Scriptum 23, Leseprobe
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scriptum Arbeitsergebnisse aus dem Geologischen Dienst Nordrhein-Westfalen 23 Schiefergas und Flözgas Potenziale und Risiken der Erkundung unkonventioneller Erdgasvorkommen in Nordrhein-Westfalen aus geowissenschaftlicher Sicht scriptum 23 128 S., 42 Abb., 8 Tab. Krefeld 2016 Schiefergas und Flözgas Potenziale und Risiken der Erkundung unkonventioneller Erdgasvorkommen in Nordrhein-Westfalen aus geowissenschaftlicher Sicht von Volker Wrede Anschrift des Autors: Dr. Volker Wrede, Geologischer Dienst NRW – Landesbetrieb –, De-Greiff-Straße 195, D-47803 Krefeld 5 Inhaltsverzeichnis Zusammenfassung / Abstract . 9 1 Einführung . 10 2 Was sind unkonventionelle Erdgaslagerstätten? . 12 2.1 Wie entsteht Erdgas?. 12 2.2 Konventionelle und unkonventionelle Erdgaslagerstätten . 14 3 Wirtschaftliche Aspekte. 17 3.1 Die ökonomische Bedeutung unkonventioneller Erdgasvorkommen in der Welt und in Europa . 18 3.2 Die Energiewende – braucht Deutschland in der Zukunft Erdgas? . 24 4 Unkonventionelle Erdgasvorkommen in NRW. 28 4.1 Übersicht . 28 4.2 Schiefergas („Shale Gas“) . 31 4.3 Flözgas („CBM“) . 35 4.3.1 Historie . 35 4.3.2 Eigenschaften der Vorkommen . 39 4.3.3 Mengenabschätzung. 42 4.3.4 Nebengesteine der Kohle . 43 4.4 Die Erdgaspotenziale in NRW . 45 5 Fördertechniken. 46 5.1 Bohrtechnik . 46 5.2 Hydraulische Stimulation („Fracking“) . 48 5.3 Mögliche Alternativen. 51 7 6 Risiken für NRW aus geowissenschaftlicher Sicht . 54 6.1. Gutachten und Fragestellungen . 54 6.2 Explorationsbohrungen . 60 6.3 Seismizität . 63 6.4 Beeinträchtigung des Grundwassers durch Frackuide. 67 6.4.1 Frackuide. 67 6.4.2 Wegsamkeiten. 69 6.4.2.1 Technische Pfade . 70 6.4.2.2 Geologische Pfade in NRW. 71 6.4.2.2.1 Störungen. 72 6.4.2.2.2 Barrieregesteine . 74 6.4.2.2.2.1 Münsterland . 76 6.4.2.2.2.2 Niederrheinisches Tieand. 82 6.4.2.2.2.3 Nordwesten der Niederrheinischen Bucht, Raum Aachen. 84 6.4.2.2.2.4 Weser- und Osnabrücker Bergland . 85 6.4.2.2.2.5 Wiehengebirgsvorland . 85 6.4.2.2.2.6 Nördliches Sauerland . 86 6.4.2.2.3 Zusammenfassende Betrachtung der geologischen Pfade . 87 6.5 Methanfreisetzung . 92 6.6 Flowback . 97 6.6.1 Allgemeines . 97 6.6.2 Formationswässer . 98 6.6.2.1 Tonsteine. 98 6.6.2.2 Steinkohle. 100 6.6.3 Radioaktivität und Quecksilber . 102 7 Folgerungen . 104 8 Zusammenfassung der Ergebnisse . 106 9 Schriftenverzeichnis. 108 8 Schiefergas und Flözgas: Potenziale und Risiken der Erkundung unkonventioneller Erdgasvorkommen in NRW aus geowissenschaftlicher Sicht Zusammenfassung Ausgehend von einer Darstellung der Unterschiede zwischen konventionellen und unkonventionellen Erdgas- vorkommen wird die Bedeutung der in NRW möglicherweise vorhandenen unkonventionellen Erdgasvorkom- men mit Blick auf die Frage der Versorgungssicherheit diskutiert. Die verschiedenen Vorkommen an Schiefergas und Flözgas werden beschrieben und es wird eine ansatzweise Mengenabschätzung der Potenziale versucht. Nach einer Darlegung der verschiedenen Techniken, die bei der Erkundung und Gewinnung unkonventioneller Erdgasvorkommen zur Anwendung kommen können, werden die damit verbundenen Umweltrisiken aus geo- wissenschaftlicher Sicht betrachtet und analysiert. Dabei werden speziell die geologischen Verhältnisse in NRW zugrunde gelegt, aber es wird auch der Vergleich zu Beispielen in der internationalen Literatur gezogen. Eine Zusammenfassung der Ergebnisse führt zu Handlungsempfehlungen für eine etwaige Exploration der Vor- kommen und notwendige Monitoring-Verfahren. Shale gas and CBM: Potentials and risks of the exploration of unconventional gas resources in North Rhine-Westphalia (NRW) in the view of geosciences Abstract Based on a description of the differences between conventional and unconventional deposits of natural gas, the possible economic role of the unconventionals in North Rhine-Westphalia is discussed. Different types of shale gas and CBM deposits, likely to exist in NRW, are described and an attempt is made to a rudimentary assess- ment of the gas potentials. Different techniques potentially to be implemented for exploration and extraction of gas are presented. Their potential risks for the environment are analysed in the view of geosciences with a special focus on the geo- logical situation in NRW. These analyses are compared to examples from international literature. A summary of the ndings results in recommendations for further exploration and necessary monitoring processes. 9 Von SAUTER et al. (2012 a) wurde in Modellrechnungen für „worst-case-Fälle“ unter Annahme sehr konserva- tiver Rahmenbedingungen – Permeabilität der Störungszone 10-13 m2; Frackdauer 2 h mit permanentem Druck von 300 bar (= 30 MPa) an der Eintrittsstelle in die Störung; keine Aufnahme von Frackuid durch das Ne- bengestein – untersucht, wie weit ein Frackuid in Störungszonen aufsteigen kann. Für die unterschiedli- chen Modellierungen ergab sich als maximale Aufstiegshöhe des Fluids in einer Störung ein Betrag von 50 m. Nach diesen Modellierungen kann ein Fluidübertritt aus dem stimulierten Risssystem über Störungszonen in einen Grundwasser-Aquifer praktisch ausgeschlossen werden, wenn zwischen der größten Frackhöhe und dem Aquifer ein hinreichender Sicherheitsabstand eingehalten wird. Dieser bestimmt sich aus der maximal zu erwartenden Frackhöhe, dem maximalen Fluidaufstieg und Sicherheitsfaktoren für eine eventuelle mehr- fache Druckbeaufschlagung (KISSINGER et al. 2012). SAUTER et al. (2012 a: 107) empfehlen einen vertikalen Abstand zwischen der perforierten Frackbohrung und dem tiefsten nutzbaren Aquifer von 600 m bzw. einen Minimalabstand zur Erdoberäche von 1 000 m. Die Wirksamkeit der Pfadgruppe 2 nach MEINERS et al. (2012 a) ist dann nicht mehr gegeben. Diese Empfehlung geht von einer Maximal-Höhe eines Fracks von 250 m und einem maximalen Fluidaufstieg in einer Störungszone von 50 m aus und beaufschlagt diese Werte mit einem Sicherheitsfaktor von 2. Eine noch weiter gehende Regelung sieht die entsprechende Rundverfügung der Bergbehörde für Niedersachsen (Landesamt für Bergbau, Energie und Geologie Niedersachsen 2012) vor, die grundsätzlich einen Abstand von 1 000 m zwischen der Obergrenze des hydraulisch erzeugten Risses und der Untergrenze des tiefsten nutzbaren Grundwasserleiters vorsieht und für geringere Abstände den besonderen Nachweis fordert, dass davon keine gemeinschädlichen Einwirkungen zu erwarten sind. In der jüngsten Studie der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (Bundesanstalt für Geowis- senschaften und Rohstoffe 2016) werden umfangreiche und detaillierte Modellierungen einer möglichen Fluid- ausbreitung unter Zugrundelegung realer Gebirgsschichtenverhältnisse dargestellt. Sie führen ebenfalls zu dem Ergebnis, dass ein Aufstieg von Frackuiden in grundwasserführende Schichten nicht möglich ist, selbst bei Annahme von extrem ungünstigen Randbedingungen (Frackdrücke bis 50 MPa) und bei einer Betrachtung über sehr lange Zeiträume (bis 300 Jahre). Es werden in den Modellrechnungen je nach Randparametern maximale Aufstiegshöhen des Frackuids von wenigen Zehnermetern bis maximal 400 m erreicht. Da die eingebrachte Fluidmenge begrenzt ist, führt die zunehmende Ausdehnung der Fluid„fahne“ in der grundwassergefüllten Störungs- bzw. Kluftzone zu einer immer stärkeren Verdünnung des Frackuids, das schließlich den Grenzwert von 1 % Anteil an der Gesamtüssigkeit unterschreitet. Effekte wie die Adsorption des Frackuids durch das an- grenzende Gestein oder chemische und biologische Abbauprozesse des Frackuids bzw. seiner Komponenten würden die Fluidausbreitung zusätzlich behindern. Sie wurden bei den Modellierungen nicht berücksichtigt. 6.4.2.2.2 Barrieregesteine Neben der hydraulischen Wirksamkeit von Störungszonen ist für mögliche geologisch bedingte Migrationswege das Vorhandensein oder Fehlen von Barrieregesteinen zwischen den gas- und grundwasserführenden Schich- ten entscheidend. Die Barriere-Eigenschaften der Gesteine denieren die Möglichkeit einer diffusen Ausbreitung von Fluiden oder Gasen und bestimmen so die Wirksamkeit der Pfadgruppe 3 nach MEINERS et al. (2012 a). Die Frage nach der Barrierewirkung von Gesteinen spielt in der angewandten Geologie eine erhebliche Rolle: So setzen alle Projekte der Einlagerung von Stoffen in den Untergrund das Vorhandensein von abdichtenden Gesteinseinheiten voraus. Dies gilt beispielsweise für Deponien jeder Art (z. B. DÖRHOFER 1987), die Verbrin- gung von Versatzmaterial in untertägige Bergbauhohlräume (z. B. BALTES 1998, BENNER et al. 1991, PAAS 1997), die Anforderungen an Endlager für radioaktive Abfälle (Arbeitskreis Auswahlverfahren Endlagerstandorte 2002) oder die Einlagerung von CO2 im Untergrund (MÜLLER & REINHOLD 2011). 74 Tabelle 5 Durchlässigkeitsbeiwerte für Wasser (nach DIN 18130) und.