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Forschung Erleben

Risse aus dem Rechner

Forscher erstellen Risikoprognosen für Fracking
[Foto: Exxon Mobil]

Das Forschungsprojekt „FracRisk“ hat drei Jahre lang über die Gefahren des Frackings geforscht. Jetzt liegen Rechenmodelle vor, die mehr über die Risiken des Verfahrens verraten.

An vielen Orten weltweit gibt es Erdgasvorkommen in sogenannten nicht-konventionellen Lagerstätten. Das bedeutet, das Erdgas ist in Schiefergesteinen und Kohleflözen in tiefen Gesteinsschichten gebunden und lässt sich deshalb nicht auf konventionellem Weg, also per Bohrungen erschließen. Um diese Rohstoffreserve zu gewinnen, kommt stattdessen mit Hydraulic Fracturing ein technisches Verfahren zum Einsatz, was weltweit unter seinem Kürzel „Fracking“ bekannt geworden ist und die Meinungen hinsichtlich der Kosten-Nutzen-Betrachtung polarisiert. So gab und gibt es auch in Deutschland Proteste gegen Fracking-Vorhaben, die irreversible Umweltschäden fürchten. Auf der anderen Seite versichert beispielsweise der Bundesverband Erdöl, Erdgas und Geoenergie, Fracking könne über Jahrzehnte einen „entscheidenden Beitrag zur deutschen Erdgasversorgung“ liefern. Das Umweltbundesamt wiederum erklärt auf seiner Webseite, Fracking sei „umstritten“, vor allem, weil Risiken für das Grundwasser bestünden.

Eine Bewertung des Frackings wird man freilich von Prof. Holger Class nicht hören. „Das ist nicht unsere Aufgabe als Forscher“, sagt der stellvertretende Leiter des Lehrstuhls für Hydromechanik und Hydrosystemmodellierung im Institut für Wasser- und Umweltsystemmodellierung der Universität Stuttgart (IWS). Fracking, so der wissenschaftliche Konsens, sei mit Risiken verbunden, was in der Natur der Gegebenheiten unter Tage liege. Jetzt gehe es darum, diese Risiken zu beschreiben: „Wir arbeiten an Rechenmodellen, die als Werkzeuge für die Entscheidungsfindung dienen können“, sagt Class. „Wir“, das sind die Forscher, die als Konsortium im Universität Stuttgart EU-finanzierten Projekt FracRisk arbeiten. Koordiniert wird es an der University of Edinburgh; die Stuttgarter Gruppe hat die Verantwortung für das Arbeitspaket „Modellierung“ übernommen. Der Projekttitel FracRisk ist die griffige Abkürzung aus „Furthering the Knowledge for Reducing the Environmental Footprint of Shale Gas Development“. Es geht also darum, das Wissen um die Risiken der Erdgasförderung aus tief in der Erde gelegenen Schieferschichten – sogenanntes Shale Gas – zu intensivieren und auszubauen.

 (c) Exxon Mobil
Die Fracking-Flüssigkeit sprengt das Schiefergestein auf und treibt Risse hinein, sodass sich das gebundene Methan herauslösen lässt.

Wenige gesicherte Daten für Europa

Bislang gibt es zumindest für Mitteleuropa nur wenige gesicherte Daten über die Kräfte und Vor- gänge, die während des technischen Verfahrens im Untergrund wirken und ablaufen. „Die Amerikaner haben viel Erfahrung mit Fracking, bei uns gibt es dagegen nur wenig valide Informationen“, bestätigt Class. Die Daten aus den USA lassen sich jedoch nicht ohne Weiteres übertragen, da sich auf dem europäischen Kontinent andere geologische Formationen gebildet haben. Und: Die Schieferschichten mit dem eingeschlossenen Methan liegen hier viel tiefer. Dennoch bringen auch Wissenschaftler aus den USA ihre Erfahrungen mit der Fördermethode in FracRisk ein. Der Mangel an europäischem Datenmaterial ist der Schwierigkeit geschuldet, in mehreren Tausend Meter Tiefe überhaupt verlässliche Angaben zu gewinnen.

Grundsätzlich funktioniert Fracking in der Praxis so: Ein Bohrteam treibt eine Bohrung bis in die gasführende Schicht vor, die tief unter Grundwasserschicht und Deckgebirge liegt. Dort schwenkt die Bohrung in die Horizontale und wird quasi parallel zur Erdoberfläche vorangetrieben. Danach pressen die Fracking-Spezialisten unter hohem Druck von bis zu 1.000 bar ein bis zwei Stunden lang das Fracking-Fluid, eine Mischung aus Wasser, Quarzsand oder Keramikkügelchen und stark verdünnten, teils giftigen Chemikalien, in diese Schicht. Dieses laut ExxonMobil „schwach wassergefährdende Gemisch“ sprengt das Gestein auf und treibt Risse hinein, die namensgebenden Fracks. Auf diesem Weg lässt sich das gebundene Methan herauslösen und fördern. Am Ende des Prozesses wird das Fluid wieder aus dem Boden gepumpt und entsorgt.

Simulationsmodelle für Risikoprognosen

Ins Grundwasser können Gas oder Fluid zum Beispiel theoretisch dann gelangen, wenn die erzeugten Risse bis in ein poröses Deckgebirge reichen oder es im Gestein Störungszonen gibt, also etwa natürliche Fließpfade, beispielsweise entlang von Verwerfun- gen oder Klüften. Dann besteht die Möglichkeit, dass Gas und Fracking-Fluid schlimmstenfalls bis in höhere Grundwasserschichten aufsteigen. Christopher McDermott, Projektkoordinator an der University of Edinburgh, hält diese Gefahr zwar für praktisch ausgeschlossen, zumal die Industrie ihre Bohrungen mit viel technischem Aufwand beaufsichtige.

Dennoch ist die Antwort auf die Frage nach möglichen Beeinträchtigungen des Trinkwassers zu wichtig, als dass sie im Ungefähren bleiben dürfte. Gut drei Jahre hat sich das Projekt FracRisk die Risiken deswegen genau angeschaut. Vorhersagen über den geologischen Ist-Zustand auf Gasfeldern waren bislang kaum möglich. Zur Erkundung mussten die Unternehmen Probebohrungen vornehmen und Bohrkerne auswerten sowie die Umgebung mittels seismischer Messungen aufklären. Ein Ergebnis von FracRisk ist, dass künftig Simulationsmodelle dazu beitragen können, die Risiken auf potenziellen Förderfeldern mit hoher Wahrscheinlichkeit zu berechnen. Im Kern basiert das auf Modellen, die Professor Class und sein Team am IWS im Projektzeitraum entwickelt haben. Das klingt deutlich einfacher, als es ist, denn um solche Modelle zu verifizieren, sind unzählige Rechengänge auf Hochleistungsrechnern notwendig.

Jens Eber

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Andrea Mayer-Grenu

Wissenschaftsreferentin; Forschungspublikationen