Unkonventionelle Gasgewinnung Was bedeutet das für das Wasser?

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1 Unkonventionelle Gasgewinnung Birgit Gordalla, Fritz H. Frimmel Gefährdungsabschätzung im Rahmen eines neutralen Expertenkreise DVGW-Winterprogramm 20. Februar

2 Unkonventionelle Erdgasgewinnung Unkonventionelle Erdgaslagerstätten Tight Gas (in Sand- und Kalkstein) Schiefergas (shale gas) Kohleflözgas (coalbed methane) Gas in feinen Poren Hydraulic Fracturing Einpressen einer Flüssigkeit unter hohem Druck Erzeugung von Rissen im Gestein Einbringen eines Stützmittels (Sand, Proppants ) in die Risse Druckentlastung und Abziehen der Flüssigkeit Gas kann ausströmen Stützmittel hält die Wegsamkeiten offen. Horizontales Bohren Ausbeutung sehr flacher gasführender Formationen 2

3 Besorgnisse aufsteigen. Es werden hochgiftige Chemikalien in den Untergrund gepresst. Das Trinkwasser wird verseucht. Es werden hochgiftige Chemikalien in den Untergrund gepresst. Frack-Fluide und Methan werden aus dem Untergrund Das Trinkwasser wird verseucht. Quelle: Süddeutsche Zeitung 4./5. Februar

4 Expertenkreis Sicherheit und Umweltverträglichkeit der Fracking-Technologie für die Erdgasgewinnung aus unkonventionellen Quellen Geologische Systeme Hydrogeologie Mehrphasenströmung Toxikologie und Grundwasser Humantoxikologie Ökotoxikologie Trinkwasser Abwasser (Flowback) Technische Systeme Umweltrecht Landschaft / Flächenbedarf Energie- und Klimabilanz Regional-Ökonomie Seismische Gefährdung 15 Wissenschaftliche Institutionen 40 Wissenschaftler Vorgehensweise Öffentliche Information + Diskussion Fragenkatalog Einzelgutachten Peer Review Environmental Earth Sciences Special Issue 70(8) (2013) Risikostudie Fracking ISBN

5 Dimensionen Bohrturm V FF = n 1000 m³ p bar ca. 40 m 50 cm Nutzbarer Grundwasserleiter Geologische Formation 11 cm Wasserundurchlässige Schicht Tiefengrundwasser m CH m Frack 25 m p bar ϑ C ca m Gasführende Schicht 5

6 Wasserbilanz des Hydraulic Fracturing Wasser (Trinkwasser, Brunnenwasser) Additive Stützmittel (Sand, Proppants) Behandlung Entsorgung Verpressung in Disposalbohrung Fracking Bohrung Flowback (F-Fluid, Lagerstättenw.) Stützmittel (Sand, Proppants) 6

7 Fragestellungen Bewertung der Inhaltsstoffe von Frack-Fluiden aus humantoxikologischer Sicht Bewertung der Frack-Fluide im Hinblick auf den Trinkwasserschutz und den Grundwasserschutz Bewertung des Flowbacks 7

8 Inhaltsstoffe des Flowback 13 Analysen von 7 Bohrungen im Buntsandstein ( ) Beurteilungswerte ρ ref (XX ng/l bis XX µg/l) LAWA Schwellenwerte oder Prüfwerte für das Grundwasser (LAWA 2004) Jahres-Durchschnitts-Umweltqualitätsnorm (JD-UQN) für oberirdische Gewässer (OGewV 2011) Trinkwasserverordnung (TrinkvW 2001) Anorganische Mikroverunreinigungen ρ ρ ref Stoff Co, Cu, Mo, Ni, Se, CN As, Cr, Pb Cd, Sb - Hg Organische Mikroverunreinigungen ρ ρ ref Stoff mehrere BTEX mehrere PAK Naphthalin Phenanthren Benzol PAK Summe mg/l-bereich! 8

9 Frack-Fluide Funktion: Transport von Stützmitteln in die durch das Fracking geschaffenen Wegsamkeiten Im tiefen Gestein (Carbongestein, Buntsandstein): Gel-Fracks hohe Viskosität, niedrige Pumprate Hohe Permeabilität: 0,1 bis 0,01 milli-darcy, aber geringe Klüftigkeit Hohe Konzentration an Stützmitteln, wenig Wasser (Fluid) Im Schiefergestein: Slick-Water-Fracks niedrige Viskosität, hohe Pumprate Hohe Klüftigkeit, geringe Permeabilität (nano-darcy-bereich) Höheres Volumen an Wasser (Fluid) erforderlich 9

10 Frack-Additive Funktion Tonstabilisatoren Verdickungsmittel Vernetzer Brecher Hochtemperaturstabilisatoren Stabilisatoren Puffer Tenside Reibungsreduzierer Lösemittel Biozide Beispiel Tetramethylammoniumchlorid, Kaliumchlorid Guarmehl, Carboxymethyl-hydroxypropyl-Guar(CMHPG)- Polymer, Kohlenhydrat-Derivate Triethanolamin, Natriumtetraborat, Zirkoniumdichloridoxid, Zitrusterpene Natriumbromat, Diammoniumperoxodisulfat Natriumthiosulfat Tetraethylenpentamin Natriumhydrogencarbonat, Salze aliphatischer Carbonsäuren Ethoxylierte Alkohole, Glykolether Hydrogenisierte leichte Erdöldestillate 2-Butoxyethanol, Propan-2-ol, Methanol Kathon (5-Chlor-2-methyl-2H-isothiazol-3-on und 2-Methyl-2H-isothiazol-3-on, 3:1) 10

11 Frack-Fluide Datenbasis ca. 20 Rezepturen von Fracks seit den 1980er-Jahren von Exxon veröffentlicht unter: frac-fluessigkeiten/index.html Angaben orientiert an Kennzeichnungspflicht Gefahrstoffkennzeichnung, WGK eingesetzte Massen Stoffidentität (etwa 150 Stoffe) CAS-Nummern, Stoffnamen, chemische Substanzklasse nicht gefährlicher Stoff oder nicht kennzeichnungspflichtiger Stoff 11

12 Frack-Fluide Datenbasis Exemplarische Auswertung von drei repräsentativen Fracks Buchhorst T12 Tight gas Gel-Frack im Buntsandstein ca m Tiefe, 120 C Cappeln Z3a Tight gas CO 2 -unterstützter Gel-Frack im Oberkarbon-Sandstein ca m Tiefe, 150 C Damme 3 Shale gas Slickwater-Frack im Schiefergestein ca m Tiefe, 80 C Nicht untersucht, da keine Daten: Fracking im Kohleflöz 12

13 Eingesetzte Mengen Einsatz pro Frack Wasser m 3 Proppants kg CO kg Cappeln Chemikalien ca kg verschiedene Massenanteil der Chemikalien (bezogen auf Wasser) 3 % (30 g/l) 1,1 % (11 g/l) 0,16 % (1,6 g/l) Buchhorst Cappeln Damme 13

14 Bewertungsansätze Gefahrstoffrecht: Gefährlichkeitsmerkmale (CLP-Verordnung) Wassergefährdungsklassen (WGK) Ökotoxikologie PEC/PNEC-Ansatz Stellvertreter-Organismen Fisch Wasserfloh Trinkwasserschutz Alge Konzentrationsbasierte Bewertung Vergleich der Nominalkonzentration in der Frack-Flüssigkeit mit einem Beurteilungswert M. Schmitt-Jansen, UFZ Leipzig 14

15 Gefahrstoffrecht Als giftig eingestufte Stoffe T Humantoxisch (toxic to humans) Kathon Methanol Tetramethylammoniumchlorid, N(CH 3 ) 4 Cl N Umweltgefährlich (toxic to aquatic life) Kathon (WGK 3) Zitrusterpen (Limonen) (k.a.) Tetraethylenpentamin (WGK 2) Tetraethylenpentamin 5-Chlor-2-methyl- 2H-isothiazol-3-on Kathon 2-Methyl- 2H-isothiazol-3-on Limonen 15

16 Gefahrstoffrecht Bohrung Masse an Chemikalien pro Injektion (Frack) Masse an gefährlichen Stoffe pro Injektion Anzahl an gefährlichen Stoffe pro Injektion Buchhorst T kg 1588 kg (24 %) 9 von 18 Cappeln Z3a 6568 kg 4889 kg (74 %) 12 von 22 Damme kg 4507 kg (68 %) 3 von 9 Einstufung als Bestandteile von Gemischen: Massenanteil > Konzentrationsgrenzwert? (5 % - 0,1 %, abhängig von der Wirkung) Sonst: kein relevanter Bestandteil Frack-Fluide und Flowback nicht als gefährliche Gemische einzustufen 16

17 Trinkwasserschutz Vergleich mit Grenzwerten der Trinkwasserverordnung Parameter Grenzwert ρ ref, mg/l Konzentration ρ FF, mg/l ρ FF ρ ref Bromat 0, Biozide (Summe) 0, ,6...5, Kalium 12* Ammonium 0, Chlorid Natrium Bor TOC 0,5...2** *1980 ** trinkwasserübliche Werte in Deutschland 17

18 Trinkwasserschutz Vergleich mit Gesundheitlichen Leitwerten LW Keine Rechtsnorm verfügbar, aber ausreichende Datenlage zur oralen Toxizität Berechnung aus der duldbaren täglichen Aufnahmemenge TDI (tolerable daily intake) 10 % Aufnahme über das Trinkwasser 70 kg Körpergewicht 2 L/d Trinkwasserkonsum Substanz TDI mg/(kg d) LW = ρ ref mg/l ρ FF mg/l ρ FF ρ ref 2-Butoxyethanol 0,1 0, Methanol 0,5 1, Propan-2-ol 2,4 8,

19 Trinkwasserschutz Vergleich mit Gesundheitlichen Orientierungswerten Keine Rechtsnorm verfügbar, unzureichende Datenlage zur oralen Toxizität 0,3 µg/l: Gesundheitlicher Orientierungswert GOW für Stoffe ohne gentoxisches Potential bei Fehlen weiterer humantoxikologischer Informationen Substanz ρ ref = GOW mg/l ρ FF mg/l ρ FF ρ ref Tetraethylenpentamin 0, Zitrusterpene 0, Hydrogen. leichte Erdöldestillate 0, Tetramethylammoniumchlorid 0, Zirkoniumdichloridoxid 0,

20 Ökotoxikologische Bewertung PNEC Predicted no-effect concentration Bewertete Konzentration PEC Predicted environmental concentration Hazard Quotient HQ = PEC PNEC HQ < 1 HQ > 1 Mischungen: Hazard Index HI = Σ HQ 20

21 Ranking Konzentrationen GOW Tetraethylenpentamin Alge (Daphnie) GOW Tetramethylammoniumchlorid (Fisch) GOW Hydrogen. leichte Erdöldest. Fisch GOW Zitrusterpene nicht bew. Trinkwasserschutz TVO TVO GOW LW TVO TVO TVO 5-Chlor-2-methyl-2H-isothiazol-3-on Natriumbromat Zirkondichloridoxid 2-Butoxyethanol 2-Methyl-2H-isothiazol-3-on Kathon Kalium nicht bew. nicht bew. Alge Alge nicht bew. nicht bew. nicht bew. Gewässerschutz, Ökotoxikologie TVO Thiosulfat nicht bew. LW Methanol Alge TVO Chlorid Daphnie (Fisch, Alge) LW TVO Propan-2-ol Anorganisches Borat Alge Alge- Daphnie + Quelle: Gutachten M. Schmitt-Jansen R. Altenburger 21

22 Ranking Buchhorst T12 Masse, kg ρ FF/ ρ ref Stoff HQ Fisch HQ Daphnie HQ Alge Tetraethylenpentamin Zitrusterpene n.e.d n.e.d n.e.d Chlor-2-methyl- 2H-isothiazol-3-on n.e.d n.e.d n.e.d Natriumbromat n.e.d n.e.d n.e.d Zirkoniumdichloridoxid 4 n.e.d Butoxyethanol Methyl-2Hisothiazol-3-on n.e.d n.e.d n.e.d Kathon n.e.d n.e.d n.e.d Propan-2-ol <1 < Anorgan. Borat 4 <1 4 n.e.d: no effect data 22

23 Fazit Die Kombination aus trinkwasserorientierter und ökotoxikologischer Bewertung gibt eine Orientierungshilfe für die Entwicklung künftiger Frack-Rezepturen in Richtung geringerer Schädlichkeit für das Wasser. Ersatz einzelner Komponenten: Methanol durch Diethanolamin Tetramethylammoniumchlorid durch Cholinchlorid Hydrogenisiertes Erdöldestillat durch Butyldiglycol Ersatz von Borat (SVHC-Liste der ECHA) Diskutiert: Ersatz des Biozids durch die UV-Desinfektion des Wassers Nicht wasserbasierte Frack-Fluide Methanol, Diesel (in der Vergangenheit) In der Literatur diskutiert: Flüssigpropan als Frack-Fluid 23

24 Bewertung von Grundwasser-Kontaminationen Wirkungsorientierter Ansatz für lokale und begrenzte Grundwasserkontaminationen GFS Geringfügigkeitsschwellenwert Ableitung aus ökotoxikologischer Bewertung und Bewertung im Hinblick auf den Trinkwasserschutz Prinzipien des nachsorgenden Grundwasserschutzes für punktuelle Belastungen kleine Schadstoffmenge Abschätzung: Masse/kg GFS/(µg/L), z. B. GFS = 0,1 µg/l 100 g kleine Menge Damit ist letztlich die Schadstoffmenge das Bewertungskriterium LAWA, LABO (Länderarbeitsgemeinschaft Wasser bzw. Boden) 24

25 Ranking Massen kg kg kg kg 880 kg 400 kg... 1, kg 2-Butoxyethanol Tetramethylammoniumchlorid Kaliumchlorid Kohlenhydratbasiertes Verdickungsmittel Leichtes hydrogenisiertes Erdöldestillat Methanol... Kathon (Biozid) 25

26 Leckagen Szenarien Austritt von Frack-Fluid durch Leckagen bei der Verpumpung Rohrbruch unterhalb des Standrohrs in 100 m Teufe Detektiert nach 5 min über den Druckverlust 35 m 3 Frack-Fluid Sickerleckage unterhalb des Standrohrs in 100 m Teufe Unbemerkt über den gesamten Zeitraum des Fracks 76 m 3 Frack-Fluid Volumenanteil des ausgetretenen Frack- Fluids für die drei Beispiel-Fracks: Verfrachtung von TOC: Verfrachtung von KCl: % kg kg Quelle: Gutachten Uth (2012) 26

27 Dimensionen der unkonventionellen Erdgasförderung Bohrregion: ca. 20 km x 10 km 22 Bohrplätze 300 Bohrungen Fracks Quelle: Olsson/Weichgrebe/Rosenwinkel, Environ Earth Sci 70, (2013) 6 Mio. m 3 Frack-Fluid m 3 Chemikalien m 3 Stützmittel 5 Mio. m 3 Wasser??? m 3 Abwasser m 3 bei 10 % Flowback 1,4 Mio m 3 bei 23 % Flowback 27

28 Risikobetrachtung für das Wasser Fazit und Forderungen Eine Kontaminationsrisiko für das Wasser geht am ehesten von obertägigen Aktivitäten aus (z. B. Verspritzen, Schlauchabriss). Schutzmaßnahmen: Asphaltierung, Aufkantung, Auffangwannen Leckagen in der Nähe des nutzbaren Grundwasserleiters sind möglich. Kein Fracking in Trinkwasserschutzgebieten (Zone I und II) und in Heilquellenschutzgebieten! Keine obertägigen Maßnahmen in Zone III. Abstand Oberfläche Gas-führende Schicht > m Abstand Tiefenwasser Gas-führende Schicht > 600 m Begleitung von Frack-Aktivitäten durch ein Grundwasser-Monitoring! Das Aufsteigen der Frack-Flüssigkeit aus dem tiefen Untergrund ist unwahrscheinlich. Es ist nur an offenen Bruchzonen möglich. Kein Fracking an Orten - mit tektonisch gespanntem Untergrund und - bei Vorliegen von artesisch gespanntem Tiefenwasser und durchgängigen Transportwegen! 28

29 Risikobetrachtung für das Wasser Fazit und Forderungen Im Vorfeld von Fracking-Aktivitäten: Erhebung einer Null-Linie (Grundwasserqualität, Methan-Gehalt) Vor der großflächigen Anwendung: Pilotprojekte zum Studium einzelner Aspekte der Fracking-Technologie Das Flowback-Wasser ist bedenklicher als die Frack-Flüssigkeit. Entwicklung eines Konzeptes für das Flowback-Management (Transport, Aufbereitung, Entsorgung)! 29

30 Wissensdefizite und Forschungsbedarf Identifizierung von Transformations- und Abbauprodukten der Frack-Additive im Flowback zur vollständigen Beurteilung der Relevanz der verwendeten Additive im Hinblick auf die aquatische Umwelt Massenbilanzierung der eingesetzten Stoffe Beurteilung ihrer Eignung als Zielanalyten für einen möglichen Fracking-Fluid-Einfluss Konzipierung eines Grundwasser-Monitorings im Hinblick auf einen möglichen stofflichen Einfluss des Frackings (z. B. bei Leckagen) Auswahl geeigneter Zielanalyten ( Tracer ) Entwicklung von genügend empfindlichen Analysenverfahren (unterer µg/l-bereich) Prüfung der Eignung des Non-target-Screenings als alternativer analytischer Ansatz 30

31 Wissensdefizite und Forschungsbedarf Mikrobielle Umsetzungen von Inhaltsstoffen des Frack-Fluids bei den Bedingungen des tiefen Untergrunds Technische Relevanz Abbauprozesse im Gel, unerwünschte Verringerung der Viskosität Biofilmwachstum in der Bohrung Mikrobiell induzierte Korrosion am Bohrgestänge Umweltrelevanz Biozid-Einsatz in der Kritik, Suche nach Alternativen Bildung von Abbau- und Transformationsprodukten der Frack-Additive Beeinflussung der autochthonen Biozönose im Untergrund durch die Frack-Flüssigkeit 31

32 Kräftefeld Fracking Expertenkreis Risikostudie Sicherheit und Umweltverträglichkeit der Fracking-Technologie für die Erdgasgewinnung aus unkonventionellen Quellen April 2012 UBA Gutachten Umweltauswirkungen von Fracking bei der Aufsuchung und Gewinnung v. Erdgas aus unkonventionellen Lagerstätten August 2012 NRW Gutachten Fracking in unkonventionellen Erdgas- Lagerstätten in NRW September 2012 IWW Gutachten Wasserwirtschaftliche Risiken bei Aufsuchung u. Gewinnung v. Erdgas aus unkonventionellen Lagerstätten im Einzugsgebiet der Ruhr September 2013 Umsetzung der Risikostudie Fracking Statusberichte, drittes Statuskolloquium terminiert für Forschung z. B. Gründung eines Fachausschusses Fracking-Chemikalien in der Wasserchemischen Gesellschaft (GDCh) Politik alte Bundesregierung neue Bundesregierung bisherige EU-Kommission neue(?) EU-Kommission 32

33 Dank Expertenkreis, besonders Prof. Ulrich Ewers and Dr. Mechthild Schmitt-Jansen ExxonMobil Production Deutschland GmbH 33

34 Unkonventionelle Gasgewinnung Birgit Gordalla, Fritz H. Frimmel Gefährdungsabschätzung im Rahmen eines neutralen Expertenkreise DVGW-Winterprogramm 6. Februar

35 35

36 Umsetzung der Empfehlungen aus der Risikostudie Frack-Ausbreitung Einfluss mikrobiologischer, physikalischer und chemischer Prozesse auf Frack-Fluide (Hochdruckexperimente, Bakterienkulturen aus Bohrkernen) Frack-Fluide (Weiterentwicklung Rezepturen) Lagerstättenwasser, Flowback (Stoffbilanzierung, Abwasserbehandlung) Grundwasser-Monitoring (Oberflächengeoelektrik, Messsonden) Zementstabilität unter Frack-Fluid-Einfluss Risikoanalyse für Bohrung, Fracking, Gasförderung, Stillegung Exemplarische Bohrstelle Bötersen Z11 36

37 Beurteilung der Konzentrationen humantoxikologisch noch nicht bewerteter Stoffe im Trinkwasser Gesundheitlicher Orientierungswert GOW Stoffe ohne humantoxikologisch bewertbare Datenbasis GOW = 0,0001 mg/l Mit zunehmender Datenlage über Gentoxizität, Neurotoxizität Keimzell schädigendes Potential, subchronische orale Toxizität GOW 0,001 0,003 mg/l 37

38 Folientitel xxxx 38

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