Gaskrise: Wie funktioniert Fracking?

Um an die Reserven an nichtkonventionellem Gas im Boden zu kommen, ist ein besonderes Vorgehen nötig. Ein Einblick ins Fracking.

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Fracking-Anlage

(Bild: Sobrevolando Patagonia / Shutterstock.com)

Von
  • David Rotman
  • Wolfgang Stieler
  • Susanne Arndt

Angesichts der unübersehbaren und sicherlich im übernächsten Winter direkt spürbaren Energiekrise wird händerringend nach neuen Erdgas-Quellen gesucht. Da ist plötzlich Fracking wieder in der Diskussion. Ins Spiel brachte die Gasförder-Technik zuletzt Ende Juli der bayerische Ministerpräsident Markus Söder (CSU) in einem Interview mit der "Süddeutschen Zeitung". Es gebe vor allem große Erdgasfelder in Niedersachsen, äußerte der Politiker. Doch dieser Ansatz zur Gasförderung ist umstritten und umweltschädlich. Wie genau funktioniert das Verfahren?

Nichtkonventionelles Gas – so nennen Geologen etwas vage Erdgasvorkommen in Ton- oder Schwarzschiefer. Dieses auf allen Kontinenten vorkommende Gestein, entstanden aus den organischen Sedimenten urzeitlicher Küstenmeere, hält Erdgas in gebundener Form fest. Anders als bei konventionellen Lagerstätten, die sich in Form riesiger Blasen unter isolierenden Gesteinsschichten gebildet haben, reicht hier keine einfache vertikale Bohrung an der höchsten Stelle, um das Lager zu leeren. Um das Erdgas in wirtschaftlich attraktiven Mengen zu fördern, müssen die Schieferschichten horizontal angebohrt und viele Risse im Gestein erzeugt werden. Diese ebenso komplizierte wie brachiale Fördertechnik namens Fracking rückte erstmals in den Fokus der Prospektoren, seit die "normalen" Lagerstätten sich allmählich zu leeren begannen. Besonders in den USA brach ab etwa 2000 die rege Erforschung nach Schiefervorkommen aus.

Doch bei der Förderung gibt es noch reichlich ungelöste Probleme. "Bei einem normalen Erdgasreservoir reicht es, ein Loch reinzubohren, und das Gas strömt zu", sagt Professor Bernhard Cramer von der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe. Bei nichtkonventionellem Schiefergas sei das Muttergestein jedoch nicht durchlässig genug. "Diese Schiefer sind Tongesteine, in denen die natürlichen Hohlräume sehr klein und oft auch nicht miteinander verbunden sind. Zudem haftet das Gas an der festen Phase." Neben Tonschiefer kommen auch Kohleflöze oder Sandsteine sehr geringer Permeabilität als Muttergestein von Erdgas infrage, das dann "Tight Gas" genannt wird.

(Bild: Technology Review)

Zwei Technologien kommen beim Abbau im wesentlichen zum Einsatz: die gerichtete Bohrung und das unterirdische Aufbrechen des Gesteins – das sogenannte "Hydraulic Fracturing" (von der sich die Kurzform Fracking ableitet).

Bei der horizontalen Bohrung treibt ein rotierender Bohrstrang den Bohrkopf an. Direkt hinter dem Bohrkopf sitzt allerdings ein von der Drehung entkoppeltes Rohrstück (siehe Grafik unten, blau). Dieses Stück trägt meist drei radiale Rippen, die sich ferngesteuert einzeln ausklappen lassen und mit deren Hilfe es sich schräg in der Bohrung verkeilen kann. Der Stand der Rippen zueinander gibt dann die Richtung der Bohrung vor (Ausschnitte rechts): Sind alle Rippen gleich weit ausgestellt, verläuft die Bohrung gerade (unten) – ist ein Flügel "angeklappt", ergibt sich eine Kurve. Messinstrumente im Bohrstrang prüfen dabei laufend Druck, Temperatur und geologische Eigenschaften des umliegenden Gesteins. Die Ergebnisse des "Measurement While Drilling" (MWD) werden an die Oberfläche übertragen und auf einem Computer ausgewertet, der wiederum Steuersignale an den Bohrkopf zurücksendet.

(Bild: Technology Review)

Nach dem Bohren werden Löcher in das Rohr gesprengt, das die horizontale Bohrung auskleidet (1, siehe Bild oben). Dann wird mit Sand, Ton und Chemikalien vermischtes Wasser unter hohem Druck durch das Rohr gepresst (2). Das Gestein bricht dabei auf, und es bilden sich Risse. Durch die Risse strömt dann Gas in das Rohr (3).

Wie das in der Praxis funktioniert, lässt sich exemplarisch eine knappe Autostunde südlich von Pittsburgh besichtigen: Unvermittelt wird die beschauliche Ackerregion von einem Bohrturm überragt. In einem Wohnwagen neben dem Turm hängt ein Diagramm an der Wand, das die Bohrpläne kartiert: Der Bohrmeißel soll mehr als tausend Meter durch verschiedene Sedimentschichten unter die Erde getrieben werden. Dann biegt er auf einer Strecke von 275 Metern um 90 Grad ab, sodass er beim Eintreffen in die Schieferlagen des Marcellus bei rund 2.000 Meter Tiefe bereits seine horizontale Stoßrichtung erreicht hat. Innerhalb eines Korridors von nur sechs Metern Durchmesser folgt der Bohrmeißel der Schieferlage bis zu 1.600 Meter weit.

Diese horizontale Bohrung ist notwendig, um die Kontaktfläche der Bohrung mit dem Reservoir zu maximieren, erklärt Catalin Teodoriu vom Institut für Erdöl- und Erdgastechnik TU Clausthal. Denn oft sei so eine Schieferlage nur wenige Meter dick – "horizontal kommt man aber durchaus auf 1.000 Meter Länge und mehr".

Wenn die Bohrung fertiggestellt ist, rücken eine ganze Flotte von Spezialfahrzeugen und Dutzende mit Wasser gefüllte Tankfahrzeuge an, um der Lagerstätte mit der Methode des Hydraulic Fracturing das Gas auszutreiben. Denn obwohl der Marcellus-Schiefer förmlich mit Erdgas durchtränkt ist, hält das Gestein die Kohlenwasserstoffe fest umschlossen. Deshalb pressen die Ingenieure Millionen Liter Wasser unter Hochdruck durch die Bohrschächte in die Schieferformation hinein, um Risse zu erzeugen.

"Das ist ein brachialer Prozess", sagt Teodoriu "Drücke von 300 bis 1000 Bar, je nach Tiefe der Lagerstätte, und einige Zehntausend Kubikmeter Wasser, die da mit einer Pumprate von 1000 bis 2000 Liter pro Minute eingepresst werden." Das Hochdruckwasser ist mit feinem Sand und chemischen Zusätzen gemischt, um die Risse zu vergrößern und zu stabilisieren und auch um hinderliche Minerale aufzulösen.

Das freigewordene Gas wird dann mitsamt dem Großteil des Hochdruckwassers durch die Bohrleitungen an die Oberfläche zurückgeleitet. Dem Druckmittel gegebenenfalls beigefügte Stützmittel, wie Quarzsand oder Keramikkügelchen, bleiben in den entstandenen Rissen und halten diese offen. Das restliche Rückflusswasser tritt wieder am Bohrloch oberflächlich aus.

(jle)