Informationen über:
Wieviel Wasser wird für die Schiefergas-Produktion gebraucht?
Woher kommt das Wasser für die Schiefergas-Produktion?
Wie ist eine Bohrung aufgebaut, um das Grundwasser zu schützen?
Fracturing-Flüssigkeiten: Zusammensetzung und Nutzung
Wie wird mit Abwasser umgegangen und wie wird es behandelt?
Wie überwacht man Grundwasserqualität?
Die Grundlagen - Grundwasserschutz
Grundwasser ist eine der wichtigsten Ressourcen für das Leben auf der Erde. Die Verfügbarkeit von Grundwasser in ausreichender Menge und angemessener Qualität ist von zentraler Bedeutung für die Trinkwasserversorgung, die Landwirtschaft, für industrielle Prozesse und die Energieerzeugung in vielen Regionen der Welt.
Was ist Grundwasser?
Abb. 1: Grundwasser füllt die winzigen Poren und Klüfte der Gesteine.Unter Grundwasser versteht man Wasser unterhalb der Erdoberfläche. Es ist eine der wichtigsten natürlichen Ressourcen der Menschheit und Lebensgrundlage für Menschen, Tiere und Pflanzen. Grundwasser in Böden und Gesteinen bis in hunderte Meter Tiefe ist meist Süßwasser mit nur geringen Konzentrationen gelöster Salze und andere gelöster Stoffe. In der Regel nimmt der Salzgehalt des Grundwassers mit größerer Tiefe zu, so dass tiefes Grundwasser Salzwasser ist.
Fast 70 % der Erdoberfläche ist mit Wasser bedeckt. Jedoch ist der größte Teil davon salzhaltig und lediglich 2,5 % der globalen Wasserressourcen sind Süßwasser. Von diesen Süßwasserreserven ist wiederum fast 70 % in Form von Eis und Schnee gespeichert, lediglich ca. 30 % bilden unsere unterirdischen Süßwasservorkommen und weniger als 0,5 % sind als Oberflächenwasser in Feuchtgebieten, Flüssen und Seen verteilt. Die meisten Grundwasserressourcen wurden über viele Jahrhunderte - oder sogar Jahrtausende - gebildet. Die Grundwasserverfügbarkeit variiert stark von Region zu Region. Klimatische Bedingungen wie Niederschlag und Temperatur bestimmen, wie schnell entnommenes Grundwasser im Untergrund wieder gebildet wird. Die Speichereigenschaften der Gesteine im Untergrund kontrollieren wie viel Wasser gespeichert werden kann.
Weltweit ist die Landwirtschaft der größte Verbraucher von Wasser (70 %), gefolgt von der Industrie (20 %) und dem häuslichen Bedarf (10 %). Für Europa jedoch ist die Industrie (ca. 50 %) der größte Wasserverbraucher, gefolgt von der Landwirtschaft (30 %) und dem häuslichen Bedarf (20 %). (UNESCO 2012, WWDR4). Der Bedarf an sauberem Wasser steigt kontinuierlich mit dem Wachstum der Weltbevölkerung. In vielen Regionen wird Trinkwasser überwiegend aus dem Grundwasser gewonnen - bis zu 80 % in Europa, und mehr noch in Nordafrika und im Mittleren Osten. Die Notwendigkeit, die Wasserversorgung sowohl für den menschlichen Bedarf wie auch für das Ökosystem sicherzustellen, wird zu einer immer wichtigeren Aufgabe für die Wasserwirtschaft.
Energie und Wasser sind untrennbar miteinander verbunden. Obwohl es verschiedene Quellen für Energie und Elektrizität gibt, wird für die unterschiedlichen Herstellungsprozesse immer Wasser benötigt - sei es für die Gewinnung von Rohmaterialien, die Kühlung während thermischer Prozesse, die Säuberung von Materialien, den Anbau von Pflanzen für Biokraftstoff oder das Antreiben von Turbinen. Umgekehrt brauchen wir Energie, um unsere Wasser-Ressourcen für den Gebrauch zugänglich zu machen. Wir pumpen, transportieren, behandeln, entsalzen und bewässern. Diese beidseitige Abhängigkeit der Ressourcen wird auch als Wasser/Energie-Nexus bezeichnet (UNESCO 2012, WWDR4).
Mögliche Grundwasserprobleme im Zusammenhang mit Schiefergas sind 1) konkurrierende Nutzungen des Grundwassers, vor allem in ariden Gebieten und 2) das Risiko einer Verschmutzung des Grundwassers durch Fracturing-Fluide oder Erdgas (Methan). Im Folgenden werden Risiken sowie vorbeugende Maßnahmen beschrieben.
Weitere allgemeine Informationen über Grundwasser stehen auf den Webseiten des Umweltbundesamtes UBA und in der Broschüre „Grundwasser in Deutschland” zur Verfügung.
Wieviel Wasser wird für die Schiefergas-Produktion gebraucht?
Eine typische Schiefergas-Bohrung erfordert etwa 10-30 Millionen Liter Wasser (10 000 bis 30 000 m3) für das Bohren und den Vorgang des Hydraulic Fracturing. Wieviel Wasser ist das? 20 000 m3 Wasser entsprechen achtmal dem Volumen eines großen Schwimmbeckens („olympic size“, 25 x 50 x 2 m).
Die tatsächlich benötigte Wassermenge hängt von der Länge der Bohrung, der Anzahl der Fracturing-Operationen und den Eigenschaften der aufzubrechenden Gesteinsformation ab. Während der geringere Teil der Wassermenge für die Bohrarbeiten erforderlich ist, wird der überwiegende Teil des Wassers während des Hydraulic Fracturings verbraucht.
Obwohl die erforderliche Wassermenge für die Produktion von Schiefergas groß ist, ist es doch nur ein kleiner Prozentsatz im Vergleich zum gesamten Wasserverbrauch einer Regions. Die Daten für vier große Schiefergas-Fördergebiete in den USA zeigen, dass die Schiefergas-Produktion nur einen Bruchteil der gesamten regionalen Wassernutzung beansprucht (Tab. 1).
Tab. 1: Prozentualer Wasserverbrauch der Hauptabnehmer in vier großen US-Schierfergas-Fördergebieten (ALL Consulting, 2009). Angaben in %.
| Fördergebiet | Öffentliche Wasserversorgung | Industrie und Bergbau | Energiegewinnung | Bewässerung | Viehzucht | Schiefergas |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Barnett | 82,70 | 4,50 | 3,70 | 6,30 | 2,30 | 0,40 |
| Fayetteville | 2,30 | 1,10 | 33,30 | 62,90 | 0,30 | 0,10 |
| Haynesville | 45,90 | 27,20 | 13,50 | 8,50 | 4,00 | 0,80 |
| Marcellus | 11,97 | 16,13 | 71,70 | 0,12 | 0,01 | 0,06 |
Ein anderer Ansatz zur Bewertung des Wasserverbrauchs ist es, die Wasserintensitäten verschiedener Energiequellen zu vergleichen (Wasser pro erzeugter Energieeinheit, Mielke et al., 2010). Dies zeigt, dass die Schiefergas-Produktion einen höheren Wasserverbrauch als die Produktion herkömmlichen Erdgases hat (Abb. 1). Der Wasserverbrauch ist jedoch geringer als bei der Erzeugung und Aufbereitung anderer fossiler Brennstoffe wie Kohle oder Öl, und deutlich geringer als bei Biokraftstoffen (Abb. 2, bitte unterschiedliche Skalen der X-Achsen beachten).
Abb. 1: Wasserverbrauch bei Erdgasgewinnung und Transport (Mielke et al., 2010).
Abb. 2: Wasserverbrauch zur Gewinnung und Aufbereitung von Brennstoffen (Mielke et al., 2010).Woher kommt das Wasser für die Schiefergas-Produktion?
Das Wasser zum Bohren und für das Hydraulic Fracturing kann direkt aus Grund- oder Oberflächenwasser entnommen werden. Andere mögliche Quellen sind die kommunalen Wasserversorger, wiederaufbereitetes Wasser aus Kläranlagen oder Industrieproduktion (z. B. Kühlwasser aus Kraftwerken) sowie wiederverwertetes Wasser aus der Schiefergas-Produktion.
Die Entnahme großer Wassermenge aus Oberflächengewässern oder Grundwasser kann erhebliche ökologische Auswirkungen haben, wenn sie nicht sorgfältig geplant und durchgeführt wird. Es kann Auswirkungen auf nahe gelegene Trinkwasserquellen und anderen Wasserverbraucher haben. Dies erhöht das Konfliktpotenzial zwischen Nutzern und Wassernutzungen. Die Betreiber von Schiefergas-Bohrungen müssen eng mit den lokalen und regionalen Wasserbehörden zusammen arbeiten, um rechtzeitig auf mögliche konkurrierende Anforderungen und Einschränkungen hinsichtlich der Wasserverfügbarkeit aufmerksam zu werden.
Wie ist eine Bohrung aufgebaut, um das Grundwasser zu schützen?
Zum Schutz des Grundwassers ist die Verrohrung (zementierte Stahlrohre) das wichtigste Element, weil sie eine Isolierung der Bohrung zum Grundwasser hin gewährleistet. Bei einer Bohrung werden mit zunehmender Tiefe teleskopartig immer dünnerer Rohre in das Bohrloch einzementiert.
Das erste zementierte Rohr mit dem größten Durchmesser, die Ankerrohrtour, ist als Unterstützung für die Bohrlochkopfausrüstung und zur Aufnahme eines Sicherheitsventils (Blow-Out Preventer oder BOP) vorgesehen. Normalerweise wird dann die sogenannte Oberflächenrohrtour (surface casing) installiert und einzementiert, um die grundwasserführenden Gesteinsschichten zu isolieren.
Die Verrohrung in größeren Tiefen stellt sicher, dass unter hohem Druck stehende Fluide, die im Verlauf der immer tiefer werdenden Bohrung angetroffen werden, nicht höher gelegene, schwächere Gesteine aufbrechen. Als letztes wird ein Produktionsstrang in den Gesteinen der Lagerstätte installiert. In diesem Stahlrohr befinden sich viele kleine Löcher oder Schlitze, damit das Gas aus dem Gestein in das Rohr strömen kann. Die tieferen Abschnitte der gesamten Stahlverrohrung einer Bohrung reichen oft nicht bis an die Oberfläche, sondern werden in die vorhandene Verrohrung eingehängt.
Für die Rohre wird Karbonstahl mit Wandstärken zwischen 7-20 mm verwendet, in Abhängigkeit der zu erwartenden Druckverhältnisse. Es werden Stahlqualitäten mit verschiedenen Festigkeiten eingesetzt. Außerdem können in korrosiven Umgebungen alternative Stähle eingesetzt werden, z. B. Edelstahl mit hohem Chromanteil.
Der eingesetzte Zement ist noch variabler: Das Basismaterial ist Portlandzement, ähnlich wie der im Bauwesen üblicherweise verwendete, aber es werden nach Bedarf verschiedene Materialien beigemischt. Damit werden Suspensionen erzeugt, die abhängig vom Druck der Formationsflüssigkeit und dem Widerstand des Gesteins eine geringere Dichte als Wasser oder mehr als dessen 2,5 fache Dichte besitzen.
Fracturing-Flüssigkeiten: Zusammensetzung und Nutzung
Flüssigkeiten, die bei der Methode des Hydraulic Fracturing zum Einsatz kommen, heißen Fracturing-Flüssigkeiten (auch: Frack-Flüssigkeiten, Fracturing Fluide). Sie werden nach dem Bohren einer Schiefergasbohrung unter hohem Druck in das Bohrloch gepresst, um auf diese Weise gezielt Risse in den gasführenden Tonsteinen zu erzeugen.
Durch das Netzwerk der künstlich erzeugten feinen Risse im Gestein kann das Erdgas zur Bohrung strömen und gefördert werden. Vor der Gasproduktion müssen jedoch die Fracturing-Flüssigkeiten wieder aus dem Bohrloch entfernt werden. Dazu wird der Druck in der Bohrung nach der Rissbildung verringert. Während dieser sogenannten Rückfluss-Phase (Flowback) fließt ein Teil der Flüssigkeiten zurück an die Erdoberfläche, wo er gesammelt, aufbereitet oder entsorgt wird. Eine unterschiedlich großer, aber beachtlicher Anteil der Fracturing-Flüssigkeiten verbleibt jedoch im Gestein.
Fracturing-Flüssigkeiten = Basisflüssigkeit + Stützmittel + Zusatzstoffe
Es gibt sehr viele unterschiedliche „Rezepturen“ für Fracturing-Flüssigkeiten. Für das Hydraulic Fracturing von Tonsteinen werden in der Regel sogenannte “Slickwater” Fracturing-Flüssigkeiten eingesetzt. Dabei handelt es sich um Flüssigkeiten auf Wasserbasis, die chemische Zusatzstoffe sowie Stützmittel enthalten. Der Begriff „Slickwater“ bedeutet, dass die Fracturing-Flüssigkeit eine geringere Viskosität als normales Wasser hat und deswegen „besser“ fließt. Dies ist für die Verringerung der Reibung im Bohrloch während des Einpressens wichtig. Dieser Effekt wird durch den Zusatz von Reibungsminderern erreicht.
Slickwater Fracturing-Flüssigkeiten enthalten gewöhnlich 98-99 Vol% Wasser, 1.0-1.9 Vol% Stützmittel sowie <1 Vol% Zusatzstoffe (King, 2012). Für eine einzelne Bohrung sind ca. 10.000-25.000 m3 Wasser notwendig (Broomfield, 2012). Als Stützmittel werden kleine Körnchen aus Sand oder Keramik verwendet, die sich während des Fracturing-Prozesses in den entstandenen Rissen des Tonsteins ablagern. Die Stützmittel helfen, die Risse auch nach dem Fracturing-Prozess offenzuhalten. Weitere chemische Zusatzstoffe (s.u.) sind in der Regel nötig, um Hydraulic Fracturing in Tonsteinen erfolgreich durchführen zu können.
Chemische Zusatzstoffe: Mengen und Arten
Die Anzahl und Mengen der während des Hydraulic Fracturing eingesetzten Chemikalien variieren je nach den geologischen Gegebenheiten einer Region sowie den Eigenschaften und der Tiefe der Tonsteine. Deshalb gibt es eine große Vielfalt an chemischen Zusatzstoffen. Tabelle 1 gibt hierzu einen Überblick.
Tab. 1: Überblick über die häufig eingesetzten chemischen Zusätze.
| Stoffklasse | Anwendungszweck | Beispiele |
|---|---|---|
| Biozid | Verhindert Bakterienwachstum | Terpene, Isothiazolinone (z.B. 1,2-benzisothiazol-3-(2H)-one oder 2-methyl-4-isothiazolin-3-one) |
| Puffer | pH-Kontrolle | Anorganische Säuren und Basen (z.B. Flusssäure, Ammoniumbisulfit) |
| Kettenbrecher | Verringerung der Viskosität, verbesserte Rückholung der Fluide | Sulfate, Peroxide (z.B. Ammoniumpersulfat, Kalziumperoxid) |
| Korrosionsschutz | Schutz der Anlage, Ausrüstung und des Bohrrohres | Säuren, Alkohole, Sulfite, (z.B. 2-Butoxyethanol, Aminbisulfit) |
| Quervernetzer | Unterstützende Gelausbildung, Erhöhung der Viskosität zum leichteren Sandtransport | Borate, Übergangsmetalle in Kombination mit Komplexbildnern (z.B. Zirkoniumoxide, -sulfate) |
| Reibungsminderer | Verringerung der Reibung beim Einpumpen des Fracturing Fluids | Polyacrylamid, Petroleumdestillate, z.B. Aromatische Kohlenwasserstoffe (Benzol, Toluol) |
| Gelbildner | Unterstützende Gelausbildung, Erhöhung der Viskosität zum leichteren Sandtransport, idealer Stützmitteltransport | Guarkernmehl, Hydroxyethylzellulose, Polymere (z.B. Acrylamidcopolymer, Vinylsulfonat) |
| Ablagerungshemmer | Verhinderung von mineralischen Ablagerungen in der Bohrung | Säuren, Phosphonate, (z.B. Dodecylbenzol, Sulfonsäure, Kalziumphosphonat) |
| Tenside | Emulsionsbildung und Salinitätstoleranz | Amine, Glykolether, Nonylphenolethoxylate |
Allerdings wird in der Regel jeweils nur eine geringe Anzahl von Zusätzen für eine einzelne Bohrung genutzt. Ein allgemeines Beispiel zu möglichen Zusätzen und deren Mengen wird in Abb. 1 gezeigt. Tatsächlich eingesetzte Fracturing-Flüssigkeiten können aber gegebenenfalls deutlich in ihrer Zusammensetzung abweichen (siehe Abb. 2).
Abb. 1: Allgemeines Beispiel der Zusammensetzung eines Fracturing Fluids. Zusätze wie Reibungsminderer und Biozide kommen häufig zum Einsatz, andere Zusätze deutlich seltener (King, 2012). Quelle: Shale gas extraction in the UK: a review of hydraulic fracturing (2012).
Abb. 2: Zusammensetzung von tatsächlich in Europa eingesetzten Fracturing-Flüssigkeiten. Links: ExxonMobil Deutschland, 2008 ( Bohrung “Damme 3”); Rechts: Cuadrilla, Großbritannien, 2011.
Wie wird mit Abwasser umgegangen und wie wird es behandelt?
Abwasser aus der Schiefergas-Produktion fällt in zwei Kategorien:
- Die Flüssigkeit, die aus der Bohrung unmittelbar nach dem Hydraulic Fracturing über einen Zeitraum von bis zu 30 Tagen zurückgewonnen wird bezeichnet man als Rückflusswasser (Flowback).
- Nach der Flowback-Phase gelangt sog. Produktionswasser mit dem Erdgas zusammen an die Erdoberfläche.
Produktionswasser wird, wie bei gewöhnlichen Erdgasbohrungen, nur in kleinen Mengen während der gesamten Lebensdauer der Bohrung mit gefördert. Die vergleichsweise großen Mengen von Rückflusswasser mit komplexer chemischer Zusammensetzung, die in einem kurzen Zeitraum anfallen, stellen eine besondere Herausforderung bei der Produktion von Schiefergas dar.
Rückflusswasser muss vor der Wiederverwendung oder Entsorgung behandelt werden, es sei denn, es wird in tiefe Entsorgungsbohrungen geleitet. Rückflusswasser kann z.B. durch Verdampfen volumenreduziert werden. Weitere Behandlungsmöglichkeiten sind Filtration oder chemische Stoffausfällung. Durch Mischen von Rückflusswasser mit Frischwasser kann es für zukünftige Hydraulic Fracturing-Operationen genutzt werden. Nicht alle Technologien eignen sich für jedes Schiefergas-Fördergebiet. Soweit verfügbar können tiefe Entsorgungsbohrungen für eine endgültige Aufnahme der Abwässer eingesetzt werden.
Die Technologien für Behandlung, Wiederverwendung, Transport und Entsorgung werden laufend weiterentwickelt. Das wissenschaftliche Gutachten zur Abwasserentsorgung und Stoffstrombilanz des Informations- und Dialogprozess der ExxonMobil über die Sicherheit und Umweltverträglichkeit der Fracking-Technologie für die Erdgasgewinnung informiert ausführlich über den aktuellen Stand der Technologie und die Anforderungen und Möglichkeiten ihrer Anwendung in Deutschland.
Wassermanagement und Rückflusswasser-Aufbereitung werden auch in einem englischsprachigen Expertenartikel auf SHIP diskutiert. Ein weiterer Artikel gibt einen Überblick über aktuelle und künftige Behandlungs- und Entsorgungstechnologien, die im Marcellus Shale Fördergebiet in den USA zum Einsatz kommen. Die Autoren dieses englischsprachigen Artikels gehen auf die Mengen und chemischen Zusammensetzungen der anfallenden Abwässer ein und diskutieren Möglichkeiten für die Aufbereitung und das Management von Rückflusswasser.
Wie überwacht man die Grundwasserqualität?
Die Methoden zur Überwachung der Grundwasserqualität in Schiefergas-Fördergebieten sind prinzipiell ähnlich mit Grundwasserüberwachung in anderen Situationen. Grundwasserüberwachung sollte auf einem Überwachungskonzept basieren, das ein Verständnis des Strömungsregimes umfasst, das die im Wasser zu bestimmenden relevanten Parameter identifiziert und die Mess- bzw. Beprobungshäufigkeit festlegt. Das Konzept muss alle möglichen Kontaminierungspfade berücksichtigen.
Messungen und Wasserprobenahmen können in bereits vorhandenen Bohrungen oder in speziell für Überwachungszwecke gebohrten Brunnen durchgeführt werden. Natürliche Quellen und Flüssen können ebenfalls überwacht werden. Der wichtigste Faktor für die Interpretation der Wasseranalysenergebnisse ist die Basismessung, die vor Explorations- und Produktionsbeginn durchgeführt werden muss. Dies hilft, die möglichen Auswirkungen von Schiefergas-Bohrungen auf die Grundwasserqualität von anderen Effekten zu trennen.
Zum Beispiel können erhöhte Konzentrationen von Methan im Grundwasser möglicherweise mit der Schiefergas-Förderung in Zusammenhang stehen. Allerdings ist in vielen Regionen der Erde Methan bereits in erheblichen Konzentrationen von Natur aus im Grundwasser vorhanden.
