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Naturwunder aus dem Wald Ein Pilz hilft bei der Erdölförderung

Die Natur Unser Vorbild

Lernen von der Natur - das lohnt sich. Denn was die Forschung heute an Lösungen für technische Herausforderungen entwickelt, hat die Natur oft schon vorgemacht. Ein bekanntes Beispiel ist der Lotuseffekt, das Abperlen von Wasser und Schmutz an bestimmten Oberflächen. Ein Phänomen, das bei der Lotuspflanze zu beobachten ist und heute unter anderem bei der Herstellung von Waschbecken genutzt wird.

 

Dass man sich die Natur für technische Innovationen zunutze machen kann, hat auch Wintershall erkannt. Derzeit wird eine umweltschonende Technologie entwickelt, mit der sich der Entölungsgrad einer Lagerstätte deutlich verbessern könnte. Die Natur spielt dabei die entscheidende Rolle.

Toter Baum? Neues Leben!

Im Zentrum des derzeit größten Forschungsprojekts von Wintershall, an dem das Unternehmen gemeinsam mit der BASF arbeitet, steht ein einfacher Pilz: Der Pilz Schizophyllum commune.

Der "Gemeine Spaltblättling" ist in allen Wäldern der Erde an totem Laub- und Nadelholz wie umgestürzten Bäumen anzutreffen und sucht sich die sonnigsten und trockensten Stellen aus. Er ernährt sich im Wesentlichen von Sauerstoff und verschiedenen Kohlenstoffquellen, zum Beispiel Zucker. Im Laufe seines Wachstumsprozesses erzeugt er ein Biopolymer, ein biologisches Verdickungsmittel, das er unter anderem für den Aufbau seiner eigenen Zellwände benötigt.

Mit Schizophyllan mehr Erdöl fördern

Auf diese Art kann der Entölungsgrad einer Lagerstätte deutlich gesteigert werden - und das auch noch auf umweltverträgliche Weise. Dann das Biopolymer ist vollständig biologisch abbaubar. Doch wie wird Erdöl eigentlich gefördert und wie genau funktioniert Schizophyllan in der Lagerstätte?

 

Burkhard Ernst Gesamtprojektleiter Wintershall

Ein Projekt leiten, bei dem ein Pilz die Hauptfigur ist? Dieser Job passt hervorragend zu Burkhard Ernst.

Eine enge Beziehung zur Natur besitzt er schon seit Kindertagen – immerhin ist der Gesamtprojektleiter für das Pilz-Projekt auf einem Bauernhof aufgewachsen. Der gebürtige Niedersachse studierte Chemieingenieurwesen und promovierte in Bioverfahrenstechnik. Sieben Jahre lang arbeitete er bei BASF, davon fünf in der Forschung und Entwicklung für Verfahren der Biotechnologie. Seit dem Sommer 2013 trägt der erfahrene Projektmanager die Gesamtverantwortung für Wintershalls größtes Forschungsprojekt und hält alle Fäden in der Hand. Keine leichte Aufgabe – aber eine, die Spaß macht, sagt Ernst:

Ich bin Ingenieur geworden, um Gedanken und Pläne in die Realität umzusetzen. Genau das kann ich hier tun.

Burkhardt Ernst
Gesamtprojektleiter Wintershall

Wussten Sie es? Es gibt keinen Ölsee.

Den wichtigen Rohstoff aus der Erde zu holen, ist nicht so einfach. Denn Öl lagert nicht in unterirdischen Seen, die man leer pumpen kann. Vielmehr ist der kostbare Rohstoff meist zusammen mit Salzwasser in porösem Gestein wie Sand- oder Kalkstein eingeschlossen. Dieses ist wiederum durch undurchlässige Schichten wie Tonstein oder Salz abgedichtet. Das Öl muss mit hohem technischen Aufwand aus den Gesteinsporen gepresst und an die Oberfläche befördert werden.

Die erste Förderphase

In der ersten Phase der Produktion, der so genannten Primärförderung, strömt das Öl durch den natürlichen Lagerstättendruck quasi von allein an die Oberfläche – allerdings nur etwa zehn Prozent.

Mit traditioneller Pumptechnik, wie etwa den bekannten Pferdekopfpumpen, lassen sich je nach Lagerstätte weitere fünf bis zehn Prozent eines Vorkommens gewinnen.

Die zweite Förderphase

Danach tritt die Produktion in ihre zweite Phase. Während der Sekundärförderung wird über Injektionsbohrungen im Ölfeld zumeist Wasser in die Lagerstätte gepresst, um den abnehmenden Eigendruck der Lagerstätte aufrechtzuerhalten.

Auf diese Weise lassen sich noch einmal zehn bis 20 Prozent des Öls fördern. Bei rund 30 bis 40 Prozent ist in der Regel Schluss. Der Rest bleibt in den Gesteinsporen zurück.

Die dritte Förderphase

Um mehr Öl aus der Lagerstätte zu gewinnen, werden in der dritten Förderstufe, der Tertiärphase, Methoden der so genannten "Enhanced Oil Recovery" (EOR) - "verbesserte Ölgewinnung" - eingesetzt.

Der Entölungsgrad kann dank solcher Technologien, zu denen auch das Polymerfluten zählt, auf bis zu 50 Prozent steigen.

Schizophyllan im Einsatz Die Idee

In vielen Lagerstätten ist das Erdöl sehr viel zähflüssiger als das Wasser. Dies bedeutet, dass das flüssigere Wasser die Gesteinsporen sehr viel leichter durchfließen kann als das Erdöl. Anstatt nun das Erdöl - wie eigentlich gewünscht - vor sich her zu schieben, findet es mit der Zeit Wege, um sich zwischen den Öltröpfchen hindurch zu quetschen - und nimmt dabei immer weniger Erdöl mit.

Eine Möglichkeit, die Fördermenge von Öl zu erhöhen, besteht darin, die Beweglichkeit oder Mobilität von Wasser und Erdöl anzugleichen. Das passiert durch die Vermischung des Wassers mit einem Polymer wie Schizophyllan: Das Wasser wird dicker und drückt auf seinem Weg durch die Lagerstätte mehr Öl aus den Gesteinsporen heraus. Mit Hilfe von Schizophyllan könnte der Entölungsgrad je nach Lagerstätte künftig von rund 35 auf bis zu 45 Prozent gesteigert werden - ein gewaltiger Schritt.

Wie wird Schizophyllan produziert?

Es gibt verschiedene Arten von Polymeren. Bei synthetischen Polymeren werden die Molekül-Ketten in chemischen Reaktoren erzeugt. Ein Biopolymer hingegen entsteht in einem natürlichen biotechnischen Prozess - ähnlich wie beim Bierbrauen. Im Fall von Schizophyllan produziert der Pilz Schizophyllum commune die Molekül-Ketten selbst. Die gelartige Substanz Schizophyllan besteht insgesamt aus etwa 25.000 aneinander gereihten Zuckerbausteinen.

Um es für die Ölförderung nutzbar zu machen, stellt die BASF das Verdickungsmittel in einem aufwändigen Prozess exklusiv im Auftrag von Wintershall her. Dabei werden der Pilz und eine Zuckerlösung in einem Fermenter, einer Art Gärkessel, mehrere Tage gerührt und mit Sauerstoff belüftet.

Während dieses Prozesses produziert der Pilz das Biopolymer. Das entstandene Schizophyllan wird anschließend in mehreren Stufen vollständig vom Pilz getrennt und gereinigt. Wenn das Biopolymer im Ölfeld zur Anwendung kommt, ist der Pilz darin nicht mehr enthalten.

Gut für die Umwelt? Na klar!

Schizophyllan ist für die Erdölförderung ein echter Gewinn: Das Produkt ist zum einen extrem hitze- und salzresistent, bleibt also auch bei hoher Temperatur und Salzkonzentration in der Öllagerstätte wirksam. Ein großer Vorteil, verfügt doch die Hälfte aller Lagerstätten weltweit über diese Eigenschaften.

Mindestens ebenso wichtig ist, dass Schizophyllan äußerst schonend für die Umwelt ist. Denn das Biopolymer ist vollständig biologisch abbaubar - ein echtes Naturprodukt.

In anderen Teilen der Welt hat man das längst erkannt: so wird Schizophyllan in Südamerika als Nahrungsergänzungsmittel und in Asien sogar medizinisch zur Stärkung des Immunsystems eingesetzt.

Dank seiner hervorragenden Umweltverträglichkeit kann das biologische Produkt in der Erdölförderung sogar in hochsensiblen Ökosystemen wie dem Meer eingesetzt werden. Das ist insbesondere in Ländern wie Norwegen von Vorteil.

Optimales Umfeld

Bakterien von dem Polymer fernzuhalten, ist auch in der eigentlichen Produktion eine Herausforderung. Um das Biopolymer in der gewünschten Menge und Qualität bereitzustellen, muss der Produktionsprozess reibungslos und ohne jede Störung von fremden Organismen laufen. Bei der BASF in Ludwigshafen findet die Produktion des Polymers deshalb unter Hygienestandards statt, die denen der Lebensmitteltechnik entsprechen - und diese zum Teil sogar übertreffen.

 

Florian Lehr Forschungsprojektleiter BASF

Das „große Ganze“ hat Florian Lehr schon immer interessiert. Dieser Aufgabe kann sich der Chemie- und Bioverfahrensingenieur nun widmen: Als Koordinator für alles, was in Ludwigshafen rund um die neue Wintershall-Technologie passiert, muss er stets den Überblick behalten. Seit 2011 arbeitet Lehr bei BASF, von Anfang an hatte er mit dem Pilz zu tun. Seine Aufgabe: die Fermentation, den zentralen Teil des Produktionsprozesses, effizienter zu gestalten.

Seit August 2013 ist Florian Lehr nun für die Forschung und Entwicklung aller Produktionsschritte verantwortlich. Mit das Spannendste daran: „Vom Molekularbiologen bis zum Verfahrensingenieur sind alle Bereiche in meinem Team vertreten.

Ich bin eine Art Dolmetscher und sorge dafür, dass die verschiedenen Disziplinen sich untereinander verstehen.

Florian Lehr
Forschungsprojektleiter BASF

Der Test in der Lagerstätte

Nach mehrjähriger Forschung in BASF Laboren testet Wintershall das Biopolymer seit Dezember 2012 erstmals in einem Ölfeld, um es auf seine Eignung für die verbesserte Ölförderung zu überprüfen.

Für diesen Feldversuch wurde das norddeutsche Erdölfeld Bockstedt im Landkreis Diepholz ausgewählt.

Die Erdölförderung in Bockstedt und in den benachbarten Erdölfeldern Aldorf und Düste hat eine lange Tradition. Seit den 1950er Jahren wird hier das heimische Erdöl aus dem Boden geholt. Bereits im Jahr 1958 konnte die millionste Tonne Erdöl in der Region gefördert werden. Ein Jahr später wurde das Arbeitsgebiet durch die Entdeckung der Gasvorkommen in Eydelstedt auf die Gasförderung erweitert.

Die Premiere Wintershall testet Schizophyllan im Feld

Das Prinzip des ersten Praxistests in Bockstedt ist einfach: Das Biopolymer wird mit Lagerstättenwasser gemischt, in die Ölformation gepumpt und soll mehr Öl zutage fördern. Die technischen Abläufe, die dahinter stecken, sind jedoch sehr komplex. Weitere Tests im In- und Ausland sind geplant. 

Test in einer Bohrung

Nach zweijähriger kontinuierlicher Injektion wird Schizophyllan zurzeit in kurzen, aufeinanderfolgenden Tests ins Bohrloch injiziert. Dabei wird die Biopolymerlösung nur über einen kurzen Zeitraum von ein paar Tagen in eine einzige Bohrung gepumpt und dann wieder aus derselben Bohrung zurückgefördert. Diesen Modus nennt man Huff’n’Puff. So sollen zusätzlich Eigenschaften und Verhaltensweisen des Biopolymers getestet werden, die sich durch die bisherige Injektion von Schizophyllan nur bedingt ermitteln lassen.

Die Dauer

Bis 2017 wird das Gemisch aus Lagerstättenwasser und Schizophyllan voraussichtlich im Ölfeld Bockstedt getestet.  Nach Abschluss der kurzzeitigen Huff’n’Puff-Tests ist geplant, eine kontinuierliche Injektion der Biopolymerlösung wieder aufzunehmen.

Der Transport

Spezielle Tankwagen transportieren das Biopolymer von der Produktionsanlage in Ludwigshafen nach Bockstedt.

Die Herausforderung

Tief im Erdinneren müssen sich die Experten einigen Herausforderungen stellen: Zunächst muss das Biopolymer unbeschadet in einige tausend Meter Tiefe transportiert werden. Unten angekommen, herrschen dort sehr hohe Temperaturen, denen das Biopolymer standhalten muss - und die tiefen Erdschichten sind sehr salzhaltig. Eine Erdölförderung mit Polymeren ist nicht neu; allerdings sind viele synthetische Polymere nicht biologisch abbaubar, was ihren Einsatz zum Beispiel in der norwegischen Nordsee unmöglich macht.

Unsere Lösung

Unsere Lösung heißt Schizophyllan. Das Biopolymer bringt hervorragende Eigenschaften für den Einsatz in der Erdölförderung mit. So lässt es sich zum Beispiel weder von großer Hitze noch von viel Salz in der Lagerstätte beeindrucken. Doch ein paar Herausforderungen müssen auch bei diesem Produkt überwunden werden: da Schizophyllan ein Bioprodukt und biologisch abbaubar ist, ist es anfällig für den Angriff von Keimen. Um es vor ihnen zu schützen, wird ein Konservierungsmittel zugesetzt, das auch bei der Papierherstellung und in der Wasserkonditionierung für Kühl- und Warmwasser verwendet wird. Es wird vollständig verbraucht, während das Biopolymer-Wasser-Gemisch das poröse Gestein der Erdöllagerstätte durchfließt.

Das Biopolymer in 3D

Im Molekül liegt das Geheimnis: Die Stabilität des Biopolymers Schizophyllan zeigt eindrucksvoll unser 3D-Modell, das Sie mit ihrer Maus "anfassen" und drehen können. Mit einer anaglyphen 3D-Brille erfahren Sie das Schizophyllan-Molekül besonders eindrucksvoll.

 

Alexander Steigerwald Feldtestleiter, Wintershall Deutschland

Er wacht über den ersten Praxistest: Alexander Steigerwald ist Betriebsleiter für die norddeutsche Öl- und Gasproduktion von Wintershall.

In dieser Eigenschaft verantwortet er den Feldtest in Bockstedt, wo die neue Technologie seit Dezember 2012 erstmals im Ölfeld eingesetzt wird. Der Bergbauingenieur hat sein ganzes Berufsleben in der Öl- und Gasindustrie verbracht.

Seit sieben Jahren arbeitet Alexander Steigerwald bei Wintershall. Vier Jahre davon trotzte er in Nowy Urengoi für das Gemeinschaftsprojekt Achimgaz der sibirischen Kälte. Unter der Fülle seiner Aufgaben im niedersächsischen Barnstorf sticht der Feldtest heraus, gibt Steigerwald zu:

Die Hoffnungen und Erwartungen sind groß – auch international. Denn wir sind die ersten, die mit einer solchen Technologie je so weit gekommen sind.

Alexander Steigerwald
Feldtestleiter, Wintershall Deutschland

Zahlen und Fakten

Fragen an die Experten Das Projektteam von Schizophyllan steht Rede und Antwort:

Das Biopolymer wird von einem Pilz namens Schizophyllum commune hergestellt. Wenn er Zucker und Sauerstoff zu sich nimmt, erzeugt der Pilz ein vollständig biologisches Verdickungsmittel – das Biopolymer Schizophyllan.

Florian Lehr
Forschungsprojektleiter BASF

Die BASF stellt das Verdickungsmittel in einem aufwändigen Prozess exklusiv im Auftrag von Wintershall her. Pilz und Zuckerlösung gehen zunächst in den Fermenter, ein Gefäß, das technisch den Gärkesseln beim Bierbrauen ähnelt.

In diesem Fall soll der Pilz die Zuckerlösung aber nicht vergären: Beides wird mehrere Tage im Fermenter gerührt und mit Sauerstoff belüftet. Dabei produziert der Pilz das Biopolymer. Die entstandene Mischung wird anschließend in mehreren Schritten filtriert, um das Schizophyllan vom Pilz zu trennen.

Wenn das Biopolymer im Feldversuch zur Anwendung kommt, ist darin somit der Pilz nicht mehr enthalten.

Speziell dafür umgerüstete Tankwagen der Firma Lanfer Logistik transportieren das Biopolymer von der Produktionsanlage in Ludwigshafen nach Bockstedt und lagern es auf dem Betriebsplatz. Drei dieser Wagen sind in der Regel vor Ort.

Knapp 1 Prozent Schizophyllan sind in der sogenannten Stammlösung enthalten, die nach Bockstedt gebracht wird.

Florian Lehr
Forschungsprojektleiter BASF

Mitarbeiter von Wintershall entdeckten bereits in den 80er-Jahren, dass der Pilz ein Biopolymer produziert, das sich für die verbesserte Ölförderung (Enhanced Oil Recovery – EOR) hervorragend einsetzen lässt.

Burkhard Ernst
Gesamtprojektleiter Wintershall

Vor ein paar Jahren entschloss sich das Unternehmen dann, das Projekt zu neuem Leben zu erwecken. Aber den Kollegen war klar: Um diese Technologie bis zur Marktreife zu entwickeln, ist ein starker Partner nötig. Und was lag da näher, als den Mutterkonzern BASF ins Boot zu holen? Gemeinsam haben Wintershall und BASF den Pilz und das Polymer jahrelang umfangreich erforscht. Seit Dezember 2012 wird Schizophyllan erstmals im Ölfeld getestet.

Die Erdölförderung mit Schizophyllan ist absolut umweltschonend.

Burkhard Ernst
Gesamtprojektleiter Wintershall

So hat der Feldtest mit dem biologisch abbaubaren Polymer zum Beispiel keinerlei Auswirkungen auf das Trinkwasser. Das Polymer wird in einer Tiefe von 1.300 Metern eingesetzt, wo sich das Öl zusammen mit dem Salzwasser in den Gesteinsporen befindet. Weder das Polymer, noch das Öl oder das Salzwasser kommen mit dem Trinkwasser in Berührung. Der Grund: die geologische Schicht, in der das Erdöl und das Salzwasser lagern, ist von unseren Trinkwasserschichten durch viele undurchlässige Gesteinsschichten abgetrennt, die schon seit Millionen von Jahren existieren. Sie bestehen unter anderem aus Tonstein oder Anhydrid, einem Verwandten von Gips. Ein Stoff, der in 1300 Metern Tiefe eingebracht wird, kann also nicht in die deutlich höher gelegenen Trinkwasserebenen gelangen. In Bockstedt liegt das Trinkwasser in einer Tiefe von maximal 50 Metern.

Das geförderte Gemisch aus Öl, Lagerstättenwasser und Biopolymer ...

Alexander Steigerwald
Feldtestleiter, Wintershall Deutschland

... wird von Bockstedt zum nahe gelegenen Wintershall-Standort Barnstorf transportiert. Dort werden die Komponenten im so genannten Separator voneinander getrennt.

Sie haben auch Fragen zu Schizophyllan, der EOR-Technik oder dem Polymerfluten? Schicken Sie uns eine E-Mail: biopolymer[at]wintershall.com