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 Facking: 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.