Unkonventionelles Öl

Ölschiefer

Ölschiefer, Uinta

Basin, Utah. Quelle: Argonne

National Laboratory

Definition Ölschiefer Der Begriff Ölschiefer ist sowohl aus geologischer als auch aus technischer Sicht irreführend, da das Gestein weder Öl enthält noch ein Schiefer ist. Es handelt sich vielmehr um feinkörnige, oft blätterige Kalkmergel bzw. Mergelkalke mit sehr hohem Kerogenanteil, die eine thermische Reifung bis zum Ölfenster meist noch nicht erreicht haben.

Erdöl aus Ölschiefern gewinnt man daher durch nachträgliche starke Erhitzung des Gesteins (bis 500 °C), wobei die organischen Anteile zu Schwelgasen verschwelt werden, aus denen dann Öl herausdestilliert werden kann.

Als wirtschaftlich werden Vorkommen bezeichnet, die oberflächennah sind und eine Mächtigkeit > 3 m sowie ein Abraum-/Ölschiefer-

Verhältnis < 5:1 aufweisen.

Der Ertrag kann 20-500 Liter Öl / Tonne erreichen. Als unteres Limit gelten 40 Liter / Tonne (USGS).

Quelle: GeoExpro

(2004)

Kern aus dem Green River Ölschiefer, Utah, USA.Die dunklen Lagen sind stark kerogenhaltig; die hellen Lagen enthalten verschiedene Karbonate.

Klassifikation von Ölschiefern

Quelle: Dyni

(2005), USGS, nach Hutton (1987)

Cannel

coal: brauner bis schwarzer Ölschiefer bestehend aus Harzen, Wachsen, Sporen, Kutikulen

und unterschiedlichen Anteilen an Vitrinit

und Inertinit.Lamosit: helle, grau-braune oder dunkel-graue bis schwarze Ölschiefer bestehend vor allem aus lakustrinen

Algen und untergeordnet Vitrinit, Inertinit.Torbanit: nach Torbane

Hill (Schottland) schwarzer Ölschiefer bestehend hauptsächlich aus Alginit

(Süß-

bis Brackwasser); daneben Vitrinit

und InertinitKukersit: nach Kukruse

Manor

(Estland) hellbrauner Ölschiefer bestehend fast ausschließlich aus Grünalgen-Alginit.Tasmanit: nach Vorkommen in Tasmanien, brauner bis schwarzer Ölschiefer hauptsächlich bestehend aus marinem

tasmanitiden

Algen-Alginit; danebenVitrinit

und InertinitMarinit: dunkelgrau bis schwarzer Ölschiefer besthend

aus Alginit

(marines

Phytoplankton) und geringen Anteilen an Vitrinit.

Vitrinit

Alginit

Vorkommen von Ölschiefern

Quelle: BGR

Die weltweit bedeutenden Ölschiefer-Vorkommen mit Angaben zu Reserven, Ressourcen und Produktion.

Verschwelung von ÖlschieferDie Methode basiert auf einem Verfahren nach J.E. Fischer und H. Schrader aus den1940er Jahren.Sie wurde 1949 von K.E. Stanfield und I.C. Frost als sog. „Fischer Assay“ zur Standard-Methode der Ölschiefer-Qualitätsbestimmung erhoben.100 g Ölschiefer (Korngröße < 2,4 mm) werden in einer Aluminium-Retorte bei einer Heizrate von 12°C / Minute auf 500°C erhitzt und 40 Minuten bei dieser Temperatur gehalten.Die destillierten Öl-, Gas- und Wasserdämpfe werden in einem mit Eiswasser gekühlten Kondensorkondensiert und anschließend in einer Zentrifuge getrennt.Die abgetrennte Menge Öl bezogen auf 100 g ergibt die Öl-Ausbeute in Liter / Tonne.Der großtechnische Gewinnungsprozess erfolgt in entsprechend großen Anlagen.

Stratigraphie und Lage der Kukersit-Vorkommen

in Nord-Estland und Russland. Nach Kattai

& Lokk

(1998) und Bauert

(1994)

Mächtigkeitsverteilung des unter-ordovizischen

Dictyonema

Shale

in Nord-Estland. Nach Loog

et al. (1996). Angaben in Meter.

Estland

Quelle: Dyni

(2005), USGS

Kukersit:TOC bis > 40%Fischer Assay

oil

yield: 30 -

47%

Dictyonema

Shale:TOC bis 17%Fischer Assay

oil

yield: 3 -

5%

Estland

Kukersit

Estland:

H/C: 1,5Ölausbeute: 320-500 l/tHeizwert: 2.440-3.020 kcal/kgBrenntemperatur: 1400-1500 °C

Kukersit

Quelle: Wikipedia

Estland produziert derzeit ca. 15 Mio. Tonnen

Ölschiefer, wovon ca. 80% für die Verstromung in Ölschiefer-Kraftwerken verwendet werden. Estland

erzeugt seine elektrische Energie zu ca. 90% aus der Verbrennung von Ölschiefer. Aus den restlichen 20% werden 345.000 t synthetisches Erdöl erzeugt.

Verbreitung der lakustrinen

Green River und Uinta

Formation aus dem mittleren Eozän.

USA –

Green River FormationDie weltweit größten Ölschiefer-Vorkommen befinden sich im Bereich Wyoming-Utah-

Colorado. Hier wurden während des unteren bis mittleren Eozäns

in einem zeitweise 65.000 km2

großen Binnensee mehere

hundert Meter mächtige Tonsteine mit hohem TOC-Gehalt

abgelagert. Bei einem Ölgrad von 40-125 l/t gehen derzeitige Schätzungen von gewinnbaren 213 Mrd. t synthetischen Erdöls aus.

Quelle: USGS (2005)

In Phasen starker Evaporation wurden im Zentrum der einzelnen Teilbecken Na-Karbonat-

Minerale gebildet:

Nahcolit

NaHCO3

undDawsonit

[ NaAl(OH)2CO3] Trona

Na3H[CO3]2•2H2O

Alle Minerale sind wertvolle Rohstoffe für die Herstellung von Soda (Na2CO3). Dawsonit

enthält darüberhinaus

Aluminium (Al2O3).

Modell einer in-situ-Verschwelung

für Ölschiefer der Green River Formation. Nach Frac-Stimulation

wird heißes Gas bzw. heiße Luft in die Formation injiziert, um den Schwelprozess zu initiieren. Die Schwelgase werden über Förderbohrungen gewonnen und zur weiteren Verarbeitung zum Separator

geleitet.Quelle: Chevron Oil

Quelle: Argonne

National LaboratoryAnstehender Ölschiefer im Uinta

Becken

450 m

In-situ-Verschwelung

Shell ICP (In Situ

Conversion

Process)

Das thermisch zu stimulierende Volumen wird mit mehreren vertikalen Bohrungen erschlossen.

Daraufhin werden elektrische Heizelemente in die Bohrung eingebracht, um den Shale

über einen

Zeitraum von ca. 4 Jahren auf ca. 350°C zu erhitzen und das Kerogen allmählich in Öl und Gas

umzuwandeln.

Der gesamte Bereich wird durch eine Bohrlochwand ummantelt (jede Bohrung ca. 3m Abstand). In diese Bohrungen wird flüssiger Stickstoff eingebracht, um somit eine Vereisung der bohrlochnahen Gesteine herbeizuführen. Dadurch entsteht eine Barriere, die den Produktionsbereich und das

Grundwasser voneinander trennen.

Shell Mahagony

Research Project, Piceance

Creek Basin, Colorado

600 m

Quelle: Wikipedia

Paläo-Ausdehung

des großen Sees im Ober-Devon im Osten der USA. Fläche ca. 725.000 km2. Gebiete mit flach lagernden Ölschiefern sind rot hervorgehoben. Nach Conant

& Swanson (1961) und Matthews et al. (1980).

Ölschiefer aus dem Devon und Unterkarbon im Osten der USA

Im Vergleich zum Green River Ölschiefer haben diese Vorkommen nur etwa halb so viel TOC (ca. 10%). Schätzungen sehen ein Potenzial von ca. 60 Mrd. Tonnen gewinnbaren Erdöls. Eine Produktion wird in absehbarer Zeit aber nicht erwartet.

Ölschiefer-Vorkommen in den Maritime Provinzen, Kanada. Nach Kalkreuth

& Macauley

(1987).

Kanada

Die Ölschiefer Kanadas (Ordovizium-Oberkreide) haben meist einen relativ geringen Ölgrad. Lediglich das Vorkommen in der Arktis erreicht ca. 400 l/t. Eine Produktion in naher Zukunft ist eher unwahr-

scheinlich.

Brasilien

Ölschiefer-Vorkommen in Brasilien. Nach Padula

(1969). Das größtePotenzial hat der Irati

Shale

aus dem Perm, der sich über 1.700 km im Süden des Landes bis nach Uruguay erstreckt.Quelle: Padula

(1969)

Lithologisches

Profil des Irati

Shale

aus dem Perm. Zusätzlich angegeben ist der Öl-Ertrag in Gew.%Quelle: Petrobras

Stratigraphie und Lage der Ölschiefer-Vorkommen in Marokko. Nach Bouchta

(1984)

Marokko

Alum

Shale

in Schweden (Andersson et al. 1985)

Schweden

Potenzial des Alum

Shale

für Vorkommen mit > 10% TOC (Andersson et al. 1985)

Alum

Shale

in Schweden (Andersson et al. 1985)

Schweden

Lithologie, TOC und Urangehalt im Alum

Shale

in einer Bohrung bei Ranstad

(Västergötland), Schweden (Andersson et al. 1985)

Ölschiefer-Vorkommen in Australien. Nach Crisp

et al.(1987).

Australien Vor allem die lakustrinen

Ölschiefer aus dem Tertiär sind im Osten von Queensland abgebaut worden. Schätzungen gehen von ca. 57 Mrd. Tonnen gewinnbaren Erdöls aus.

Quelle: Photo courtesy

of Queensland Energy

Resources

Limited, Queensland, Australia, and UMATAC Industrial Processes, Calgary, Alberta, Canada.

Großtechnische Anlage, die synthetisches Erdöl aus Ölschiefer gewonnen hat (1983 –

2004)

Stuart Oil Shale

Projekt (Ostküste Queensland, Australien): Verschwelung von Ölschiefer (Lamosit, Tertiär) im Drehrohrofen. Die thermische Energie zur Verschwelung stammte

aus den Ölschiefern selbst. Die Tagebaue sind im Hintergrund zu sehen.

Quelle: Photo courtesy

of Queensland Energy

Resources

Limited, Queensland, Australia, and UMATAC Industrial Processes, Calgary, Alberta, Canada.

Stuart Oil Shale

Projekt (Ostküste Queensland, Australien): Verschwelung von Ölschiefer (Lamosit, Tertiär) im Drehrohrofen. Die thermische Energie zur Verschwelung stammte

aus den Ölschiefern selbst. Die Tagebaue sind im Hintergrund zu sehen.

Großtechnische Anlage, die synthetisches Erdöl aus Ölschiefer gewonnen hat (1983 –

2004)

Ölschiefer-Vorkommen in Israel. Nach Minster

(1994)

IsraelInsgesamt 20 Vorkommen (Marinit, Maastricht) sind bislang nachgewiesen. Bei einer mittleren Mächtigkeit von 35 –

80 m werden ca. 12 Mrd. Tonnen Ölschiefer mit einem Ertrag von 60-70 l/t bestätigt.

Ab 1989 wurde Ölschiefer in einer 25-MW-Anlage zur Energiegewinnung verbrannt (55 t/h; Heizwert 650 –

1200 kcal/kg). Die Anlage ist mittlerweile stillgelegt.

Nach neuesten Meldungen aus der Finanzwelt verfügt Israel mit geschätzten Ressourcen von ca. 250 Mrd. bbl

Öl aus Ölschiefern über die weltweit drittgrößten Vorkommen. Diese Angaben sollte man aber mit Vorsicht betrachten.

Mit der Produktion soll angeblich um 2020 begonnen werden.

Ölschiefer-Vorkommen in Jordanien. Nach Jaber

et al. (1997) und Hamarneh

(1998)

JordanienInsgesamt 11 Vorkommen (Marinit, Maastricht und Dan) sind bislang nachgewiesen. Bei einer mittleren Mächtigkeit von 60 –

70 m werden ca. 65 Mrd. Tonnen Ölschiefer und ca. 5 Mrd. Tonnen Öl (ca. 36 Mrd. bbl) bestätigt.

Interessant werden könnte die Lagerstätte Yarmouk

(Nr. 10) an der Grenze zu Syrien wegen seiner Mächtigkeit von bis zu 400 m bei einer Fläche von mehreren hundert km2.

Ebenso interessant sind die Lagerstätten 2, 4 und 6 wegen relativ hoher Gehalte an Cu, Ni, Zn, Cr und V (70 –

650 ppm).

Fazit

5 Mio. bbl/dca. 2030

EROI: < 1

Die Ressourcen

an Ölschiefer

sind

gewaltig.

Aber

selbst

der

Direktor

von Shell Oil Unconventional Resources Unit schätzt:

Und die Energiebilanz

ist

sehr

schlecht:

80% der

US-Ressourcen

sind

an Ölschiefer

gebunden

!

Erst

bei

einem

sehr

hohen

Ölpreis

wird

der

Ölschiefer-Abbau wirtschaftlich

interessant!

–

keine Förderung oder Reserven1) 1 t U = 14.000 –

23.000 t SKE, unterer Wert verwendet, bzw. 1 t U = 0,5 x 1015

J2) RAR gewinnbar bis 80 USD / kg U3) Summe aus RAR gewinnbar von 80 –

260 USD / kg U sowie IR und unentdeckt < 260 USD / kg U4) 1 t Th gleicher SKE-Wert wie 1 t U angenommen5) nur Vereinigte Staaten (Datenstand 01/2010)

Reserven

und Ressourcen

nicht-erneuerbarer

Energierohstoffe

Quelle: BGR, 2011

Deutschland

Lias ε

–

Steinbruch bei Dotternhausen, Baden-Württemberg

Photo: J. Wegner, TU Clausthal

Deutschland

Südwestdeutsches Schichtstufenland im Bereich der Schwäbischen Alb. Quelle: Landesamt für Geologie, Rohstoffe und Bergbau, Baden-Württemberg

Lias ε

–

Steinbruch bei Dotternhausen, Baden-Württemberg Photo: J. Wegner, TU Clausthal

Mittlerer TOC-Gehalt bei 10%Heizwert: ca. 3400 kJ/kgAscheanteil ca. 70%

25 Gew.% SiO29,0 Gew.% Al2O34,5 Gew.% Fe2O326 Gew.% CaO2,0 Gew.% MgO5,9 Gew.% SO39,0 Gew.% Kohlenwasserstoffe

Kenndaten des Ölschiefers

DeutschlandFür die Zementproduktion im Werk Dotternhausen wurden im Jahr 1999 ca.

650.000 t Kalkstein (Malm)360.000 t Posidonienschiefer50.000 t Opalinuston

abgebaut.

Durch das Verbrennen der Ölschiefer gewinnt das Werk seinen Strom für den Betrieb der Anlagen und gleichzeitig die Asche als Zuschlagstoff.

Dadurch kann sich das Werk am Markt behaupten.

500 m

Verbreitung der bituminösen Faziesim Unteren Toarcium:YB: Yorkshire Basin; NWDB: NW-deutsches Becken; SWDB: SW-deutsches Becken; PB: Pariser Becken;C: Chalhac

Festland:PH: Pennine High; FH: Funen High; LBM: London-Brabanter Massiv; RM: Rheinisches Massiv;BM: Böhmisches Massiv; VS: Vindelizische Schwelle;AM: Amorikanisches Masiv; ZM: Zentralmassiv;

Lias ε

-

DotternhausenDeutschland

Geographische Verbreitung der Schwarzschiefer-Fazies

im Unteren Toarcium nach Ziegler (1982) und Riegel et al. (1986)

Im Unteren Jura kam es zu einem deutlichen globalen Meeresspiegelanstieg, der im Unteren Toarcium seinen Höchststand erreichte. Auf den überfluteten Schelfgebieten im heutigen Mitteleuropa bildeten sich zahlreiche flachmarine Becken. Zwei davon sind das NW-

deutsche und das SW-deutsche Becken, die über die Hessische Straße miteinander verbunden waren .Während der Sedimentation herrschten überwiegend anoxische Bedingungen, die nur von sehr kurzen Phasen mit stärkerer Durchlüftung unterbrochen wurden, so dass sich über einen Zeitraum von ca. 2,4 Mio. Jahren feinkörnige und häufig laminierte „Schwarzschiefer“

mit einem hohen TOC-Gehalt

von 5 bis zu 16 Gew. % ablagern konnten, wobei die Mächtigkeiten im NW-

deutschen Becken im Durchschnitt bei 20-30 m liegen, während sie im SW-deutschen Becken meist nur 10-15 m erreichen. Dominiert von marinem

Phytoplankton hat sich ein Mutter-

gestein

vom Kerogentyp II (Liptinit-Alginit) mit einem HI von 500-600 mg HC/g TOC gebildet.

Dotternhausen

SWDB

NWDBYB

PB

BM

VS

ZM

AM

TETHYS

BALTICA

LBM

RM

C

FH

PH

Lias ε

-

Dotternhausen

Dünnschliff-Aufnahme des Lias epsilon

–

senkrecht zur Schichtung

Deutschland

200 µm

Algen (Tasmanites)

Pyrit

Quarz

CalcitKerogen

Lias ε

-

Dotternhausen

Dünnschliff-Aufnahme des Lias epsilon

–

senkrecht zur Schichtung

Deutschland

50 µm

Alge (Tasmanites) Pyrit

Quarz

Calcit

Kerogen

Röntgendiffraktogramm

Lias epsilon

–

Auswertung mit X‘Pert

HighScore

Lias ε

-

Dotternhausen

Röntgendiffraktometrie zur Bestimmung der mineralogischen Zusammensetzung

Deutschland

Mineralogische Zusammensetzung der Lias ε

–

Proben aus Dotternausen

Lias ε

-

Dotternhausen

Röntgendiffraktometrie zur Bestimmung der mineralogischen Zusammensetzung

Deutschland

Probe Calcit (%) Quarz (%) Pyrit (%) Kaolinit (%) Illit (%) Dolomit (%)

SGH 02A 49,0 24,0 13,0 5,0 9,0 n.n.

SGH 02B 44,0 25,0 14,0 6,0 11,0 n.n.

SGH 02C 45,0 24,0 13,0 6,0 12,0 n.n.

SGH 02D 47,5 23,2 13,1 4,1 12,1 n.n.

Mittelwert 46,4 24,1 13,3 5,3 11,0 n.n.

SGL 01A 32,0 39,0 12,0 9,0 6,0 2,0

SGL 01B 30,7 27,7 18,8 7,9 11,9 3,0

SGL 01C 30,0 31,0 18,0 7,0 11,0 3,0

Mittelwert 30,9 32,6 16,3 8,0 9,6 2,7

DeutschlandLias ε

-

Dotternhausen

REM-Aufnahmen

einer Schichtfläche zeigen einen deutlichen Anteil an Coccolithen. Auch dadurch ist der hohe Karbonatgehalt bis zu 40% bedingt.

Photos: R. Görke, INW, TU Clausthal

REM-Aufnahmen

eines Coccolithen

zeigen einen Bereich mit Nanoporen.

Photos: R. Görke, INW, TU Clausthal (FEI Helios

Nanolab

600)

DeutschlandLias ε

-

Dotternhausen

DeutschlandLias ε

-

Dotternhausen

REM-Aufnahmen

einer Schichtfläche zeigen einen Bereich mit Mikroporen (vor allem in der Matrix) und Nanoporen (vor allem in den Bioklasten).

Photos: R. Görke, INW, TU Clausthal

Deutschland Lias ε

-

Dotternhausen

FIB-REM-Aufnahme

eines Grobschnitts auf der Oberfläche eines Probenkörpers

Photo: R. Görke, INW, TU Clausthal

DeutschlandLias ε

-

Dotternhausen

FIB-REM-Aufnahmen einer Schnittfläche zeigen einen Bereich mit Kerogen, Pyrit und Nanoporen (vor allem in rekristalli-

siertem Calcit).

Photos: R. Görke, INW, TU Clausthal

Calcit

Kerogen

Kerogen

Pyrit

Quarz

Calcit

Dreidimensionale Rekonstruktion der Porenraumverteilung. Der mittels Simpleware

definierte Kerogenanteil

ist in oranger

Markierung dargestellt, die Porenverteilung in blau.Erstellt mit dem Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop FEI Helios

Nanolab

600 (FIB) am Institut für Nichtmetallische Werkstoffe der TU Clausthal.

DeutschlandLias ε

-

Dotternhausen

Digital Rock: Umsetzung von ca. 300 Einzelaufnahmen in eine 3 D-Darstellung

Der Ölschiefer wird bei einer Temperatur von 800 °C verbranntDie Wärme erzeugt Wasserdampf, der über eine Turbine geleitet wirdDie Generatoren erzeugen Strom mit einer Kapazität von 14 MW (reicht für 20.000 Haushalte)Der größte Anteil des Stroms dient zum Betrieb der Mühlen und des Ofens selbstDer gebrannte Ölschiefer besitzt gute hydraulische Eigenschaften Gleichzeitig entsteht aus Pyrit und Kalk AnhydritDadurch ist die übliche Zugabe von Gips bei der Zementmahlung nicht erforderlichDie Asche der gebrannten Ölschiefer wird mit dem Klinker aus dem Drehofen im Verhältnis 1:3 zu Zement vermahlenDas Endprodukt wird als „Riteno“ (Portlandschieferzement) verkauft

Wirbelschichtöfen zur Herstellung von gebranntem Ölschiefer

DeutschlandLias ε

-

Dotternhausen

Der Ölschiefer hat ein Alter von ca. 47 Mio. Jahren (Lutet, mittleres Eözän)Abgelagert wurde die Formation in einem Maarsee unter tropischem KlimaMächtigkeit ca. 150 m; Dauer der Ablagerung ca. 1,5 Mio. JahreBitumengehalt bis zu 15%; sehr reich an Smektit (quellfähige Tonminerale)Die Rock-Eval-Pyrolyse deutet auf ein Typ II – KerogenMazeralanalysen zeigen allerdings ein Gemisch aus vorwiegend Liptiniten (80% Algen und Bakterien; Kerogentyp I) und untergeordnet Vitriniten (20% höhere Landpflanzen; Kerogentyp III)Das Muttergestein ist unreifZwischen 1859 und 1970 wurde Eisenerz (Siderit), Braunkohle und vor allem der bituminöse „Schiefer“ selbst abgebaut Dieser wurde zu Erdölprodukten verschwelt: aus den abgebauten 20 Mio. Tonnen Gestein wurden ca. 1 Mio. Tonnen Rohöl gewonnen Heute ist die Grube Messel eine weltweit bekannte Fundstätte von Fossilien

Ölschiefer der Grube Messel bei Darmstadt

Deutschland

Ölschiefer Messel

DeutschlandÖlschiefer der Grube Messel bei Darmstadt

Quelle: Wikipedia

Ölverladeanlage des Paraffin-

und Mineralölwerks Messel

DeutschlandÖlschiefer der Grube Messel bei Darmstadt

Quelle: Wikipedia

Ölverladeanlage des Paraffin-

und Mineralölwerks Messel

DeutschlandÖlschiefer der Grube Messel bei Darmstadt

Quelle: Wikipedia

DeutschlandÖlschieferabbau zur Gewinnung von Treibstoff während des 2. Weltkriegs

Quelle: Wikipedia

Vorkommen von Lias ε

–

Ölschiefer zwischen Wolfsburg und Braunschweig. In Schandelah

bestand ein Außenlager des KZ Neuengamme. Quelle: http://www.ns-spurensuche.de/bilder/390.jpg