Pictures of the Future        Herbst 2008

Sand unter Strom

Etwa 90 % der weltweiten Ölvorkommen sind in Sand oder Schiefer gebunden. Ihre Förderung ist aufwändig, wird aber angesichts des hohen Ölpreises immer rentabler. Siemens entwickelt ein Verfahren, wie man den schwarzen Sanden ihr Öl abringen kann – viel effizienter und umwelt­freundlicher als mit konventionellen Methoden.

Wenn Siemens-Forscher Bernd Wacker in seinem Erlanger Labor den Schalter umlegt, sollte man lieber "in Deckung gehen": Bis zu 400 A Strom sausen dann über eine thermisch isolierte Kupferschleife in einen kleinen Sandkasten und heizen die salzwassergetränkten Quarzkörner auf. Hält der Beobachter den Sicherheitsabstand von einem Meter nicht ein, kann es schnell ungemütlich werden. "Wer leitfähige Gegenstände wie eine Armband­uhr trägt, kann sich leicht verbrennen", erklärt Wacker. "Die werden nämlich ebenso aufgeheizt." Was Besucher eher abschreckt, wirkt auf den Experten von Siemens Corporate Technology buchstäblich elektrisierend. Denn mit seinem Versuchsaufbau konnte Wacker beweisen, dass sich feuchter Sand allein mit elektromagnetischer Induktion erwärmen lässt – also nicht etwa durch die Hitze des Drahtes. "Das funktioniert wie bei einem Topf Spaghetti auf dem Induktionsherd", freut sich der Elektroingenieur: Die stromdurchflossene Kupfer­spule erzeugt ein magnetisches Wechselfeld, das in leitfähigen Gegen­ständen Wirbelströme verursacht. Diese wiederum machen den metallenen Topf heiß – oder eben auch salzwassergetränkten Sand.

Die Erlanger Sandkastenspiele haben indes einen revolutionären Hintergrund: Mit Hilfe des Induktionseffekts wollen die Siemens-Forscher ölhaltige Sande in Kanada aufheizen und dadurch dem zähflüssigen Schlamm sein schwarzes Gold abtrotzen – viel umweltfreundlicher und effektiver als mit herkömmlichen Methoden. Ein Verfahren mit Zukunft angesichts der riesigen Vorräte, die unter Kanadas Wildnis schlummern. Rund 178 Milliarden Barrel Erdöl vermuten Experten in den sandigen Böden, seit den 60er-Jahren wurden gerade einmal 3 % davon ausgebeutet. Zwar ist die Gewinnung des begehrten Rohstoffs noch nahezu dreimal so teuer wie herkömmliche Ölförderung, doch ein stei­gen­der Ölpreis macht selbst die aufwändigsten Verfahren immer rentabler. Bis 2015, schätzt die kanadische Energiebehörde NEB, werden 94 Mrd. $ in die Förderung investiert. Die Ölsandproduktion soll sich dann verdreifacht haben.

Kanadas Natur lässt sich ihre Schätze allerdings nur unter Schmerzen abringen – die gängigste Methode, das schwarze Gold zu erbeuten, ist auch die umweltschädlichste. "70 % der Ölsande werden dort im Tagebau abge­baut", sagt Michael Koolman vom Siemens-Sektor Energy. "Dafür müssen zunächst riesige Flächen gerodet werden, dann rücken die Bagger an." Die Wildnis, so der Öl- und Gas-Experte, werde buchstäblich auf den Kopf gestellt. Zudem würden beim Ausbaggern riesige Mengen Methan frei – ein Klimagas, das 21-mal wirkungsvoller ist als CO₂. Der gewonnene Ölsand wird danach mit Wasser und Trennungsmitteln versetzt: Der schwere Sand sinkt nach unten, das Öl sammelt sich im Schaum oben an und kann abgeschöpft werden. Ein weiteres Problem sei der hohe Wasserverbrauch, erklärt Koolman. "Dadurch sinken etwa die Grundwasserpegel, was schlimme Auswirkungen auf das Ökosystem haben kann." Noch etwa 20 bis 30 Jahre, schätzt er, würde der Tagebau fortgeführt. Dann seien die oberflächennahen Vorkommen ausgebeutet.

Dem Öl Dampf machen. Um dem schwarzen Gold auch in tieferen Erd­schichten ab 60 m rentabel zu Leibe rücken zu können, hat sich seit 2002 ein weiteres, schonenderes Verfahren etabliert. Bei der so genannten In-situ-Methode wird bis zu 300 °C heißer Wasserdampf über ein Rohr unter hohem Druck in das Reservoir eingeleitet. 6 m unterhalb des "Steam Inducers" verläuft eine 25 cm dicke Drainageleitung. Nachdem man die Ölsande ein paar Wochen "bedampft" hat, erhöhen sich Lagerstättendruck und Temperatur – das Reservoir wird durchlässiger. Nun löst sich eine teerähnliche mit Wasser vermischte Substanz – das so genannte Bitumen – langsam von den Sand­körnern und tropft in die 1000 m lange Drainage. So kann es zum Ende der Leitung fließen und von dort zutage gefördert werden. Damit lassen sich ins­gesamt rund 1000 Barrel Bitumen pro Tag und Bohrloch gewinnen. In einem weiteren Prozessschritt wird die zähe Masse vom Wasser getrennt und zu synthetischem Rohöl verarbeitet. Das übriggebliebene Wasser wird wieder aufbereitet und speist später die Dampfkessel.

Der Umwelt bleiben bei dieser Methode zwar die Bagger erspart, doch auch hier ist der Wasser- und Energiebedarf nach wie vor hoch. "Genau dort setzt unser Verfahren mit der elektromagnetischen Induktion an", sagt Bernd Wacker. Die von seinem Team entwickelte Methode soll zunächst das In-situ-Verfahren unterstützen und es wesentlich effektiver machen: Dabei verläuft in der Erde parallel zur Dampfleitung ein armdicker Induktor, der aussieht wie ein Kabel. "Schickt der Betreiber nun elektrische Energie ins Reservoir, entsteht um den Induktor ein wechselndes Magnetfeld", erklärt der Siemens-Experte. "Dieses Feld erzeugt im leitfähigen Sand Wirbelströme, die das Bitumen und mineralisierte Wasser an den Ölsandkörnern langsam aufwärmen." Dadurch können sich die Bitumentröpfchen letztlich von den Körnern lösen und in das Drainagerohr fließen. In Kombination mit der herkömmlichen Dampfeinleitung könne man so in derselben Zeit je nach Reservoirbedingungen über 20 % mehr fördern. Mit der höheren Ausbeute würde dazu der spezifische Wasser­verbrauch drastisch sinken, fügt Koolman hinzu: "Normalerweise müssen vier Barrel Wasser verdampft werden, um ein Barrel Bitumen zu produzieren. Mit unserem Verfahren bräuchten sie nur noch die Hälfte."

Je nach beabsichtigter Ausbeutungszeit und geologischer Beschaffenheit des Reservoirs könne man auch ganz auf Dampfinjektion verzichten und den Öl­sand nur mit Induktionsstrom bearbeiten. "Das hätte den Vorteil, dass über­haupt kein Wasser mehr benötigt würde, auch der Energieverbrauch wäre geringer", erklärt Koolman. Beim in-situ-Verfahren würde sich alleine der Dampfinjektor bis zu 12 MW Leistung genehmigen. Um den Stromhunger des Induktionsverfahrens zu stillen, müsse man deutlich weniger einsetzen. Besonders bei Lagerstätten, die nahe an der Oberfläche liegen, sehen die Siemens-Experten ihre Methode gegenüber der Dampfinjektion im Vorteil: Denn dort könne der heiße Dampf die Deckschicht durchbrechen und zusammen mit leicht entzündlichen Gasen ans Tageslicht gelangen, wenn der Druck im Reservoir zu hoch wird – buchstäblich brandgefährlich. "Elektrischer Strom lässt sich dagegen wesentlich leichter regulieren", sagt Koolman. Noch funktioniert die Induktionsmethode nur im Sandkasten auf dem Erlanger Siemens-Gelände. Doch bereits 2010 soll eine Pilotanlage in der kanadischen Provinz Alberta zeigen, was in ihr steckt. "Dafür mussten wir zunächst ein völlig neues Induktionskabel austüfteln", sagt Bernd Wacker. Eine weitere Heraus­forderung für die Ingenieure, denn bislang beschränken sich Induktoren auf Küchenherde und sind maximal 2 m lang. "Für Alberta brauchen wir dagegen ein Kabel, das mehrere Kilometer misst und auch sehr hohen Temperaturen und Spannungen widerstehen kann."

Dass die Idee der Forscher zünden könnte, haben auch umfangreiche Simulationen bestätigt. Dazu hat der Computer den 20-jährigen Lebenszyklus eines typischen Ölsandreservoirs berechnet. Erstmalig haben die Siemens-Experten dabei einen herkömmlichen Reservoirsimulator mit einem elektro­magnetischen Simulator gekoppelt. Das Ergebnis war eindeutig, freut sich Wacker: "Mit unserem Induktionsverfahren würde der Kunde etwa 20 % mehr Gewinn erzielen."
                                                                                                              Florian Martini