Hydraulic fracturing und toxikologische Risiken

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1 19. Robert-Koch-Tagung September 2012, Clausthal Hydraulic fracturing und toxikologische Risiken Roesebeckstr Hannover Fon 0511/ Fax 0511/ K.-M. Wollin Niedersächsisches Landesgesundheitsamt Hannover, Roesebeckstr

2 Inhalt Grundlagen Hazard-/Risikobetrachtungen Daten zu Belastungen in Umweltmedien Daten zu gesundheitlichen Effekten Zusammenfassung

3 Unkonventionelles Erdgas Unkonventionelles Erdgas (UEG) - u.a. Oberbegriff für Tight Gas (Erdgas in dichten Gesteinsschichten: Sandstein, Kalkstein, Tonminerale). Raum Cloppenburg, Tiefe m. Schiefergas (Shale Gas: in kohlenwasserstoffreichen Sedimenten wie Ölschiefer). Südwestliches Niedersachsen, Tiefe m. Kohleflözgas (coal bed methane CBM) Münsterländer Becken, Tiefe > m.

4 Gefährdung und Risiko in der Toxikologie NRC Risk Assessment Paradigm (1983) Hazard Identification - identifying adverse effects (e.g., short-term illness, cancer) that may occur from exposure to environmental stressors Dose-Response Assessment - determining the toxicity or potency of stressors Exposure Assessment - describing the populations or ecosystems exposed to stressors and the magnitude, duration, and spatial extent exposure Risk Characterization - using the data collected in the first three steps to estimate and describe the effects of human or ecological exposure to stressors

5 Schadstoffinventare im HF-Prozess Frac-Fluide Bestandteile dienen als Reibungsverminderer, Gel-Bildner, Verdickungsmittel, Tonstabilisatoren, Biozide, Lösungsvermittler, Breaker, Oberflächenspannungsverminderer, ph-regulierer, Quervernetzer/ Verzögerer für Quervernetzer, Antischaummittel, HF-Fluide enthalten 95-98% Wasser; Stützmittel (Quarzsand, kunstharzbeschichtete Sande, Hochleistungskeramik) und ca. 0,5-2 Vol.-% chemische Additive (US EPA 11/2011) HF-Fluid-Zusammensetzung nach Angaben aus dem Informations- und Dialogprozess Fracking: Wasser 70-80%, Sand, keramische Stützmittel (sog. Proppants) 20-30%, Chemikalien 2-5% (Gordalla et al., InfoDialog AK der gesellschaftlichen Akteure, 10. Okt. 2011, Osnabrück) In der Shale-Gas-Förderung wird ein mittleres Fluid-Volumen von m 3 (3 Mio. gal) pro horizontaler Bohrung benötigt, das entspricht einem Anteil an Additiven von ca m 3 ( gal) (US EPA 11/2011).

6 Schadstoffinventare im HF-Prozess Chemikalien in Frac-Fluiden - US EPA (11/2011) hat auf der Basis publizierter Daten Chemikalien als potentielle Bestandteile der HF-Fluide identifiziert, in Rückfluss- /Produktionswasser ( Flowback) waren es Das Tyndall Centre Manchester (Update November 2011) hat von 260 Fluid- Additiven 17 als ökotoxisch, 38 als akut toxisch, 8 als humankanzerogen, 7 als mutagen und 8 als reproduktionstoxisch eingestuft/bewertet. - Waxman Committee Report (April 2011): acturing%20report% pdf Zwischen wurden etwa verschiedene Fluidgemische verwendet, die 750 Chemikalien und andere Komponenten enthielten. Methanol, Isopropanol, 2-Butoxyethanol und Ethylenglycol waren die in jeweils 342/274/126 und 119 Produkten am häufigsten verwendeten Stoffe. In 95 Produkte wurden 13 verschiedene Kanzerogene eingesetzt, BTEX waren in 60 Produkten enthalten.

7 Schadstoffinventare im HF-Prozess Flowback Flowback-Wässer enthalten Inhaltsstoffe der Frac-Fluide (und ihrer Reaktionsprodukte) und Lagerstättenwasser. Neben den chemischen Additiven des Fluids sind suspendierte Bestandteile der Stützmittel, Tonpartikel sowie Öle/Schmierstoffe aus dem Bohrvorgang vorhanden. Rückgeführte Mengen Flowback: 20-80% (Groat al. et al., 2012), Damme3: 8% (Rosenwinkel, 2012) Geprägt vor allem durch die natürliche Zusammensetzung des Lagerstätten- /Tiefenwassers: Stark salzhaltig (Total dissolved solids, TDS), Schwermetalle und Arsen, natürliche radioaktive Stoffe (NORM) und MKW (einschließlich BTEX). Bei NORM dominieren Ra-226 (aus U-238) und Ra-228 (aus Th-232); Uran ist im Flowback wegen des reduzierenden Milieus praktisch abwesend (Rowan et al., 2011). Das potentielle Risiko der Fluid-Additive wird als geringer angesehen als das der natürlicherweise vorkommenden Kontaminanten wie Arsen oder anderer TDS- Bestandteile (Groat et al., 2012).

8 Frac-Fluide: Das toxikologische Hazard Frac-Fluid-Gemische enthalten Stoffe, die in Bezug auf toxikologische Endpunkte auf Basis der GHS/CLP-Verordnung (VERORDNUNG (EG) Nr. 1272/2008) als gefährlich eingestuft sind. Die Frac-Fluid-Gemische selbst sind wegen der Höhe der Konzentration ihrer gefährlichen Bestandteile im Gemisch i.d.r. nicht als gefährlich oder umweltgefährdend eingestuft Die jeweils spezifische Zusammensetzung hängt von den konkreten geologischen Bedingungen ab. Die Tendenz geht dahin, weniger Stoffe und weniger gefährliche Stoffe einzusetzen oder auf sie vollständig zu verzichten (Clean Fracking: Fluidbestandteile sind z.b. Wasser, Bauxitsand und Stärke). Fluid-Rezepturen werden zunehmend offengelegt: Rezepturen zu Standorten in Deutschland siehe unter

9 Emissionsszenarien allgemein Worst case-szenarien in technischen Einrichtungen Blow-Out Leckagen Chemikalienbehälter auf dem Betriebsplatz/LKW-Unfall Leckage Abwasserleitungen Undichte Bohrlöcher Szenarien zu Emissionen gefährlicher Stoffe Können Fluid-Bestandteile aus dem tiefen Untergrund in höhere Schichten migrieren? Aufstieg von Methan? Aufstieg von verpresstem Flowback (Abwasser) Luftschadstoffe in der Emission/ Immission?

10 Migration von Frac-Fluiden in Aquifere Ist ein aufwärts gerichteter Transport des Fluids möglich? (Groat et al., 2012) Um Fracs vertikal in Richtung Aquifer zu generieren, wären um Größenordnungen höhere Fluidmengen erforderlich. Induzierte Risse sind zeitlich begrenzt beständig, wenn sie sind nicht durch Stützmittel ausgefüllt werden, die selbst nicht alle Fracs erreichen. Der Unterdruck bei der Gasförderung führt dazu, dass das Fluid in das Reservoir und abwärts gerichtet einfließt. Geochemische RK der Fluid- Chemikalien und Adsorption. Nach HF erfolgt zunehmend Vermischung mit Salzsole, ohne sehr hohe Drücke ist Transport aufwärts im Grunde nicht möglich.

11 Migration von Frac-Fluiden in Aquifere Neutraler Expertenkreis im InfoDialog Fracking (April 2012) Modelle zeigen, dass selbst unter konservativen Annahmen (Frack- Risse über Schichtgrenzen hinaus und Reichweite > 300 m und m durchgängige Störungen) Frac-Fluids nur etwa 50 m aufwärts steigen können, wenn zugleich Frac-Druck aufrecht erhalten wird. Horizontaler Transport im Tiefenwasser: Bewegung der Schadstoffahne über mehrere km (pro Jahr 20m) möglich; betrifft Setting Köhleflözschichten im Münsterland. Transport hin zu den Thermalbädern äußerst unwahrscheinlich. Ausnahmen: Gespannte GW-Leiter.

12 Daten zu Grund-/Trinkwasserkontaminationen Daten in wissenschaftlichen Publikationen sind fast nicht verfügbar (Recherche in Medline/TOXNET: )! Berichtete Kontaminationen (in den USA) betreffen typischerweise hohe Fe-, manchmal hohe Mn- und Fe- sowie mehrfach hohe As-Gehalte, die nicht Bestandteile der Frac-Fluide sind, unmittelbar nach HF-Maßnahmen. Plötzlich einsetzende Farbveränderung von klar hin zu rot, braun, grau und Trübungen. Weiterhin genannt: Methan, Benzol/Toluol, Sr und Ba (Übersicht in Groat et al., 2012). Methan in GW ist z.b. in den Barnett- und Marcellus-Shales nicht ungewöhnlich und wurde vor Aufnahme von HF-Aktivitäten beobachtet. In höhere geologische Schichten und letztendlich in das GW einströmendes thermogenes Methan ist in Texas ein allgemein bekanntes Phänomen. Die 8 Fallbeispiele für GW-/TW-Kontaminationen im Tyndall-Report (2011) beziehen sich vorwiegend auf Methan infolge schwerwiegender Störfallsituationen in den USA einschließlich Blow-Out.

13 Daten zu Grund-/Trinkwasserkontaminationen EW Boyer et al. (October 2011): The Impact of Marcellus Gas Drilling on Rural Drinking Water Supplies. Center for Rural Pennsylvania Wasserproben aus 233 Brunnen in ländlichen Gebieten Pennsylvanias wurden 2010 und 2011 analysiert, um den Einfluss der direkten Nachbarschaft zu Gasförderanlagen (Marcellus Shale) zu überprüfen. In Phase 1 wurden 48 Proben innerhalb von 8 Mon. entnommen (26 nach Fracturing, 16 nach Bohren, 6 Kontrollen), um kurzfristige Veränderungen zu ermitteln. In Phase 2 wurden 172 Proben und 13 Kontrollen bis hin zu mehr als 800 d nach Prozess entnommen, um den möglichen längerfristigen Einfluss von Frac-Aktivitäten zu messen. Ergebnis: Die Analyse der Daten zu den möglicherweise kontaminierten Wasserbrunnen aus den Phasen 1 und 2 zeigten allgemein keine statistisch signifikanten Änderungen der Wasserqualitätsparameter in der Folge der vorgenommenen Bohr- oder Frac- Maßnahmen. Überschreitungen Grenzwert (n= 233 Brunnen): ph (17%), TDS (3%), Fe (20%), Ba (1%), Mn (27%), As (4%), Trübung (32%), Coliforme (33%), Fäkalcoliforme (8%) Die Kontrollen waren in guter Übereinstimmung zu früheren umfangreichen Untersuchungen in PA. Methan wurde in 20% der Kontrollen nachgewiesen, sporadisch allerdings in besorgniserregender Höhe.

14 Daten zu Grund-/Trinkwasserkontaminationen Grundwassermonitoring im Bereich der Frac-Bohrungen Damme 2/3 (Exxonmobil, 2008) 6 x 2 Grundwassermessstellen (flach: 8-25m, tief m) Parameter: CIT (5-Chlor-2-Methyl-2H-Isothiazol-3-on), MIT (2-Methyl-2H- Isothiazol-3-on), Tetramethylammoniumchlorid In keiner der Proben aus GW-Messstellen und im Trinkwasser der Wasserversorgungsvereine wurden die untersuchten Stoffe oberhalb der Bestimmungsgrenzen (MIT und Tetramethylammoniumchlorid: jeweils 10 µg/l, CIT 50 µg/l) im Wasser nachgewiesen. Aber: Die analytische Empfindlichkeit ist nicht ausreichend! (Stand: )

15 Daten zu Grund-/Trinkwasserkontaminationen Grundwassermonitoring Frac Goldenstedt Z23 Quelle: Bericht SGS Institut Fresenius TWL meoh: 1,75 mg/l (RfD IRIS) GFS Summe alkylierte Benzole: 20 µg/l (LAWA, 2004)

16 Methane contamination of drinking water accompanying gas-well drilling and hydraulic fracturing (Osborn et al., 2011) Shale gas; Isotopenverhältnisse und Verhältnis CH 4 -/höhere KW würden für thermogenes Methan sprechen. Keine Anhaltspunkte für eine Kontamination durch tiefe Salzlösungen oder Fracturing-Fluids.

17 Kommentare zu Osborn et al. (Proc Natl Acad Sci U S A May 17;108(20):8172-6) T Saba, M Orzechowski: Lack of data to support a relationship between methane contamination of drinking water wells and hydraulic fracturing. PNAS September 13, 2011 vol. 108 no. 37 E663 SC Schon: Hydraulic fracturing not responsible for methane migration. PNAS September 13, 2011 vol. 108 no. 37 E664 RJ Davies: Methane contamination of drinking water caused by hydraulic fracturing remains unproven. PNAS October 25, 2011 vol. 108 no. 43 E871

18 Erwiderung der Autoren Osborn et al. (Proc Natl Acad Sci U S A May 17;108(20):8172-6) Osborn, S.G., Vengosh, A., Warner, N.R., and Jackson, R.B.: Reply to Saba and Orzechowski and Schon: Methane contamination of drinking water accompanying gas-well drilling and hydraulic fracturing. PNAS September 13, 2011 vol. 108 no. 37 E665 E666 Jackson R.B., Osborn S.G., Vengosh A., Warner N.R.: Reply to Davies: Hydraulic fracturing remains a possible mechanism for observed methane contamination of drinking water. PNAS October 25, 2011 vol. 108 no. 43 E872

19 Beurteilungswerte für Methan in Trinkwasser U.S. Department of the Interior, Office of Surface Mining (2001) TECHNICAL MEASURES FOR THE INVESTIGATION AND MITIGATION OF FUGITIVE METHANE HAZARDS IN AREAS OF COAL MINING 3 L Methan/m 3 2 mg Methan/L Technical Support Document for Ontario Drinking Water Standards, Objectives and Guidelines. June Revised June 2006

20 Boden-/Wasserbelastungen nach Rohrleitungsschäden LBEG hat April 2011 nach Schadensfall (Raum Söhlingen) angeordnet, dass in Niedersachsen tätigen Unternehmen der Erdölund Erdgasbranche bis Ende Februar 2012 durch Sachverständigengutachten nachzuweisen haben, dass die eingesetzten Kunststoffrohrleitungen zum Transport von Lagerstättenwasser den zu erwartenden mechanischen, thermischen, physikalischen und chemischen Beanspruchungen standhalten. Lagerstättenwasserleitungen - LBEG schließt Überprüfung von Eignungsnachweisen für Kunststoffrohrleitungen zum Transport von Lagerstättenwasser ab (07. Mai 2012). Belastungen des Bodens und des Wassers wurden festgestellt. 23 Rohrleitungen mit Gesamtlänge von etwa 44 Kilometer von insgesamt 740 km PE-Rohrleitung wurden außer Betrieb genommen.

21 Boden-/Wasserbelastungen nach Rohrleitungsschäden Lagerstättenwasserleitung 951 im Erdgasfeld Völkersen Nord Z1 (Dezember 2011): Erhöhte Gehalte von Benzol im Boden, im Wasser an einigen Leitungen wurden erhöhte Benzol-Werte gemessen. Die Belastung des Wassers erreicht an zwei Stellen Werte von mehr als µ/l Benzol. Trinkwasser ist nicht betroffen. In privaten Brunnen wurden keine erhöhten Benzolwerte nachgewiesen. Wardböhmen Z1 (LK Celle) (März 2012): Schaden an einer Stahlverbindungsleitung zum Lagerstättenwassertank, Kontamination des Bodens. Sechs m 3 Boden wurden ausgekoffert. Erdölgasleitung E0120 in Gemeinde Steyerberg (LK Nienburg) stillgelegt (März 2012): Vier Bodenproben aus Schürfen genommen, bei drei Schürfen und einer Beprobung des zulaufenden Wassers kein Schadstoffnachweis. In einer Probe µg BTEX/kg TS und µg Benzol/kg TS (Prüfwerte der LABO (2009): 100/400 µg/kg TS für Wohngebiete/ Gewerbegebiete. Stilllegung einer Lagerstättenwasserleitung aus Polyethylen im Erdölfeld Nienhagen (LK Celle) (April 2012): Das in der Leitung transportierte Lagerstättenwasser hat einen relativ hohen Benzol-Gehalt.

22 Belastungen der Außenluft On-site-Emissionen von Luftschadstoffen aus Bohr- und Frac-Aktivitäten betrefffen Staub/Feinstaub, Dieselabgase VOCs allgemein und Methan. Die VOC- und andere Emissionen der Erdöl-/Erdgasindustrie werden allgemein als erheblich betrachtet (US EPA, April 2012). ENVIRONMENTAL PROTECTION AGENCY (4/17/2012) regelt neu: 40 CFR Part 63 [EPA-HQ-OAR ; FRL-] RIN 2060-AP76 Oil and Natural Gas Sector: New Source Performance Standards and National Emission Standards for Hazardous Air Pollutants Der generelle Beitrag von VOCs (BTEX) und NO x aus HF und in Bezug auf die Bildung von Ozon/Smog wird z.t. vor dem Hintergrund von um den Faktor 4 abnehmender O 3 -Gehalte zwischen in konkret betrachteten Gebieten kontrovers diskutiert. Ausser in der direkten Nähe von Gasaufbereitungsanlagen und Kompressorinstallationen mit erhöhten Emissionen kann der Beitrag von HF- Aktivitäten in der Immission geringer als der von Verkehrsemissionen im urbanen Raum sein (Groat et al., 2012).

23 Auswirkungen auf die Gesundheit Die DISH-HBM-Studie (Department of State Health Services (DSHS), 2010) Ausgangspunkt war ein Survey zu gesundheitlichen Beschwerden bei 31 Freiwilligen der Stadt DISH (Subra, 2009) und zuvor Klagen von Einwohnern über Geruchsbelästigungen durch (Gas)Brunnen und Kompressoren der Shale- Gas-Förderung. DSHS hat Blut- und Urinproben von 28 Freiwilligen untersucht. Die Zielsubstanzen umfassten einen großen Bereich von VOCs und anderen gefährlichen Luftschadstoffen (HAPs). Die Bewertung erfolgte auf Basis der Daten des National Health and Nutrition Examination Survey (NHANES). DSHS folgert, dass die VOC-Blutwerte der Probanden allgemein vergleichbar mit den Werten der US-Bevölkerung sind. Das Muster der Blut- und Urinergebnisse ist nicht in Übereinstimmung mit der Exposition gegenüber ungewöhnlichen VOC-Belastungen. Erhöhte Benzol-Blutwerte waren mit einer Ausnahme auf Rauchen zurück zu führen. Stark kontroverse Diskussion der Studienergebnisse in der Öffentlichkeit!

24 Zusammenfassung/Ausblick Das Potential des Hydraulic Fracturing, Kontaminationen von Grund- und Trinkwasserressourcen zu verursachen, wird als das Schlüsselrisiko der Technologie betrachtet. Oberflächennahe Prozesse werden für diesen Gefährdungspfad als die kritischen angesehen, insbesondere in Bezug auf den Umgang mit den Additiven der Frac-Fluide und dem Flowback. Systematische, wissenschaftliche Daten/Studien zu Emissionen/ Immissionen von HF und ihren gesundheitlichen Auswirkungen waren bislang weitüberwiegend nicht verfügbar. Abgeschlossen ist die Risikostudie Fracking (Neutraler Expertenkreis, Mai 2012). NRW will im Sommer 2012 die in 11/2011 beauftragte Studie vorlegen, das UBA- Gutachten wurde aktuell (August 2012) vorgelegt. Ein wesentlicher Impuls ist aus dem laufenden Projekt der US EPA (Nov. 2011) zu erwarten, da hier umfassend neue Daten u.a. zur Belastung in den Umweltmedien (und ggf. zur Ermittlung des Hazards der verwendeten Stoffe in toxikologischen Studien) erhoben werden sollen.

25 Roesebeckstr Hannover Fon 0511/ Fax 0511/ Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Dr. Klaus-Michael Wollin Dipl.-Chem., ERT Niedersächsisches Landesgesundheitsamt, Roesebeckstr Hannover