1 Aufsuchung, Gewinnung und Verarbeitung von ... · 1.10 Prozesssteuerung und intelligente...

1Aufsuchung, Gewinnung und Verarbeitung vonKohlenwasserstoffen

1: Aufsuchung und Gewinnung von Kohlenwasserstoffen

Kurt M. Reinicke, Norbert Liermann, Rolf Remer

2: Die Verarbeitung von Erd�l

Gunter Alfke

1 Aufsuchung und Gewinnung von Kohlenwasserstoffen 61.1 Einleitung 61.1.1 Geschichtliche Entwicklung 61.1.2 Energiebedarf und Vorratssituation 91.1.3 Reserven und F�rderung 111.1.4 Ressourcen 121.1.4.1 �lsande, Teersande 141.1.4.2 �lschiefer 141.1.4.3 Erdgas aus dichten Lagerst�tten 151.1.4.4 Kohlefl�zgas 161.1.4.5 Gashydrate 161.1.4.6 Aquifergas 171.2 Entstehung von Kohlenwasserstoffen und Kohlenwasserstoff-

Lagerst�tten 171.3 Lagerst�tteninhalt und Eigenschaften von Erd�l und Erdgas 201.3.1 Lagerst�tteninhalt, statisch (Volumetrie) 201.3.1.1 Lagerst�ttendruck 211.3.1.2 Lagerst�ttentemperatur 211.3.2 Lagerst�tteninhalt, dynamisch (PVT-Beziehungen) 211.3.2.1 Druck-Temperaturbeziehungen 221.3.2.2 Druck-Volumenbeziehungen f�r Erd�le 231.3.2.3 Formations-Volumen-Faktor 241.3.2.4 Viskosit�t 241.3.2.5 Realgasfaktor 251.3.3 Lagerst�tten, dynamisch (Fließbewegungen) 25

1

Winnacker/K�chler. Chemische Technik: Prozesse und Produkte.Herausgegeben von Roland Dittmeyer, Wilhelm Keim, Gerhard Kreysa, Alfred OberholzBand 4: Energietr�ger, Organische Grundstoffe.Copyright � 2005 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, WeinheimISBN: 3-527-30769-9

1.3.3.1 Materialbilanzrechnungen und Verdr�ngungstheorien 261.3.3.2 Lagerst�ttensimulation 271.3.4 Verhalten von Erd�l und Erdgas bei F�rderung, Aufbereitung und

Transport 271.3.4.1 �lfeldaufbereitung 281.3.4.2 Verhalten von Erdgas bei Druckentspannung 281.3.4.3 Verhalten von Erdgas bei Verdichtung 291.3.4.4 Erdgashydrate 301.3.5 Rohrstr�mung von Erd�l und Erdgas 301.3.5.1 Rohrstr�mung von Erd�l 311.3.5.2 Rohrstr�mung von Erdgas 311.3.6 Kohlenwasserstoffe als Brennstoffe 311.4 Suche nach Erd�l und Erdgas 331.4.1 Beckenanalyse 331.4.2 Geophysikalische Messungen 341.4.3 Seismische Verfahren 341.4.4 Umweltschutz 371.4.5 Beckenmodellierungen 371.5 Bohren nach Erd�l und Erdgas 371.5.1 Bohrverfahren 381.5.1.1 Das Rotary Verfahren 391.5.1.2 Spezielle Rotary Antriebe: »Top-Drive« und

Untertageantrieb 421.5.1.3 Spezielle Bohrtechniken: Ablenkungen, Horizontalbohrungen,

Multilateralbohrungen, Low-Head-/Under-Balanced-Drilling,Slim-Hole-Drilling 42

1.5.2 Spezielle Verrohrungstechniken: Expandable Technologie 441.5.3 Meeresbohrtechnik 451.5.4 Bohrungsplanung 451.5.5 Umweltschutz 461.5.6 Bohrungs�berwachung 471.5.7 Bohrungskomplettierung 481.6 Entwicklung von Erd�l- und Erdgasvorkommen 491.6.1 Beobachtungen 501.6.2 Interpretationen 501.6.3 Berechnungen 511.6.4 Entwicklungsentscheidungen 511.6.5 Onshore-Entwicklungen 521.6.6 Offshore-Entwicklungen 521.6.7 Technische Regeln f�r die Entwicklung 551.7 Gewinnung von Erd�l und Erdgas 551.7.1 Bohrungen 561.7.1.1 Einfluss der Lagerst�tteneigenschaften 561.7.1.2 Verfahren zur Verbesserung der Zuflussbedingungen 571.7.1.3 Messungen zur Kontrolle der Ausbeute einer Lagerst�tte 58

2 1 Aufsuchung, Gewinnung und Verarbeitung von Kohlenwasserstoffen

1.7.1.4 Einfluss der produzierten und injizierten Fluide auf dasBohrungsverhalten 59

1.7.1.5 F�rderung von Erd�l 601.7.1.6 F�rderung von Erdgas 621.7.2 Aufbereitung von Erd�l und Erdgas 631.7.2.1 Verfahrensschritte zur Aufbereitung von Erd�l und Erdgas 641.7.2.2 Aufbereitung von Erd�l 671.7.2.3 Aufbereitung von Erdgas 671.7.2.4 Erdgasverfl�ssigung 711.7.2.5 Allgemeine Sicherheit und Umweltschutz 741.8 Transport von Erd�l und Erdgas 751.8.1 Leitungstransport 761.8.1.1 Leitungstransport Onshore 781.8.1.2 Leitungstransport Offshore 791.8.2 Schiffstransport bei Offshore-Produktion 801.8.3 Schiffstransport von Erdgas 811.9 Speicherung von Erd�l und Erdgas 821.9.1 Untertagespeicher 821.9.1.1 Kavernenspeicher 841.9.1.2 Porenspeicher 841.9.1.3 R�hrenspeicher 851.9.2 �bertagespeicher 851.10 Prozesssteuerung und intelligente �berwachung bei Gewinnung,

Transport und Speicherung 861.11 R�ckbau und Rekultivierung der Produktions-, Transport- und

Speicheranlagen 871.11.1 Onshore 881.11.2 Offshore 891.12 Wirtschaftliche Bedeutung von Erd�l und Erdgas 901.13 Literatur 92

2 Die Verarbeitung von Erd�l 982.1 Einleitung 982.1.1 Ein kurzer Blick in Geschichte und Bedeutung 982.1.2 Verbrauch, Versorgung und Verarbeitung 1012.2 Chemie des Erd�ls – Grundlage seiner Verarbeitungsverfahren 1042.3 Die Produkte der Raffinerie 1112.3.1 Raffineriegas 1152.3.2 Fl�ssiggas 1162.3.3 Rohbenzin 1162.3.4 Ottokraftstoffe 1172.3.5 Flugbenzin 1212.3.6 Flugturbinenkraftstoff 1222.3.7 Leuchtpetroleum 1222.3.8 Dieselkraftstoff 123

31 Aufsuchung, Gewinnung und Verarbeitung von Kohlenwasserstoffen

2.3.9 Leichtes Heiz�l 1252.3.10 Schmier�le und -fette 1262.3.11 Schweres Heiz�l 1282.3.12 Schiffsbrennstoffe 1302.3.13 Bitumen 1312.3.14 Petrolkoks 1332.3.15 Wachse, Paraffine, Vaseline 1332.3.16 Schwefel 1342.4 Chemie erd�lfremder Stoffe in Erd�lprodukten und Prozessen 1342.4.1 Sauerstoffhaltige Kraftstoffkomponenten 1352.4.2 Additive 1362.4.3 Synthetische Schmierstoffe 1372.4.4 Katalysatoren 1372.5 Auswirkungen der Umweltpolitik auf die Raffinerieverarbeitung 1382.5.1 Anlagenbezogene Regelungen 1392.5.1.1 Luft und L�rm 1392.5.1.2 Wasser 1412.5.1.3 Boden (Bodenschutzgesetz) 1412.5.2 Produktbezogene Regelungen 1422.5.2.1 Blei 1422.5.2.2 Schwefel 1442.5.2.3 Bestimmte Kohlenwasserstoffe 1482.5.2.4 Alt�l 1502.6 Vom Roh�l zur Komponente – der Weg durch die

Verarbeitungsanlagen 1502.6.1 Trennverfahren 1532.6.1.1 Roh�ldestillation unter Atmosph�rendruck 1532.6.1.2 Vakuumdestillation 1612.6.1.3 Deisopentanizer 1622.6.2 Umwandlungsverfahren 1632.6.2.1 Katalytisches Reformieren 1632.6.2.2 Isomerisieren 1662.6.2.3 Alkylieren 1662.6.2.4 MTBE, ETBE und TAME 1682.6.2.5 Thermisches Cracken 1692.6.2.6 Visbreaking 1692.6.2.7 Katalytisches Cracken 1712.6.2.8 Hydrocracken 1752.6.2.9 Petrolkoksherstellung 1772.6.2.10 Bitumenherstellung 1792.6.2.11 Wasserstoffanlage/Synthesegaserzeugung 1802.6.3 Nachbehandlung 1812.6.3.1 S�ßung von Benzin 1812.6.3.2 Katalytisches Entschwefeln 1822.6.3.3 Adsorptive Entschwefelung 185


2.6.3.4 Schwefelgewinnung 1852.6.3.5 Schmier�lherstellung 1882.6.3.6 Herstellung von Schmierfetten 1932.6.3.7 Paraffine, Wachse und Vaseline 1942.6.4 Mischanlage f�r Fertigprodukte – Inline-Blender 1942.6.5 Neben- und Hilfsanlagen 1952.6.5.1 Kraftwerk/Kesselhaus. Brennstoffversorgung 1952.6.5.2 K�hlsysteme 1972.6.5.3 Wasserversorgung und Abwasserreinigung 1982.6.5.4 Tanklager 2012.6.5.5 Verladung von Fertigprodukten 2022.6.6 Sicherheitsfragen 2032.7 Transport und Transportmittel 2052.7.1 Roh�ltransport mit Tankern 2062.7.2 Produktentransport 2092.7.2.1 Schiene 2092.7.2.2 Straße 2092.7.2.3 Wasserweg 2092.7.2.4 Leitungstransport 2102.8 Randfragen oder Zukunft? Welche Energiequellen gibt es als Ersatz f�r

Erd�l? 2102.8.1 Alternative Kraftstoffe 2102.8.1.1 Wasserstoff 2102.8.1.2 Erdgas 2112.8.1.3 Alkohole: Methanol und Ethanol 2112.8.1.4 Kohlebenzin 2132.8.1.5 Biodiesel 2142.8.2 �lschiefer, �lsande und Naturbitumen 2142.8.2.1 �lschiefer und �lsande 2142.8.2.2 Naturbitumen und Schwersterd�le 2152.8.2.3 Glossar 2162.9 Literatur 224

51 Aufsuchung, Gewinnung und Verarbeitung von Kohlenwasserstoffen

1Aufsuchung und Gewinnung von Kohlenwasserstoffen

1.1

Einleitung

Erd�l und Erdgas sind ein wichtiger Motor unserer Gesellschaft. Erst die ausrei-chende Versorgung mit Treibstoffen aus Erd�l hat Impulse f�r die Entwicklung derAutomobilindustrie gegeben und die weltweite Motorisierung m�glich gemacht.Flug- und Schiffsverkehr w�ren ohne Erd�l nicht denkbar. Kunststoffe, Lacke,Waschmittel, Arzneimittel, Kosmetikprodukte, D�ngemittel und vieles andere mehrwerden unter anderem aus Erd�l hergestellt. �l- und Gasheizungen sorgen f�rwarme Wohnungen und warmes Wasser. In W�rmekraftwerken wird durch Ver-brennung von �lprodukten und Erdgas elektrische Energie erzeugt.

1.1.1

Geschichtliche Entwicklung

Schon vor unserer Zeitrechnung waren Erd�l und Erdgas in Gebieten vom Nahenbis zum Fernen Osten bekannt. Aus nat�rlichen oberfl�chlichen Austritten stam-mendes Bitumen wurde in Mesopotamien bereits im dritten vorchristlichen Jahr-tausend genutzt. Aus dem ersten vorchristlichen Jahrtausend stammen Berichte�ber eine zus�tzliche Erd�lgewinnung aus gegrabenen Sch�chten und eine sichdaran anschließende regelrechte Bitumenindustrie. Erd�l diente als M�rtel bei denBauten in Babylon, zum Straßenbau, zum Kalfatern (Abdichten) von Booten, alsMedizin, als Brennstoff f�r Fackeln und fand Verwendung f�r Kriegswaffen wieFeuerwerfer. Die Nutzung von an der Erdoberfl�che austretendem Erdgas zum Ver-dunsten von Meerwasser bei der Salzgewinnung ist aus der Mitte des ersten vor-christlichen Jahrhunderts aus China �berliefert [1.1–1.4].

Im Laufe der Jahrhunderte ging das Wissen um viele dieser Verwendungsm�g-lichkeiten verloren. Bis in die zweite H�lfte des 19. Jahrhunderts blieb die allge-meine Bedeutung von Erd�l und Erdgas deshalb gering. Erd�l, das meist aus nat�r-lichen oberfl�chlichen Austritten stammte, diente vornehmlich der Schmierungund medizinischen Zwecken [1.1, 1.2, 1.5].

Die wachsende Bev�lkerung, die einsetzende industrielle Revolution und diedamit einhergehende Verst�dterung erh�hten den Bedarf an Beleuchtungs- undSchmiermitteln. Um diesen Bedarf zu decken, begannen in den sp�ten vierzigerJahren des 19. Jahrhunderts Wissenschaftler in mehreren Teilen der Welt mit Erd�lzu experimentieren und entwickelten in den F�nfzigern Verfahren f�r seine kom-merzielle Nutzung. 1852 erwarb der kanadische Arzt und Geologe Gessner ein Pa-tent auf die Herstellung eines relativ sauber brennenden Lampenbrennstoffes ausRoh�l, das er Petroleum nannte. 1855 ver�ffentlichte der amerikanische ChemikerSilliman einen Bericht �ber n�tzliche Produkte, die man durch Destillation vonErd�l gewinnen kann. Mit der Erfindung der Petroleumlampe durch Lukasie-

wicz in Galizien im Jahre 1853 war die erste wesentliche Verwendungsm�glich-


keit eines Erd�lderivates gefunden: Die Petroleumlampe verbreitete sich um dieganze Welt [1.1, 1.2].

Um die schnell einsetzende Nachfrage nach Petroleum zu befriedigen, reichte dieErd�lgewinnung aus den nat�rlichen Austritten und gegrabenen Brunnen nichtmehr aus. Seit l�ngerem wusste man, dass bei Bohrungen nach Wasser und Salz ge-legentlich auch Erd�l in die Bohrl�cher sickerte. Es lag daher nahe, direkt nach Erd�lzu bohren. Mitte des 19. Jahrhunderts wurden in Norddeutschland (Wietze), �ster-reich-Ungarn (Boryslaw), Russland (Kuban) und den USA (Titusville) Bohrungennach dem Schlagbohrverfahren (s. Abschnitt 1.5.1) durchgef�hrt, um Erd�lvorkom-men zu erschließen. Weltber�hmt wurde die Bohrung des Amerikaners Drake beiTitusville, Pennsylvania. Am 27. August 1859 wurde sie in einer Tiefe von 21 mf�ndig; 8–10 Fass Erd�l konnten t�glich gesch�pft werden. Die Entdeckung f�hrtezum ersten Boom an Erd�lbohrungen in der Geschichte. Die Anwendung des Ro-tary Bohrverfahrens (s. Abschnitt 1.5.2) brachte einen deutlichen Fortschritt beider effizienten Bereitstellung des Energierohstoffes Erd�l. Im Jahre 1901 gelanges Lucas bei Beaumont (Texas) mit diesem Verfahren, die Bohrung Spindletop nie-derzubringen; aus einer Tiefe von 300 m traten t�glich etwa 15 000 t Erd�l eruptivzutage, eine bis zu diesem Zeitpunkt nicht vorstellbare Menge. In Folge l�stendie USA Russland als gr�ßten Erd�lproduzenten der Welt ab [1.1, 1.2, 1.6, 1.7].

Der Durchbruch von Erd�l als Energietr�ger und Rohstoff begann mit der Erfin-dung des Verbrennungsmotors, der auf Arbeiten des Deutschen Otto bei der Mo-torenfabrik Deutz 1867 beruht. Das Erd�l war nach der Kohle – und das in vielst�rkerem Maße – der Anlass f�r die Industrialisierungswelle des fr�hen 20. Jahr-hunderts [1.2]. Der rasche Anstieg der weltweiten F�rderung (Tab. 1.1) zeigt dieenorm zunehmende Bedeutung dieser Energieressource. Bis zur ersten �lkriseim Jahre 1973 verdoppelte sich in etwa die Erd�lf�rderung mit jeder Dekade. ImJahre 1977 wurden auf der Welt zum ersten Mal mehr als 3 · 109 t Erd�l gef�r-dert und verbraucht.

Um die Jahrtausendwende betrug die Erd�lf�rderung etwa 3.5 · 109 t. Zur De-ckung des steigenden Bedarfes an Erd�l und Erdgas und zum Ausgleich des R�ck-gangs der Produktionskapazit�ten der vorhandenen Bohrungen wurden im Jahre2001 weltweit (außerhalb Chinas und der L�nder der ehemaligen Sowjetunion)55 000 neue Bohrungen niedergebracht [1.8].

Mehr als 25 Prozent der Erd�lf�rderung stammten im Jahre 2002 aus Offshore-Vorkommen im Bereich der Kontinentalschelfe. Dies ist um so bemerkenswerter,da das Zeitalter mariner Erd�lf�rderung erst vor f�nf Jahrzehnten begonnen hatund erst nach der ersten �lkrise in den siebziger Jahren in Wassertiefen gr�ßer als200 m ausgedehnt wurde [1.9]. Heute werden bei der Suche nach Kohlenwasserstof-fen Bohrungen in Wassertiefen bis zu 3000 m niedergebracht. Im Golf von Mexikound offshore Brasilien arbeiten bereits F�rderanlagen in Wassertiefen um 2000 m[1.8, 1.10].

Ohne M�glichkeiten eines effektiven Ferntransportes war Erdgas lange Zeit eineher unerw�nschtes Nebenprodukt der Erd�lf�rderung. Genutzt wurde es lediglichzur Erzeugung von Dampf f�r die Erd�laufbereitung. �berwiegend aber wurde dasmit dem Erd�l anfallende Gas abgefackelt.

71 Aufsuchung und Gewinnung von Kohlenwasserstoffen

Tab. 1.1 Entwicklung der Welt-Erd�l- und -Erdgasf�rderung [1.11, 1.12]

Jahr Roh�lf�rderung (106 t a–1) Erdgasf�rderung (109 m3 a–1)a)

1900 20 2

1910 43 8

1920 99 24

1930 194 58

1940 295 84

1950 522 197

1960 1052 467

1970 2337 1061

1975 2669 1283

1980 3079 1516

1985 2758 1756

1990 3119 2085

1995 3282 2207

1996 3403 2306

1997 3494 2325

1998 3533 2369

1999 3463 2405

2000 3563 2479

2001 3524 2531

2002b) 3300 2550

a) Norm-Kubikmeterb) vorl�ufige Zahl

Eine der ersten l�ngeren Erdgas-Transportleitungen wurde im Jahre 1891 in denUSA gebaut. Die ca. 120 Meilen lange Leitung diente dem Transport von Erdgas ausZentral-Indiana nach Chicago. Die erste Nutzung von Erdgas in Deutschland be-gann im Jahre 1913, als ein durch die Wasserbohrung Neuengamme XV entdecktesErdgasvorkommen an das Gasversorgungsnetz der Stadt Hamburg angeschlossenwurde. In rund zehn Jahren wurden etwa 230 Mio. m3 Erdgas aus dieser Lager-st�tte gef�rdert [1.13]. Die erste chemisch-technische Verwertung von Erdgas inDeutschland erfolgte nach der Entdeckung des Feldes Bentheim bei den Chemi-schen Werken H�ls, zu denen im Jahre 1944 eine Gasleitung verlegt wurde.

Der Durchbruch von Erdgas als Energietr�ger und Rohstofflieferant erfolgte erstnach dem zweiten Weltkrieg, als Schweiß- und Rohrwalztechniken sowie Fort-schritte in der Metallurgie den Aufbau zuverl�ssiger Ferngasleitungen erm�glich-ten. Der Nachkriegsboom an Fernleitungsbauten reichte weit in die zweite H�lfte


des 20. Jahrhunderts. In Europa war dieser Boom gekoppelt an die Entdeckung vonGroßlagerst�tten in Frankreich, Deutschland, Holland, der Nordsee und Russlandund deren Integration in ein europ�isches Erdgastransportnetz.

Tabelle 1.1 zeigt f�r die F�rderung von Erdgas zeitversetzt eine �hnlich st�rmi-sche Entwicklung wie f�r Erd�l. Die Abschw�chung des Wachstums nach der �l-krise der siebziger Jahre f�llt f�r Erdgas allerdings deutlich geringer aus als f�rErd�l. Ursache dieser abweichenden Entwicklung ist nicht zuletzt die besondersemissionsarme Verbrennung dieses wasserstoffreichsten und kohlenstoff�rmstenfossilen Energietr�gers. Erdgas setzt bei der Verbrennung weniger von dem Treib-hausgas Kohlendioxid (CO2) frei als alle anderen fossilen Energietr�ger.

Die �lkrisen der siebziger Jahre und das gegen Ende der achtziger Jahre verst�rkteinsetzende Bem�hen um intergenerative (Brundtlandt Bericht, [1.14]) und intrage-nerative (Agenda 21, [1.15]) Verteilungsgerechtigkeit durch eine nachhaltige Ent-wicklung (»Sustainable Development«) f�hrten zu einem neuen Bewusstsein imUmgang mit Rohstoffen im Allgemeinen und Energierohstoffen im Besonderen[1.16]. Durch weltweite Anstrengungen, Energie einzusparen, den Energiever-brauch effizienter zu gestalten und zunehmend erneuerbare Energien einzusetzen,kam es zu einer deutlichen Reduzierung des Anstiegs von Erd�lf�rderung und -ver-brauch. Die schwache Weltkonjunktur um die Jahrtausendwende verst�rkte dieseEntwicklung und f�hrte Anfang des neuen Jahrtausends sogar zu einem kurzfristi-gen R�ckgang der F�rderung [1.17].

Das Bem�hen um eine nachhaltige Entwicklung bewirkte auch eine neue Quali-t�t des Prozesses von Aufsuchung und Gewinnung bis hin zu R�ckbau und Rekulti-vierung [1.16], f�r die in Deutschland im Jahre 1993 operative Regeln durch die En-quete-Kommission des Deutschen Bundestages »Schutz des Menschen und derUmwelt« erarbeitet wurden. So einigte man sich z.B. in der Rio Deklaration darauf,das Abblasen von Erdgas bis 2003 und das Abfackeln bis 2006 einzustellen und allesanfallende Gas einer Verwendung zuzuf�hren [1.18].

1.1.2

Energiebedarf und Vorratssituation

Es ist zu erwarten, dass durch die Zunahme der Weltbev�lkerung und die fortschrei-tende Industrialisierung der Gesamtenergiebedarf weiter steigen wird. Die »Inter-nationale Energie Agentur« sch�tzt den Anstieg in den n�chsten 20 Jahren auf ca.60 %, von 9.6 · 109 t �l�quivalent in 1999 auf 12,3 · 109 t �l�quivalent in 2010 und15.3 · 109 t �l�quivalent in 2020. Zur Deckung dieses Bedarfes werden Erd�l undErdgas weltweit (auch in Deutschland) etwa 60 % beitragen [1.9: Kasten 6.6, 1.19].Engp�sse in der Versorgung werden dabei mittelfristig nicht erwartet. Lediglich beiErd�l k�nnte ab 2015 eine Verknappung des Angebotes auftreten [1.12, 1.20–1.23].

F�r die hier dargestellte Vorratssituation gelten die folgenden Definitionen [1.12]:l Reserven sind die zu einem bestimmten Zeitpunkt verbleibenden Erd�l- und

Erdgasmengen, die in einer Lagerst�tte nachgewiesen sind und die mit der zudiesem Zeitpunkt verf�gbaren Technologie und den zu diesem Zeitpunkt er-zielbaren Preisen wirtschaftlich gef�rdert werden k�nnen.


l Ressourcen sind Mengen, die geologisch nachgewiesen sind, aber wirtschaft-lich noch nicht gewonnen werden k�nnen sowie Mengen, die noch nicht nach-gewiesen sind, aber aus geologischen Gr�nden in einem betreffenden Gebieterwartet werden k�nnen.

l »In Place« Mengen sind die in einer Lagerst�tte insgesamt vorhandenen ge-winnbaren und nicht gewinnbaren Mengen.

Entsprechend der Definition sind die Reserven und ihre weltweite Verbreitungnicht nur abh�ngig von den Voraussetzungen, die in den einzelnen Regionen f�rdie Bildung von Kohlenwasserstoffvorkommen gegeben waren, sondern auch vomGrad der erreichten Ausbeute, dem Stand der Technik und den Produktpreisen.

Die an das Vorhandensein von Sedimentationsbecken gekn�pften Voraussetzun-gen f�r die Bildung von Kohlenwasserstoffvorkommen sind in vielen Gebieten derErde gegeben. Die Voraussetzungen sind in ihrer tats�chlichen Ausbildung jedochsehr unterschiedlich. Der Nahe Osten, in dem etwa zwei Drittel der Welterd�lreser-ven konzentriert sind, nimmt hier eine Sonderstellung ein.

Die Suche nach Erd�l und Erdgas hat nach der jeweiligen Notwendigkeit und Zu-g�nglichkeit stattgefunden. So wurde verst�ndlicherweise zuerst zu Lande und zu-n�chst in jenen L�ndern exploriert, die bereits von der Industrialisierung erfasst wa-ren. Erst allm�hlich wurden die weniger gut zug�nglichen Gebiete einbezogen.Heute findet die Suche nach Kohlenwasserstoffen in praktisch allen Regionen derErde statt. So ist zu erkl�ren, dass L�nder wie z.B. die USA wegen der bereits fr�heinsetzenden Ausbeute der Ressourcen heute große Mengen an Erd�l importierenm�ssen [1.24].

Der technologische Fortschritt ist die wesentliche Ursache f�r die positive Ent-wicklung der Reserven in den letzten Jahrzehnten. Diese Entwicklung weicht deut-lich von den Vorhersagen des »Club of Rome« im Jahre 1972 ab, auch wenn die An-zahl der Neufunde seit 1962 zahlenm�ßig zur�ckgeht und zur Zeit nur ein Vierteldes Verbrauchs durch Neufunde ersetzt wird. Zu den Reservenzuw�chsen tragenvor allem H�herbewertungen bekannter Vorkommen und verbesserte F�rdermetho-den bei [1.9: Kasten 6.7].

Der »Club of Rome« ging davon aus, dass die weltweiten Vorr�te im Wesentlichenbekannt sind und die Kosten f�r ihre Ausbeute steigen w�rden. Wie inzwischennachgewiesen, sind die Vorr�te gr�ßer und die Produktionskosten kleiner als da-mals unterstellt. Beides ist zur�ckzuf�hren auf den Einsatz neuer Technologien inder Aufsuchung (3D Seismik), der Entwicklung (Horizontal- und Multilateralboh-ren) und der Ausbeute (effizientere F�rdermethoden, verbessertes Projektmanage-ment und so genannte »Smart Wells/Fields«) von Kohlenwasserstoffvorkommen.J�ngstes Beispiel f�r die Bedeutung der Anwendung neuer Technologien f�r dieEinstufung von Vorr�ten als Reserven ist die Zunahme der weltweiten, sicheren Erd-�lreserven im Jahr 2002 um 24 · 109 t bzw. 17 Prozent: Vormals nicht wirtschaftlichf�rderbare Schwer�lvorkommen in Kanada wurden auf Grund neuer Entwicklun-gen der F�rdertechnologie als wirtschaftlich gewinnbar eingestuft [1.26, 1.27, 1.36].

Der �l- und Gaspreis hat ebenfalls einen wesentlichen Einfluss auf die H�he derReserven: Je h�her der Preis, umso gr�ßer werden im Prinzip die Reserven. Dabei


ist von einer �berproportional großen Zunahme der Reserven auszugehen [1.9: Kas-ten 6.4]. So war z. B. der starke Anstieg des �lpreises nach der ersten �lkrise 1973/74 Ausl�ser f�r eine Vielzahl von Entwicklungen, um die Reserven durch Einsatzvon Technologie zu erh�hen. Die Offshore-T�tigkeit wurde erweitert; ein Beispielhierf�r ist die Erschließung der Nordsee. Es wurden neue F�rdermethoden entwi-ckelt und eingesetzt, z.B. f�r Gas in gering durchl�ssigen Sandsteinen (Tight Gas)oder zu der bereits erw�hnten verbesserten Ausbeute von Schwer�lvorkommen.

1.1.3

Reserven und F�rderung

Die Verteilung der Erd�lreserven, ihrer F�rderung und ihres Verbrauches nachWeltregionen ist f�r das Jahr 2001 in Tabelle 1.2 dargestellt. Diese zeigt f�r Reservenund F�rderung die Dominanz des Nahen Ostens. Sie dokumentiert auch die starkeAbh�ngigkeit der Regionen Australasien, Nordamerika und Europa bei der Bedarfs-deckung. Unterstellt man rein hypothetisch, dass die in der Tabelle ausgewiesenenReserven nicht mehr h�her zu bewerten sind und dass die F�rderung in Zukunftkonstant bleibt, so errechnet sich f�r die weltweiten Erd�lreserven eine statistischeReichweite von mehr als 40 Jahren.

Tabelle 1.3 gibt die regionale Verteilung der Erdgasreserven, der F�rderung unddes Verbrauches im Jahre 2001 wieder. Der Energiegehalt der Welt-Erdgasreserven

Tab. 1.2 Erd�lreserven und -f�rderung [1.12]

Reserven1.1.2002

F�rderung2001

Verbrauch2001

Region (109 t) (%) (106 t) (%) (106 t) (%)

Naher Osten 94,7 62,4 1074 30,5 203 5,81. Saudi Arabien 35,7 23,5 423 12,0 63 1,8

GUS 15,0 9,9 418 11,9 167 4,81. Russland 9,7 6,4 342 9,7 126 3,6

Lateinamerika 13,1 8,6 319 9,1 223 6,41. Venezuela 10,6 7,0 147 4,2 22 0,6

Afrika 11,2 7,4 372 10,6 117 3,31. Libyen 3,9 2,6 68 1,9 11 0,3

Nordamerika (Kanada, Mexiko, USA) 8,5 5,6 637 18,1 1073 30,71. USA 4,1 2,7 352 10,0 895 25,6

Europa 3,3 2,2 323 9,2 746 21,41. Norwegen 1,7 1,1 162 4,6 9 0,3(Deutschland) (0,05) (0,03) (3,4) (0,1) (122) (3,5)

Ferner Osten/Australien 6,0 4,0 381 10,8 964 27,61. China 3,5 2,3 165 4,7 224 6,4

Gesamt 151,8 3524 3493

1. = gr�ßter Reservenhalter der jeweiligen Region


Tab. 1.3 Erdgasreserven und -f�rderung [1.12]

Reserven1.1.2002

F�rderung2001

Verbrauch2001

Region (1012 m3) (%) (109 m3) (%) (109 m3) (%)

Naher Osten 58,9 36,6 217 8,6 197 7,91. Iran 26,0 16,2 61 2,1 65 2,6

GUS 56,3 35,0 732 28,9 569 22,71. Russland 47,6 29,6 590 23,3 402 16,0

Lateinamerika 7,1 4,4 99 3,9 95 3,81. Venezuela 4,1 2,6 28 1,1 28 1,1

Afrika 11,8 7,4 123 4,9 62 2,51. Algerien 4,5 2,8 79 3,1 22 0,9

Nordamerika (Kanada, Mexiko, USA) 7,6 4,7 770 30,4 775 30,91. USA 5,0 3,1 548 21,6 653 26,1

Europa 6,7 4,2 313 12,4 506 20,21. Norwegen 2,4 1,5 53 2,1 5 0,2(Deutschland) (0,34) (0,2) (21,5) (0,8) (95,8) (3,8)

Ferner Osten/Australien 12,3 7,7 277 11,0 303 12,11. Indonesien 2,6 1,6 65 2,5 30 1,2

Gesamt 160,8 2531 2507

1. = gr�ßter Reservenhalter der jeweiligen Region

entspricht knapp 84 Prozent der derzeitigen Welt-Erd�lreserven. F�r die Umrech-nung gilt: 1 t Erd�l entspricht 1319 m3 Erdgas [1.12]. Der Nahe Osten und die GUS-Staaten verf�gen �ber fast drei Viertel der Welt-Erdgasreserven. Mit Ausnahme vonEuropa ist derzeit keine Region in nennenswerter Weise abh�ngig von Erdgasim-porten. Unterstellt man Konstanz der in Tabelle 1.3 dokumentierten Reserven undeine gleich bleibende F�rderung, so errechnet sich f�r die weltweiten Erdgasreser-ven eine statistische Reichweite von mehr als 60 Jahren.

1.1.4

Ressourcen

Gem�ß Definition sind Ressourcen nachgewiesene, aber derzeit nicht wirtschaftlichgewinnbare Kohlenwasserstoffe bzw. solche, die aus geologischen Gr�nden erwartetwerden und durch fortgesetzte Exploration nachgewiesen werden k�nnen. Bei dennachgewiesenen, derzeit aber wirtschaftlich nicht gewinnbaren Kohlenwasserstof-fen handelt es sich in aller Regel um die Kategorie der nicht-konventionellen Koh-lenwasserstoffe. Diese sind durch einen konventionellen Bohrlochbergbau praktischnicht gewinnbar. Bei den Vorkommen, die seit langem bekannt sind, handelt essich insbesondere um extrem viskose Erd�le, die unter den gegebenen Lagerst�tten-bedingungen kaum bzw. nicht mehr fließen, und tonige Sedimentgesteine mit ei-nem relativ hohen Anteil an organischer Materie (Kerogen). Auf der Gasseite sind


Tab. 1.4 Ressourcen f�r konventionelles und nicht-konventionelles Erd�l und Erdgas [1.12]

Erd�l(109 t)

Erdgas(1012 m3)

Ressourcen Gr�ßterRessourcenhalter

Ressourcen Gr�ßterRessourcenhalter

konventionell 84 217

Region Region

Europa 4 Norwegen 2 Europa 7 Norwegen 3

GUS 21 Russland 14 GUS 96 Russland 83

Afrika 10 Nigeria 3 Afrika 11 Nigeria 4

Naher Osten 24 Saudi Arabien 9 Naher Osten 43 Katar 13

Australasien 6 China 2 Australasien 23 China 10

Nordamerika 14 USA 8 Nordamerika 27 USA 15

Lateinamerika 7 Venezuela 3 Lateinamerika 10 Venezuela 3

nicht-konventionell

250 nicht-konventionell

1533

�lsand 28 Kanada 21 Tight Gas 90 GUS 32–77

Schwerst�l 38 Venezuela 10 Kohlefl�zgas 143 Russland 20–80

�lschiefer 184 USA 60–80 Gashydrate 500 USA <1.000Aquifergas 800

GesamtRessourcen

334 1750

die wesentlichen Kategorien nicht konventioneller Ressourcen das »Tight Gas«(Erdgas aus dichten Lagerst�tten), Kohlefl�zgase, Gashydrate und Aquifergase.

Tabelle 1.4 zeigt die Ressourcen f�r konventionelles und nicht-konventionellesErd�l und Erdgas. Die Angaben sind verst�ndlicherweise mit gr�ßeren Unsicher-heiten behaftet als die Daten zu den Reserven, da es sich um Mengen handelt, diedurch Exploration erst noch nachgewiesen werden m�ssen, bzw. Mengen, die ab-h�ngig sind von der weiteren Entwicklung von Technologie und Kosten bzw. Erl�-sen. Die sehr großen konventionellen Erdgasressourcen spiegeln den noch nicht soweit fortgeschrittenen Stand der Exploration auf Erdgas im Vergleich zum Erd�l wi-der.

Die in Tabelle 1.4 dokumentierten beachtlichen Potentiale f�r nicht-konventionel-les Erd�l und insbesondere Erdgas d�rfen jedoch nicht dar�ber hinwegt�uschen,dass eine Realisierung selbst in bescheidenem Umfang nur dann m�glich ist, wennerhebliche technologische Anstrengungen unternommen werden, wenn das um-fangreiche Risikokapital bereitgestellt wird, wenn lange Vorlaufzeiten in Kauf ge-nommen werden und wenn schließlich ein nachhaltig hohes Preisniveau von 30


Dollar pro Barrel Roh�l und mehr gegeben ist, bei dem sich die Investitionsrisikenrechtfertigen lassen.

1.1.4.1 �lsande, TeersandeDie bekanntesten Schwer�l- und Schwerst�lvorkommen sind die �lsande in Al-berta, Kanada und die Orinoko-Vorkommen im �stlichen Venezuela-Becken. Hierwerden etwa zwei Drittel der heute weltweit bekannten »in place«-Mengen vonrund 800 · 109 t vermutet. Von diesen Mengen sind nach heutigen Einsch�tzungen15–20 Prozent gewinnbar. Die Produktionskosten f�r Schwer�l haben sich in denletzten Jahren g�nstig entwickelt, sodass davon bereits etwa 65 · 109 t als wirtschaft-lich gewinnbare Reserven eingestuft werden. Die Ressourcen in Deutschland betra-gen wenige Millionen Tonnen. Die gr�ßte bekannte Schwer�llagerst�tte ist Nord-horn mit einem »in place«-Volumen von 45 · 106 t [1.12, 1.23, 1.26].

In den oberfl�chennahen Bereichen wird der �lsand mittels riesiger Schaufelrad-und Sch�rfk�belbagger im Tagebau gewonnen und das Schwer�l mittels Heißwas-ser und Dampf extrahiert. Der Wirkungsgrad dieser Methode, durch die 10% derkanadischen Schwer�lreserven f�rderbar sind, liegt bei etwa 90 %. Die F�rderungmit dieser Methode in Kanada betrug 2001 etwa 25 · 106 t »nat�rliches Bitumen«.

F�r die Ausbeute tiefer liegender Schwer- und Schwerst�lvorkommen, d.h. sol-cher, bei denen die �berlagerungsschicht (Abraum) zu groß ist, um einen wirt-schaftlichen Tagebau zu erm�glichen, werden in-situ (»vor Ort«)-Verfahren einge-setzt. Fortschritte in der Horizontal- und Multilateral-Bohrtechnik und »MeasuringWhile Drilling« Technologien (s. Abschnitt 1.5.4) haben die Entwicklung dieser in-situ Verfahren erm�glicht, bei denen die Viskosit�t des Schwer�ls durch das Ein-pressen von Dampf bzw. L�semitteln so weit reduziert wird, dass eine konventio-nelle F�rderung durch Tiefpumpen m�glich ist. Etwa 38 · 106 t wurden 2001 in Ka-nada und Venezuela nach diesem in-situ Verfahren gef�rdert [1.23, 1.27].

Eine Vielzahl von Projekten befindet sich in Planung bzw. bereits im Bau. So be-absichtigt Kanada die Anzahl seiner Vorhaben bis 2016 von derzeit 8 auf 45 zu erh�-hen und die Jahresproduktion von 43 · 106 t auf etwa 200 · 106 t Schwer�l als nat�r-liches Bitumen zu erh�hen. Daf�r sind Investitionen von mindestens US$ 26 Mil-liarden vorgesehen [1.12, 1.23].

1.1.4.2 �lschiefer�lschiefer kommen in �ber 50 L�ndern der Erde vor. Nach konservativen Sch�tzun-gen betr�gt die �l-»in place«-Menge mehr als 30 · 109 t. Optimistische Sch�tzungengehen von einem 1000-fach gr�ßeren Potential aus. Die gr�ßten bekannten Vorkom-men liegen in den Vereinigten Staaten, wo �lschiefervorkommen mit einem �linhaltvon 240 · 109 t bekannt sind; die gewinnbaren Ressourcen d�rften in einer Gr�ßen-ordnung von 60 bis 80 · 109 t liegen. Die gewinnbaren Ressourcen in der Bundes-republik Deutschland werden auf ca. 318 · 106 t gesch�tzt, davon etwa 120 · 106 t inder Lagerst�tte Schandelah bei Braunschweig und der verbleibende Teil vor allem imN�rdlinger Ries. Die weltweite Jahresproduktion an �l aus �lschiefern betr�gt der-zeit etwa 300000 t. Aufgrund mangelnder Wirtschaftlichkeit sind alle �lschiefermen-gen den Ressourcen zuzurechnen; es gibt keine �lschiefer-Reserven.


Traditionell wird Roh�l aus �lschiefer durch bergm�nnischen Abbau und an-schließende Pyrolyse (Verschwelung bei 500 �C) gewonnen. Das abgebaute Materialkann jedoch auch direkt verbrannt werden. In Australien laufen derzeit die gr�ßtenBem�hungen, die traditionellen Verfahren weiterzuentwickeln und eine wirtschaft-liche �lproduktion aus �lschiefer in Gang zu bringen. In den USA laufen Versu-che, den bergm�nnischen Abbau durch in-situ-Verschwelung bzw. -Vergasung zuersetzen, z.B. mit elektrischer Aufheizung des Gesteins [1.12, 1.23].

1.1.4.3 Erdgas aus dichten Lagerst�ttenDichte Lagerst�tten sind Vorkommen mit einer geringen Durchl�ssigkeit(< 0,1 mDarcy). Der Fluss des Gases durch die Gesteinsformation in das Bohrlochist behindert; die erzielbaren Produktionsraten sind gering. Zu den dichten Lager-st�tten geh�ren das »Tight Gas« (in Sandstein- oder Carbonatreservoiren) sowie das»Shale Gas« (in Tonsteinen). Dichte Lagerst�tten treten weltweit in allen Kohlen-wasserstoff-Provinzen auf.

Die Sch�tzungen f�r die weltweiten »Tight Gas«-Reserven und -Ressourcen ge-hen weit auseinander; sie reichen von 70 000 bis zu 170000 · 109 m3, wovon derzeitetwa 1000 bis 2000 · 109 m3 als Reserven eingestuft werden [1.12, 1.28, 1.29]. Die Re-serven und gewinnbaren Ressourcen in Deutschland werden auf 50–150 · 109 m3

gesch�tzt.Die kommerzielle F�rderung konzentriert sich auf die USA, Kanada, China und

Europa. Gr�ßter Produzent sind die USA mit einer Produktion im Jahre 1999 von95 · 109 m3 aus etwa 94000 Bohrungen, was ca. 15% des Erdgasaufkommens inden USA entspricht [1.30]. Die Produktion in Deutschland im Jahre 2001 betrug424 · 106 m3 aus 13 Bohrungen, entsprechend etwa 2% der deutschen Erdgaspro-duktion.

Die Erschließung von dichten Lagerst�tten erfordert eine intensive geowissen-schaftliche Bearbeitung, ein besonders anspruchvolles Erbohren der Speicherforma-tion sowie eine Verbesserung der origin�ren Zuflussbedingungen durch hydrauli-sche Tr�gerbehandlungen (»Frac«-Behandlungen) (s. hierzu Abschnitt 1.7.1.2).

Durch Anwendung modernster geowissenschaftlicher Verfahren werden in denin ihrer Qualit�t stark variierenden »Tight Gas«-Vorkommen die Gebiete mit denbesten Fließbedingungen vorhergesagt. Durch Anwendung von Horizontalbohr-techniken und »Measuring While Drilling«-Technologien werden die Gebiete mitden besten Bedingungen erbohrt und so eine m�glichst große Kontaktfl�che zurSpeicherformation geschaffen, �ber die das Gas ins Bohrloch eintreten kann. DieAnwendung von Stimulationstechniken bis hin zu der in Deutschland angewende-ten Multi-Frac-Technologie in Horizontalbohrungen [1.32] erm�glicht eine weitereVerbesserung der Zuflussbedingungen. Durch Frac-Maßnahmen werden k�nstlicheRisssysteme hoher Durchl�ssigkeit erzeugt, die weit in die Speicherformation hi-neinreichen und die Kontaktfl�che zur Formation erheblich vergr�ßern.

Weltweit werden erhebliche Anstrengungen unternommen, um die Ausbeute derenormen »in place«-Mengen zu vergr�ßern. Allein f�r die USA werden die »inplace«-Mengen auf 140000 bis 425000 · 109 m3 gesch�tzt [1.32], von denen derzeitca. 5000 bis 15 000 · 109 m3 als gewinnbar eingestuft werden [1.9: Kasten 6.4, 1.33].


Die technologischen Anstrengungen konzentrieren sich derzeit auf folgendeAspekte: Die Verbesserung in der Vorhersage der unter produktionstechnischenAspekten g�nstigsten Gebiete in »Tight Gas«-Vorkommen, z.B. die Vorhersage na-t�rlicher Kluftsysteme aus seismischen Informationen; die Verbesserung der Bohr-und Frac-Technologie, z.B. durch die Entwicklung lagerst�ttenschonender Fl�ssig-keiten; und schließlich – um die Vorkommen effizient zu entwickeln – die �bertra-gung von Offshore-Konzepten auf die Entwicklung von Vorkommen auf dem Fest-land, insbesondere das Niederbringen mehrerer Bohrungen von einer Bohrungslo-kation.

1.1.4.4 Kohlefl�zgasDer Inkohlungsprozess pflanzlicher Materie (s. Abschnitt 1.2) erzeugt große Men-gen an methanreichem Erdgas. Ein Teil davon wird freigesetzt und kann sich in La-gerst�tten anreichern. Ein großer Teil des Gases bleibt aber in der Kohle gespei-chert, wo es als Folge des Druckes der �berlagernden Gesteinsschichten und alsFolge des in den feinen Risssystemen der Kohle enthaltenen Wassers an der großeninneren Oberfl�che der Kohle adsorbiert ist.

Die weltweiten Reserven und Ressourcen betragen je nach Sch�tzung zwischen92 000 und 195000 · 109 m3 und verteilen sich auf mehr als 50 Staaten. Etwa1.100 · 109 m3 werden als Reserven gef�hrt. Die Ressourcen der BundesrepublikDeutschland werden auf etwa 3000 · 109 m3 gesch�tzt, davon etwa 2000 · 109 m3 imGebiet der Ruhr und 1000 · 109 m3 im Gebiet der Saar. Die Reserven in H�he von1 · 109 m3 verteilen sich in gleicher Weise auf die Gebiete Ruhr und Saar. Die kom-merzielle F�rderung an Kohlefl�zgas betrug im Jahr 2001 etwa 42 · 109 m3. Davonentfielen ann�hernd 40 · 109 m3 auf die USA, in denen 1999 etwa 11 000 Bohrun-gen produzierten [1.12, 1.30].

Kohlefl�zgas wird – �hnlich wie Tight Gas – �ber Bohrungen entwickelt, in de-nen zur Erzeugung einer m�glichst großen Oberfl�che zur Kohle k�nstliche Riss-systeme hergestellt werden. Der Gasproduktion geht �blicherweise eine l�ngerePhase der Produktion von Wasser voraus. Aufgrund der konsequenten Anwendungneuester Bohr- und Stimulationstechnologie, insbesondere der Horizontal- in Kom-bination mit der Multilateralbohrtechnik, waren erhebliche Produktionssteigerun-gen m�glich, was in den letzten Jahren zu einer rasanten Entwicklung in der Fl�z-gasnutzung gef�hrt hat.

1.1.4.5 GashydrateBei hohem Druck und niedrigen Temperaturen k�nnen Gase mit Wasser eine eis-�hnliche Substanz bilden, die Gashydrat genannt wird (s. auch Abschnitt 1.3.4.4).In dieser Substanz sind Gasmolek�le in »K�figen« von Wassermolek�len einge-schlossen. Die Energiedichte von Gashydrat ist relativ hoch. Ein m3 Gashydrat kann164 m3 Methan enthalten [1.34].

Gashydrate wurden im marinen Bereich an der Mehrzahl der Kontinentalr�ndernachgewiesen, wo sie in Meeresbodensedimenten ab einer Wassertiefe von 300 mstabil sind. Kontinentale Vorkommen beschr�nken sich auf Permafrostgebiete undwurden in Sibirien sowie im Norden Amerikas nachgewiesen [1.35].


Sch�tzungen �ber die gebundenen Methanmengen unterscheiden sich um vierZehnerpotenzen mit einer Untergrenze von etwa 200000 · 109 m3. Der gr�ßere Teildieser Mengen wird offshore vermutet [1.9: Kasten 6.12, 1.12, 1.36, 1.37]. Zwischen10 000 und 500000 · 109 m3 werden als gewinnbar angenommen, die vollst�ndigder Kategorie Ressourcen zuzurechnen sind [1.9: Kasten 6.12, 1.12].

Die Entwicklung von Verfahren zur F�rderung von Gashydraten steht noch ganzam Anfang. Verfahrentechnische Ans�tze beruhen auf einer Destabilisierung derHydrate vor Ort. Dies ist theoretisch m�glich durch Erh�hung der Temperatur oderHerabsetzen des Druckes im Bereich der Hydrate; m�glich ist auch die Injektion vonChemikalien wie Methanol, mit denen sich die Stabilit�tsgrenze verschieben l�sst.Ein internationales Forschungsvorhaben, bestehend aus einer Produktions- undzwei Beobachtungsbohrungen, mit dem das Ansprechen eines Hydratvorkommensauf Druckabsenkung und Temperaturerh�hung untersucht werden sollte, wurde imJahre 2002 in Kanada durchgef�hrt [1.38]. Im Rahmen des Programms »Gashydrateim Geosystem« des Bundesministeriums f�r Bildung und Forschung ist das Geofor-schungszentrums Potsdam an diesem Projekt beteiligt. �hnliche Forschungsvorha-ben werden vor der Ostk�ste Japans, in den USA und in Indien durchgef�hrt [1.12].

Neben der Herausforderung, eine wirtschaftliche F�rdertechnik zu entwickeln,sind auch L�cken im Kenntnisstand �ber die laterale Verteilung, Menge und Zu-sammensetzung der Gase zu schließen. Dar�ber hinaus sind Fragen der Gasper-meabilit�t in Hydratschichten und der Zersetzungskinetik der Hydrate zu kl�ren.Aufgrund der verbleibenden offenen Fragen ist ein Beginn der Gashydratf�rderungonshore nicht vor 2010 bis 2015 und offshore – auf Grund der gr�ßeren technischenHerausforderungen – nicht vor 2030 bis 2060 zu erwarten [1.39, 1.40].

1.1.4.6 AquifergasDie Poren und Kl�fte der Gesteine in der Erdkruste sind �berwiegend mit Wassergef�llt. In diesem »Grundwasser« kann Erdgas in erheblichen Mengen gel�st sein.Der Wissensstand �ber tats�chliche Vorkommen und die technische Gewinnbarkeitsind bislang sehr gering. Die große Spreizung bei der Sch�tzung der Ressourcenvon 24 000 bis 1 500000 · 109 m3, f�r die eine Ausbeute von 1 % beziehungsweise5 % der unterstellten, geeigneten »in place«-Mengen angenommen wurde, spiegeltdie großen Unsicherheiten der »in place«-Mengen und der wirtschaftlichen Nutz-barkeit dieses Potentials wider; sie stellt nur einen Versuch dar, die wahrscheinlicheGr�ßenordnung einzugrenzen. Derzeit ist die Produktion von Erdgas aus Aquiferennicht wirtschaftlich. Unter Einschluss der Gewinnung von thermischer Energiek�nnte eine Nutzung dieser Energiequelle bei h�heren Energiepreisen jedoch inte-ressant werden [1.12].

1.2

Entstehung von Kohlenwasserstoffen und Kohlenwasserstoff-Lagerst�tten

Erd�l und Erdgas sind Gemische von Kohlenwasserstoffen, deren Verbindungen infester Form als Asphalt oder Bitumen, in fl�ssiger Form als Erd�l oder Kondensatund gasf�rmig als Erdgas auftreten k�nnen. Die wichtigsten Kohlenwasserstoffver-


bindungen im Erd�l sind die Alkane, Cycloalkane und die Aromaten. Je nach �ber-wiegen einer Kohlenwasserstoffverbindung spricht man von paraffinbasischen (Al-kane) und naphthenbasischen (Cycloalkane) Erd�len. Neben den Kohlenwasser-stoffverbindungen enth�lt Erd�l schwefel-, stickstoff- und sauerstoffhaltige Verbin-dungen in verschiedenen Anteilen sowie h�ufig auch Spuren von Metallen wie z.B.Vanadium und Nickel.

Mit einem Anteil bis zu 99 % ist typischerweise Methan der Hauptbestandteil vonErdgas. In weit geringerem Umfang kann Erdgas h�here Kohlenwasserstoffe ent-halten, in Spuren bis hin zu Nonan. Typische weitere Bestandteile im Erdgas sindKohlendioxid, Stickstoff und Schwefelwasserstoff, in sehr geringen Anteilen ge-legentlich auch Helium. Mit Ausnahme von Helium k�nnen die genannten Be-standteile in erheblichen Konzentrationen vorliegen und Anteile von fast 100%erreichen. H�ufig enth�lt Erdgas auch Spuren von Metallen, z.B. Quecksilber. InAbh�ngigkeit vom Anteil an kondensierbaren Fl�ssigkeiten (h�heren Kohlenwas-serstoffen) spricht man von einem Trockengas oder einem Nassgas. In Abh�ngig-keit vom Anteil des Schwefelwasserstoffs spricht man von S�ßgas bzw. Sauergas.Der Schwefelwasserstoffgehalt in verkaufsf�higem S�ßgas darf nach dem Regel-werk der Deutschen Vereinigung des Gas- und Wasserfachs 5 mg Schwefel pro Ku-bikmeter Erdgas nicht �bersteigen [1.41].

Erd�l und Erdgas sind organischen Ursprungs. Die Erd�lentstehung beginnt vor-wiegend im Meer. Ausgangsmaterial sind hier lebende pflanzliche und tierischeKleinstlebewesen. Abgestorben sinken die Organismen auf den Meeresgrund, wer-den im Schlamm eingebettet und durch weitere Sedimentation �berlagert, s. Abbil-dung 1.1. In einem anaeroben (sauerstoffarmen) Milieu, in dem es zu keiner Verwe-sung kommt, bleibt das organische Material als Faulschlamm erhalten, aus demsich bei ausreichendem Gehalt an organischem Material das Muttergestein f�rErd�l und Erdgas bildet. Durch die fortschreitende �berlagerung mit weiterem Ge-steinsmaterial gelangt das Muttergestein in tiefere Schichten und wird dort durchdie nat�rliche W�rme aus dem Erdinneren langsam aufgeheizt. Mit �berschreitenbestimmter Schwellenwerte f�r Temperatur und Zeit werden die erhalten gebliebe-nen organischen Bausteine in mehreren komplexen Prozessen zu Erd�l und Erdgasumgewandelt. Der Vorgang der Entstehung dauert in der Regel viele MillionenJahre und findet seit der Entstehung von Leben vor etwa zwei Milliarden Jahren im-mer wieder aufs Neue statt [1.5, 1.42–1.44].

Erdgas kann auch durch Inkohlung h�herer Landpflanzen entstehen, s. Abbil-dung 1.1. So wurde die �ppige Vegetation, die es im Erdzeitalter Karbon vor mehrals 300 Millionen Jahren in Nordwesteuropa gab, zum Ausgangsmaterial f�r die inNordwesteuropa weit verbreiteten Kohlen im Karbon. Diese bilden das Mutterge-stein f�r den gr�ßten Teil des in dieser Region angetroffenen Erdgases. Mit der Ver-senkung der �berreste der Karbon-Urw�lder in den Untergrund erfolgte bei stei-gender Temperatur und zunehmendem Druck die Inkohlung der pflanzlichen Ma-terie und damit einhergehend die Bildung und Freisetzung von insbesondereMethan [1.42–1.44].

Mit der Versenkung der Muttergesteine nimmt der auf ihnen lastende Gesteins-druck (petrostatischer Druck) zu. Die Umwandlungsprodukte Erd�l und Erdgas


Abb. 1.1 Muttergesteinsbildung f�r Erd�l und Erdgas

werden aus dem Muttergestein ausgepresst und gelangen in por�se oder kl�ftigeGesteinsbereiche. In diesen steigen sie nach oben, da sie leichter sind als das Was-ser, das Porenraum und Kl�fte normalerweise f�llt. Der Vorgang der Wanderung(Migration) endet an der Erdoberfl�che, z.B. in einer Teerkuhle, oder im Unter-grund an undurchl�ssigen Deckschichten wie Salz, Mergel oder Ton, wenn die Geo-metrie dieser Schichten eine Fallensituation darstellt, z.B. eine Aufw�lbung unterder sich die Kohlenwasserstoffe ansammeln k�nnen. Ist das Gestein unter der ab-dichtenden Schicht ein por�ses und gut durchl�ssiges Speichergestein sind alle Vor-aussetzungen f�r eine wirtschaftliche Lagerst�tte gegeben. Die wichtigsten Spei-chergesteine sind por�se bzw. kl�ftige Sandsteine, Kalke oder Dolomite.

Erd�l kommt meist in Verbindung mit Erdgas und Salzwasser in den Speicherge-steinen vor. Aufgrund der unterschiedlichen Gewichte wird dabei Gas am h�chstenPunkt der Lagerst�tte zu finden sein, gefolgt von Erd�l und dann Wasser. Typische


Abb. 1.2 Anreicherung von Kohlenwasserstoffen in verschiedenen Strukturformen der Erdkruste

Fallensituationen f�r diese Speichergesteine sind in Abbildung 1.2 gezeigt. DieseFallen k�nnen w�hrend der Ablagerung entstanden sein (stratigraphische Fallen)oder sie sind durch tektonische (tektonische Fallen) bzw. diagenetische (nachtr�g-lich durch Druck und Temperatur bedingte) Vorg�nge innerhalb des Sedimentbe-ckens sp�ter geschaffen worden [1.45–1.47].

1.3

Lagerst�tteninhalt und Eigenschaften von Erd�l und Erdgas

Die Beschreibung von Kohlenwasserstofflagerst�tten, ihres Inhaltes, der dort statt-findenden Fließvorg�nge ebenso wie die Behandlung von Kohlenwasserstoffen imRahmen der Aufbereitung, ihr Transport und ihre Speicherung folgen physikali-schen und verfahrenstechnischen Gesetzm�ßigkeiten. Die wichtigsten Konzeptesind im Folgenden wiedergegeben.

1.3.1

Lagerst�tteninhalt, statisch (Volumetrie)

In der Lagerst�tte befinden sich die Kohlenwasserstoffe in den Hohlr�umen desSpeichergesteins. Bei diesen Hohlr�umen handelt es sich in der Regel um Poren-


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