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Feb 20, 2024

Grünes Fracking? 5 Technologien für sauberere Schieferenergie

An einer hydraulischen Frakturierungsstelle im Nordosten von Pennsylvania bricht die Dämmerung herein. Neue Technologien zielen darauf ab, die Auswirkungen von Fracking auf Land, Wasser und Luft zu verringern. Da die Öl- und Gasförderung durch Fracking in den USA zunimmt,

An einer hydraulischen Frakturierungsstelle im Nordosten von Pennsylvania bricht die Dämmerung herein. Neue Technologien zielen darauf ab, die Auswirkungen von Fracking auf Land, Wasser und Luft zu verringern.

Während die Öl- und Gasförderung durch Fracking in den USA zunimmt, zielen neue Technologien darauf ab, den Wasser- und Chemikalienverbrauch sowie die Emissionen einzudämmen. Kann Hydraulic Fracturing umweltfreundlich werden?

Es mag seltsam erscheinen, die Wörter „Fracking“ und „umweltfreundlich“ im selben Satz zu hören.

Schließlich ist Hydraulic Fracturing oder Fracking, bei dem unter hohem Druck chemisch aufbereitetes Wasser verwendet wird, um Gesteinsformationen zu knacken und eingeschlossenes Öl und Gas freizusetzen, für viele Umweltschützer ein schmutziger Begriff. Kritiker kritisieren die Praxis, weil sie große Mengen Frischwasser verbraucht, giftige flüssige Abfälle erzeugt und die Treibhausgasbelastung der Atmosphäre erhöht, vor allem wegen der erhöhten Gefahr des Austritts des wirksamen Wärmespeichergases Methan. (Siehe entsprechendes Quiz „Was Sie nicht über Erdgas wissen.“)

James Hill, Geschäftsführer des in Calgary (Alberta) ansässigen Energiedienstleistungsunternehmens GasFrac, ist einer der wenigen Technologiepioniere, die entschlossen sind, dies zu ändern. Das Unternehmen Hill's hat eine neue Fracking-Methode eingeführt, die völlig ohne Wasser auskommt. Stattdessen verwendet GasFrac ein Gel aus Propan – einem Kohlenwasserstoff, der im Untergrund bereits natürlich vorkommt – und einer Kombination angeblich relativ harmloser Chemikalien wie Magnesiumoxid und Eisensulfat, einer Chemikalie, die in Wasseraufbereitungsanlagen verwendet wird. In den letzten Jahren hat GasFrac das Verfahren 2.500 Mal an 700 Bohrlöchern in Kanada und den Vereinigten Staaten eingesetzt.

„Wir nutzen tatsächlich Kohlenwasserstoffe, um Kohlenwasserstoffe zu produzieren“, sagte Hill. „Es ist ein Kreislauf, der nachhaltiger ist.“

GasFrac gehört zu einer wachsenden Zahl von Unternehmen, darunter der Gigant GE und das Öldienstleistungsunternehmen Halliburton, die Pionierarbeit bei technologischen Verbesserungen leisten, um einige der ökologischen Nachteile des Prozesses abzumildern, der einen nordamerikanischen Energieboom ausgelöst hat. (Siehe Interaktiv, „Brennstoff aus Gestein brechen“.) Neben der wasserfreien Methode von GasFrac arbeiten andere Unternehmen an Möglichkeiten, recyceltes Frackwasser oder nicht trinkbare Sole beim Fracking zu verwenden. Einige arbeiten daran, die im Prozess verwendeten aggressiven Chemikalien durch harmlosere Mischungen zu ersetzen oder das beim Fracking verwendete Wasser zu reinigen. Andere Innovatoren versuchen, dieselbetriebene Bohrgeräte durch mit Erdgas oder Solarenergie betriebene Motoren zu ersetzen und Wege zu finden, um Lecks zu finden und abzudichten, durch die Methan, ein starkes Treibhausgas, entweichen kann.

Solche Bemühungen haben sogar die vorsichtige Unterstützung einiger Umweltaktivisten gefunden, die entschieden haben, dass es realistischer sein könnte, die Folgen des Frackings zu mildern, als seinen Einsatz zu bekämpfen.

„Erdgas ist eine potenzielle Energiequelle für das Land, und die Entwicklung ist wahrscheinlich unvermeidlich“, sagte Ben Ratner, Projektmanager beim gemeinnützigen Environmental Defense Fund. (Siehe „Interactive: Breaking Fuel From Rock“ und „The Great Shale Gas Rush“.) „Deshalb investieren wir unsere Energie in alles, von der Wissenschaft über die Politik bis hin zur Zusammenarbeit mit Unternehmen, um den potenziellen Klimavorteil zu maximieren.“ „Gas ist besser als Kohle und minimiert das Risiko für die öffentliche Gesundheit und die Umwelt. Wir glauben, dass Erdgas eine Ausstiegsmöglichkeit aus der Kohle sein kann, aber wir müssen es richtig machen.“ (Siehe auch „Die energiebedingten Kohlenstoffemissionen der USA fallen auf ein 18-Jahres-Tief“ und „Natural Gas Nation: EIA sieht die Zukunft der USA durch Fracking geprägt.“)

Hier sind einige der Bemühungen, Fracking umweltfreundlicher zu machen:

Wasserfreies Fracking: Das Fracking-System von GasFrac, das eine gelierte Flüssigkeit mit Propan verwendet, hat laut Hill neben der Eliminierung des Wasserbedarfs noch weitere Vorteile. Da das Gel Sand besser zurückhält als Wasser, ist es möglich, die gleichen Ergebnisse mit einem Achtel der Flüssigkeit und einer langsameren Pumpgeschwindigkeit zu erzielen. Da GasFrac sagt, dass die Menge an Kohlenwasserstoffen im Gel mit der Menge im Boden vergleichbar ist, kann die Flüssigkeit einfach in den aus dem Boden geförderten Fluss übergehen, sodass kontaminiertes Abwasser nicht abgelassen und in Lastwagen zur Entsorgung abtransportiert werden muss, normalerweise bei Tiefbrunnen-Injektionsstellen. „Wir präsentieren einen viel kleineren Fußabdruck“, sagte er. (Siehe auch „Fracking-Abfallbrunnen im Zusammenhang mit Erdbeben in Ohio“.)

Verwendung von recyceltem Wasser oder Sole: Während beim Fracking typischerweise Süßwasser zum Einsatz kommt, haben Industrieforscher an der Perfektionierung reibungsmindernder Zusätze gearbeitet, die es den Betreibern ermöglichen würden, recyceltes „graues“ Wasser oder aus dem Untergrund gepumpte Sole zu verwenden. Laut Stephen Ingram, dem Technologiemanager des Unternehmens für Nordamerika, kann der UniStim von Halliburton, der vor etwa einem Jahr auf den Markt kam, aus Wasser jeder Qualität eine hochviskose Flüssigkeit erzeugen. Im Nordosten Kanadas hat ein Hersteller für einen Teil seiner Vorräte für das Hydraulic Fracturing einen tiefen unterirdischen Salzwasser-Aquifer angezapft.

Eliminierung von Dieseldämpfen: Die dieselbetriebenen Geräte, die beim Bohren und Pumpen von Bohrlöchern verwendet werden, können eine besorgniserregende Quelle schädlicher Schadstoffe wie Partikel sowie Kohlenstoffemissionen sein, die zur globalen Erwärmung beitragen. Und Dieselkraftstoff ist teuer. Letztes Jahr gab Apache, ein in Houston ansässiger Öl- und Gasbetreiber, bekannt, dass es das erste Unternehmen sein werde, das einen kompletten Fracking-Auftrag mit Motoren betreibt, die Erdgas nutzen. Neben der Reduzierung der Emissionen senkte das Unternehmen auch seine Kraftstoffkosten um 40 Prozent. Halliburton hat eine weitere Innovation eingeführt, das vertikale Lagersilo SandCastle für den beim Fracking verwendeten Sand, das mit Solarpaneelen betrieben wird. Das Unternehmen hat auch erdgasbetriebene Pumpwagen entwickelt, die laut Ingram den Dieselverbrauch auf einer Baustelle um 60 bis 70 Prozent senken können, was zu „einer erheblichen Reduzierung sowohl der Emissionen als auch der Kosten“ führt.

Abflusswasser ergießt sich in ein Absetzbecken in der Nähe der boomenden Ölfelder der Region Midland-Odessa im Westen von Texas.

Abwasserbehandlung: An hydraulischen Fracking-Standorten übersteigt die Abwassermenge in der Regel die Menge des produzierten Öls bei weitem. Bei der Flüssigkeit, die durch das Bohrloch an die Oberfläche zurückkehrt, handelt es sich nicht nur um das chemisch behandelte Frackwasser, sondern auch um Wasser aus der Gesteinsformation, das Solen, Metalle und Radionuklide enthalten kann. (Siehe den entsprechenden Abschnitt „Gas mit Wasser aus dem Gestein herauspressen“.) Dieses Abwasser muss vor Ort aufgefangen und gelagert werden und wird dann oft über weite Strecken zu unterirdischen Tiefbrunnen-Injektionsspeichern transportiert. Es gab nur wenige Behandlungsmöglichkeiten. Aber Halliburton hat das CleanWave-Behandlungssystem entwickelt, das positiv geladene Ionen und Blasen nutzt, um Partikel aus dem Wasser am Fracking-Standort zu entfernen. Im vergangenen September testeten GE und sein Partner Memsys außerdem ein neues Vor-Ort-Aufbereitungssystem, das die Wiederverwendung des Wassers ermöglicht, ohne es mit Süßwasser zu verdünnen, und zwar durch den Einsatz eines Entsalzungsverfahrens namens Membrandestillation. (Siehe entsprechendes Quiz: Was Sie nicht über Wasser und Energie wissen.

Verstopfen von Methanlecks: Eine große Sorge beim Fracking war, ob Unternehmen zulassen, dass eine erhebliche Menge Erdgas entweicht, da Methan – der Hauptbestandteil von Erdgas – ein starkes Treibhausgas ist, das 34-mal stärker als Kohlendioxid (CO2) ist. Eine aktuelle Studie kam zu dem Schluss, dass die Methanemissionen in den USA wahrscheinlich um 50 Prozent höher sind als die offiziellen Schätzungen der Regierung. (Siehe auch „Methanemissionen weitaus schlimmer als US-Schätzungen“.) Neue Vorschriften der US-Umweltschutzbehörde, die nächstes Jahr in Kraft treten, erfordern, dass alle Öl- und Gasstandorte in den USA über Geräte verfügen, die zur Reduzierung einer Vielzahl von Schadstoffen ausgelegt sind Die Agentur geht davon aus, dass dadurch der Methanausstoß reduziert wird. (Siehe auch „Luftverschmutzung durch Fracked Wells wird nach neuen US-Vorschriften reguliert.“)

Die Methanemissionen aus der Erdöl- und Erdgasproduktion an Land könnten bis 2018 um 40 Prozent reduziert werden, und zwar zu Kosten, die nur einem Cent pro tausend Kubikfuß gefördertem Erdgas entsprechen, heißt es in einer gerade veröffentlichten Studie von Fairfax, Virginia. -basiertes Beratungsunternehmen ICF International für den Environmental Defense Fund. Ratner von EDF sagte, dass mit Infrarotkameras ausgestattete Inspektoren Lecks an Fracking-Standorten erkennen und diese dann verstopfen könnten. „Die Kameras kosten etwa 80.000 bis 100.000 US-Dollar pro Stück“, bemerkte er. „Aber das kann sich amortisieren, denn je mehr Lecks man repariert, desto mehr Gas muss man verkaufen.“ (Siehe verwandten Blog-Beitrag: „Studienergebnisse zeigen, dass einfache Lösungen Methanlecks in der Energieindustrie schließen könnten.“)

Eine weitere Verbesserung, die Methanemissionen reduzieren kann: Ersetzen herkömmlicher drucküberwachender pneumatischer Steuerungen, die durch Gasdruck angetrieben werden und im Betrieb Gas ablassen. Eine US-weite Umstellung auf Designs mit geringerem Blutaustritt könnte die Emissionen jährlich um 35 Milliarden Kubikfuß reduzieren. Und durch den Austausch herkömmlicher chemischer Injektionspumpen, die im Fracking-Prozess verwendet werden und durch den Gasdruck aus den Bohrlöchern angetrieben werden, und durch solarbetriebene Pumpen könnten die Betreiber jährlich 5,9 Milliarden Kubikfuß Methanemissionen einsparen, kommt der EDF-Bericht zu dem Schluss.

Die Kosten-Nutzen-Gleichung

Einige Lösungen erfordern keine fortschrittliche Technologie. Eine am Mittwoch von der in Boston ansässigen Clean Air Task Force veröffentlichte Studie legt nahe, dass fast alle Methanlecks aus der Öl- und Gasinfrastruktur mit relativ geringem Aufwand reduziert werden könnten, oft durch einfaches Anziehen von Schrauben oder Ersetzen verschlissener Dichtungen.

Laut Branchenvertretern werden bereits eine Reihe umweltfreundlicherer Fracking-Technologien implementiert. Ein Hindernis ist jedoch wirtschaftlicher Natur. Die neueren, umweltfreundlicheren Technologien kosten im Allgemeinen mehr als die Altgeräte, die sie ersetzen würden. Laut David Burnett, Professor für Erdöltechnik an der Texas A&M University und Leiter des Environmentally Friendly Drilling Systems Program dieser Schule, könnte die Förderung von Erdgas mit wasserfreiem Fracking beispielsweise 25 Prozent mehr kosten als herkömmliches Fracking. Er sagte, dass die Umstellung der Fracking-Ausrüstung von Diesel auf Erdgas die Innovation ist, die sich am schnellsten durchsetzt, da sie einen klaren wirtschaftlichen Vorteil bietet und gleichzeitig zur Senkung der CO2-Emissionen beiträgt. Angesichts der steigenden Kosten für die Anmietung von Fracking-Bohrinseln seien Unternehmen bestrebt, Verbesserungen zu finden, die ihre Kosten senken, sagte er.

Grünes Fracking ist „das Gleiche wie in jeder anderen Branche – wenn man eine bahnbrechende Technologie auf den Markt bringt, kann man als Erster auf den Markt kommen und davon profitieren“, sagte Burnett. (Siehe auch „Kann Erdgas Arbeitsplätze in US-amerikanischen Fabriken zurückbringen?“)

Aber Ingram von Halliburton sagte, dass Innovationen wie chemische Behandlungen, um Sole nutzbar zu machen, im Preis sinken werden, wenn die Technologie perfektioniert wird. „Irgendwann wird es die kostengünstigere Chemie sein“, sagte er.

Eine schwierigere Hürde könnte die Überwindung dessen sein, was Ingram „gesellschaftspolitische Zwänge“ im ganzen Land nennt. Ein großes Problem, das die Anreize für Investitionen in grüne Fracking-Innovationen verringert: der allgemein niedrige Preis für Süßwasser. (Siehe auch „Wasserbedarf für Energie wird sich bis 2035 verdoppeln.“)

Diese Geschichte ist Teil einer Sonderserie, die sich mit Energiethemen beschäftigt. Weitere Informationen finden Sie unter The Great Energy Challenge.