Fracking mit superkritischem Kohlendioxid

  • 22. June 2016

Verzicht auf Wasser könnte Schiefer­gas-Aus­beute erhöhen.

Binnen weniger Jahre steigerten die USA ihre Erdgas- und Erdöl­förderung um ein Viel­faches. Möglich wurde dieser Wandel mit dem Fracking-Verfahren, bei dem unter Hoch­druck verpresstes Wasser, ergänzt mit teilweise giftigen Zusätzen, winzige Risse im Tiefen­gestein erzeugt. Wie genau durch diese Risse das zuvor gebundene Erdgas frei­ge­setzt wird, unter­suchte jetzt ein inter­nationales Forscher­team mit molekular­dynamischen Simu­lationen. Dabei entdeckten sie den Grund für die schon nach wenigen Monaten signi­fikant schrumpfende Förder­raten. Auf der Basis ihrer Berech­nungen schlagen die Forscher vor, statt des derzeit verwen­deten Wassers super­kritisches Kohlen­dioxid als Fracking-Substanz einzu­setzen.

Fracking

Abb.: Unter Hochdruck verpresstes Wasser erzeugt Risse im Unter­grund, durch die absor­biertes Methan aus nano­porösem Material aus­treten kann. (Bild: B. Coasne et al. / NPG)

In unkonventionellen Schiefergas-Lagerstätten befindet sich das Erdgas in winzigen Poren des Tiefen­gesteins. Dieses nano­poröse Material simu­lierte Benoit Coasne vom Massa­chusetts Institute of Techno­logy zusammen mit franzö­sischen Forschern der Uni­versité Grenoble Alpes. Als Grund­lage für ihr Modell nutzten sie drei verschiedene Struk­turen: Ein Areal aus geord­neten Nano­röhrchen aus Kohlen­stoff, eine nano­poröse, unge­ordnete Kohlen­stoff­matrix und eine Mischung aus hydro­phoben Kohlen­stoff­nano­röhrchen und hydro­philen Quarz-Partikeln. In der Simu­lation ergänzten sie zu jeder nano­porösen Struktur Methan­moleküle, die von dem jeweiligen Material absorbiert wurden.

Mit ihren Berechnungen wollten Coasne und Kollegen nun erklären, wie das absorbierte Methan durch ein Fracking mit Wasser frei­gesetzt werden konnte. Sie nahmen an, dass wie in den realen Lager­stätten unter einem hohem Druck von etwa 25 Mega­pascal verpresstes Wasser bei einer Tempe­ratur von 423 Kelvin die Hohl­räume öffnete. Sank darauf der Druck auf zehn Mega­pascal ab, desor­bierte ein Teil des Methans und könnte gefördert werden. Nach einer gewissen Zeit sank die Frei­setzungs­rate des Methans aller­dings. Den Grund dafür fanden die Forscher im Wasser, das eine Energie­barriere aufbaute und eine voll­ständige Methan-Desorption verhinderte.

Dieses Ergebnis deckt sich mit den Erfahrungen der Schiefer­gas-Förder­unter­nehmen. Denn die Gas­aus­beute aus jeder Fracking-Bohrung sinkt bereits nach wenigen Monaten. Erneute Bohrungen und Fracking­prozesse sind notwendig, um die Förder­rate wieder zu erhöhen. In weiteren Simu­lationen verzichteten die Forscher daher auf Wasser, um den Aufbau einer Energie­barriere in wässriger Umgebung zu verhindern. Sie entdeckten, dass mit super­kritischem Kohlen­dioxid statt Wasser als Fracking­flüssig­keit keine Energie­barriere mehr aufbaut. Theoretisch könnte so deutlich mehr Methan aus den Nano­poren des jeweiligen Speicher­materials austreten und gefördert werden.

Diese Ergebnisse könnten eine große Relevanz für die Schiefer­gas-Industrie haben. Aller­dings betonen die Forscher, dass es sich bisher nur um Simu­lationen handelte. Labor­experimente im kleinen Maßstab und Feld­versuche mit super­kritischem Kohlen­dioxid müssten die verbesserte Desorption von Methan erst bestätigen. Gegen diesen Weg sprechen aller­dings die höheren Kosten, wenn auf die bewährten wässrigen Fracking­flüssig­keiten verzichtet würde.

Dennoch wäre ein Pilotversuch für eine Zukunft der Fracking-Techno­logie durchaus interessant. Denn es lockt nicht nur eine höhere Ausbeute. Zudem könnte die Menge an Fracking­flüssig­keit mit einer potenziellen Gefahr für das Grund­wasser verringert werden. Die Forscher halten es sogar für möglich, dass sich das einge­speiste Kohlen­dioxid statt des zuvor absorbierten Methans in die Nano­poren des Gesteins ablagern könnte. Damit böte die nicht nur in Deutsch­land stark umstrittene Fracking­techno­logie die Mög­lich­keit, das Treib­haus­gas Kohlen­dioxid dauer­haft im Boden speichern zu können.

Jan Oliver Löfken

RK

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