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3 Rohstoffe aus dem Meer – Chancen und Risiken

Die Förderung

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Zusatzinfo Von der Kunst, in weichen Sedimenten zu bohren

Erst die Suche ...

Folgende etablierte und neue Verfahren und Messinstrumente werden derzeit für die Prospektion von Methanhydraten eingesetzt:

COMPUTERSIMULATION: Seit vielen Jahren setzt man in der Gas- und Ölförderung Simulationsprogramme ein, mit denen sich am Computer ermitteln lässt, in welchen Meeresgebieten mit hoher Wahrscheinlichkeit Gas- und Ölvorräte vorkommen. Diese Programme berücksichtigen bei der Berechung unter anderem, wie stark sich in den verschiedenen Meeresgebieten im Laufe von Jahrmillionen Plankton zu Sedimenten abgelagert hat, wie mächtig die Schichten sind und welche Drücke und Temperaturen in der Tiefe herrschen. Die Simulationen liefern einen ersten Hinweis darauf, wo sich eine weitere Prospektion mit Forschungsschiffen lohnen könnte. Deutsche Wissenschaftler und ein Softwarehersteller haben gemeinsam in den vergangenen 5 Jahren ein bewährtes Computerprogramm für die Gas- und Ölindustrie um ein Simulationsmodul für Methanhydrat erweitert. Dieses neu entwickelte Modul berücksichtigt die besonderen, für die Bildung von Methanhydrat erforderlichen Umgebungsbedingungen und gibt wichtige Hinweise auf mögliche, bislang unentdeckte Hydratvorkommen.

FÄCHERECHOLOT: Mit diesem neuen akustischen Gerät lassen sich Methangasblasen aufspüren, die durch natürliche Lecks aus Methanlagerstätten ins Meer austreten. Es wird unter dem Schiff befestigt und sendet Ultraschallstrahlen fächerartig aus. So kann es mehrere Hundert Meter breite Streifen am Meeresboden scannen. Die Herausforderung beim Einsatz dieser Geräte besteht unter anderem darin, die Reflexionssignale der Bläschen von zahlreichen Störsignalen im Echolotbild zu trennen. Dazu wurde von den beteiligten Wissenschaftlern eine spezielle Software entwickelt. Das Fächerecholotsystem lässt sich in einer frühen Phase der Prospektion einsetzen. Die detektierten Methangasblasen im Wasser geben einen ersten Hinweis darauf, dass sich im Sediment Methanhydrate befinden.
3.11 > Bei der 3-D-Seismik werden mehrere parallele Streamerketten hinter dem Schiff hergezogen. Da die Empfänger jeweils leicht versetzt aus unterschiedlichen Winkeln Signale vom Meeresboden empfangen, ergibt sich insgesamt ein räumliches Bild des Bodens.
Abb. 3.11 > Bei der 3-D-Seismik werden mehrere parallele Streamerketten hinter dem Schiff hergezogen. Da die Empfänger jeweils leicht versetzt aus unterschiedlichen Winkeln Signale vom Meeresboden empfangen, ergibt sich insgesamt ein räumliches Bild des Bodens. © Geometrics/Craig Lippus/VP Seismic Division
METHANSENSOR: Lange Zeit gab es kein Messverfahren, mit dem sich die Methankonzentration direkt im Meerwasser bestimmen ließ. Forscher mussten Wasserproben aus verschiedenen Meerestiefen an Bord ziehen und im Labor untersuchen. Seit Kurzem aber ist ein versenkbares Minilabor von der Größe einer Tapetenrolle auf dem Markt. Dieses saugt das Meerwasser ein und ermittelt die Methankonzentration direkt im Meer. Die Messdaten werden über ein Kabel zum Schiff übertragen. Der Sensor ergänzt das Fächerecholot, weil er die Methankonzentration in der Tiefe sehr viel genauer bestimmen kann.

MEHRKANALSEISMIK: Bei seismischen Verfahren werden mit Airguns (Luftpulser) akustische Wellen erzeugt, die in den Meeresboden eindringen und dort von verschiedenen Schichten unterschiedlich stark reflektiert oder gebrochen werden. Empfänger, die an einem hinter dem Schiff hergezogenen, häufig mehrere Kilometer langen Messkabel montiert sind, sogenannte Streamer, nehmen die reflektierten Wellen auf. Die Daten aller Empfänger (Kanäle) werden dann zu einem Abbild des Meeresbodens verrechnet. Sind Abstände von 12 Metern bei der Anordnung der Empfänger in der Öl- und Gasprospektion durchaus ausreichend, so wurden für die Suche nach Methanhydratvorkommen Streamer entwickelt, in denen die Empfänger nur 1,5 Meter Abstand haben. Diese sorgen für eine höhere Auflösung und ermöglichen es, den Meeresboden in einem feineren Raster abzubilden. Auch die Mehrkanalseismik wird in der frühen Phase der Prospektion eingesetzt. Mit ihr lässt sich unter anderem der Bottom Simulating Reflector (BSR, den Meeresboden simulierender Reflektor) aufspüren. Dabei handelt es sich um eine starke Reflexion der akustischen Wellen, die im seismischen Bild als auffällige helle Schicht zu erkennen ist. Dieser Effekt tritt in verschiedenen Typen von Sedimenten auf. Im Fall der Methanhydrate wird die starke Reflexion durch freies Methangas unterhalb der Gashydratstabilitätszone erzeugt. HIer ist die Temperatur zu hoch, als dass sich Methanhydrat bilden könnte. Deshalb sammelt sich dort Methangas, das aus den Tiefen des Sediments aufsteigt. Da es eine sehr viel geringere Dichte als das Methanhydrat beziehungsweise das umgebende Sediment hat, hebt es sich in den seismischen Bilddaten als BSR deutlich von den anderen Schichten ab.
3.12 > Bei der Mehrkanalseismik erzeugen Airguns (Luftpulser) Schallwellen, die im Meeresboden an verschiedenen Schichten unterschiedlich reflektiert werden. Die Reflexionen werden von Empfängern wahrgenommen, die am Meeresboden verankert sind (Bodenseismometer) oder an einer Messkette (Streamer) hinter einem Schiff hergezogen werden. Mit tief geschleppten Streamern lassen sich seismische Bilder mit besonders hoher Auflösung gewinnen.
Abb. 3.12 > Bei der Mehrkanalseismik erzeugen Airguns (Luftpulser) Schallwellen, die im Meeresboden an verschiedenen Schichten unterschiedlich reflektiert werden. Die Reflexionen werden von Empfängern wahrgenommen, die am Meeresboden verankert sind (Bodenseismometer) oder an einer Messkette (Streamer) hinter einem Schiff hergezogen werden. Mit tief geschleppten Streamern lassen sich seismische Bilder mit besonders hoher Auflösung gewinnen. © Geomar
TIEF GESCHLEPPTE STREAMER: Um eine höhere Auflösung des seismischen Bildes zu erreichen, kann man Streamer auch in einem geringeren Abstand zum Meeresboden durchs Wasser ziehen, beispielsweise 100 Meter über dem Meeresboden. Der Vorteil: Durch die Nähe zum Boden haben die Streamer einen Weitwinkelblick in den Boden. Dadurch können sie sogar schräg unter harte Bakterienkrusten blicken, die sich auf natürliche Weise in manchen Meeresgebieten bilden. Solche bakteriellen Krus­ten sind für seismische Wellen für gewöhnlich undurchdringlich.

3-D-SEISMIK: Sobald es erste Anzeichen auf mögliche Methanhydratvorkommen gibt, setzt man Systeme ein, mit denen man die Tiefe und Breite der Lagerstätten im Meeresboden dreidimensional erfassen kann. Bei diesen 3-D-Systemen schleppt man mehrere parallel angeordnete Streamer hinter dem Schiff her. Da die einzelnen Streamerketten aus leicht unterschiedlichen Winkeln in den Meeresboden blicken, liefern sie in der Summe einen räumlichen Eindruck. Die Auflösung der Systeme, die in den vergangenen 5 Jahren entwickelt wurden, ist beachtlich: Sie bilden den Meeresboden bis in eine Tiefe von 500 Metern in einem 3-mal-3-Meter-Raster ab. Damit lässt sich eine Lagerstätte wie eine große Blase abbilden. Mit solchen 3-D-Verfahren lassen sich darüber hinaus sowohl Brüche in der Lagerstätte erkennen, durch die Methan austreten kann, als auch große Methangasblasen in der Nähe solcher Brüche detektieren. Außerdem liefert die 3-D-Seismik wichtige Informationen darüber, wo es sich lohnt, während der späteren Explorationsphase Bodenproben zu nehmen.

... dann die Erforschung

Durch die Prospektion wird zunächst geklärt, ob in einem bestimmten Gebiet überhaupt Methanhydratlagerstätten existieren. Ist man fündig geworden, beginnt die Exploration, die genaue Untersuchung dieser Meeresgebiete. Mit Explorationsmethoden kann man recht gut abschätzen, wie viel Methan oder Methanhydrat in einer Lagerstätte vorhanden ist. Folgende Verfahren und Hilfsmittel werden derzeit für die Exploration der Methanhydrate eingesetzt:

BOHRKERNE: Eine klassische Methode für die Exploration von Bodenschätzen ist die Entnahme von Bohrkernen. Von einem Forschungsschiff aus werden mit einem Bohrgestänge aus einer Sedimenttiefe von vielen Hundert Metern Bohrkerne entnommen. Diese langen Bohrkerne von der Dicke einer Dachrinne werden an Bord des Forschungsschiffs in mehrere Meter lange Abschnitte zerteilt und später im Labor an Land auf Einschlüsse von Methanhydraten untersucht. Mit speziellen druckregulierten Bohrgeräten, die hohe Drücke aufrechterhalten können, wenn die Methanhydratprobe nach oben gefördert wird, kann verhindert werden, dass sich das Methanhydrat zersetzt, bevor man den Bohrkern analysieren kann.

OZEANBODENSEISMOMETER: Ozeanbodenseismometer (OBS) arbeiten wie herkömmliche Seismometer. Die Empfänger befinden sich aber nicht in einem Streamer, sondern sitzen auf dem Meeresboden. Dadurch können größere Beobachtungsreichweiten erzielt werden. Schallwellen durchwandern Strukturen mit verschiedenen Dichten unterschiedlich schnell. In dichten Strukturen wie etwa Methanhydraten werden die Wellen beschleunigt. Weniger dichte Strukturen wie etwa schlammiges Sediment oder Gasblasen hingegen werden von den Wellen langsamer durchwandert. Aus den Verzögerungen der reflektierten Wellen errechnet das Bodenseismometer­system ein Abbild des Meeresbodens. Da die Geräte eine größere Reichweite erfassen als ein Streamer können sie Signale aus größerer Tiefe aufnehmen. Der Rekord liegt derzeit bei 12 Kilometern. Bodenseismometer sollen 2014 vor Korea zum Einsatz kommen.
Abb. 3.13 > Methan- hydratbrocken in einem Bohrkern © Anonymous/picture alliance/ASSOCIATED PRESS 3.13 > Methan­hydrat­brocken in einem Bohrkern
ELEKTROMAGNETIK: Seit gut 10 Jahren werden in der Gas- und Ölindustrie auch elektromagnetische Systeme eingesetzt. Diese senden wie die Antenne eines Rundfunksenders elektromagnetische Impulse aus. Ähnlich wie die Schallwellen beim Bodenseismometer werden die elektromagnetischen Signale von verschiedenen Bodenstrukturen unterschiedlich stark verändert. Das physikalische Prinzip ist aber ein anderes. Das System macht sich zunutze, dass verschiedene Substanzen elektromagnetische Impulse unterschiedlich gut leiten. Schlecht leitende Substanzen erzeugen einen Widerstand. Flüssigkeiten wie zum Beispiel Wasser hingegen leiten sehr gut. Diese unterschiedlichen Widerstände beziehungsweise Leitfähigkeiten im Boden nimmt das System sehr genau wahr. Mit elektromagnetischen Verfahren lässt sich daher exakt feststellen, wie viel Methangas frei im Sediment unterhalb der GHSZ oder in den Hydraten enthalten ist. Doch die Methode hat auch Nachteile. Erstens breitet sich die elektromagnetische Welle, anders als der gerichtete Knall von Airguns, kreisförmig aus. Die Leitfähigkeitsmesswerte und damit auch die Methanvorkommen lassen sich daher nur schlecht lokalisieren. Zudem werden die elektromagnetischen Impulse schnell abgeschwächt. Sie können nicht so tief in den Meeresboden eindringen wie Schallwellen. In den vergangenen 5 Jahren wurde deshalb ein mathematisches Verfahren entwickelt, das Elektromagnetik und Seismik miteinander verknüpft. Dieses sogenannte Joint-Inversion-Verfahren nutzt damit die Stärken beider Verfahren: die sehr gute räumliche Auflösung des Bodenseismometers und die präzisen Leitfähigkeitsmesswerte der elektromagnetischen Systeme, die Aufschluss über den Methangehalt geben. Dank Joint-In­version lassen sich Methanhydratlagerstätten damit sehr viel besser als bisher einschätzen. Vor Taiwan soll das Joint-Inversion-Verfahren 2014 zum Einsatz kommen, um die Bildung von Gashydraten zu erforschen. Diese Insel ist besonders interessant, weil sie sich an einer Subduktionszone befindet, in der methanhaltiges Wasser aus dem Sediment gepresst wird. Bis heute ist noch ungeklärt, wie groß die Menge an Methan ist, die in den Subduktionszonen frei wird. Das erschwert die Abschätzung der weltweiten Hydratmengen. Eine genaue Analyse der Subduktionszonen vor Taiwan und der Methanmengen, die dort freigesetzt werden, könnte dabei helfen, die Vorkommen künftig genauer zu berechnen. Textende
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