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Energiekrise Forum - Fossile Energiereserven |
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Prof. Dr. WolfgangBlendinger, TU Clausthal, April 2004 Ölschiefer Deutschland importiert gegenwärtig etwa 98% seines Rohölbedarfs und ist damit noch wesentlich abhängiger als etwa die USA. Gewaltige Vorkommen von Ölschiefern lagern in Mitteleuropa. Aus Ölschiefer können Benzin, Diesel und Flugzeugtreibstoff gewonnen und damit die Abhängigkeit von Importen verringert werden. Dieser Beitrag stellt Ölschiefer als Rohstoffquelle vor, beschreibt die Gewinnung von Treibstoff aus Ölschiefer und analysiert die Konsequenzen. Was ist Ölschiefer? Der Begriff Ölschiefer ist also sowohl aus geologischer als auch aus technischer Sicht irreführend, weil er weder Öl enthält noch ein Schiefergestein ist. Die als Ölschiefer bezeichneten Gesteine sind tonige oder kalkige Gesteine, die reich an sogenanntem organischem Kohlenstoff sind und manchmal in der Tat schiefrig aufblättern. Die korrekte Bezeichnung für die meisten Ölschiefer ist "Kalkmergel" oder "Mergelkalk". Der organische Kohlenstoff kann auf Meeres- sowie Süßwasseralgen, aber auch andere Kleinstlebewesen (sogenannte planktonische Organismen) und Bakterien zurückgeführt werden. Die Biomasse besteht aus Eiweiß, Kohlehydrat und Fett. Die Kleinstlebewesen sinken nach ihrem Absterben in der Wassersäule auf den Meeres- oder Seegrund. Normalerweise verwest die Biomasse vollständig (Verwesung=Zersetzung unter Sauerstoffzufuhr), und lediglich die Hartteile bleiben im Sediment erhalten. Das sind dann die Fossilien, die wir gelegentlich in den Gesteinen finden. Sinken die Organismen aber auf einen schlecht bis überhaupt nicht durchlüfteten Meeresboden, kommt es zu einer Verzögerung des bakteriellen Abbaus von Biomasse (Fäulnis=Zersetzung unter Sauerstoffabschluss). Hier spalten sich zunächst die Eiweiße und Kohlehydrate in ihre Einzelbausteine. Fett bleibt aber Fett. Die Einzelbausteine und das Fett ballen sich dann im lockeren Sediment wieder zu einer neuen Substanz zusammen, dem sogenannten Kerogen. Das Kerogen ist eine wasserunlösliche Substanz, die fein im Sediment und, nach dessen Verfestigung, schließlich im Sedimentgestein verteilt ist. Kerogen ist auch in organischen Lösungsmitteln unlöslich. Ölschiefer enthält also kein Öl, sondern den Vorläufer des Erdöls, das Kerogen. Wie kann trotzdem aus "Ölschiefer" Öl gewonnen werden? Hier müssen wir natürliche, in der Natur unter geologischen Zeiträumen (Hunderttausende bis Millionen von Jahren) auftretende Vorgänge, beschleunigen. Zunächst der natürliche Vorgang der Entstehung von Öl und Gas aus Kerogen. Natürliche Entstehung von Erdöl und Erdgas aus Ölschiefer Ein Ölschiefer-Sediment wird, in geologischen Zeiträumen von Hunderttausenden bis Millionen von Jahren, langsam von anderen Sedimentschichten überdeckt und dabei selbst langsam in ein festes Gestein umgewandelt. Er gelangt durch diesen Vorgang der Versenkung in immer größere Tiefen unter dem Meeresboden. Es ist nun allgemein bekannt, dass mit zunehmender Tiefe die Temperatur (und, wegen der Auflast, auch der Druck) ansteigt. Als Richtwert für den Temperaturanstieg kann man etwa 30 Grad Celsius Temperaturzunahme pro Kilometer Tiefe angeben. Es ist im wesentlichen das Produkt aus Temperatur und Zeit, das letztendlich Erdöl aus Ölschiefer bildet. Es ist nicht der zunehmende Druck, der Öl austreibt, sondern eine Reihe von temperaturgesteuerten, chemischen Umwandlungsprozessen, die aus dem Kerogen Erdöl bilden. Normalerweise dauert es Hunderttausende bis Millionen von Jahren, bis sich aus Ölschiefer Erdöl - oder/und auch Erdgas- bildet. Öl wird aus Ölschiefer aber nur in einem bestimmten, relativ eng umgrenzten Temperaturbereich gebildet. Der Temperaturbereich hängt von der genauen Zusammensetzung des Kerogens ab, aber als groben Richtewert kann man den Bereich von 60-120 Grad Celsius angeben. Bei niedrigeren Temperaturen wird kein Öl erzeugt, bei höheren Temperaturen meist nur noch Erdgas. Diesen Temperaturbereich nennt man Ölfenster. Die Natur muss also den Ölschiefer erst in eine Tiefe von mindestens 2 Kilometern versenken, bevor überhaupt das erste Öl entstehen kann. Das auf diese Weise erzeugte Öl ist aber an und für sich vollkommen nutzlos, denn wir benötigen in der Nähe des Ölschiefers ein geeignetes, sogenanntes Speichergestein, das in der Lage ist, das Öl in winzigen Hohlräumen im Gestein aufzufangen. Und da Öl leichter ist als Wasser, das immer in den winzigen Poren im Gestein vorhanden ist, hat es das Bestreben, immer weiter nach oben zu steigen, bis es von einem vollkommen undurchlässigen Gestein aufgehalten wird, das zudem noch so beschaffen sein muß, daß ein laterales Entweichen des Öls nicht möglich ist. Dann erst liegt eine (konventionelle) Erdöl-Lagerstätte vor. Künstlich beschleunigte Natur Wir können die Natur beschleunigen, in dem wir Öl direkt aus dem Ölschiefer gewinnen. Zu diesem Zweck müssen wir ein Mehrfaches der in der Natur wirkenden Temperatur auf den Ölschiefer einwirken lassen. Der künstliche Prozess besteht aus Erhitzen auf über 300°C (Verschwelung) und Abkühlung auf unter 30-50°C. Dabei wird das Kerogen in ein Gasgemisch umgewandelt, aus dem Öl herausdestilliert werden kann. Dazu ist neben Energie natürlich eine Menge Kühlwasser notwendig. In der Vergangenheit hat es immer wieder Versuche gegeben, durch Verschwelung Öl aus Ölschiefer zu gewinnen. Die meisten davon waren kurzlebig, wenig ergiebig, und einige menschenverachtend. Historisches: Ölschiefernutzung in Deutschland Ölschiefer findet seit Jahrhunderten technische Verwendung. Aufgrund seiner ausgezeichneten Schichtung lässt er sich in ebene Platten aufspalten, die zunächst relativ weite Verbreitung als Bausteine für Keller oder Tischplatten Verwendung fanden. Seit dem 17. Jahrhundert sind Verfahren bekannt, um aus Ölschiefer Öl zu gewinnen - natürlich nur in kleinem Umfang. Bedeutung erlangte der Ölschieferabbau zur Treibstoffherstellung erst gegen Ende des 2. Weltkriegs. Nachdem die Versorgung mit konventionellem Erdöl aus Rumänien Ende 1944 abgeschnitten war und zudem die Kohlehydrierwerke (Leuna) durch Bomardements nahezu ausgefallen waren, sahen die damaligen Machthaber keinen anderen Ausweg als den verzweifelten Versuch, die Ölschiefervorkommen in Südwestdeutschland zur Treibstoffherstellung zu nutzen. Damals waren drei Verfahren bekannt, aus Ölschiefer Öl herzustellen: die Verschwelung in Schachtöfen, die Untertage-Verschwelung, und das Meilerverfahren. Für alle Verfahren wurden 1944 am Fuß der Schwäbischen Alb, zwischen Dußlingen (bei Tübingen) und Zepfenhahn (bei Rottweil), 10 Anlagen unter dem Decknamen "Wüste" errichtet. Nur vier konnten die Produktion überhaupt aufnehmen (Bisingen, Erzingen, Dormettingen, Schömberg, alles das Meilerverfahren benutzend), während die Schachtöfen in Frommern (bei Balingen, Zollernalbkreis) erst nach dem Krieg die Produktion aufnahmen, und die Untertageverschwelung in Schömberg nie über das Versuchsstadium hinaus kam. Der Ölschieferabbau wurde in den Kriegsjahren 1944 und 1945 mit Tausenden von KZ-Häftlingen betrieben, wobei der Abbau gänzlich manuell erfolgte, dazu unter heute unvorstellbaren Zuständen in den Lagern. Etwa 35 t Ölschiefer mußten - mit der Spitzhacke, teilweise mit bloßen Händen - abgebaut, zerkleinert und aufgeschichtet werden, um 1 t Schwelöl zu erhalten! Insgesamt wurden in den Wüste-Werken etwa 1800 t Schwelöl gewonnen, wobei mehr als 3500 Häftlinge zu Tode kamen. Das Meilerverfahren benötigte gigantische Mengen elektrischer Energie zur Kondensation des Öls aus den Schwelgasen. Die Geschehnisse am Ende des Zweiten Weltkriegs am Fuß der Schwäbischen Alb sind an anderer Stelle ausführlich beschrieben, und einige Gedenkstätten bewahren die Erinnerung an diese wenig rühmliche Erfahrung Deutschlands mit der Treibstoffgewinnung aus Ölschiefer. Der Zweite Weltkrieg wurde nicht primär ums Erdöl geführt, aber er wurde durch die Verfügbarkeit von Erdöl entschieden! Vorkommen und weltweite Ressourcen Ölschiefer treten in allen Bereichen der Kontinente auf, in denen es im Laufe der Erdgeschichte zur Bildung von Ablagerungsgesteinen kommen konnte. Unter geologischen Gesichtspunkten geschah dies in Vertiefungen der Erdkruste, den sogenannten Sedimentbecken. Grundsätzlich war die Bildung dieser organisch-reichen Gesteine seit Entwicklung des Lebens möglich.Wir kennen Erdölmuttergesteine etwa aus dem Infrakambrium ( ca. 600 Millionen Jahre vor heute) der arabischen Halbinsel. Australien und Marokko sind die Länder mit den höchsten gewinnbaren Ressourcen (jeweils mit über 1 Milliarde t Schieferöl). Hohe gewinnbare Ressourcen werden auch für China, Jordanien und Estland angegeben. Neuere Untersuchungen belegen auch, daß hohe nachgewiesene Ressourcen auch in Russland und Australien auftreten. Ein sehr hohes Potential an nachgewiesenen Ressourcen besitzen auch die USA. Die Statistik der Bundesanstalt für Geowissenschaften in Hannover aus dem Jahr 1998 weist folgende Daten auf (in Millionen Tonnen, eine Auswahl):
Erklärung: Ressource=Teil der Gesamtressource, der entweder nachgewiesen, aber derzeitig nicht wirtschaftlich gewinnbar ist, geologisch indiziert wurde, als in-situ-Menge erfasst oder sonstig nicht dem Reservenbegriff zuzuordnen ist. Reserve=Teil der Gesamtressource, der mit großer Genauigkeit erfasst wurde und mit den derzeitig technischen Möglichkeiten wirtschaftlich gewonnen werden kann (aus der Definition der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe von 1998). Dabei entspricht die Gesamtmenge der weltweiten Ressourcen einem Würfel, gefüllt mit Ölschiefer-Öl, mit einer Kantenlänge von etwa 8 km! Gegenwärtige Nutzung Länder, in denen noch heute Öllschieferabbau und Ölverwertung betrieben werden, sind China und Estland, ferner Russland und Schottland. Ölschiefer findet hier ausschließlich zur Stromerzeugung anwendung. Insgesamt ist die Produktion hierfür seit 1980 rückläufig. Lediglich in Brasilien wird zunehmend abgebaut. Neben der frühen Nutzung von Öllschiefern als Baustein in Mesopotamnien reichen die ersten schriftlich überlieferten Belege einer kommerziellen Verwertung bis in das 17. Jahrhundert zurück. Die historisch ältesten Bergbauaktivitäten auf Ölschiefer erfolgten in Schweden, Frankreich, Schottland und Kanada. Zur Ölgewinnung wirtschaftlich nutzbar ist eine Öllschieferlagerstätte nach gegenwärtigen Kriterien erst ab einer Mächtigkeit >3m und einem Abraum-/Öllschiefer-Verhältnis von <5:1. Bis Ende 2003 gabe es weltweit nur ein einziges Unternehmen, das aus Ölschiefer (synthetisches) Erdöl herstellte. Die Southern Pacific Petroleum Company (SPPC) stelle seit Anfang der 1980er Jahre synthetisches Rohöl aus Tertiären Ölschiefern her, die nahe der Stadt Gladstone im australischen Bundesstaat Queensland im Tagebau abgebaut wurden. Rechnerische Reserven von etwa 26 Milliarden Faß (1 Faß = 159 Liter) ließen die Lagerstätte in die Nähe der konvenionellen Erdölreserven Libyens, einem wichtigen OPEC-Land, rücken! Das Gewinnungsverfahren nutzte die Technik der Verschwelung im Drehrohrofen, bei dem die zur Verschwelung notwendige thermische Energie aus der Verbrennung von Ölschiefer selbst gewonnen wurde. Da die Verschwelung generell mehr Energie benötigt als im gewonnenen syntethischen Öl enthalten ist, bedeutet dies, daß erhebliche zusätzliche Mengen an Ölschiefer zur Energieerzeugung abgebaut werden müssen. Dieser Abbau geschieht heute natürlich nicht mehr von Hand, sondern wird mit Großgeräten ausgeführt. Und die werden - natürlich mit "billigem" Diesel betrieben! Die Einzigartigkeit des Stuart Oil Shale Projects begründete sich sicherlich im derzeit sehr niedrigen Rohölpreis (wenn wir den Rohölpreis von Anfang der 1980er Jahre als 100% annehmen, bezahlen wir heute trotz nominell gestiegener Preise, nur etwa 50-60% des Preises bezogen auf 1983), welche den Abbau nur unter extrem günstigen Bedingungen wirtschaftlich erscheinen lassen, als auch in der geringen Akzeptanz der Auswirkungen der Ölschieferverschwelung bei der Bevölkerung. In der Tat kam das Stuart Oil Shale Projekt auch sehr schnell ins Visier der Umweltaktivisten von Greenpeace, die eine Beeinträchtigung des nahen "Great Barrier Reef" (Großes Barriereriff), des Klimas durch Emission von Treibhausgasen sowie der Bevölkerung durch toxische Nebenprodukte beschwor. Der Firmenzusammenbruch wurde in der Presse mit den ungelösten technischen Problemen begründet, die letzendlich Ende 2003 die Investoren zum Abzug bewegten. Ölschiefer als Alternative bei steigenden Ölpreisen? Theoretisch heiß die Antwort generell: ja. Aber eben nur in der Theorie. Bei genügender Anstrengung sind die technischen Probleme mit der Verschwelung möglicherweise in den Griff zu bekommen, die Prinzipien der Physik und Chemie können aber durch noch so ausgeklügelte Verfahren nicht außer Kraft gesetzt werden. Dies betrifft sowohl den ungeheueren Energiebedarf bei der Verschwelung als auch die damit verbundenen chemischen Reaktionen. Enorme Endlager des ausgebrannten Schiefers müssen angelegt werden, und die zum Teil hochgiftigen Abfallprodukte müssen vor dem Kontakt mit der Außenwelt abgeschirmt werden. Ganz abgesehen von den Emmissionen, die möglicherweise zum Teil abgefiltert werden könnnen, wobei sich aber wieder das Endlagerproblem stellt. Die weltweiten Ölschiefervorkommen sind riesig. Bei steigenden Ölpreisen werden sie eine Verlockung und technische Herausforderung darstellen. Um konventionelles Rohöl allmählich durch Ölschiefer-Öl zu ersetzen, müßte aber nicht nur ein kleines Pilotprojekt wie in Australien realisiert werden, sondern zum Teil dicht besiedelte Gebiete (wie in Südwestdeutschland) in riesige Tagebaue umgewandelt werden. Ungeachtet der Emmissionsproblematik würde dies wahrscheinlich auf wenig Akzeptanz bei der betroffenen Bevölkerung stoßen! Ob Ölschiefer-Öl jemals zu einem nennenswerten Prozentsatz konventionelles, billiges Erdöl wird ersetzen können, daran darf gegenwärtig erheblich gezweifelt werden. Schlussfolgerungen Sowohl die wenig erfolgreichen historischen Versuche als auch das Schicksal des Stuart Oil Shale Projects legen die Schlussfolgerungen nahe, daß Ölschiefer keine realistische Alternative zu konventionellem Rohöl darstellt. Die mit der Syntethisierung von Öl verbundenen technischen Probleme könnten mit entsprechendem Engagement möglicherweise in den Griff bekommen werden, es belibt jedoch die Problematik der riesigen Tagebaue, der Emmissionen und der Endlagerung. Bei weiter steigenden Ölpreisen wird sich zeigen, ob wir letztendlich so verzweifelt nach Treibstoff sind, daß wir Ölschiefer-Verschwelung in großem Maßstab in Angriff nehmen werden. Quellen: Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (1998): Reserven, Ressourcen und Verfügbarkeit von Energierohstoffen 1998. Greenpeace (2001): Stuart oil shale plant set to be Australia´s biggest dioxin polluter. http://www.greenpeace.org.au/media/climate_details.php?site_id=12&news_id=334 Hufnagel, H. (1998): …lschiefer. In: Rohstoffwirtschaftliche LŠnderstudien XVII: Reserven, Ressourcen und VerfŸgbarkeit von Energierohstoffen 1998. pp. 107-111. Bundesanstalt fŸr Geowissenschaften und Rohstoffe. Hannover/Berlin. Hutton, A.C. (1987): Petrographic classification of oil shales. International Journal of Coal Geology, 8, 203-231. Russell, P. L. (1990): Oil shales of the world, their origin, occurrence and exploitation. Pergamon Press, New York. 753 p. Südwestrundfunk (1998) Geomorphologie Jurassic Alb. www.wissen.swr.de/sf/begleit/bg0011/gm09.htm Tissot, B.T. & Welte, D.H. (1984): Petroleum Formation and Occurrences. 2nd Edition. Berlin, Springer. Tyson, R.V. (1995): Sedimentary Organic Matter: Organic Facies and Palynofacies. Chapman & Hall, London.
W. Blendinger, 28.4.2004 |
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