Fracking-Modell erreicht möglichst umweltschonende Verfahren
In den vergangenen Jahren haben Fortschritte in der Technologie der hydraulischen Rissbildung die Gewinnung von Öl und Gas aus tiefen unterirdischen Schieferformationen unterstützt. Deren Ausnutzung galt bisher als unwirtschaftlich. Beim konventionellen Fracking wird eine unter Druck stehende Frackingflüssigkeit wie geliertes Wasser oder Säure in ein Bohrloch gepumpt. Feste Zusatzstoffe wie Sand werden später mit der Flüssigkeit gemischt, um die Risse offen zu halten und so direkte Wege für Öl oder Gas in das Bohrloch zu schaffen. Jüngste Innovationen wie das Richtbohren, die Verwendung großer Mengen an Frackingflüssigkeit und Verbesserungen bei der Flüssigkeitsschmierung haben die hydraulische Rissbildung noch attraktiver gestaltet. „In Europa wurden mehrere Schiefergesteinbecken als für die Erschließung geeignet bestimmt“, erklärt Timon Rabczuk, Koordinator des Projekts BESTOFRAC, der an der Bauhaus-Universität Weimar tätig ist. „Die bisher größten entdeckten Speicherstätten befinden sich in Polen und Frankreich.“
Genaue Modellierung von Fracking-Prozessen
Der Einsatz von Fracking hat jedoch eine große Kontroverse ausgelöst. Die Gegenseite macht geltend, dass Fracking schwerwiegende Umweltrisiken birgt, darunter die Verschmutzung von Grundwasserressourcen, die Erschöpfung der Süßwasservorräte und ein erhöhtes Risiko seismischer Aktivitäten. „Dieser Aspekt wird durch die Tatsache erschwert, dass die beim Fracking verwendeten Chemikalien trotz intensiver öffentlicher Nachfrage nicht vollständig offengelegt wurden“, fügt Rabczuk hinzu. „Das bedeutet, dass die Überwachung der Oberflächenkontamination eine Herausforderung darstellt, weil die Forschenden nicht genau wissen, auf welche Stoffe sie prüfen sollen.“ Das Ziel des Projekts BESTOFRAC, das mit Unterstützung der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen durchgeführt wurde, bestand darin, die Auswirkungen von hydraulischer Rissbildung durch die Entwicklung genauerer Modellierungs- und Analysewerkzeuge besser nachzuvollziehen. Diese wiederum könnte dazu beitragen, die Fracking-Prozesse zu optimieren und die Umweltrisiken genauer zu bewerten. „Eine Voraussetzung für genaue Modelle ist die Fähigkeit, die Physik der Fracking-Prozesse zu verstehen und die Prozessvariablen zu analysieren“, sagt Rabczuk. „Zu diesen Variablen gehören Druck und Geschwindigkeit der Fluideinspritzung, die chemische Zusammensetzung des Fluids sowie die Anzahl und der Abstand zwischen den Fracking-Stufen.“
Fracking-Variablen berücksichtigen
Um diesen Variablen Rechnung zu tragen, wurden im Rahmen des Projekts neue Modelle und Berechnungsmethoden ausgearbeitet. „Die beteiligten Partner haben unterschiedliche Berechnungsansätze erarbeitet“, erklärt Rabczuk. „Andere Partner konzentrierten sich auf skalierte Laborversuche, und ein Unternehmen stellte Daten vor Ort bereit.“ Realistische Fracking-Simulationen vermittelten dem Projektteam ein deutlicheres Bild von einigen drängenden Umweltfragen. Dabei ging es unter anderem um die Frage, wie Fracking mit natürlichen Rissen interagiert, wie sich Rissnetzwerke bilden und wie Risse daran gehindert werden können, sich auf benachbarte Gesteinsschichten auszuweiten. Zu den Durchbrüchen gehört die Fähigkeit, komplexe Rissmuster bei Fracking-Vorhaben zu modellieren, indem die Wechselwirkungen zwischen Gesteinsverformung und Fluidströmen gleichzeitig berücksichtigt werden. Das Projektteam hat eine Plattform zur gemeinsamen Nutzung von Daten erarbeitet, die auch anderen Forschenden zugute kommen kann. Das Team begann außerdem, auf maschinellem Lernen basierende Ansätze zu nutzen, um mit großen Datenmengen umzugehen und zeitaufwändige Simulationen zu vermeiden.
Optimierte Fracking-Verfahren
Im Rahmen des Projekts BESTOFRAC wurden einige wichtige Ergebnisse erzielt, die letztendlich zu einem optimierten Fracking-Betrieb führen könnten, der die Umwelt besser schützt. Viele der Modelle des Projekts wurden inzwischen zusätzlich zur Plattform für den Wissensaustausch öffentlich bereitgestellt. „Einige unserer Modelle und Methoden könnten in kommerzielle Software integriert werden“, so Rabczuk. „Wir haben bereits einige Industriepartner in diesem Bereich für uns gewonnen, dies könnte ein Thema für künftige Kooperationen sein. Die Integration unserer Modelle in einen kommerziellen Rahmen würde der Industrie helfen, einige bedeutende Fragen in der Fracking-Praxis direkt zu beantworten.“ Das Projekt bot jungen Forschenden zudem eine interdisziplinäre Ausbildung in den Bereichen Computerwissenschaften, Bergbau-Geotechnik, Geomechanik sowie Modellierungs- und Simulationsverfahren.
Schlüsselbegriffe
BESTOFRAC, Fracking, Gas, Öl, Umwelt, Hydraulik, Schiefer, Bohren
