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Ein Beitrag von Christoph Senz

Durch einen Diskussionsfaden den ich schon seit mehreren Jahren verfolge, bin ich auf einen Vortrag aufmerksam geworden, der sich faktenorientiert mit den Risiken des „Hydraulic Fracturing“ auseinandersetzt. Der Vortrag dauert 01:45 Stunden und wird in englischer Sprache gehalten. Da die dort präsentierten Informationen aus meiner Sicht die Diskussion auch in Deutschland sehr bereichern könnten, und die meisten unter uns doch keine Zeit (oder Lust) haben, sich einen solch langen Vortrag anzuschauen, versuche ich im Folgenden die wichtigsten Aussagen zusammenzufassen. Hier zunächst der Vortrag von Dr. Ingraffea über die Fracking-Technologie:

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Dr. Ingraffea und verfügt über mehr als 30 Jahre Berufserfahrung im Bereich Strukturmechanik. Nach eigenen Angaben hat er sich in seiner Forschung auf die Computersimulationen und die physikalischen Tests von komplexen Bruchprozessen konzentriert. Er hat unter anderem Artikel in der renommierten Zeitschrift "Nature" über die Nebenwirkungen des "Frackings" publiziert.

Im Vortrag geht er zunächst auf die Frage ein, warum das „Fracking“-Verfahren speziell bei der Förderung von Schiefergas eine unkonventionelle Technik zur Erschließung von Erdgas ist. Denn im Unterschied zur konventionellen Erschließung müssen 4 relativ neue Technologien miteinander kombiniert werden.

Dies sind:

1. Directional drilling (Richtbohrtechnik)

Sie wird benötigt, weil das Erdgas, sich im Gegensatz zu konventionellen Lagerstätten nicht in einer Lagerstätte „gesammelt“ hat, sondern mehr oder weniger gleichmäßig in den Tonsteinformationen verteilt ist. Dabei sitzt das Gas im Wesentlichen fein verteilt im Porenraum des Gesteins. Dieses Gas wird man NIE erschließen können. Was mit dem Fracking-Verfahren erschlossen wird, ist das Gas, das aus den feinen Poren über sehr lange Zeiträume in natürlich vorkommende Klüfte im Gestein hineingewandert ist. Folgendes Bild zeigt einen devonischen Tonstein, auf dem sehr schön die Hauptkluftrichtung erkennbar ist.

Natürliches Kluftmuster im Marcellus Shale Quelle: Garry Lang

Ziel des „Fracking-Verfahrens“ ist es also, die natürlich vorkommenden Klüfte zu weiten und miteinander zu verbinden, um das darin lagernde Erdgas erschließen zu können. Dies gelingt nur mit der Richtbohrtechnik, da sich auf diese Weise ein wesentlich größerer Raum des Tonsteins, der meist mehr oder weniger horizontal lagert, erschließen lässt, als mit rein vertikalen Bohrungen.

2. High frac fluid volumes

Die zweite notwendige Technologie für das Fracking-Verfahren ist es, mit riesigen Fluidmengen und Drücken sicher im Gelände umgehen zu können. Dr. Ingraffea erläutert, dass schon seit 1947 gefrackt wird und dass das Verfahren zum Aufweiten von bestehenden Klüften, durch das Injizieren von Flüssigkeiten mit großen Drücken in konventionellen Lagerstätten tausendfach in den letzten Jahrzehnten eingesetzt wurde - auch in Deutschland. Selbst bei der Erschließung von Geothermie-Projekten wurde und wird es ständig eingesetzt. Aber: Bei konventionellen Lagerstätten werden dabei üblicherweise laut Dr. Ingraffea nur rund 350-400 m³ Flüssigkeit verwendet (100.000 Gallonen). Die notwendigen Flüssigkeitsvolumina sind bei den unkonventionellen Fördermethoden erheblich größer - aufgrund der großen Gesamtlängen der Bohrungen, die zum Teil mehrere Kilometer tief in der Vertikalen und zusätzlich nochmal bis zu 2 Meilen (3,2 km) horizontal verlaufen können. Zusätzlich wird sehr viel Flüssigkeit gebraucht, um die bestehenden Klüfte im Gestein auszufüllen und (durch den großen Druck) aufzuweiten. Daher wird für die Erschießung von Schiefergas je nach Bohrung bis zu 20.000 m³ Flüssigkeit benötigt! Das entspricht in etwa der Wassermenge von 5 Olympiaschwimmbecken (jeweils 50m Länge*25m Breite*3m Tiefe). Die zu bewältigenden Flüssigkeitsmengen sind also erheblich größer als bei konventionellen Lagerstätten! Die Pumpen die dabei zum Einsatz kommen, müssen dabei nicht nur diese großen Mengen bewältigen, sondern sie müssen auch die im Bohrloch auftretenden Reibungs- und Strömungsverluste überwinden. Um dabei im Bohrloch Drücke von bis zu 700 bar aufzubauen, haben die Pumpen Leistungen von bis zu 30.000 kW. Diese werden erreicht, durch das Zusammenschalten vieler Kompressoren, die jeweils über rund 1.600 kW Leistung verfügen. 20 solcher Trucks in Reihe geschaltet sind bei Frac-Jobs keine Seltenheit. Um sich diese Drücke etwas besser vorstellen zu können, zeigt Dr. Ingraffea folgendes Bild:

Fracking-Blowout durch eine unbekannte, verlassene Bohrung in Pearsall, Texas, November 2010. Quelle: Dr. Ingraffea

Es zeigt den Blowout aus einer alten, nicht mehr verwendeten Bohrung, in deren Nähe man gefrackt hat, und die man leider bei der Voruntersuchung übersehen hatte. Die von außen aufgebrachten Drücke haben sich also in der Gesteinsformation den Weg entlang einer alten Bohrung bis an die Oberfläche gesucht. Der im Bild zu sehende Bohrturm ist etwa 30 Meter hoch.

3. Slickwater

Kommen wir zur dritten Technik, die benötigt wird, um Schiefergas überhaupt fördern zu können - dem sogenannten „Slickwater“. Leider gibt es auch hier keine passende deutsche Übersetzung, der Ausdruck beschreibt aber im Wesentlichen die Konditionierung von Wasser mit

• Sand oder anderen Stützkörnern (Proppants),
• Stoffen, die die Reibung an der Bohrlochwand  reduzieren, die Viskosität erhöhen und dadurch verhindern, dass der Sand in der Flüssigkeit nach unten sinkt,  z.B. Guarkernmehl.
• Biozide, die das Geliermittel (Guarkernmehl) vor Bakterien schützen sollen.
• Korrosionschutzmitteln, die das Bohrrohr (Casing) schützen sollen.

Das alles dient nur einem Zweck: die Effizienz der Schiefergasförderung zu erhöhen. Die genaue Zusammensetzung dieser Flüssigkeiten ist eine Wissenschaft für sich.

4. Multi Well Pads

Die letzte Technik, die benötigt wird, um Schiefergas oder Tight Oil zu erschließen, sind die sogenannten Multi-Well-Pads. Ein Multi-Well-Pad ist eine Bohrplattform mit der in einer vertikalen Bohrsektion mehrere neue horizontale Bohrungen erschlossen werden. Auf diese Weise lässt sich die Gesteinsformation, in deren Klüften das Gas sitzt, relativ flächendeckend und relativ kosteneffizient erschließen. Auch der Landschaftseingriff reduziert sich durch diese Technik deutlich.

Schematische Darstellung eines Multi-Well-Pads   Quelle: Tyndall 2010

Multi Well Pads ermöglichen erst den industriellen Einsatz der Fracking-Technik. Dabei unterscheiden sich die Abstände, in denen solche "Pads" ausgeführt werden erheblich voneinander, abhängig von der Geologie, der Tektonik und der angewendeten Fracking-Methode. Dr. Ingraffea erwähnt im Vortrag das sogenannte "40 acre spacing" mit Bohrungen im Abstand von rund 160 m und das "80 acre spacing", Bohrungen im Abstand von rund 320m. Ziel dieser Methode ist, möglichst viel unterirdische Fläche durch das Fracking zu erreichen und möglichst wenig unterirdische Fläche unberührt zu lassen, um die Rohstoffausbeute zu maximieren. Das folgende Bild zeigt ein Beispiel für ein "40 acre spacing" aus der Tight-Gas-Förderung in Wyoming.

Beispiel für ein "40 acre spacing": Jonah gas field, Upper green valley, Wyoming   Quelle: skytruth.org

Ein solch enges Bohraster kommt laut Dr. Ingraffea nur selten zum Einsatz. Häufiger wird ein "80 acre spacing" verwendet, das mit 4-mal weniger Bohrungen auskommt. Das Raster ist aber immer abhängig von der Geologie, sowie diversen gesteinsphysikalischen Parametern. Hier ein Beispiel für ein "80 acre Spacing" mit einem schematisch dargestellten Multi-Well-Pad, an dem auch die flächige Erschließung des Schiefergases deutlich wird:

Beispiel für die flächige Erschließung von Schiefergas durch ein "80 acre spacing" Quelle: Dr. Ingraffea

Jedes Rechteck ist eine "spacing unit". Die Richtung der Horizontalbohrungen orientiert sich dabei an der Geologie - senkrecht zur Hauptkluftrichtung der Tonsteinformation aus der das Schiefergas gefördert werden soll.

Zusammenfassung

Wenn Fracking einen nennenswerten Beitrag zur Erdgasversorgung  liefern soll, dann

• benötigt man eine sehr hohe Bohrdichte, viele Bohrungen pro Quadratkilometer,
• werden viele industrielle Anlagen über sehr große Landgebiete verteilt. Es wird mit schwerem Gerät gearbeitet, das rund um die Uhr im Einsatz ist, wobei die oberirdische Lärm- und Schadstoffemission durch die riesigen Maschinen nicht zu unterschätzen ist. Außerdem steigt durch die große Anzahl dieser Anlagen die Wahrscheinlichkeit von Unfällen, bei denen gefährliche Substanzen in die Umwelt gelangen können.
• braucht man sehr große Fracking-Fluidmengen. Mehrere Tausend Kubikmeter pro Bohrung, wodurch sehr große Abwasser- und Feststoffmengen entstehen, die entsorgt werden müssen. Diese Mengen enthalten zum Teil sehr giftige Substanzen. Dazu zählen natürlich vorkommende radioaktive Substanzen und flüchtige organische Verbindungen.
• können große Mengen an flüchtigem Methan entstehen, wobei Methan etwa 20- bis 100-mal klimaschädlicher ist als CO2 (je nachdem welche Aufenthaltszeit des Methans in der Atmosphäre unterstellt wird)

Die Technik führt neben den Methan-Emissionen in die Atmosphäre auch zu lokalen Verschmutzungsrisiken:

• Erdgas, Bohrspülung und Salzwasser können in manchen Fällen entlang des Bohrstrangs nach oben migrieren,
• Erdgas, Frac-Fluid und "Produktionswasser" kann eventuell durch die gefrackte Formation nach oben migrieren.
• Bis die Produktionsphase beginnt, kommt ein Gas-/Liquid-/Fracking-Fluid-Gemisch aus dem Bohrloch, bei dem es technisch kaum möglich ist, die Gase abzutrennen. Daraus folgen enorme Emissionen in den ersten Wochen.

Weiterhin betrachtet Ingraffea das Risiko, dass Erdgas und/oder Bohrflüssigkeit in das Grundwasser migriert, denn auch dafür gibt es inzwischen eine ausreichende Datenbasis. So kam es etwa bei jeder 150. Bohrung im Marcellus-Shale zwischen Januar 2008 und August 2010 zu einer signifikanten Beeinträchtigung der Umwelt. Nimmt man diese Zahl für eine Hochrechnung zeigt sich, dass alleine bei den im Marcellus-Shale angestrebten 120.000 bis 170.000 Bohrungen (je nach Szenario) zwischen 800 und 1.100 (schwere) Umweltbeeinträchtigungen möglich wären. Die Bandbreite der Schäden reicht dabei von "kleineren" Verschmutzungen des Grundwassers, von der nur wenige Menschen berührt werden, bis zur Verschmutzung des Grundwassers aus dem ganze Gemeinden versorgt werden. Selbst wenn die Industrie es schaffen würde, das Schadensverhältnis auf 1:500 zu verbessern, wären bei der großen Zahl an Bohrungen immer noch 240 bis 340 schwere Zwischenfälle zu erwarten. Ingraffea erklärt, dass er der Meinung ist, dass das Verhältnis auf mindestens 1: 50.000 verbessert werden muss, bevor diese Technik großflächig angewendet werden sollte. Dies ist aber aus technischen und finanziellen Gründen nahezu unmöglich. Dies hängt im Wesentlichen damit zusammen, dass trotz der modernen Simulationstechnik, die Ausbreitungsrichtung und die Länge der künstlich aufgeweiteten Klüfte nicht exakt vorhergesagt werden kann, sondern ihre Ausbreitungswege eher chaotisch verlaufen. Das Zusammenspiel der verschiedenen Einflussgrößen ist schlicht zu komplex und der Untergrund ist zu wenig bekannt, um exakte Vorhersagen zu treffen. Das ganze findet ja in mehreren Tausend Metern Tiefe statt und kann nur anhand von Messwerten überwacht werden!

Fazit: Würde man Fracking zu 99,9999% sicher machen wollen, hätte man entweder nur wenige Stellen an denen man das Verfahren einsetzen könnte, oder aber der finanzielle Aufwand für die Sicherheit würde die Fracking-Technik unwirtschaftlich machen. Jedem, der sich intensiver mit der Fracking-Technologie auseinandersetzen will, sei Ingraffea´s Vortrag empfohlen. Er ist auch für englischsprechende Laien gut verständlich. Selbstverständlich lässt sich das im Vortrag gesagte nicht 1:1 auf Deutschland übertragen, die Grundproblematik dürfte hier dennoch ähnlich gelagert sein, wobei allein die wesentlich höhere Bevölkerungsdichte in Deutschland einen ähnlichen Einsatz wie in den USA deutlich erschweren dürfte.