Was sind fossile Rohstoffe?

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2 2 WAS SIND FOSSILE ROHSTOFFE? WAS SIND FOSSILE ROHSTOFFE? Erdöl und Erdgas sind die Überreste von Pflanzen, Bakterien und Lebewesen, die vor Jahrmillionen auf der Erde existiert haben. Nach dem Absterben dieser Flora und Fauna bildete sich unter Ausschluss von Sauerstoff und unter ganz bestimmten Druck- und Temperaturverhältnissen der Ausgangsstoff für die Kohlenwasserstoffe Öl und Gas. Endprodukte der Zersetzung sind je nach herrschenden Umgebungsbedingungen Methan (CH4) der Hauptbestandteil von Erdgas oder Öl. Kohle entstand aus größeren pflanzlichen Ausgangsstoffen bei geringeren Druck- und Temperaturverhältnissen. Das notwendige Milieu zur Umwandlung wurde im Verlauf der Erdgeschichte durch die Bildung von tiefen Beckensystemen ermöglicht. Denn dadurch gelangten die Schichten mit dem abgestorbenen Material, das sogenannte Muttergestein, in größere Tiefen, wo sie entsprechenden Drücken und Temperaturen ausgesetzt waren. Die Zersetzung der Ausgangsstoffe ist ein langwieriger Prozess und wird durch Bakterien im Muttergestein hervorgerufen. Zutage gebracht, lassen sich die fossilen Rohstoffe zu weiteren Produkten verarbeiten oder zur Erzeugung von Strom und Wärme nutzen. Beim Verbrennen entsteht Wärme, die sich direkt für Heizzwecke oder über verschiedene Umwandlungspfade zur Stromproduktion einsetzen lässt. ERDÖL UND ERDGAS Um Erdöl und Erdgas auch in Zukunft in ausreichender Menge, zu wirtschaftlichen Bedingungen und ohne unzumutbare Belastung der Umwelt produzieren zu können, werden innovative Entwicklungen vor allem auf drei Feldern vorangetrieben: Enhanced Oil Recovery (EOR) bzw. Enhanced Gas Recovery (EGR), also die optimierte Nutzung von Erdöl- und Erdgaslagern Erkundung und Erschließung neuer Lagerstätten auch in der Tiefsee oder an anderen, bislang schwer zugänglichen Standorten Nutzung unkonventioneller Vorkommen wie beispielsweise Schiefergas, Ölsande und Schwerölvorkommen. Enhanced Oil bzw. Gas Recovery Die konventionellen Lagerstätten von Erdöl und Erdgas machen etwa ein Drittel der weltweiten Vorkommen aus. Mit den Technologien, die bis in die 1980er Jahre zur Verfügung standen, konnte nur etwa ein Drittel des Öls gefördert werden, das in einer Lagerstätte vorhanden war.

3 3 WAS SIND FOSSILE ROHSTOFFE? Unterm Strich bedeutet dies, dass unter diesen Bedingungen nur etwa ein Drittel von einem Drittel, also ein Neuntel der bekannten Ölvorkommen zutage gebracht werden konnte. Warum ist das so? Bei der Förderung von Öl oder Gas steigt der Anteil des gewünschten Kohlenwasserstoffes nur in der ersten Produktionsphase durch eigenen Druck nach oben. Danach ist die Lagerstätte jedoch noch nicht annähernd entleert. Um die Ausbeute zu erhöhen, wird heutzutage Dampf bzw. Wasser in die Lagerstätte eingepresst. So wird der nötige Druck erzeugt, um das Öl bzw. Gas zur Förderbohrung zu pressen. Dadurch lassen sich zum Beispiel etwa 45 Prozent einer Öllagerstätte erschließen. Erforscht und in der Praxis erprobt werden weitere Möglichkeiten, um die Ausbeute zu steigern. Dazu zählt zum Beispiel der Einsatz wasserlöslicher Polymere. Sie machen das Wasser zähflüssig, das zum Herausdrücken des Öls in die Lagerstätten gepresst wird. Dadurch wird verhindert, dass das Wasser das von Natur aus viskosere Öl überholt und vor ihm zur Produktionsbohrung fließt. Mit diesem Verfahren kann die Ausbeute auf bis zu 60 Prozent des ursprünglichen Inhalts der Lagerstätte erhöht werden. Hydraulische Stimulation Mit dem Wasser wird gleichzeitig ein Stützmittel eingepresst zum Beispiel gesintertes Bauxit. Es sichert die entstehenden Risse und hält sie langfristig offen. Die hydraulische Stimulation erhöht die Produktivität in der Förderung des Erdöls und Erdgases, das sich in den Poren der Gesteinsformation befindet. Durch die entstehenden Risse im Gestein können Reserven von Öl und Gas auch aus zuvor unerreichbaren Teilen der Lagerstätte unter Druck gefördert werden. Ingenieure und Wissenschaftlern testen unterschiedliche Verfahren, Flüssigkeiten, Drücke und Temperaturen, um die Methode immer weiter zu optimieren. Viele weitere Ansätze befinden sich noch in der Phase der wissenschaftlichen Erforschung. Dazu zählen auch Versuche, die unterirdischen Fließwege des Öls im Gestein mithilfe von Ultraschall freizuhalten. Daran arbeitet zum Beispiel die Technische Universität Bergakademie Freiberg. In den vergangenen Jahrzehnten sind die Technologien zur verbesserten Nutzung von Erdöl- und Erdgasvorkommen soweit entwickelt worden, dass es sinnvoll sein kann, die Produktion an Lagerstätten wieder aufzunehmen, an denen die Förderung eingestellt worden ist. Auch in den Standorten in Deutschland, vorwiegend im Bereich der norddeutschen Tiefebene, werden alte Förderstandorte wieder ins Auge gefasst. Um die Effizienz der Erdöl- und Erdgasproduktion weiter zu verbessern, ist die so genannte hydraulische Stimulation unverzichtbar. Sie ist eine seit mehr als 30 Jahren bewährte Technologie, die ständig weiterentwickelt wird und viele neue Optionen eröffnet. Bei der hydraulischen Stimulation wird eine auf Wasser basierende Flüssigkeit unter starkem Druck in die Gesteinsformation gepresst. Dadurch entstehen Risse (so genannte Fracs), die die Durchlässigkeit des Gesteins steigern.

4 4 WAS SIND FOSSILE ROHSTOFFE? Verbesserte Bohrtechnologie Weitere Perspektiven für die effizientere und wirtschaftliche Nutzung von Erdöl- und Erdgasvorkommen bieten Innovationen in der Bohrtechnologie. So soll es in Zukunft zum Beispiel möglich werden, gezielte Horizontalbohrungen über noch weitere Strecken als bisher vorzunehmen. Diese Technologie erlaubt es, Öl- oder Gasvorkommen auch unterhalb von Naturschutzgebieten wie zum Beispiel dem Wattenmeer zu erschließen, weil die Förderung weitab der Schutzzone stattfinden kann. Bereits heute wird zum Beispiel ein Teil des Ölfeldes Mittelplate im Wattenmeer vor der Küste Schleswig-Holsteins mit bis zu 9 km langen, horizontal verlaufenden Bohrungen vom Festland aus erreicht. Suche nach neuen konventionellen Vorkommen Die Suche nach neuen Lagerstätten von Erdöl und Erdgas ist aufwändig. Deswegen sind Bestrebungen zur Entwicklung innovativer Technologien in diesem Bereich nicht zuletzt darauf gerichtet, die wirtschaftliche Kosten-/Nutzenrelation zu optimieren. Bislang unentdeckte Vorkommen werden vor allem in Bereichen erwartet, in denen Exploration und Förderung technisch besonders herausfordernd sind, zum Beispiel in der Tiefsee. Bei der Suche nach Kohlenwasserstoffvorkommen und der Erkundung von Lagerstätten sind Technologien besonders wichtig, mit denen sich möglichst umfassend Daten über vermutete Lagerstätten sammeln lassen. Je mehr Informationen zur Verfügung stehen, zum Beispiel zur Dichte des Gesteins, zur Sättigung mit Öl und Wasser, zur Durchlässigkeit, desto genauer lässt sich erkennen, ob eine Förderung möglich bzw. wirtschaftlich lohnenswert ist. Neue Technologien zielen darauf ab, aussagefähige Daten bereits vor der möglichen Entscheidung zu kostenintensiven Probebohrungen zu sammeln. Dafür gibt es bereits unterschiedliche Methoden, die ständig ergänzt und verfeinert werden. Dazu zählen unter anderem seismische, geochemische, gravimetrische, magnetische, elektromagnetische sowie Wärmestrommessungen. Von speziellen Explorationsschiffen aus lassen sich diese Verfahren auch für die Suche nach submarinen Kohlenwasserstoffvorkommen einsetzen. Die Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) betreibt Grundlagenforschung für die Erkundung des Meeresbodens. Dabei spielt die Entwicklung neuer Messgeräte eine wichtige Rolle.

5 5 WAS SIND FOSSILE ROHSTOFFE? PROBEBOHRUNGEN UND COMPUTERSIMULATION Probebohrungen sind der nächste Schritt, um viel versprechende Standorte genauer zu erkunden. Die zutage geförderten Bohrkerne werden in Laboratorien mit modernsten Methoden untersucht. Beispielsweise werden Proben aus dem Bohrkern mit verschiedenen Chemikalien unter Druck gesetzt. Die Wissenschaftler messen dabei, wie viel Gas beziehungsweise Flüssigkeit durch das Gestein dringen kann. Dies lässt wiederum Rückschlüsse auf die Permeabilität zu, also auf die Durchlässigkeit des Gesteins für Gas oder Öl. Ein weiterer Innovationsaspekt bei der Suche nach Rohstoffvorkommen gilt aussagekräftigen Computermodellen. Alle Daten aus den unterschiedlichsten Untersuchungen des Untergrundes fließen in solche Modelle ein, von denen sich Fachleute Auskunft über Prozesse im Erdinneren erhoffen. Die so genannte Beckenanalyse zum Beispiel vermittelt eine Vorstellung davon, wie sich die Lage und Schichtung der Gesteinsformationen im Laufe von Jahrmillionen verändert haben. Dies wiederum erlaubt Rückschlüsse auf die Bedingungen für die Entstehung von Öl- oder Gaslagerstätten. Mit den verfügbaren Daten aus vorangegangenen Analysen und aus Probebohrungen entwickeln Wissenschaftler dreidimensionale Computersimulationen. So werden exakte Abbilder des Untergrunds in mehreren Kilometern Tiefe möglich. Damit lässt nicht nur untersuchen, ob überhaupt und in welcher Menge Gas oder Öl vorhanden sind. Es zeigt sich auch, welche Wege dem Kohlenwasserstoff durch Hohlräume und Risse innerhalb des Speichergesteins offen stehen und ob eine wirtschaftliche Produktion zu erwarten ist. In weiteren Computermodellen werden unterschiedliche Produktionsstrategien getestet, um die optimale Förderung und Ausbeute zu erreichen. UNKONVENTIONELLE LAGERSTÄTTEN ERSCHLIEẞEN Neue technische Entwicklungen wie die hydraulische Stimulation erlauben es heutzutage, auch so genannte unkonventionelle Lagerstätten zu erschließen. Dabei handelt es sich um Lagerstätten mit besonderen Eigenschaften, aus denen Erdöl oder Erdgas nur durch zusätzliche technische Anstrengungen gelöst und wirtschaftlich gefördert werden können. Erdgas und Erdöl können beispielsweise an ihre Muttergesteine gebunden sein (Ölschiefer, Schiefergas, Kohleflözgas), in gefrorener Form existieren (Gashydrat) oder in engen Gesteinsporen eingeschlossen sein (Tight Gas). Auch Ölsande und Schweröllagerstätten zählen zu den unkonventionellen Vorkommen. Tight Gas Lagerstätten werden schon heute vielfach durch hydraulische Stimulation erschlossen. Das Potenzial von Kohleflözgas und Schiefergas in Deutschland wird derzeit intensiv erforscht. Für die Förderung von Aquifergas an Wasser gebundenes Erdgas und Gashydrat steht noch keine wirtschaftlich nutzbare Technologie zur Verfügung.

6 6 WAS SIND FOSSILE ROHSTOFFE? In Nordamerika hat die Erschließung von Ölschiefer und Schiefergas durch hydraulische Stimulation und ergänzende Technologien dazu geführt, dass die USA binnen weniger Jahre beim Gas vom Importeur zum Exporteur werden konnte; in der Ölproduktion sind sie sogar dabei, Saudi Arabien zu überholen. In Europa hat Polen bereits Konzessionen für mehr als 100 Probebohrungen nach Schiefergas vergeben. Wichtig ist es, für diese Formen der Rohstoffproduktion Technologien zu finden, die die Belastung der Umwelt möglichst niedrig halten. In Kanada zum Beispiel wird an Innovationen gearbeitet, um den hohen Wasserverbrauch in der dort sehr bedeutenden Rohstoffproduktion aus Ölschiefer und Ölsand zu reduzieren. METHANHYDRATE Völlig neue Ressourcen würden durch die Erschließung so genannter Methanhydrate möglich werden. Gefrorenes Methan es entsteht bei niedrigen Temperaturen unter hohem Druck findet sich in großen Mengen in den Meeresböden und an Land in Dauerfrostböden, zum Beispiel in Kanada oder Sibirien. Forschungsprojekte sollen klären, wie sich Methaneis aus dem Meeresboden wirtschaftlich fördern und nutzen ließe. In Japan wird die Offshore-Förderung von Gashydraten bereits praktisch erprobt; Südkorea steht kurz davor. In Deutschland untersuchen zum Beispiel das Projekt SUGAR unter Leitung des Ozeanforschungszentrums GEOMAR in Kiel sowie Wissenschaftler der Technischen Universität Bergakademie Freiberg Möglichkeiten, unterseeische Methanhydrate abzubauen und stattdessen CO2- Hydrat einzulagern. KOHLEFLÖZGAS Während des Jahrmillionen dauernden Prozesses der Inkohlung (der Entstehung von Kohle aus Pflanzenresten) entsteht auch Gas, das in den Kohleflözen gebunden bleibt. Sein Hauptbestandteil ist mit über 90 Prozent Methan. Beim Abbau der Kohle im Steinkohlebergbau untertage wird es häufig, durch die Luftzufuhr vermischt mit anderen Gasen, als Grubengas freigesetzt. Flözgas wird heute schon in Deutschland zur Stromproduktion genutzt. In zahlreichen Projekten vor allem in Nordrhein-Westfalen dient abgesaugtes Grubengas aus still gelegten Zechen dem Betrieb kleinerer Blockheizkraftwerke mit angeschlossener Kraft-Wärme-Kopplung. Laut internationaler Energieagentur trägt Kohleflözgas in den USA und in Australien zwischen acht und zehn Prozent zur Gasproduktion bei. Ein derartiger Anteil an der Gasproduktion in Deutschland ist derzeit nicht wirtschaftlich zu erreichen, da das Kohleflözgas durch die hohen Erschließungskosten und geringen Förderraten am Markt zu teuer ist. Zur realistischen Nutzbarkeit von Gashydraten gibt es sehr unterschiedliche Einschätzungen. Die Entwicklung wirtschaftlicher und umweltverträglicher Technologien zur Förderung von Gashydraten würde die Energiewirtschaft ähnlich stark verändern, wie dies bereits durch die Einführung der hydraulischen Stimulation geschehen ist. Allerdings müssen solche Technologien erst nach und nach schrittweise entwickelt werden.

7 7 WAS SIND FOSSILE ROHSTOFFE? BRAUNKOHLE Braunkohle spielt traditionell eine große Rolle für die Erzeugung von Strom und Wärme in Deutschland; das rheinische Revier ist das größte zusammenhängende Braunkohlevorkommen in Europa. Auch hier werden fortgesetzt neue Technologien entwickelt und erprobt, um die Effizienz zu steigern und den Umweltschutz zu optimieren. Ein Beispiel dafür sind die neuen Energiespargurte der oft kilometerlangen Bandförderanlagen. Sie reduzieren den Rollwiderstand der Förderbänder. Dadurch ist weniger Antriebsenergie erforderlich. Neu ist auch die Überwachung der Förderbänder durch Sensoren. Die Messdaten ermöglichen es, die Anlagen wirtschaftlicher zu betreiben. BAGGER STEUERN PER GPS Satellitendaten helfen, die riesigen Schaufelradbagger zu steuern. Das GPS erlaubt es, die Position der Bagger zentimetergenau zu bestimmen. Durch den Abgleich mit digitalen Karten der Lagerstätte können die Bagger besonders effizient bewegt werden, um die Kohleflöze möglichst vollständig abzubauen. Diese Karten zeigen exakt, wie die Kohle- und die Erdschichten im Boden verlaufen. Ingenieure von RWE haben ein Georadar entwickelt, das vom Bagger aus den direkten Einblick in den Boden ermöglicht. Das Radar am Schaufelrad des Baggers sendet Wellen aus, die von den Bodenschichten unterschiedlich zurückgeworfen werden. So entsteht ein digitales Bild aus dem Untergrund. In Zukunft sollen noch genauere Analysen des Bodens es erlauben, die Wirtschaftlichkeit der Förderung weiter zu verbessern. Viele der im Tagebau erhobenen Daten werden derzeit noch dezentral gemanagt. Entwickler arbeiten daran, die unterschiedlichen Prozessdaten in ein einheitliches System zu integrieren. Durch die ganzheitliche, kontinuierliche Auswertung wird es dann möglich sein, Verfügbarkeit, Einsatz und Wartung der Großgeräte optimal zu managen. BELASTUNG DER UMWELT VERMEIDEN Weitere Technologien dienen dem Schutz der Umwelt vor Belastungen durch Lärm und Staub, die beim Abbau und Transport von Braunkohle entstehen können. So ist es beispielsweise gelungen, im rheinischen Braunkohlerevier die Emission von Feinstaub in den letzten Jahren um 30 Prozent zu senken. Eingesetzt werden so genannte Feinstnebelsprühanlagen, die den Staub binden und niederschlagen. Da Braunkohle im Tagebau abgebaut wird, ist der Landschaftsverbrauch groß. Forschung und Entwicklung für die Renaturierung der Flächen ist deswegen eine besonders wichtige Aufgabe. Es sollen neue, ganzheitlich entwickelte Lebensräume mit einem intakten Naturhaushalt entstehen. Dazu müssen häufig Flüssläufe verlegt und das Grundwasser gemanagt werden. Außerdem sind genaue Kenntnisse der regionalen Pflanzen und Tierwelt nötig.

8 8 WAS SIND FOSSILE ROHSTOFFE? REKULTIVIERUNG Renaturierte Landschaften in ehemaligen Tagebaugebieten dienen unterschiedlichen Zwecken. Dazu gehören Freizeit und Erholung so entstehen dort beispielsweise Badeseen. Aber auch Naturschutzgebiete werden ausgewiesen, in denen sich Pflanzen und Tiere ungestört entwickeln können. Besondere Forschungsprojekte der jüngeren Vergangenheit haben sich unter anderem Insekten gewidmet, vor allem seltenen Libellen. Sie finden in den renaturierten Gebieten ihr Zuhause. Ein weiteres Projekt widmete sich dem Feldhasen und der Verbesserung seines Lebensraums. Zunehmende Bedeutung für rekultivierte Tagebauflächen gewinnt der Anbau von Pflanzen, die selbst als nachwachsender Rohstoff zur Erzeugung von Strom und Wärme geeignet sind. Wissenschaftler arbeiten daran, die Auswahl geeigneter Pflanzen und die optimalen Anbaumethoden zu definieren.

9 9 WAS SIND FOSSILE ROHSTOFFE? Herausgeber 3malE Bildung mit Energie Kruppstraße Essen T F E I Stand 25. Februar 2013 Alle Daten sind urheberrechtlich geschützt.

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