen. Die wirtschaftlichen Risiken von Schiefergas-Bohrungen bestehen darin, dass horizontale Bohrungen und Hydraulic Fracturing die Investitionskosten erheblich erhöhen . Zu den wesentlichen Faktoren bei der Ermittlung der wirtschaftlichen Risiken gehören 1) unzureichend bekannte Produktionsraten der Schiefergas-Bohrungen über längere Zeiträume und 2) dauerhaft niedrige Erdgaspreise auf dem Weltmarkt. Der wirtschaftliche Erfolg von Schiefergas in den USA, von dem in letzter Zeit berichtet wurde, kann sich durchaus in der Zukunft fortsetzen, ist jedoch kein Selbstläufer.
