UBA 2014_Umweltauswirkungen Fracking.pdf

53/2014 TEXTE

Umweltauswirkungen von Fracking bei der Aufsuchung und Gewinnung von Erdgas insbesondere aus Schiefergaslagersttten Teil 2 - Grundwassermonitoringkonzept, Fracking-chemikalienkataster, Entsorgung von Flowback, Forschungsstand zur Emissions- und Klimabilanz, induzierte Seismizitt, Naturhaushalt, Landschafts-bild und biologische Vielfalt

TEXTE 53/2014

Umweltforschungsplan des Bundesministeriums fr Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit

Forschungskennzahl 3712 23 220 UBA-FB 001972

Umweltauswirkungen von Fracking bei der Aufsuchung und Gewinnung von Erdgas insbesondere aus Schiefergaslagersttten

Teil 2 - Grundwassermonitoringkonzept, Frackingchemikalien-kataster, Entsorgung von Flowback, Forschungsstand zur Emissions- und Klimabilanz, induzierte Seismizitt, Naturhaushalt, Landschaftsbild und biologische Vielfalt

von

Uwe Dannwolf, Anke Heckelsmller RiskCom GmbH, Pforzheim

unter Mitwirkung von

Nikolaus Steiner, Carola Rink Anwaltskanzlei Steiner

Dirk Weichgrebe, Katrin Kayser, Ralph Zwafink, KarlHeinz Rosenwinkel Institut fr Siedlungswasserwirtschaft und Abfalltechnik der Leibniz Universitt Hannover

Uwe R. Fritsche, Kevin Fingerman, Suzanne Hunt IINAS - Internationales Institut fr Nachhaltigkeitsanalysen und strategien GmbH

Horst Rter, Andreas Donat, Stefan Bauer HarbourDom GmbH

Karsten Runge, Sebastian Heinrich OECOS GmbH

Im Auftrag des Umweltbundesamtes

Impressum

Herausgeber: Umweltbundesamt Wrlitzer Platz 1 06844 Dessau-Rolau Tel: +49 340-2103-0 Fax: +49 340-2103-2285 [email protected] Internet: www.umweltbundesamt.de

/umweltbundesamt.de /umweltbundesamt

Durchfhrung der Studie: RiskCom GmbH, Friedrich-Naumann-Weg 38, 75180 Pforzheim

Abschlussdatum: Juni 2014

Redaktion: Fachgebiet II 2.1 bergreifende Angelegenheiten Wasser & Boden Bernd Kirschbaum

Publikationen als pdf: http://www.umweltbundesamt.de/publikationen/umweltauswirkungen-von-fracking-bei-der-aufsuchung

ISSN 1862-4804

Dessau-Rolau, Juli 2014

Das diesem Bericht zu Grunde liegende Vorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministeriums fr Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit unter der Forschungskennzahl 3712 23 220 gefrdert. Die Verantwortung fr den Inhalt dieser Verffentlichung liegt bei den Autorinnen und Autoren.

Berichtskennblatt

Berichtsnummer UBA-FB 00

Titel des Berichts Umweltauswirkungen von Fracking bei der Aufsuchung und Gewinnung von Erdgas - insbesondere aus Schiefergaslagersttten

Autor(en)

(Name, Vorname)

Dannwolf, Uwe; Heckelsmller, Anke (RiskCom GmbH)

Steiner, Nikolaus; Rink, Carola (Anwaltskanzlei Steiner)

Dr. Weichgrebe, Dirk; Dr. Kayser, Katrin; Zwafink, Ralph; Prof. Dr. Rosenwinkel, KarlHeinz (Institut fr Siedlungswasserwirtschaft und Abfalltechnik der Leibniz Universitt Hannover)

Fritsche, Uwe R.; Fingerman, Kevin; Hunt, Suzanne (IINAS - Internationales Institut fr Nachhaltigkeitsanalysen und strategien GmbH)

Prof. Dr. Rter, Horst; Donat, Andreas; Bauer, Stefan (HarbourDom GmbH)

apl. Prof. Dr. Runge, Karsten; Heinrich, Sebastian (OECOS GmbH)

Durchfhrende Institution

(Name, Anschrift) RiskCom GmbH, Friedrich-Naumann-Weg 38, 75180 Pforzheim

Frdernde Institution Umweltbundesamt Postfach 14 06 06813 Dessau-Rolau

Abschlussdatum Juni 2014

Forschungskennzahl (FKZ) 3712 23 220

Seitenzahl des Berichts 619

Zustzliche Angaben

Schlagwrter

Umweltrisikobewertung, Fracking, (Schiefer-)Gaslagersttte, Grundwas-sermonitoring, Frackingchemikalienkataster, Flowback, Klimabilanz, Indu-zierte Seismizitt, Umweltvertrglichkeitsprfung, Konkurrierende Nut-zungen

Report Cover Sheet

Report No. UBA-FB 00

Report Title Environmental impacts of hydraulic fracturing related to exploration and exploitation of unconventional natural gas, in particular shale gas

Author(s)

(Family Name, First Name)

Dannwolf, Uwe; Heckelsmller, Anke (RiskCom GmbH)

Steiner, Nikolaus; Rink, Carola (Anwaltskanzlei Steiner)

Dr. Weichgrebe, Dirk; Dr. Kayser, Katrin; Zwafink, Ralph; Prof. Dr. Rosenwinkel, KarlHeinz (Institut fr Siedlungswasserwirtschaft und Abfalltechnik Leibniz Universitt Hannover)

Fritsche, Uwe R.; Fingerman, Kevin; Hunt, Suzanne (IINAS - Internationales Institut fr Nachhaltigkeitsanalysen und strategien GmbH)

Prof. Dr. Rter, Horst; Donat, Andreas; Bauer, Stefan (HarbourDom GmbH)

apl. Prof. Dr. Runge, Karsten; Heinrich, Sebastian (OECOS GmbH)

Performing Organisation

(Name, Address) RiskCom GmbH, Friedrich-Naumann-Weg 38, 75180 Pforzheim

Funding Agency Umweltbundesamt Postfach 14 06 06813 Dessau-Rolau

Report Date June 2014

Project No. (FKZ) Research reference number 3712 23 220

No. of Pages 619

Supplementary Notes

Keywords Environmental risk assessment, fracking, (shale-)gas reservoir, groundwa-ter monitoring, register of fracking chemicals, flowback, carbon footprint, induced seismicity, environmental impact assessment, natural resources

Kurzbeschreibung

Im vorliegenden Gutachten werden Gesichtspunkte, die die momentanen umweltrelevanten Themen bei der Schiefergasgewinnung widerspiegeln, in sieben Einzelbeitrgen (Arbeitspake-ten) betrachtet.

Im Einzelnen sind dies:

Entwicklung eines Grundwassermonitoringkonzeptes; Bewertung der Mglichkeit eines bundesweiten Frackingchemikalienkatasters; Bewertung einer umweltvertrglichen Entsorgung von Flowback; Aufbereitung des Forschungsstandes zur Emissions-/Klimabilanz; Untersuchung hinsichtlich potenzieller Gefhrdung durch induzierte Seismizitt; Aufzeigen und Bewertung der raum- und flchenrelevanten Aspekte sowie der Auswir-

kungen auf Naturhaushalt, Landschaftsbild und biologische Vielfalt.

Zielsetzung des vorliegenden Gutachtens ist die technische und wissenschaftliche Bewertung der oben aufgefhrten Gesichtspunkte sowie der damit einhergehenden Risiken. Darber hin-aus werden sowohl die sich ergebenden offenen Fragen und Wissenslcken benannt wie auch Anstze und Vorschlge zur Lsung dieser errtert.

Zusammenfassende Ergebnisse und Empfehlungen:

Es wird die Durchfhrung eines Baselinemonitorings zur Erlangung eines fundierten Kenntnis-stands ber vorhandene Stoffe im Grundwasser vor dem Beginn des Frac-Prozesses empfohlen. Im Anschluss daran soll die Durchfhrung eines berwachungsmonitorings, insbesondere wh-rend des gesamten Frac-Vorgangs, aber auch whrend der Gewinnungsphase und des Rck-baus erfolgen. Das berwachungsmonitoring soll ber Grundwassermessstellen in vier vonei-nander unabhngigen Grundwasserleitern erfolgen. Vor dem Hintergrund der Rechtslage in Deutschland wird die Errichtung und das Fhren eines bundesweiten rechtlich verbindlichen Frackingchemikalienkatasters durch eine Bundesbehrde auf der Grundlage eines eigenen Bundesgesetzes mit freiem Zugang fr jede Person ber das Internet empfohlen.

Die Aufbereitung von Flowback sollte entsprechend des Aufbereitungsziels (Wiedereinsatz, Ein-leitung oder Entsorgung, z.B. durch Verpressung) differenziert erfolgen. Es wird festgestellt, dass der zu betreibende Aufwand fr eine Aufbereitungsanlage in Abhngigkeit der geforder-ten Aufbereitungsqualitt erheblich variieren kann. Die adquate Aufbereitung kann nur durch eine sinnvolle Kombination verschiedener Verfahrenstechniken erfolgen. Die kumulativen Umweltauswirkungen inklusive einem seismologischen Basisgutachten mssen im Rahmen der Umweltvertrglichkeitsprfung sowie einer strategischen Umweltprfung bewertet werden.

Vereinfachte Klimabilanzen fr Schiefergas und der Vergleich mit fossilen Energietrgern wur-den pro Energieeinheit durchgefhrt. Zur Bercksichtigung von globalen Verdrngungseffek-ten sowie Investitionsmittelkonkurrenzeffekten mssen genauere Datenanalysen durchgefhrt werden.

Generell wird empfohlen, wissenschaftlich begleitete Erprobungsmanahmen durchzufhren, da ohne solche Erprobungsmanahmen weitere wissenschaftliche Erkenntnisse zu den Chan-cen und Risiken der Frackingtechnologie begrenzt sind.

Abstract

In this study aspects reflecting the current environmental topics associated with shale gas de-velopment were considered in seven single contributions (work packages).

The topics discussed are:

The development of a groundwater monitoring concept; The evaluation of a nationwide register of fracking chemicals; The collation of the current state of research on carbon footprint; The evaluation of environmentally sound disposal options for flowback; The investigation into potential threats resulting from induced seismicity; The collection of data and evaluation thereof with respect to land use and impact to na-

ture, ecosystem, landscape, and biodiversity.

The overarching goal of the current study is the technical and scientific assessment of the aforementioned topics and the associated risks. Open questions and knowledge gaps were unanimously discovered and solutions for problem solving were suggested.

Summarised results and recommendations:

It is recommended to perform a baseline monitoring to obtain the current status of available substances in the groundwater before fracking processes commence. Subsequently and after the baseline monitoring has been performed, the entire fracking process as well as the exploi-tation and the dismantling phase must be monitored. For monitoring purposes groundwater monitoring wells have to be installed in four aquifers that are separated from each other.

Based on the current legislation it is recommended to establish and implement a nationwide legally enforceable fracking register led by a federal authority. The register should be based on an appropriate federal law with free access via internet for each person.

The treatment of flowback should be carried out in a differentiated way according to the treatment goal (further use, discharge or disposal, e.g. injection). It was determined that the associated effort for a treatment plant can vary significantly depending on the required treat-ment quality. The appropriate treatment can only be achieved through a reasonable combina-tion of different treatment technologies.

The accumulative impacts on the environment must be evaluated through an environmental impact assessment including a seismological baseline survey and a strategic environmental assessment.

Simplified greenhouse gas balances (carbon footprints) for shale gas and a comparison with fossils energy sources were derived based on specific energy units. For consideration of global crowding-out effects and competing effects of investment funds further detailed data analyses need to be conducted.

It is generally recommended to perform scientifically supervised testing measures due to the fact that without testing measures, further scientific knowledge on chances and risks of the fracking technology is limited.

Inhalt

Allgemeine Einfhrung Arbeitspaket 1 Monitoringkonzept Grundwasser Arbeitspaket 2 Fracking-Chemikalienkataster Arbeitspaket 3 Flowback-Entsorgung Arbeitspaket 4 Aufbereitung des Forschungsstands zu Energie- und Klimabilanzen Arbeitspaket 5 Scoping - Untersuchung der Klimabilanz in Deutschland Arbeitspaket 6 Induzierte Seismizitt Arbeitspaket 7 - Konkurrierende Nutzungen und Naturschutz Arbeitspaket 8 - Handlungsempfehlungen Anhang - Tagungsbericht 22. Januar 2014

Allgemeine Einfhrung von

Uwe Dannwolf

Anke Heckelsmller

RiskCom GmbH

IM AUFTRAG

DES UMWELTBUNDESAMTES

Juni 2014

Umweltauswirkungen von Fracking Allgemeine Einfhrung

I

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Abkrzungen

1 Einleitung ............................................................................................................................................ 11.1 Zielsetzung und Vorgehensweise ............................................................................................ 11.2 Projektbearbeitung .................................................................................................................... 31.3 Vorgngerstudien ...................................................................................................................... 5

2 Rechtliche Anforderungen ............................................................................................................... 73 Betrachtungszenarien .................................................................................................................... 104 Begrifflichkeiten und Definitionen .............................................................................................. 115 Quellenverzeichnis ......................................................................................................................... 15


II


Abb. 1: Organigramm Projektbearbeiter ............................................................................................... 4


1

1 Einleitung Im ersten Gutachten im Auftrag des Umweltbundesamts (UBA) zum Thema Fracking (Meiners et al., 2012) wurden mgliche wasserbezogene Umweltauswirkungen von Fracking und die damit verbundenen Risiken fr Mensch und Umwelt diskutiert sowie Kenntnislcken benannt. Im vorliegenden Gutachten werden in der Vorgngerstudie benannte offene Fragen sowie wei-tere Gesichtspunkte, die die momentanen umweltrelevanten Themen bei der Schiefergasge-winnung widerspiegeln, in mehreren Einzelbeitrgen (Arbeitspaketen) betrachtet.

Im Einzelnen sind dies:

Entwicklung eines Grundwassermonitoringkonzeptes; Bewertung der Mglichkeit eines bundesweiten Frackingchemikalienkatasters; Bewertung einer umweltvertrglichen Entsorgung von Flowback; Aufbereitung des Forschungsstandes zur Emissions-/Klimabilanz; Untersuchung hinsichtlich potenzieller Gefhrdung durch induzierte Seismizitt; Aufzeigen und Bewertung der raum- und flchenrelevanten Aspekte sowie der Auswir-

kungen auf Naturhaushalt, Landschaftsbild und biologische Vielfalt.

1.1 Zielsetzung und Vorgehensweise Zielsetzung des vorliegenden Gutachtens ist die technische und wissenschaftliche Bewertung der oben aufgefhrten Gesichtspunkte sowie der damit einhergehenden Risiken. Darber hin-aus werden die sich ergebenden offenen Fragen und Wissenslcken benannt sowie Anstze und Vorschlge zur Lsung dieser errtert. Das Gutachten enthlt Empfehlungen, die ins Fach-recht umgesetzt werden knnen.

Die oben genannten Themenschwerpunkte sind aufgeteilt in sieben einzelne, voneinander un-abhngige Beitrge, die jeweils von unterschiedlichen Projektbearbeitern erstellt wurden.

Monitoringkonzept Grundwasser

Im Rahmen dieses Themengebietes wird ein risikobasiertes, diversitres Konzept zur berwa-chung der Auswirkungen von Ttigkeiten auf das Trink- und Grundwasser im Rahmen der Er-kundung und Gewinnung von Schiefergasvorkommen vorgestellt. Zudem wird ein Grundwassermonitoringkonzept zur berwachung von Auswirkungen bei der Injektion von Fluiden in Versenk- bzw. Verpresshorizonte, wie sie nach der Erkundungs- und Gewinnungs-phase anfallen, entwickelt. Es wurden dabei jeweils Konzepte erarbeitet, die zur Erfassung sys-temrelevanter Parameter und Vernderungen erforderlich sind. Weitere Gesichtspunkte sind die Anforderungen an das Messnetz, die dazu gehrenden Parameter sowie die Betrachtung aussagekrftiger Indikatoren, wie sie zur Beurteilung und Steuerung von festgestellten Vern-derungen im Grundwasser herangezogen werden knnen.

Frackingchemikalienkataster

Untersucht wird die Mglichkeit der Schaffung eines bundesweiten Katasters zur Erfassung und Offenlegung der verwendeten chemischen Additive. Dabei wird die rechtliche Ausgangssituati-on dargestellt, Inhalt und Handhabung eines Frackingchemikalienkatasters diskutiert sowie dessen rechtliche Verankerung geprft.


2

Flowback Stand der Technik bei der Entsorgung, Stoffstrombilanzen

Schwerpunkt ist die Prfung, inwieweit die Entsorgung, des aus wasserwirtschaftlicher Sicht problematischen Flowbacks, umweltvertrglich und unter Bercksichtigung einschlgiger strahlenschutzrechtlicher Regelungen erfolgen kann. Auerdem wurden alternative verfahrens-technische Lsungen zur Behandlung des Flowbacks auf Anwendbarkeit und Wirtschaftlichkeit untersucht und Vorschlge zur Behandlung und Entsorgung des Flowbacks erarbeitet. Dies be-inhaltet auch die Erstellung von Stoffstrombilanzen der eingesetzten Wassermengen, des er-zeugten Abwassers und des weiteren Verbleibs in der Umwelt.

Aufbereitung des Forschungsstandes zur Emissions-/Klimabilanz

Ziel der Aufarbeitung des Forschungsstandes ist es, die Energie- und Klimabilanz von Erdgas aus Schiefergaslagersttten im Vergleich zu anderen Energiequellen, darzustellen. Dabei wer-den insbesondere Kohlendioxid- und Methanemissionen ber den gesamten Prozess der Schie-fergasgewinnung betrachtet. Um die Auswirkungen von Kohlendioxid- und Methanemissionen auf die Klimabilanz zu zeigen, wurden knstliche und natrliche Wegsamkeiten sowie Undich-tigkeiten beim Transport von Erdgas durch Leckagen als Freisetzungspfade bilanziert.

Scoping Untersuchung der Emissions-/Klimabilanz in Deutschland

Dargestellt wird der Rahmen, in dem eine wissenschaftlich fundierte Datenerhebung zur Ein-schtzung der Klimabilanz von Schiefergas unter deutschen Frderbedingungen erfolgen muss. Zudem wird analysiert, ob die bestehenden Methoden des IPCC fr die Berichterstattung ber die Emissionen aus der Frderung von Schiefergas ausreichen oder ob diese ggfs. weiterentwi-ckelt werden mssen.

Induzierte Seismizitt

Vor dem Hintergrund der potentiellen Gefhrdung durch das Induzieren oder Triggern von seismischen Ereignissen wird ein berblick erstellt, wie das Risiko einzuschtzen ist und unter-sucht, ob mit dem gegenwrtigen Wissensstand Handlungsempfehlungen zu Vorbereitung, Durchfhrung und Beobachtung mglich sind. Dabei wird auf verschiedene Fragestellungen eingegangen, wie

Wie kann abgeschtzt werden, welche Magnituden ggf. in Abhngigkeit der geologisch-tektonischen Situation fr unterschiedliche seismotektonische Regionen bzw. an einzel-nen Standorten zu erwarten sind?

Ab wann wren Schden u.a. in Abhngigkeit von der Herdtiefe oder den Dmpfungs-eigenschaften des Untergrunds zu erwarten? Welche Schden wren maximal zu erwar-ten?

Knnen Grenzwerte fr Erschtterungseinwirkungen so festgelegt werden, dass Schden ausgeschlossen sind?

Anschlieend werden verschiedene Aspekte wie Voruntersuchungen fr Standorte, Monitoringmethoden, Vermeidungsstrategien und Sptfolgen diskutiert.

Konkurrierende Nutzungen und Naturschutz (Raum- und Flchenbezogene Aspekte)

Im Rahmen dieses Themengebietes werden anhand ausgewhlter Vorkommensgebiete, das Ausma der mglichen Flcheninanspruchnahme und vorhandene Konkurrenzen und Konflik-te mit anderen raumrelevanten Nutzungen an der Erdoberflche und im Untergrund aufge-


3

zeigt und bewertet. Zudem wird angesichts des zu erwartenden Flchenbedarfs bei der Schie-fergasgewinnung und der mglichen Reichweite direkter oder indirekter Auswirkungen auf den Naturhaushalt, das Landschaftsbild und die biologische Vielfalt, einschlgige Wirkfaktor-Beeintrchtigungsketten ermittelt und hinsichtlich ihrer Natur- und Landschaftsschutzrelevanz bewertet. Dabei wurden Naturschutzstandards fr die Erkundung mglicher Gebiete sowie die Frderung entwickelt. Weiterhin werden erste Einschtzungen hinsichtlich der zu erwartenden Lrmemissionen durch den erforderlichen Zubringerverkehr getroffen.

Die getroffenen Aussagen im Gutachten beziehen sich auf Umweltauswirkungen, die mit der Schiefergasgewinnung mittels Fracking zusammenhngen. Tightgaslagersttten werden nur mit betrachtet wenn sich der thematische Zusammenhang ergibt. Umweltaspekte hinsichtlich Gasgewinnung aus Kohleflzlagersttten sind nicht Teil dieses Gutachtens.

Handlungsempfehlungen

Im letzten Abschnitt des Gesamtgutachtens werden die Ergebnisse und die Handlungsempfeh-lungen aus den einzelnen Beitrgen zusammengefasst sowie themenbergreifende Handlungs-empfehlungen erlutert.

1.2 Projektbearbeitung Die Arbeitspakete wurden von einem Forschungskonsortium unter Leitung der RiskCom GmbH bearbeitet. Die Bearbeiter der einzelnen Beitrge reprsentieren Beratungsunternehmen fr risiko-und umweltrelevante Themen, wissenschaftliche Einrichtungen und eine auf Umwelt-recht spezialisierte Kanzlei (siehe Abb. 1).


4

Abb. 1: Organigramm Projektbearbeiter

RiskCom GmbH

Zur technischen und wissenschaftlichen Bearbeitung der einzelnen Arbeitspakete wurden um-fangreiche nationale und internationale Literaturrecherchen durchgefhrt sowie Gesprche mit Behrden, Verbnden sowie Erdl- und Erdgasbetreiberfirmen gefhrt. Kontaktaufnahmen zu Behrden und Verbnden sind im Folgenden alphabetisch aufgefhrt:

Bezirksregierung Arnsberg; Bundesanstalt fr Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR); Bundesministerium fr Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU); Cornell University, Ithaka, New York, USA; Hessisches Ministerium fr Umwelt, Energie, Landwirtschaft und Verbraucherschutz

(HMUELV);

Joint Research Center, European Commission (EU-JRC); Landesamt fr Bergbau, Energie und Geologie Niedersachsen (LBEG); International Association of Oil & Gas Producers (OGP);


5

Polish Geological Institute (PGI); Sachverstndigenrat fr Umweltfragen (SRU); Umweltbundesamt (UBA) - Auftraggeber; United Nations Framework Convention on Climate Change (UNFCCC); US Environmental Protection Agency (U.S. EPA); Wirtschaftsverband Erdl- und Erdgasgewinnung e.V. (WEG).

Im November 2013 lag der erste Entwurf des Gesamtgutachtens vor, der in Abstimmung mit dem Auftraggeber (BMU/UBA)den Landesbehrden (Staatliche Geologische Dienste, Bergbehr-den, Wasserbehrden) und der BGR mit der Bitte um Kommentierung und Prfung der Voll-zugstauglichkeit vorgelegt wurde. Am 22.1.2014 erfolgte die Vorstellung der vorlufigen Er-gebnisse im Rahmen einer Tagung in Berlin mit geladenen Vertretern aus den Bergbehrden, Umweltministerien, Erdl-/Erdgas-, Wasser- und Umweltverbnden, wissenschaftlichen Institu-ten, Brgerinitiativen und der Erdl- und Erdgasindustrie (siehe Tagungsprotokoll im Anhang zum Gutachten). Ziel der Veranstaltung am 22.01.2014 war es, die vorlufigen Ergebnisse der Gutachter frhzeitig in die fachliche Diskussion einzuspeisen, um mglichst viele Aspekte be-troffener Akteure, Verbnde und Interessensgruppen bercksichtigen zu knnen. Den Verbn-den wurde im Anschluss an die Veranstaltung ebenfalls die Mglichkeit gegeben das Gutach-ten zu kommentieren. Alle eingegangenen Anmerkungen zu den Einzelgutachten wurden von den Projektbearbeitern gesichtet, bewertet und entsprechend bercksichtigt. Das vorliegende Gutachten ist das Ergebnis der Einschtzungen der Projektbearbeiter, die unter Anwendung wissenschaftlicher Prinzipien und sachverstndiger Beurteilung gewonnenen wurden. Die im Rahmen des vereinbarten Leistungsumfangs getroffenen Aussagen und Empfehlungen in die-sem Bericht basieren auf der gegenwrtigen Kenntnislage und den zugnglichen Informatio-nen.

1.3 Vorgngerstudien Auf folgende Vorgngerstudien, aus denen sich z.T. die Fragestellungen der einzelnen Beitrge dieses Gutachtens ergaben, wird hingewiesen:

UBA-Gutachten Umweltauswirkungen von Fracking bei der Aufsuchung und Gewin-nung von Erdgas aus unkonventionellen Lagersttten Teil I mit den Themenschwer-punkten Risikobewertung, Handlungsempfehlungen und Evaluierung bestehender rechtlicher Regelungen (2012);

Fracking in unkonventionellen Erdgas-Lagersttten in NRW - Gutachten mit Risikostu-die zur Exploration und Gewinnung von Erdgas aus unkonventionellen Lagersttten in Nordrhein-Westfalen (NRW) und deren Auswirkungen auf den Naturhaushalt insbeson-dere die ffentliche Trinkwasserversorgung im Auftrag Ministerium fr Klimaschutz, Umwelt, Landwirtschaft, Natur- und Verbraucherschutz des Landes Nordrhein-Westfalen (2012);

Risikostudie Fracking erstellt durch den Neutralen Expertenkreis (Informations- und Dia-logprozess der ExxonMobil, 2012) mit folgendem Themenschwerpunkten:

Knnen beim Fracking Schadstoffe aus dem tiefen Untergrund nach oben gelangen? Wie gefhrlich sind die eingesetzten Stoffe?


6

Welche Risiken bergen die technischen Vorgnge im Bohrloch, auf dem Bohrplatz und beim Transport und wie kann man diese kontrollieren?

Stellungnahme des Sachverstndigenrates fr Umweltfragen (SRU, 2013) bezglich Fracking zur Schiefergasgewinnung, welches einen Beitrag zur energie- und umweltpo-litischen Bewertung liefert.


7

2 Rechtlicher Rahmen a) Nationales Recht

Im Folgenden sind die rechtlichen Anforderungen mit spezieller Relevanz fr die im Gutachten bearbeiteten Themen skizziert. In den einzelnen Themenkomplexen sind, sofern notwendig, die speziellen rechtlichen Anforderungen weiter vertieft.

Grundlage fr alle bergrechtlichen Fragen von der Aufsuchung, ber die Gewinnung und auch Aufbereitung eines Rohstoffes bis zur Schlieung eines Bergwerkes oder Tagebaus sowie die dazu eingesetzten Betriebsanlagen und Betriebseinrichtungen ist das Bundesberggesetz (BBerG). Deshalb unterliegen auch die Anlagen ber Tage, die fr die Bergbaumanahmen erforderlich sind sowie der Bohrplatz, die Anlagen auf dem Bohrplatz und die temporr einge-setzten beweglichen Anlagen den nach Bergrecht vorgegebenen Anforderungen. Wesentliches Element des Bergrechts ist ein gestuftes Genehmigungsverfahren mit einem Rahmenbetriebs-plan sowie Einzelbetriebsplnen fr alle Arbeitsphasen. Fr bestimmte Teile des Betriebs oder bestimmte Vorhaben sind Sonderbetriebsplne aufzustellen. Im Rahmen der Frderung von Schiefergas werden solche Sonderbetriebsplne von den Bergbehrden in der Regel fr speziel-le Arbeiten wie Bohrarbeiten, Frac-Manahmen und fr die Errichtung von Rohrleitungen ge-fordert.

Die UVP-V-Bergbau enthlt die Forderung zur Durchfhrung einer Umweltvertrglichkeitspr-fung bergbaulicher Vorhaben, wenn die tgliche Frderung von Erdgas mehr als 500.000 m3 betrgt. Dieser Wert wird bei Schiefergaslagersttten voraussichtlich nicht erreicht werden (BGR, 2012).

Hinsichtlich der Bohrungen und der Gestaltung des Bohrplatzes sind zudem die Vorgaben der Tiefbohrverordnungen (BVOT) der Lnder zu beachten. Hierunter fallen z.B. der Bohrbetrieb, die Verrohrung und Zementation des Bohrlochs, Absperreinrichtungen, Ausrstung der Bohr-lcher mit Messeinrichtungen zur Druckermittlung, Sicherung stillliegender Bohrungen sowie Vorsorge bei Erdgasfrderbohrungen und Versenkbohrungen. Im Leitfaden des Wirtschaftsver-bandes Erdl und Erdgasgewinnung e.V. (WEG) sind die grundstzlichen Mindestanforderun-gen an Bohrpltze beschrieben, deren geplante Nutzungsdauer als Bohrplatz max. 6 Monate betrgt.

Wasserhaushaltsgesetz (WHG) und Grundwasserverordnung (GrwV) regeln die Benutzung und den Schutz des Grundwassers. Der wasserrechtliche Besorgnisgrundsatz zur Reinhaltung des Grundwassers ( 48 WHG) fordert, dass fr bestimmte Manahmen, wie z.B. das Einleiten von Stoffen in das Grundwasser, eine wasserrechtliche Gestattung nur dann erteilt werden darf, wenn die Wasserbeschaffenheit durch die Manahme nicht nachteilig verndert wird. Ist vor-hersehbar, dass durch die geplante Manahme eine nachteilige Vernderung der Wasserbe-schaffenheit nicht ausgeschlossen werden kann, fhrt dies zum Ausschluss der wasserrechtli-chen Gestattung. Im Hinblick auf die Reinhaltung des Grundwassers gilt dies gem 48 Abs. 2 WHG auch fr das Befrdern von Flssigkeiten und Gasen durch Rohrleitungen sowie fr die Lagerung oder den Transport von wassergefhrdenden Stoffen.


8

Nach der Gesetzesbegrndung ist die nachteilige Vernderung der Wasserbeschaffenheit eine Erscheinungsform der schdlichen Gewsserverunreinigung im Sinne des 3 Nr. 10 WHG1. Schdliche Gewsservernderungen sind danach Vernderungen von Gewssereigenschaften, die das Wohl der Allgemeinheit, insbesondere die ffentliche Wasserversorgung beeintrchti-gen oder die nicht den Anforderungen entsprechen, die sich aus diesem Gesetz, aus auf Grund dieses Gesetzes erlassenen oder aus sonstigen wasserrechtlichen Vorschriften ergeben. Fr eini-ge Parameter konkretisiert die Grundwasserverordnung (GrwV) vom 09.11.2010 durch soge-nannte Schwellenwerte, bis zu welchen Schadstoffkonzentrationen die menschliche Gesundheit und die Umwelt geschtzt sind.

Soweit Abwsser aus der Erdgasgewinnung in unterirdische Horizonte versenkt bzw. verpresst werden sollen, sind die Anforderungen des BBergG und des Wasserhaushaltsgesetzes einzuhal-ten. Ein Einleiten in grundwasserfhrende Schichten, ist nach der Ausnahmeregelung des 82 Abs. 6 Satz 2 WHG mit Verweis auf Art. 11 Abs. 3, lit. j) der Wasserrahmenrichtlinie fr die Einleitung von Wasser, das Stoffe enthlt, die bei der Aufsuchung und Gewinnung von Koh-lenwasserstoffen oder bei Bergbauarbeiten anfallen, dann mglich, wenn die Bewirtschaf-tungsziele fr das Grundwasser gem 47 WHG nicht beeintrchtigt und der Besorgnis-grundsatz des 48 WHG eingehalten werden. Die Ausnahmeregelung ermglicht demnach bei Einhaltung der genannten Voraussetzungen die Rckverpressung von geogenem Lagerstttenwasser. Entsprechend ist in Art 11 Abs. 3, lit j) der Wasserrahmenrichtlinie festge-legt, dass solche Einleitungen keine anderen Stoffe als solche enthalten (drfen), die bei den obengenannten Arbeitsvorgngen anfallen. Inwieweit Frac-Chemikalien ebenfalls von der Ausnahmeregelung betroffen sind, ist strittig (Ronagel et al., 2012, Meiners, et al, 2012, S. B97 ff).

Abhngig von ihrer Gefhrlichkeit fallen die verwendeten Additive bzw. Frac-Chemikalien un-ter die chemikalienrechtlichen Anforderungen. Dabei sind Verwendungsverbote bzw. beschrnkungen, Anforderungen an Biozide und allgemeine Anforderungen der REACH-Verordnung zu unterscheiden. Darber hinaus sind bergrechtliche Regelungen und die Gefahr-stoffverordnung hinsichtlich des Umgangs zu beachten.

Hinsichtlich des Naturschutzes ist bei der Anlagenerrichtung die naturschutzrechtliche Ein-griffsregelung im Bundesnaturschutzgesetz (BNatSchG) zu beachten. In erster Linie sind Eingrif-fe zu vermeiden; sind jedoch nachteilige Einwirkungen unvermeidbar, sind Ausgleichs- und Ersatzmanahmen zu erbringen.

b) Empfehlungen der EU-Kommission

Die Empfehlungen der Europische Kommission vom 22. Januar 2014, berichtigt am 17. Mrz 20142, beinhalten Mindestgrundstze, die den Mitgliedstaaten bei der Aufsuchung und Gewin-nung von Erdgas aus Schieferformationen als Sttze dienen und den Schutz von Klima und Umwelt, die effiziente Nutzung von Ressourcen und die Unterrichtung der ffentlichkeit si-cherstellen sollen. Bei der Begriffsbestimmung wird nicht zwischen konventioneller und un-

1 Vgl. die Gesetzesbegrndung, BT-Drs. 16/12275, S. 53.

2 COM(2014) 23 final/2


9

konventioneller Frderung von Erdgas durch Frac-Manahmen unterschieden, sondern der Begriff Hochvolumen-Hydrofracking eingefhrt. Darunter wird das Einpressen von mindes-tens 1.000 m3 Wasser je Frackingphase oder von mindestens 10.000 m3 Wasser whrend des gesamten Frackingprozesses in ein Bohrloch verstanden. Im Folgenden sind kurz die Mindest-anforderungen skizziert, die sich auf die im Gutachten bearbeiteten Themen beziehen:

Durchfhrung einer strategischen Umweltprfung nach der Richtlinie 2001/42/EG vor der Erteilung von Lizenzen fr die Aufsuchung und/oder Gewinnung von Kohlenwasser-stoffen, die zum Einsatz von Hochvolumen-Hydrofracking fhren knnte. Die Mitglied-staaten sollten darber hinaus, die erforderlichen Manahmen treffen, um sicherzustel-len, dass eine Umweltvertrglichkeitsprfung (UVP) gem der Richtlinie 2011/92/EU durchgefhrt wird.

Die Mitgliedstaaten sollen die erforderlichen Manahmen treffen, um sicherzustellen, dass sich die geologische Formation eines Standortes fr die Aufsuchung oder Gewin-nung von Kohlenwasserstoffen durch Hochvolumen-Hydrofracking eignet. Sie sollen si-cherstellen, dass die Betreiber eine Charakterisierung und Risikobewertung fr den po-tenziellen Standort sowie den umliegenden ober- und unterirdischen Bereich vorneh-men.

Bei den Anforderungen an die Verwendung von chemischen Stoffen und Wasser beim Hochvolumen-Hydrofracking sollen die Mitgliedstaaten die Betreiber dazu anhalten, Fracking-Techniken anzuwenden, mit denen der Wasserverbrauch und Abfallstrme minimiert werden und bei denen keine gefhrlichen chemischen Stoffe eingesetzt wer-den, soweit dieses technisch machbar und im Hinblick auf die menschliche Gesundheit, die Umwelt und das Klima angezeigt ist.


10

3 Betrachtungszenarien Im Gutachten wurden zur besseren Darstellung bzw. zur Berechnung und Bewertung der Er-gebnisse beispielhafte Szenarien der Schiefergasfrderung betrachtet. Eingesetzt wurden die in Tab. 1 dargestellten Szenarien in folgenden Arbeitspaketen (AP):

Szenario 2 in AP 1: Entwicklung eines Grundwassermonitoringkonzeptes: Beispielhafte Darstellung des vorgestellten Monitoringkonzeptes anhand eines Praxisbeispiels;

Szenario 2 in AP 3: Flowback - Stand der Technik bei der Entsorgung: Bilanzierung der Wasser- und Stoffstrme anhand eines exemplarischen Erschlieungsgebietes;

Szenario 2 in AP 4: Aufbereitung des Forschungsstandes zur Emissions-/Klimabilanz: Bewertung der Klimabilanzen von Schiefergas im Vergleich zur konventionellen Erdgas- und Erdlfrderung;

Szenario 1-3 in AP 7: Konkurrierende Nutzungen und Naturschutz: Ausma der Flchen-inanspruchnahme und mgliche Reichweite direkter oder indirekter Auswirkungen auf den Naturhaushalt, Landschaftsbild und biologische Vielfalt anhand mehrerer Szenari-en.

Die Szenarien beruhen auf den durchschnittlichen Horizontalbohrstrecken, die im Jahr 2007 bei ca. 800 m Lnge gelegen haben, bis 2011 aber auf durchschnittliche 1.500 m angestiegen sind (Oilfield Review, 2011). Mittlerweile werden im Horn Rivers Basin, Kanada Horizontalstre-cken von 3.000 m erreicht (Burri et al., 2011).

Tab. 1: Darstellung der Szenarien

Betrachtung Szenario 1 Szenario 2 Szenario 3 Referenz

Gesamtflche Erschlie-ungsgebiet

260 km2 UFOPLAN 2012 (Meiners et al, 2012)

Abstand Bohrfelder 500 m 1.200 m 3.000 m 1) NYSDEC-New York State Department of Environ-mental Conservation (2011)

2) angelehnt an Tyndall Centre for Climate Change Research (2011)

3) Infodialogprozess (Ewers et al., 2012)

Gre Bohrfeld 5.000 m2 bis 10.000 m2 Angelehnt an BGR - Abschtzung des Erdgaspoten-zials aus dichten Tongesteinen (Schiefergas) in Deutschland (2012)

Anzahl der Bohrungen pro Bohrfeld

8+2 Annahme

Bohrzeit

(Bohrtiefe ca. 2000 m Tiefe) / Frackingmanahme

Mehrere Monate / ca. zwei Wochen BGR - Abschtzung des Erdgaspotenzials aus dich-ten Tongesteinen (Schiefergas) in Deutschland (2012)

Bohrtiefe Sdliches Niederschsisches Becken Damme 2 Posidonienschiefer ca. 3300 m

Bohrtiefe Damme 2

Jahre Gasfrderung 5 bis 30 Annahme

RiskCom GmbH


11

4 Begrifflichkeiten und Definitionen Im Folgenden sind Begrifflichkeiten und deren Definitionen aufgefhrt wie sie im Gutachten verwendet werden.

Additive

Stoffe, die mit dem Frac-Fluid in die Bohrung eingebracht werden wie z.B. Chemikalien wie Tonstabilisatoren, Reibungsminderer, Biozide. Siehe auch Definition Frac-Chemikalie.

Altbohrungen

Unter dem Begriff Altbohrungen werden hier verfllte Bohrungen verstanden, aber auch ge-nerell alte Bohrungen (im Vergleich zu einer Neubohrung), die nicht notwendigerweise verfllt sind.

Aufsuchung

Nach den einschlgigen Vorgaben (BBergG, BVOT, etc.) ist die Aufsuchung als die mittelbar oder unmittelbar auf die Entdeckung oder Feststellung der Ausdehnung von Bodenschtzen gerichtete Ttigkeit definiert, die als Rechtstitel eine Erlaubnis voraussetzt. Hier auch als Ex-ploration bezeichnet.

Zur Erkundung einer potenziell hffigen Lagersttte werden eine bzw. mehrere Aufsuchungs-bohrungen/Explorationsbohrungen abgeteuft. Diese Phase kann bereits die Durchfhrung von Fracking-Manahmen enthalten.

Barrieregesteine/Barriereschicht/Barrierehorizont

Geologische Schichten, die aufgrund ihrer Mchtigkeit, ihrer lithologischen und hydraulischen Eigenschaften eine Fluidmigration verhindern.

Baselinemonitoring

Monitoring zur Beweissicherung, welches vor jeglicher Aktivitt durchgefhrt werden sollte.

Bohrfeld

Schliet alle Bohrpltze, die einem Bohrfeld zugeordnet sind, mit ein. Siehe auch Definition Setting.

Bohrplatz

Ein Bohrplatzlsst sich in zwei Bereiche unterteilen. Erstens in einen Bereich in dem wasserge-fhrdende Stoffe gelagert werden oder mit ihnen umgegangen wird. Zweitens in einen Bereich in dem keine wassergefhrdenden Stoffe anzutreffen sind. Der erste Bereich umfasst u.a. den Bohrturmunterbau mit Bohrkeller und Fundament, die Maschinenstellflche, Dieselllager, Lger fr wassergefhrdende Stoffe, Bohrgutgrube bzw. -behlter. Der zweite Bereich umfasst Verkehrsflchen, Stellflchen fr Bro-, Sanitr-, Werkstatt- und sonstige Container, Lagerfl-chen von nicht wassergefhrdenden Splungszustzen und das Rohrlager. Ein Bohrplatz kann mehrere Bohrungen umfassen.

Flowback

Als Flowback ist die Flssigkeit definiert, die nach einem Frac-Vorgang an die Oberflche ge-langt. Lagerstttenspezifisch ergibt sich dabei ein Flowback aus einem Gemisch aus Frac-Fluid, Lagerstttenwasser, bertgig kondensiertem Wasserdampf und Methangas. Neben den einge-setzten Additiven des Frac-Fluids kann dieses Gemisch somit zustzlich mgliche Reaktionspro-dukte, die sich aus den Additiven whrend des Frac-Prozesses bilden, und mobilisierte Lsungs-produkte aus der Lagersttte enthalten.

Frac


12

Durch Fracking erzeugter Riss im Reservoirgestein zur Steigerung der Permeabilitt und damit der Frderung. Zur Gesteinsuntersuchung auerhalb des Reservoirs werden auch Klein- oder Minifracs nahe der Bohrlochwand durchgefhrt.

Fracking

Methode vor allem der Erdl- und Erdgasfrderung, bei der in technischen Tiefbohrungen oft-mals mit Horizontalablenkung eine Flssigkeit oder Gase eingepresst werden, um im Reservoirgestein Risse zu erzeugen, aufzuweiten und zu stabilisieren und so das hydraulisch dichte Primrgestein erschliebar zu machen. In Deutschland 1961 das erste Mal eingesetzt.

Frac-Chemikalie

Chemikalie, die dem Frac-Fluid zugesetzt und beim Fracking eingesetzt wird.

Frackingphase

Begrenzter Zeitraum, in dem Fracking durchgefhrt wird.

Frac-Fluid

Frac-Fluide sind Flssigkeiten, die in das Bohrloch mit hohem Druck in der gasfhrenden Ziel-formation verpresst werden und dadurch knstliche Risse erzeugt und offengehalten werden. Mit Hilfe bestimmter, konditionierter Frac-Fluide werden verschiedene Sttzmittel in die durch das Fracking geschaffene Wegsamkeiten eingebracht, um diese mglichst lange zu stabilisieren und die Gasdurchgngigkeit aufrechtzuhalten. Frac-Fluide setzen sich aus Trgerflssigkeit, Sttzmitteln und Additiven (Frac-Chemikalien) zusammen.

Gefahr

Im juristischen Sprachgebrauch wird das Risiko von der Gefahr abgegrenzt. Hier beschreibt Gefahr eine Situation, in der bei ungehindertem, nicht beeinflussbaren Ablauf des Geschehens ein Zustand oder ein Verhalten mit hinreichender Wahrscheinlichkeit zu einem erwarteten Schaden fhrt. Die Gefahr stellt ein deutlich erhhtes Risiko dar.

Gewinnung

Nach den einschlgigen Vorgaben (BBergG, BVOT, etc.) ist die Gewinnung (hier auch Produkti-on) als das Lsen oder Freisetzen von Bodenschtzen einschlielich der damit zusammenhn-genden vorbereitenden, begleitenden und nachfolgenden Ttigkeiten definiert, die als Rechts-titel (nach erfolgreicher Aufsuchung) eine Bewilligung voraussetzt.

Hochvolumen-Hydrofracking (high volume hydro fracking)

Einpressen von mindestens 1.000 m3 Wasser je Frackingphase oder von mindestens 10.000 m3 Wasser whrend des gesamten Fracking-Prozesses in ein Bohrloch (EU-Kommission, 2014).

Induzierte Seismizitt

Als induzierte Seismizitt wird vereinfacht die Erdbebenttigkeit, welche durch menschlichen Eingriff in den Untergrund verursacht wird, bezeichnet. Hier umfasst die induzierte Seismizitt auch die getriggerte Seismizitt. Die induzierte Seismizitt umfasst die seismischen Ereignisse innerhalb der Lagersttte. Getriggerte Seismizitt beschreibt die seismischen Ereignisse auer-halb der Lagersttte auf existierende Verwerfungen.

Lagersttte

Hier Schiefergaslagersttte.

Lagerstttenwsser

Bei Lagerstttenwasser handelt es sich um Wasser, das natrlicherweise in einer Lagersttte vorkommt. Die Zusammensetzung des Lagerstttenwassers ist von den jeweiligen Lagersttten abhngig. In Norddeutschland besteht Lagerstttenwasser in der Regel vorrangig aus hochsalinaren Lsungen von Natriumchlorid, Calciumchlorid, Kaliumchlorid und Magnesium-chlorid sowie mglicherweise aus Resten von Kohlenwasserstoffen. Je nach Lagersttte knnen


13

auch andere Stoffe wie Quecksilber oder natrliche radioaktive Stoffe (N.O.R.M.-Stoffe) enthal-ten sein.

Nachsorgephase

Zeitraum, in dem nach rckgebauten Gewinnungsbohrungen und verbundenen Einrichtungen nachfolgende Auswirkungen berwacht werden.

Natrliche Seismizitt

Natrliche Seismizitt beschreibt die Erdbebenttigkeit, die rein geologisch/geotektonisch be-dingt ist.

N.O.R.M.

Fachbegriff fr natrliche radioaktive Substanzen, welche beispielsweise in bergbaulichen Hin-terlassenschaften oder in tiefen Aquiferen natrlicherweise vorkommt. N.O.R.M. steht fr na-turally occurring radioactive material / natrlich vorkommendes radioaktives Material.

Oberflchenwasser Das WHG definiert in 3 Nr. 1 Oberirdische Gewsser als das stndig oder zeitweilig in Bet-ten flieende oder stehende oder aus Quellen wild abflieende Wasser. Dazu zhlen Oberfl-chengewsser wie Flsse oder Seen und noch nicht versickertes Niederschlagswasser. Oberfl-chenwasser ist meistens durch Schwebstoffe oder gelste Schadstoffe verschmutzt und kann erst nach einer Wasseraufbereitung als Trink- oder als Betriebswasser fr industrielle Zwecke ge-nutzt werden.

Proppants

Dem Frac-Fluid hinzugefgtes Sttzmittel in Form von natrlich vorkommendem Quarzsand und/oder druckfestem Keramikgranulat zur Offenhaltung der erzeugten Risse.

Qualitt der Aussagen

Wissenschaftlich belastbar: Wahrscheinlichkeit >90%

Hinreichend ausgeschlossen: Wahrscheinlichkeit


14

Ausgewhlter Standort mit geeigneten geologischen Verhltnissen, der hier im Kontext der Gewinnung von Schiefergas zum Aufzeigen einer speziellen Anwendung (z.B. Grundwassermonitoringkonzept, Raumplanung) genutzt wird.

Tightgas

Tightgas ist eingeschlossen in nahezu undurchlssigen und gering-porsen Sand- oder Kalk-steinformationen, in Norddeutschland normalerweise in Teufen unterhalb von 3.500 m. Das Entwicklungspotenzial von Sandsteinreservoiren wird bestimmt durch ihre Porositt (die offe-nen Rume zwischen den Gesteinskrnern) und ihre Durchlssigkeit (wie einfach sich Flssig-keiten oder Gas durch das Gestein bewegen).

Trinkwasseraquifer

Der Trinkwasseraquifer bezeichnet hier ausreichend wasserfhrende Schichten (Grundwasser-leiter), mit hinreichend gutem Wasserchemismus, die zur Trinkwassergewinnung genutzt wer-den oder werden knnen.

berdruck: wird hier fr berhydrostatischer Druck verwendet

Unterdruck: wird hier fr unterhydrostatischer Druck verwendet

Versenkung / Verpressung

Injektion von Flowback zur Entsorgung in geeignete geologische Horizonte (Versenk- bzw. Verpresshorizonte). Bei den Horizonten kann es sich um ausgebeutete d.h. druckreduzierte ehemalige l- oder Gaslagersttten, druckerniedrigte Aquifere in unmittelbarer Nachbarschaft zu ehemaligen Erdgas- oder Erdllagersttten und um nicht kohlenwasserstofffhrende Aquifere handeln.


15

5 Quellenverzeichnis BGR (2012): Abschtzung des Erdgaspotenzials aus dichten Tongesteinen (Schiefergas) in Deutschland.

Hannover: Bundesanstalt fr Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR).

Brufatto, C. et al. (2003): From mud to cement building gas wells. Oilfield Review 15(3):62-76.

Burri, P., Chew, K., Jung, R., Neumann, V. (2011): The Potential of Unconventional Gas energy bridge to

the future. Swiss Bulletin, Vol. 16/2.

Europische Kommission (2014): Empfehlung der Kommission mit Mindestgrundstzen vom 17.03.2014

fr die Exploration und Frderung von Kohlenwasserstoffen (z.B. Schiefergas) durch Hochvolumen-

Hydrofracking, COM(2014) 23 final/2.

Ewen, C.; Borchardt, D.; Richter, S.; Hammerbacher, R. (2012). Risikostudie Fracking. bersichtsfassung

der Studie Sicherheit und Umweltvertrglichkeit der Fracking-Technologie fr die Erdgasgewinnung

aus unkonventionellen Quellen. Darmstadt: team ewen Konflikt- und Prozessmanagement.

Meiners, H. G.; Denneborg, M.; Mller, F.; Bergmann, A.; Weber, F.-A.; Dopp, E.; Hansen, C.; Schth, C.;

Buchholz, G.; Ganer, H.; Sass, I.; Homuth, S.; Priebs, R. (2012): Umweltauswirkungen von Fracking bei

der Aufsuchung und Gewinnung von Erdgas aus unkonventionellen Lagersttten - Risikobewertung,

Handlungsempfehlungen und Evaluierung bestehender rechtlicher Regelungen und Verwaltungs-

strukturen. Dessau, Umweltbundesamt.

Ministerium fr Klimaschutz, Umwelt, Landwirtschaft, Natur- und Verbraucherschutz des Landes

Nordrhein-Westfalen (MKULNV) (Hrsg.) (2012): Fracking in unkonventionellen Erdgas-Lagersttten in

Nordrhein-Westfalen. Gutachten mit Risikostudie zur Exploration und Gewinnung von Erdgas aus un-

konventionellen Lagersttten in Nordrhein-Westfalen (NRW) und deren Auswirkungen auf den Na-

turhaushalt insbesondere die ffentliche Trinkwasserversorgung. Ministerium fr Klimaschutz, Um-

welt, Landwirtschaft, Natur- und Verbraucherschutz des Landes Nordrhein-Westfalen, Dsseldorf.

Ronagel, A, Hentschel, A, Polzer, A (2012): Rechtliche Rahmenbedingungen der unkonventionellen Erd-

gasfrderung mittels Fracking. Kassel University Press.

SRU (2013): Fracking zur Schiefergasgewinnung - Ein Beitrag zur energie- und umweltpolitischen Bewer-

tung. Stellungnahme des Sachverstndigenrates fr Umweltfragen (SRU).

Arbeitspaket 1 Monitoringkonzept Grundwasser von

Uwe Dannwolf

Anke Heckelsmller

RiskCom GmbH

Juni 2014

Umweltauswirkungen von Fracking - Monitoringkonzept Grundwasser

AP1 - I

Inhaltsverzeichnis


Tabellenverzeichnis

Abkrzungen

1 Einleitung und Fragestellung .......................................................................................................... 12 Vorbemerkungen............................................................................................................................... 2

2.1 Aufgaben des Monitorings ....................................................................................................... 22.2 Rahmen des Monitoringkonzeptes .......................................................................................... 22.3 Vorgngerstudien ...................................................................................................................... 3

3 Herangehensweise zur Entwicklung des Monitoringkonzeptes ................................................ 54 Geologie und Hydrogeologie des flachen und tiefen Untergrunds .......................................... 6

4.1 Druckverhltnisse im tieferen Untergrund ............................................................................ 64.1.1 Allgemeine Betrachtungen ................................................................................................. 64.1.2 Entstehung von berdrcken im tieferen Untergrund .................................................. 9

4.2 Rolle der Barrieregesteine ..................................................................................................... 124.2.1 Eigenschaften der Barrieregesteine ................................................................................ 124.2.2 Nachweis und Ausbildung von Barrieregesteinen ....................................................... 12

4.3 Strungszonen ......................................................................................................................... 164.4 Eigenschaften der dichten Tongesteine (Schiefergasgesteine) ........................................ 18

5 Fracking ............................................................................................................................................ 205.1 Rissausbreitung ........................................................................................................................ 205.2 Risshhe .................................................................................................................................... 23

6 Fluidtransport .................................................................................................................................. 247 Identifikation der oberirdischen und unterirdischen Risiken bei der

Schiefergasgewinnung .................................................................................................................. 257.1 Oberirdische Risiken ............................................................................................................... 267.2 Unterirdische Risiken ............................................................................................................. 28

7.2.1 Technische Risiken beim Bohrvorgang .......................................................................... 287.2.2 Technische Risiken beim Bohrausbau ............................................................................ 297.2.3 Risiken bei der Stilllegung von Bohrungen ................................................................... 337.2.4 Technische Risiken beim Fracken ................................................................................... 34


AP1 - II

7.2.5 Strungen und Klfte ........................................................................................................ 357.2.6 Risiken der Gasmigration ................................................................................................. 367.2.7 Risiken durch Subsidenz ................................................................................................... 387.2.8 Geologische Risiken ........................................................................................................... 387.2.9 Risiken durch die seismische berwachung ................................................................. 39

7.3 Zusammenfassung der Risiken ............................................................................................. 417.4 Bewertung der Risiken ........................................................................................................... 42

7.4.1 Quantifizierung der Eintrittswahrscheinlichkeiten der Risiken der Schiefergasgewinnung ..................................................................................................... 42

7.4.2 Vergleich mit USA ............................................................................................................. 437.4.3 Zeitliche Auswirkungen der Risiken ............................................................................... 44

7.5 Risikominimierende Manahmen ........................................................................................ 457.5.1 Behrdliche Mindestanforderungen und Manahmen zum Schutz des

Oberflchen- und Grundwassers .................................................................................... 457.5.2 Weitere Manahmen ........................................................................................................ 47

8 Strategie zur Erfassung von Untergrundvernderungen ......................................................... 488.1 Rechtliche Wrdigung ........................................................................................................... 488.2 Baseline-Monitoring ................................................................................................................ 498.3 berwachungsmonitoring ..................................................................................................... 508.4 Anforderung an die Messstellen zur berwachung des Grundwassers ......................... 50

8.4.1 Auswahl der Grundwasserhorizonte und Lage der Messstellen ................................. 508.4.2 Messeinrichtungen zur Druckberwachung im Ringraum ........................................ 518.4.3 Oberster Grundwasserhorizont ........................................................................................ 528.4.4 Trinkwasseraquifer ............................................................................................................ 538.4.5 Erster Grundwasserleiter unterhalb tiefstem Trinkwasseraquifer ............................. 548.4.6 Horizont bis 300 m oberhalb Frac-Horizont .................................................................. 56

8.5 Rumliche Anforderungen an das Monitoring .................................................................. 578.6 Zeitliche Anforderungen an das Monitoringkonzept ....................................................... 59

8.6.1 Zeitliche Anforderungen - Baselinemonitoring ............................................................ 598.6.2 Zeitliche Anforderungen - berwachungsmonitoring ................................................ 59

9 Monitoringkonzept am Beispiel fr das Setting Niederschsisches Becken ......................... 629.1 Geologie und Hydrogeologie des Niederschsischen Beckens ........................................ 629.2 Geologie und Hydrogeologie im Bereich der Bohrungen Damme 2 und 3 .................. 629.3 Erkundungsbohrung Damme 2/2a und 3 ........................................................................... 63


AP1 - III

9.4 Monitoringkonzept fr Damme 2 und 3 ............................................................................. 639.4.1 Bestehendes Monitoringkonzept ..................................................................................... 639.4.2 Vorgeschlagenes Monitoringkonzept ............................................................................. 64

10 Anforderungen an die Messparameter ....................................................................................... 6611 Indikatoren fr Beurteilung und Steuerung / Bewertungssystem .......................................... 6812 Grundwassermonitoringkonzept fr Verpresshorizonte .......................................................... 70

12.1 Einleitung ................................................................................................................................. 7012.2 Identifikation der Risiken ...................................................................................................... 71

12.2.1Oberirdische Risiken .......................................................................................................... 7112.2.2Unterirdische Risiken bei der Versenkbohrung ............................................................ 7212.2.3Zustzliche Risiken durch das Verpressen ..................................................................... 7312.2.4Pflichten gem eines berwachungskonzeptes aus der

Kohlendioxidspeicherung ............................................................................................... 7312.3 Strategie zur Erfassung der Vernderungen bei Verpresshorizonten ............................ 74

12.3.1Lage und Anforderung an Grundwassermessstellen bei Verpresshorizonten ......... 7412.3.2Anforderung an Parameter bei Verpresshorizonten ................................................... 75

13 Zusammenfassung und Handlungsempfehlungen ................................................................... 7714 Quellenverzeichnis ......................................................................................................................... 82


AP1 - IV


Abb. 1: Herangehensweise zur Entwicklung des Monitoringkonzeptes ................................ 5Abb. 2: Konzeptionelle Vorstellung des tieferen Untergrunds mit

Druckverhltnissen und Grundwasserstrmungsrichtungen .................................... 7Abb. 3: Druckverhltnisse mit initialen Lagerstttendrcken aus

Niederschsischen Erdl-und Erdgaslagersttten ........................................................ 9Abb. 4: Generalisierte Tiefendarstellung der Drcke am Norwegischen

Kontinentalrand ............................................................................................................. 11Abb. 5: Speicher- und Barrierekataster fr Norddeutschland .............................................. 14Abb. 6: Wechselfolge der Barriere- und Speichergesteine in Niedersachsen .................... 15Abb.7: (Blockierende) Strungen als Fallen fr Erdgasvorkommen ................................... 17Abb. 8: bersicht von unkonventionellen und konventionellen Gasreservoiren ............. 18Abb. 9: Mikroseismische Darstellung der Frac-Ausbreitung fr zwei benachbarte

Horizontalbohrungen .................................................................................................... 20Abb. 10: Frac-Ausbreitungsberechnung mit Spannungsprofil ............................................... 21Abb. 11: Durchbohrter Frac ......................................................................................................... 21Abb. 12: Horizontalbohrung im Tightgas mit fnf gefrackten Segmenten ......................... 22Abb. 13: Frac-Hhe und Ausbildung eines Fracs (rechte Abbildung) .................................. 23Abb. 14: Egebnisse aus der Drilling Spills Datenbank ............................................................. 25Abb. 15: Aufbau eines Bohrplatzes ............................................................................................. 27Abb. 16: Voll- und teilzementierter Bohrausbau ...................................................................... 30Abb. 17: Unflle bei l- und Gasbohrungen in Texas und Ohio ............................................ 33Abb. 18: Streugasmigration in einer Gasbohrung .................................................................... 37Abb. 19: Mgliche Lage von Geophonen und Geophonbohrungen ..................................... 40Abb. 20: Risikobehaftete Arbeitsprozesse .................................................................................. 41Abb. 21: Zu einer mglichen Grundwasserkontamination fhrende Risiken ..................... 42Abb. 22: Eintrittswahrscheinlichkeiten ausgewhlter Risikoereignisse und -

szenarien ......................................................................................................................... 43Abb. 23: Zeitliche Auswirkungen der Risiken in Bezug auf die einzelnen Phasen

bei Schiefergasaufsuchung und gewinnung ........................................................... 45Abb. 24: Vorgeschlagene exemplarische Anordnung der

berwachungsmessstellen ............................................................................................ 58Abb. 25: Probenahmezyklus beim berwachungsmonitoring ............................................... 60Abb. 26: Geologischer Profilschnitt westlich von Damme ...................................................... 63


AP1 - V

Abb. 27: Lage der Bohrungen Damme 2 und 3 inkl. Lage der Grundwassermessstellen (grn: flach / blau: tief) ..................................................... 64

Abb. 28: Teufen der Monitoringbohrungen am Beispiel Damme 2 und 3 .......................... 65Abb. 29: Schematische bersicht zur derzeitigen Behandlung von Flowback .................... 70Abb. 30: Monitoringschema Verpresshorizonte ....................................................................... 75


AP1 - VI

Tabellenverzeichnis

Tab. 1: Zusammenfassende, tabellarische bersicht ber die zu berwachenden Aquifere ........................................................................................................................... 57

Tab. 2: Indikatoren und Bewertung fr das Grundwassermonitoring ............................... 68


AP1 - VII

Abkrzungsverzeichnis

ALARP As Low As Reasonably Practicable

API American Petroleum Institute

BCOGC British Columbia Oil and Gas Commission

BG Bundesgenossenschaft

BGR Bundesanstalt fr Geowissenschaften und Rohstoffe

BBergG Bundesberggesetz

BVOT Tiefbohrverordnung

DC Log Dual Caliper () Log

DHSG Deepwater Horizon Study Group

DepV Deponieverordnung

DVGW Deutscher Verband Gas Wasser

(D) Einheit Darcy

E&P Industrie Erdl- und Erdgasindustrie

EMPG ExxonMobil Production Deutschland GmbH

ERT Electrical Resistancy Tomography

FIS-KW Fachinformationssystem-Kohlenwasserstoffe

FuE Forschung- und Entwicklung

GGBefG Gefahrgutbefrderungsgesetz

GWPC Groundwater Protection Council

GrwV Grundwasserverordnung

HPHT- Zonen High-Pressure High-Temperature-Zonen

HSE Officer Health & Safety Officer

(K) Kenngre Permeabilitt

(kf) Durchlssigkeitsbeiwert

KSpG Gesetz zur Demonstration der dauerhaften Speicherung von Kohlendioxid

LAWA Bund/Lnder Arbeitsgemeinschaft Wasser

LBEG Landesamt fr Bergbau und Geologie

N.O.R.M. naturally occurring radioactive material / natrlich vorkommendes radioak-tives Material

QRA Quantitative Risikoanalyse

ReFINE Researching Fracking IN Europe

SGR Spectral Gamma Ray


AP1 - VIII

UGCENTER Unconventional Oil and Gas Centers

VAwS Anlagenverordnung wassergefhrdende Stoffe

VDI Verein deutscher Ingenieure

WEG Wirtschaftsverband Erdl-/ Erdgasgewinnung e.V.

WGK Wassergefhrdungsklasse (hier flssigkeitsdichter Bereich auf dem Bohrplatz)

Umweltauswirkungen von Fracking - Grundwassermonitoringkonzept

AP1 - 1

1 Einleitung und Fragestellung Zur berwachung der Ttigkeiten, die bei der Erkundung und Gewinnung von Erdgas insbe-sondere aus Schiefergasvorkommen Auswirkungen auf die trinkwasserrelevanten Grundwasser-leiter haben knnen, wurde ein Grundwassermonitoringkonzept entwickelt. Folgende Frage-stellungen dienten als Grundlage zur Entwicklung des Monitoringkonzeptes:

Welche Strategie zur Erfassung der systemrelevanten Parameter und Vernderungen ist erfor-derlich (baseline Monitoring; berwachungsmonitoring)?

Welche Anforderungen sind an die Auswahl von Messnetzen, Parametern und Auswerteme-thoden zu stellen?

Was sind aussagekrftige Indikatoren fr eine eindeutige Beurteilung und Steuerung des Pro-zesses?

Wie sieht ein geeignetes Bewertungssystem fr eine nachvollziehbare und schnelle Bewertung aus (z.B. Ampelsystem)?

Was sind geeignete Handlungsoptionen, die zur Steuerung unerwnschter Entwicklungen ge-eignet sind?

Ergnzend war ein Grundwassermonitoringkonzept zur Beurteilung der Gefhrdung der Grundwasservorkommen durch die technischen Manahmen des Verpressens von Lagerstttenwssern und Flowback und der Speicherung in Verpresshorizonte zu entwickeln (siehe Abschnitt 12). Die Fragestellung hierzu beinhaltet - hnlich wie oben skizziert - Angaben hinsichtlich Anforderungen an das Messnetz und Parameter sowie Angaben zur Beurteilung und Steuerung des Prozesses.

Im Rahmen der Arbeiten zu dem hier vorgeschlagenen Monitoringkonzept erfolgte eine Kon-taktaufnahme mit Fachkreisen aus Behrden und Wirtschaft sowie durch intensive deutsche aber auch internationale Literaturstudien. Aktuell sind keine Publikationen bekannt, welche ein Monitoringkonzept fr die berwachung des Grundwassers bei Frac- und Verpressmanahmen fundiert beschreiben und diskutieren.


AP1 - 2

2 Vorbemerkungen

2.1 Aufgaben des Monitorings Monitoring hat primr die Kontrolle der Einhaltung von Umweltzielen und die Beobachtung und Feststellung von Trends sowie das rechtzeitige Erkennen von nachteiligen Vernderungen als Aufgabe. Ferner knnen mit berwachungsmanahmen die Ursachen von Schdigungen des Grundwassers festgestellt und Sanierungs- und Vermeidungsstrategien entwickelt werden. Darunter fllt auch die stndige Kontrolle der Wirksamkeit der guten fachlichen Umweltpraxis sowie ggf. deren Verbesserung und das Ergreifen angemessener Manahmen. Damit hat das Monitoring die Aufgaben eines Alarmsystems, eines berwachungssystems und eines Ma-nahmensystems. Es knnen sowohl kurzzeitige Vernderungen durch Leckagen oder Unflle als auch langfristige Vernderungen z.B. durch mgliche Grundwasserkontamination festgestellt werden. Wird mit dem Monitoring wie hier vorgeschlagen, vor der eigentlichen Manahme, also noch vor Beginn der Einrichtung des Bohrplatzes begonnen, kann auch der Ausgangszu-stand festgestellt werden (Baselinemonitoring). Dies kann der spteren Beweissicherung dienen. Das Monitoring gibt den Unternehmen als auch berwachungsbehrden ein Werkzeug an die Hand, um negativen Entwicklungen vorzubeugen und Gegenmanahmen einzuleiten. Gegen-manahmen knnen z.B. technische Vorkehrungen an Anlagen oder Verfahren sein. Diese sind immer im Rahmen der Verhltnismigkeit zu sehen.

Das hier vorgestellte Monitoringkonzept ist eine praxisnahe Empfehlung und basiert auf dem Stand der momentanen internationalen Kenntnisse. Die Erprobung und Bewertung des Kon-zepts wird im Rahmen von Demonstrationsvorhaben empfohlen. Entsprechende Anpassungen des Konzeptes sollten dann im Falle einer Schiefergasgewinnung in Deutschland erfolgen.

2.2 Rahmen des Monitoringkonzeptes Die Ausarbeitung des Monitoringkonzeptes erfolgte auftragsgem fr eine mgliche Schiefer-gasgewinnung mittels Fracking. Grundwassermonitoringdaten sind bislang zum Groteil nicht verffentlicht. Die wenigen verfgbaren Daten zeigen, dass ein Grundwassermonitoring zu-meist nur fr flache Grundwasserleiter durchgefhrt wird.

Das hier ausgearbeitete Monitoringkonzept kann in angepasster Form auch auf Tightgaslagersttten in Karbonaten oder Sandsteinen in denen Frac-Manahmen durchgefhrt werden, bertragen werden. Diese Tightgaslagersttten finden sich in Norddeutschland in Teu-fen ab 3.000 m bis 5.500 m. Diese Tightgasvorkommen sind durch mchtiges Deckgebirge mit z.T. mehreren mchtigen Salinaren, Tonsteinen berlagert. Die Schiefergaslagersttten finden sich im Gegensatz dazu in flacheren Teufen von ca. 1.000 m -3.000 m.

Seitens der Bergbehrden wird die Frac-Ausbreitung in horizontal erschlossenen Schiefergasla-gersttten im Gegensatz zu horizontal erschlossenen Tightgaslagersttten als kritischer einge-stuft, da die Ausbreitungsprognose von Fracs in Tightgaslagersttten sehr gut mit den ex-post Ergebnissen bereinstimmt. Gleichwohl wird angemerkt, dass auch hier die Bohrung als mgli-che umweltrelevante unterirdische Schwachstelle angesehen wird. Die EU-Kommission definier-te fr alle Aufsuchungs- und Frderbohrungen von Kohlenwasserstoffen (z. B. Schiefergas) Min-deststandards bei denen Hochvolumen-Hydrofracking und Richtbohrungen (vor allem horizon-tale Bohrungen) zum Einsatz kommen (European Commission, 2014). Unter Hochvolumen-Hydrofracking versteht die EU Kommission das Einpressen von mindestens 1.000 m3 Wasser je


AP1 - 3

Frackingphase oder von mindestens 10.000 m3 Wasser whrend des gesamten Frackingprozesses in ein Bohrloch.

Demzufolge kann es auch bei der Tightgasaufsuchung und -frderung notwendig sein, diese Mindeststandards zu erfllen. Die Gutachter schlieen sich dieser Meinung an und unterstt-zen, die im Dokument dargelegten, geforderten Manahmen.

2.3 Vorgngerstudien In zahlreichen Vorgngerstudien zu diesem Gutachten wurde stets auf die Notwendigkeit der berwachung des Oberflchenwassers und der Grundwasservorkommen bei Frac-Manahmen hingewiesen. So stellt Meiners et al. (2012) fest, dass auf das Fracking bezogene spezifische Vorgaben zum Monitoring und zur berwachung bislang weitgehend fehlen. Dies betrifft auch Vorgaben von Nullmessungen (Baselinemonitoring) als Grundlage einer spteren Beweissiche-rung.

In der Studie zum Fracking in unkonventionellen Lagersttten in NRW (Ministerium fr Kli-maschutz, Umwelt, Landwirtschaft, Natur- und Verbraucherschutz des Landes Nordrhein-Westfalen, 2012) wird darauf hingewiesen, dass der Aufbau und die Organisation eines funkti-onierenden Monitorings komplexe Aufgaben sind und mit den entsprechenden Arbeiten somit frhzeitig begonnen werden sollte. Dabei wird zudem ein konkreter Ablauf fr den Aufbau eines umfassenden Monitorings vorgeschlagen.

Da die Erschlieung einer Schiefergaslagersttte in Deutschland anders als in den USA voraus-sichtlich grorumig durch ein Unternehmen und innerhalb eines Genehmigungsverfahrens erfolgen wrde, wird in den Empfehlungen des Informations- und Dialogprozess als konkrete Manahme die Entwicklung eines umfassenden bohrplatz- und regionalspezifischen sowie be-hrdlich berprfbaren Monitoring-Programms (Analysenplan, Probenahme, elektronisches Betriebstagebuch) verlangt, welches eine belastbare Bilanzierung der Wasser und Stoffstrme ermglicht und auch ein Warnsystem und eine berwachung integriert (Ewen et al., 2012).

In der erschienenen Stellungnahme des SRU zum Fracking zur Schiefergasgewinnung wird ebenfalls die Wichtigkeit eines Monitorings unterstrichen (SRU, 2013):

So lieen sich ber ein umfassendes Monitoring in einer Pilotphase Informationen fr eine vorlufige Risikoabschtzung generieren, die geeignet sind, bestehende Ungewiss-heiten im Zusammenhang mit Fracking aufzuklren.

ber ein langfristiges Monitoring knnte weiter sichergestellt werden, dass Umweltbe-eintrchtigungen, die erst nach der Pilotphase auftreten oder sichtbar werden, erkannt und entsprechende Gegenmanahmen ergriffen werden.

In der Stellungnahme wird eine Zusammenfhrung der vorhandenen Daten aus den umfangreichen Untersuchungen der jahrzehntelangen Bohrhistorie gefordert. In einem Kataster sollten neben den grundlegenden Daten ber Ort, Tiefe und Geologie auch durchgefhrte Frac-Vorgnge, Verpressungen sowie das bestehende Monitoring syste-matisch dokumentiert und ffentlich zugnglich gemacht werden.

Auch in anderen Lndern wird immer hufiger die Empfehlung fr ein Grundwassermonitor-ing bei Frac-Manahmen ausgesprochen. So riet das American Petroleum Institute bereits 2009 zu einem Baselinemonitoring vor der Manahme (API, 2009). Fross et al. geben in Guidelines


AP1 - 4

for voluntary baseline Groundwater quality sampling in the vicinity of hydraulic fracturing operations Hinweise zum Verfahren bei der Grundwasserberwachung (Fross et al., 2013).


AP1 - 5

3 Herangehensweise zur Entwicklung des Monitoringkonzeptes Zur Entwicklung eines Grundwassermonitoringkonzeptes und der damit einhergehenden ber-legung, in welchen Grundwasserhorizonten Kontrollbohrungen niedergebracht werden sollen, die sinnhafte, aber auch einer gewissen Verhltnismigkeit geschuldete Ergebnisse liefern, sind hinreichende Kenntnisse ber:

die allgemeinen hydrogeologischen Verhltnisse des flachen und tieferen Untergrundes; und

die Rolle und die Eigenschaften von Barrieregesteinen (Konzeptionelle Modellvorstel-lung)

ntig.

Des Weiteren ist eine detaillierte Betrachtung der oberirdischen und unterirdischen Risiken (Versagensszenarien) sowie deren Eintrittswahrscheinlichkeiten, der potenziellen Schadens-ausmae und des zeitlichen Auftretens von Bedeutung. Die Bewertung der Risiken trgt schlielich zur Einschtzung der Relevanz der einzelnen zu berwachenden Grundwasserhori-zonte bei. Abb. 2 zeigt die Herangehensweise zur Entwicklung des Monitoringkonzeptes.

Abb. 2: Herangehensweise zur Entwicklung des Monitoringkonzeptes

RiskCom GmbH


AP1 - 6

4 Geologie und Hydrogeologie des flachen und tiefen Untergrunds In flachen hydrogeologischen Systemen ist der Wasserspiegel gem den normalen atmosph-rischen Druckverhltnissen ausgespiegelt. Hierzu gehren auch Grundwasserleiter (Aquifere) mit gespannten Verhltnissen, also Systeme bei denen durch Grundwassergeringleiter (Aquitarden) eine unmittelbare freie Ausspiegelung der Wasseroberflche verhindert wird und in denen sich der freie Grundwasserspiegel erst durch Anbohren entsprechend des Normal-drucks einstellt (Standrohrspiegelhhe oder hydraulisches Potenzial). Die gespannten Systeme, zu denen die allermeisten Trinkwasseraquifere gehren, besitzen dann normale (atmosphri-sche oder hydrostatische) Drcke.

Die Grundwasserbewegung in einem Aquifer, also die Flierichtung, wird blicherweise durch das Erstellen einer Grundwassergleichenkarte (oder Grundwasserpotenzialkarte) nachvollzogen.

Entscheidende Gren fr die Fliebewegung sind der hydraulische Gradient (also das Grund-wassergeflle), die Richtung des Grundwassergeflles sowie die gesteinsspezifischen Eigenschaf-ten des Aquifermaterials hinsichtlich der Durchlssigkeit, mit Durchlssigkeitsbeiwert (kf) und der Einheit Lnge/Zeit (z.B. m/s) bezeichnet. In der Erdlgeologie wird anstatt des Durchlssig-keitsbeiwerts die gesteinsspezifische Kenngre Permeabilitt (K) mit der Einheit Darcy (D) oder m verwendet. Eine Permeabilitt von 1 D entspricht in Frischwasserverhltnissen ca. 10-5 m/s Entscheidend fr die Berechnung des hydraulischen Potenzials und der Ausspiegelung des Grundwasserspiegels an der Erdoberflche ist der Salzgehalt eines Grundwasserleiters.

Eine Grundwasserbewegung resultiert in den Systemen mit normalhydrostatischen Drcken nur, wenn das Wasser von einem hohen hydraulischem Potenzial (hohes Energiepotenzial) zu einem niedrigen hydraulischem Potenzial (niedriges Energiepotenzial) strmen kann. Zum Strmen ist allerdings eine hinreichende Durchlssigkeit des Gesteins notwendig. Ab einer Durchlssigkeit von kf = 10 12 m/s ist der advektive Transport quasi nicht mehr vorhanden und die Diffusion ist der magebende Transportprozess.

4.1 Druckverhltnisse im tieferen Untergrund

4.1.1 Allgemeine Betrachtungen

Der absolute hydrostatische Druck innerhalb eines Grundwasserkrpers ergibt sich aus der Summe des atmosphrischen Drucks und dem jeweiligen hydrostatischen Druck, der mit der Tiefe zunimmt. So lastet auf einem Wasserteilchen an der Sohle eines Aquifers ein hherer ab-soluter hydrostatischer Druck als auf einem Wasserteilchen im oberen Teil eines Aquifers. Der hydrostatische Druck ist abhngig von der Dichte des Fluids und ggfs. vom umgebenden Ge-steinsdruck. Die Dichte des Fluids kann variieren, je nachdem zu welchen Bestandteilen es sich aus Gasen (z.B. Methan) oder/und Flssigkeiten zusammensetzt, welcher Art diese Flssigkeiten sind (l oder Wasser) und in welcher Konzentration gelste Stoffe, wie z.B. Salze enthalten sind. Beim Gesteinsdruck ist es von Bedeutung, ob das Gesteinspaket, in dem sich das Wasserteilchen befindet, berkonsolidiert oder unterkonsolidiert gegenber dem hydrostatischen Druck ist. In Fllen, wo der Druck im Aquifer vom hydrostatischen Druck abweicht und eine Potenzialdiffe-renz entsteht, ist das System hydrodynamisch und Wasser kann sich bewegen.

In Abb. 3 sind drei konzeptionelle Situationen der hydrostatischen Verhltnisse - berdruck-verhltnisse, Unterdruck oder abgesenkte Druckverhltnisse - des Grundwassers dargestellt. Die Graphik zeigt die Druckverteilung im tiefen Untergrund eines dynamischen Systems. Der


AP1 - 7

lithostatische Druck ist in der roten Linie gem der Dichte des Untergrunds (hier vereinfacht mit einer konstanten Dichte von 2.300 kg/m3) mit einer Steigung von 23 bar pro 100 m (ent-spricht 23 MPa/km) dargestellt. Der normale hydrostatische Druck ist gem Untersuchungen von Grundwasserbecken in den USA mit 1,052 bar/10 m als hellblaue Linie dargestellt (Powley, 1990). Allerdings nimmt die Dichte des Wassers ab einer Teufe von 1.200 m zu. Gem Powley sind diese Druckverhltnisse als charakteristisch fr eine Vielzahl von Sedimentbecken auf der ganzen Welt anzusehen. Ein berdruckbereich, mit 50 bar berdruck, gegenber dem hydro-statischen Druck, ist als grne Linie eingezeichnet. Ein gegenber dem hydrostatischen Druck abgesenkter Bereich, wie er in teilentleerten Erdl- oder Erdgaslagersttten auftritt, ist mit ei-ner orangefarbigen Linie dargestellt. Die jeweiligen Druckbereiche sind durch Barrieregesteine (Aquitarde) voneinander getrennt.

In Abb. 3 sind lediglich die Druck- und Potenzialunterschiede in einem geschichteten Unter-grund relativ zueinander dargestellt. Die hier nicht dargestellte laterale Grundwasserbewegung in flachen Sedimentbecken erfolgt in Anlehnung an die Untersuchungen von Tth (1963).

Abb. 3: Konzeptionelle Vorstellung des tieferen Untergrunds mit Druckverhltnissen und Grundwasserstrmungsrichtun-gen

RiskCom GmbH, Hintergrund: Seismisches Profil des tieferen Untergrunds der Nordsee zu Illustrationszwecke, Stewart, 2007


AP1 - 8

Situation : Zunahme des Drucks mit der Tiefe Gem der hellblauen Linie nimmt der Druck mit der Tiefe zu. Die gestrichelte gelbe Linie stellt die Berechnung des Grundwasserpotenzials aus den Druckdaten gem der Formel (1):

Grundwasserpotenzial = Tiefe der Druckmessung - (Druck / Dichtegradient Fluid)3 (1)

dar. Am vertikalen Verlauf des Grundwasserpotenzials zeigt sich, dass zwischen verschiedenen Aquiferen im Untergrund bei gleichen Temperaturen und Dichten keine Wasserbewegung in vertikale Richtung herrscht. Gleichwohl knnen innerhalb eines Aquifers durchaus laterale Wasserbewegungen stattfinden. Ferner, knnen sich auch vertikale Strmungsverhltnisse ein-stellen, wenn Aquifere z.B. oberflchennah ausstreichen. Dieser Sachverhalt ist wichtig zur Be-wertung der Grundwasserverhltnisse zwischen den flachen und tiefen Grundwasserleitern also den Strmungsverhltnissen und der Ausbreitung von Fluiden im Untergrund und ist somit mitentscheidend fr die Ausgestaltung eines Grundwassermonitoringkonzeptes.

Situation : berdruck In mchtigen Salinarfolgen herrscht ein hherer absoluter hydrostatischer Druck, also ein berdruck. Diese Situation ist wie oft im Norddeutschen Becken im Salz des Zechsteins oder in Teilen des Buntsandsteins zu finden. Nach Untersuchungen von Rckel und Lempp (2003) herr-schen im Salinar zum Teil Porendrcke, die nahezu lithostatische Druckgradienten erreichen. Der Salzgehalt des Grundwassers in den jeweiligen grundwasserfhrenden Schichten kann zu-dem hhere Drcke von > 1,5 bar pro 10 m bedingen. Aus diesem Sachverhalt ergibt sich das Phnomen der Schwerkraftstrmung, die eine Strmung im Vergleich zu einer anderen Fls-sigkeit aufgrund von Dichteunterschieden erzeugt.

Die berdrcke zeigen an, dass beispielsweise bereits geringmchtige Salzschichten mit ca. 3 m Mchtigkeit oder andere Barrieren einen effektiven Widerstand bzgl. der Grundwassermigrati-on darstellen knnen. Eine solche hydraulische Grenze kann durch Druckmessungen im Unter-grund mittels Drill-Stem-Test und Repeat-Formation-Testing Tool belegt werden. Derartige Un-tersuchungen beruhen auf dem Erfassen von Schliedrcken im offenen Bohrloch (Druckstabili-ttsproben), die generell mit einer Unsicherheit behaftet sind. Auch Splungsverluste beim Bohrvorgang sowie die Dichte der Bohrsplungen, Verpressungen von Fluiden und Hydro- bzw. Minifracs knnen Hinweise auf Vertikal-und Horizontalspannungen und z.T. auf die Druckver-hltnisse im Untergrund geben.

In Abb. 3 ist ein nahezu sprunghafter Druckanstieg von der hellblauen Linie, die den normalen hydrostatischen Druck reprsentiert, zur grnen Linie, die den hheren absoluten hydrostati-schen Druck reprsentiert, dargestellt. Das Zechsteinsalz ist in horizontalen roten Linien als Barrieregestein visualisiert. Berechnet man innerhalb der dortigen Gesteinsschicht (d.h. im Be-reich der grnen Linie) die Grundwasserstnde (Potenziale), so sind diese deutlich hher als in den stratigraphisch angrenzenden Bereichen, was eine Grundwasserflierichtung nach oben und unten bedingen wrde. Dieser Grundwasseraustausch wird aber durch die sehr geringe

3 Zu den Randbedingungen dieser und anderen Formeln wird auf eine Zusammenfassung von Oberlander (1989)

sowie auf einschlgige Textbcher der Erdlgeologie verwiesen.


AP1 - 9

Gesteinspermeabilitt des darber liegenden Barrieregesteins behindert. Lediglich die Diffusion sorgt bei den vorhandenen geringen Permeabilitten fr einen langsamen Abbau der Druckun-terschiede.

Situation : Erniedrigter absoluter hydrostatischer Druck Unten im Profil in Abb. 3 ist mit einer orangefarbenen Linie eine zweite, deutlich seltener auf-tretende Situation dargestellt, die einen gegenber dem Normaldruck erniedrigten absoluten hydrostatischen Druck anzeigt. Je nach Ausbildung der Druckverhltnisse im Barrieregestein knnten sich bei Schwchung des Barrieregesteins Grundwasserflierichtungen in die teilent-leerten Zonen mit Betrgen gem den Durchlssigkeiten ergeben.

Druckerniedrigte Bereiche, wie in Abb. 3 und Abb. 4 (unten) gezeigt, knnen auf einen durch eine angrenzende Lagersttte abgesenkten Aquifer, oder eine druckerniedrigte (Gas-) Lagerstt-te hinweisen. Solche Zonen sind fr Verpressungen von Flowback prinzipiell geeignet (siehe Kap. 12.1).

4.1.2 Entstehung von berdrcken im tieferen Untergrund

Nach frheren berlegungen (Powley, 1990) entstehen Bereiche mit berdruck durch eine thermische Ausdehnung der eingeschlossenen Flssigkeiten sowie mglicherweise durch die Entstehung von l insbesondere in Becken, die, in geologischen Zeitrumen betrachtet, noch in der Abwrtsbewegung sind. Gem den Druckdaten des LBEG, wie in Abb. 4 dargestellt, herr-schen auch im Buntsandstein des Niederschsischen Beckens erhhte Lagerstttendrcke, die mglicherweise eine geogene Ursache haben. Bereiche mit erhhten hydrostatischen Drcken finden sich zudem im Pr-Zechstein, also in lteren Horizonten unterhalb des Zechsteinsalzes.

Abb. 4: Druckverhltnisse mit initialen Lagerstttendrcken aus Niederschsischen Erdl-und Erdgaslagersttten

RiskCom GmbH


AP1 - 10

RiskCom GmbH, Datenbermittlung LBEG mit freundlicher Genehmigung

In folgenden Studien sind Bereiche, in denen berdrcke auftreten bzw. Prozesse, die zu ber-drcken fhren knnen, aufgefhrt: Petrophysical Society London, 2011; Osborne et al., 1997; Dahlberg, 2011; Nadeau, 2011. Bereiche mit berdruck und Prozesse, die berdrcke auslsen knnen, sind:

1. Bereiche

a. mit tektonischer Aktivitt (z.B. Bereiche mit starker grorumiger natrlicher Subsidenz);

b. mit Erosion;

c. mit aufsteigenden Salzstcken;

d. in der Nhe zu von Verwerfungen begrenzten Sedimentbecken;

e. in denen Schichten in anderen Tiefenniveaus ausstreichen; und

2. Prozesse

a. Fluid-, oder Gasbewegungen;

b. Reduktion der Gesteinsporositt durch Mineralisierungen (Zementation), u.a. auch bei der Tonsteindiagenese (mechanische Kompaktion);

c. Vernderungen im Porenwasser.

Zustzlich steigt die Wahrscheinlichkeit von berdruckzonen mit der Tiefe und der Tempera-tur. So sind beispielsweise im Untergrund der Nordsee in Tiefen grer 4 km und Temperatu-ren ber 120 C Bereiche anzutreffen, wo der berdruck schon den lithostatischen Druck errei-chen kann. Die Deepwater Horizon Study Group (DHSG, Nadeau 2011) spricht von HPHT- Zonen (high-pressure high-temperature), also Hochdruck-Hochtemperaturzonen. Die DHSG weist sol-che Zonen mit hydrostatischen Druckgradienten 1,4-mal grer als der normale hydrostatische Druckgradient bzw. >1,4 t/m3 Bohrsplungsdichte, und Temperaturen hher als 120 C als HPHT-Zonen aus. Dieser Sachverhalt ist in Abb. 5 dargestellt. Demgegenber definiert die Auf-suchungsindustrie diese Zonen erst ab Temperaturen grer als 150 C und Bohrsplungsdich-ten grer als 1,7 t/m3 (Nadeau, 2011).

In HPHT-Zonen sind die Porositten von Tonschiefern von Werten bis zu 50% auf Werte um 20% reduziert. Dichte Tongesteine in diesen Zonen beinhalten deswegen oft trockenes Gas, das durch mikrobielle Transformation entstanden ist (Nadeau et al., 2005). Daten der Norwegischen Sicherheitsbehrde fr Erdlexploration (2006) aus den Jahren 1995 - 2005 belegen, dass die Gefahr von signifikanten Unfllen in HPHT-Zonen deutlich ansteigt. Gem der Mitteilung des LBEG, sind die norwegischen HPHT-Bedingungen nicht auf Deutschland bertragbar. Eine berprfung dieser Aussage wurde von den Gutachtern nicht durchgefhrt.


AP1 - 11

Abb. 5: Generalisierte Tiefendarstellung der Drcke am Norwegischen Kontinentalrand

Nadeau, 2011, abgendert

Zusammenfassend wird festgestellt, dass das Porenwasser in Bereichen mit natrlichem ber- oder Unterdruck im Gegensatz zu Schichten mit hydrostatischem Druck aufgrund der uerst geringen Permeabilitt der Barrieregesteine nicht in unmittelbarer Verbindung mit dem Grundwasserpotenzial an der Erdoberflche steht und daher nicht aktiv am Wasserkreislauf teilnimmt.

Als Handlungsempfehlung gilt, dass bei Bohrungen zur Gewinnung von (Schiefer-)Gas, ber-druckzonen genauestens charakterisiert und dokumentiert werden mssen, da sich in derarti-gen Bereichen Bohrkontrolle und Bohrlochausbau gegebenenfalls schwierig gestalten und die Rissausbreitung (Hhenwachstum) im Zielhorizont whrend der Frac-Operation ebenfalls schwerer kontrollierbar sein kann, wenn die Zonen mit berdruck nicht durch High Stress Formationen isoliert sind. Fr das Fracking im Speziellen wird empfohlen, Zonen mit hohen berdrucken zu meiden, da die Rissausbreitung im Zielhorizont schwer kontrollierbar ist (siehe hierzu Kap.7.2). Eine Definition von hohen berdrcken sollte von den Bergbehrden erar-beitet werden.


AP1 - 12

4.2 Rolle der Barrieregesteine

4.2.1 Eigenschaften der Barrieregesteine

Die besondere Bedeutung von Tongesteinen als Barrieregesteine erklrt sich durch deren ge-ringe hydraulische Durchlssigkeiten sowie durch weitere petrographische, physikochemische und strukturelle Eigenschaften. Die geringen Permeabilitten bewirken, dass insbesondere im Norddeutschen Becken die Tone des Tertirs (Oligozner Rupelton und Eozne Tone) flchen-haft di

UBA 2014_Umweltauswirkungen Fracking.pdf

Documents

Transcript of UBA 2014_Umweltauswirkungen Fracking.pdf