Ölsuche mit Nanowerkzeugen

Neuartige Hightech-Helfer sollen den Energiekonzernen ermöglichen, bestehende Lagerstätten besser auszubeuten. Sieben Unternehmen haben dazu extra das "Advanced Energy Consortium", kurz AEC, gebildet, zu dem auch Halliburton Energy Services, BP America und ConocoPhilips gehören. Der Forschungsetat liegt bei insgesamt 21 Millionen Dollar. Das Ziel ist die Entwicklung von Geräten im Mikro- und Nanomaßstab, die sich unterirdisch sowohl zum Auffinden von kohlenwasserstoffhaltigen Energieträgern als auch zu ihrer verbesserten Extraktion nutzen lassen.

"Das hat lange auf sich warten lassen", sagt Wade Adams, Direktor des "Richard E. Smalley Institute for Nanoscale Science and Technology" an der Rice University in Houston, einem technischen Partner des Konsortiums. Das sei das erste Mal, dass Energiekonzerne zusammengekommen seien, um Forschung in diesem Bereich gemeinsam zu finanzieren. "Das ist eine ganz große Sache."

Derzeit ist die Ausbeutung von Öl- und Gaslagern keineswegs effizient – selbst mit den besten Technologien lassen sich oftmals nur rund 40 Prozent der wertvollen Brennstoffe aus dem Boden ziehen. Mit neuen Sensoren, die in die Vorkommen direkt eingeführt werden könnten, soll es nun möglich sein, die Lagerstätten genauestens in 3D zu kartografieren, die Entnahmemengen so zu steigern und die Auswirkungen auf die Umwelt gleichzeitig zu minimieren.

Die Investition, die rund einer Million Dollar pro Jahr von jedem teilnehmenden Unternehmen über einen Zeitraum von 36 Monaten entspricht, gilt als "sehr gutes Zeichen", wie Kris Pister, Professor für Elektrotechnik und Informatik an der University of California in Berkeley, meint, der schon seit mehreren Jahren Sensoren entwickelt, die auch unter dem Namen "Smart Dust" bekannt sind. Die Energiekonzerne verstünden inzwischen das Potenzial solch verteilter Technologien.

Pister sieht einige Indizien dafür, dass der Plan den Ölsuchern auch wirklich helfen könnte. Die geplanten Sensornetze werden immer intelligenter und besitzen inzwischen sogar ihren eigenen Drahtlos-Standard, das so genannte HART-Verfahren ("Highway Adressable Remote Transducer").

Momentan werden Ort und Größe der Vorkommen noch mit seismischen Methoden ermittelt – oder mit schlichten Probebohrungen. "Dabei bekommt man verhältnismäßig wenig Informationen", sagt Adams. Die seismische Auflösung sei eingeschränkt, egal ob man sie ober- oder unterirdisch anwende. Das Anbohren ist noch ungenauer.

Das ist deswegen problematisch, weil die meisten Öl- und Gaslagerstätten keineswegs aus großen unterirdischen Höhlen bestehen, die man wie eine Wasserquelle anzapfen könnte. Sie bilden sich in porösen Gesteinsformationen, die wie geologische Schwämme wirken, die unter hohem Druck stehen, wie Scott Tinker, Direktor des AEC und Geologe des Bundesstaates Texas, sagt. "Diese Poren sind sehr klein." Sie könnten zwischen einem und zehn Mikrometern im Durchmesser haben. Aufgrund dieser Größe kommt es anfangs durch den hohen Druck zwar zu guten Abpumpmengen, doch wenn dieser aber nachlässt, sorgen die Poren dafür, dass der Öl- und Gasfluss durch das Gestein behindert wird. "Es kann ganz schön viel Arbeit kosten, das Öl aus dem Gestein zu holen", sagt Tinker.

Benötigt wird deshalb eine Methode, mit der die Porenstruktur und die Hohlräume zwischen den Formationen dargestellt werden können. Um das zu erreichen, sind Sensoren notwendig, die kleiner sind als die Poren. Das Ziel der AEC-Forschung sind deshalb Mikro- oder Nanosensoren, die nicht nur durch die Poren hindurchpassen, sondern ein vermaschtes Netzwerk bilden können, um detaillierte 3D-Karten der Gesteinsformationen zu schaffen.

Eine weitere Möglichkeit bei kleineren Poren ist die Verwendung magnetischer Nanopartikel, um die Messung an der Oberfläche genauer zu machen, meint Adams. Dazu würden die Partikel in die Gesteinsformation gepumpt und anschließend gemessen, welche Unterschiede sich im Magnetfeld ergeben. Die Forscher glauben, dass die Nanopartikel auch bei der Entnahme der Rohstoffe helfen könnten. "Das Problem ist, dass das Öl in den Poren an den Wänden klebt." Selbst unter Hochdruck eingeblasener Dampf hilft da kaum. Mit den richtigen Nanopartikeln wäre es hingegen möglich, die Kohlenwasserstoffatome abzulösen, hoffen die Wissenschaftler.

Trotz des Potenzials der Nanotechnologie in ihrem Bereich hat sich die Energiewirtschaft bislang wenig für die Forschung interessiert. Der hohe Ölpreis sorgt nun dafür, dass sich das ändert, meint Adams. "Alle großen Lagerstätten wurden angebohrt, und die meisten Felder leeren sich. Billiges und leicht zugängliches Öl wird immer seltener", sagt er. Pister sieht das ähnlich: "Eine riesige Investitionsmenge floss bereits in die traditionellen Fördertechniken." Doch bei den bestehenden Quellen käme man nun an seine Grenzen. "Die sind eigentlich schon so trocken, wie sie nur sein können."

Bis die Technologie so weit ist, müssen allerdings noch einige Probleme aus dem Weg geräumt werden. Noch weiß man wenig darüber, wie sich das Nanomaterial durch das poröse Gestein bewegt. Zudem existieren noch keine Standardpartikel, die sich für hohe Temperaturen, hohen Druck und chemische Extrembedingungen eignen. Und dennoch: Der mögliche Gewinn bei der Technik ist so groß, dass Forscher unbedingt eine Lösung finden wollen. (bsc)