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
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
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
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