Mikrobielle Kohlenwasserstoffbildung und -abbau. Forschung im Bereich Energierohstoffe

Land / Region: überregional

Projektanfang: 01.01.2004

Projektende: 31.12.2020

Projektstand: 28.04.2016

• Forschungsergebnisse 2004 – 2016
• Ausblick

Die mikrobielle Bildung sowie der Abbau von Kohlenwasserstoffen werden im Hinblick auf eine geobiotechnische Umwandlung und Förderung von Energierohstoffen untersucht. Im Mittelpunkt stehen die mikrobielle Methanbildung in Lagerstätten, der anaerobe Abbau höherer Kohlenwasserstoffe in verschiedenen Geosystemen (Geomikrobiologie) und die Methanoxidation. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Untersuchung der Potentiale zum mikrobiellen Abbau von Kohlenwasserstoffen in arktischen Sedimenten (PANORAMA: Potenzialanalyse des Europäischen Nordmeeres und angrenzender Randmeere der Arktis). Mikrobiologische Begleituntersuchungen zur Nutzung des geologischen Untergrundes (Geothermie, Gasspeicherung) sind ein weiteres Thema.

Beprobung von Tiefsee-Sedimenten mit Multicorer - Ausfahrt Panorama-2 Barentssee Quelle: BGR

Deutschland besitzt eine hohe Abhängigkeit von Importen an Energierohstoffen, weshalb der Forschung an heimischen Lagerstätten eine große Bedeutung beizumessen ist. Selbst mit den besten derzeit verfügbaren Fördermethoden kann nur ca. 30-40% des vorhandenen Rohöls aus den Lagerstätten gefördert werden. Der größte Teil des Öls bleibt in einem Mehrphasenmischsystem in der Lagerstätte zurück. Schon seit etwa 20 Jahren ist durch isotopenchemische Untersuchungen bekannt, dass Methan in Kohle- und Erdöllagerstätten biologisch gebildet wird. Die Kohlenstoffquelle für das Methan sind Kohlenwasserstoffe, welche von anaeroben Mikroorganismen in Abwesenheit von Sauerstoff zu Methan umgesetzt werden. Die Aufklärung dieses Abbauprozesses und seiner biogeochemischen Randbedingungen ist von großer wirtschaftlicher und gesellschaftlicher Bedeutung. Die Umwandlung von Anteilen des nicht förderbaren Öls durch ein entsprechendes kostengünstiges, geobiotechnisches Verfahren in leicht zu förderndes Methan würde eine sehr ergiebige, und zudem umweltschonende Energieressource bereitstellen.

Forschungsergebnisse 2004 – 2016

Etwa 7% der jährlichen globalen Methanemissionen stammen aus dem Steinkohlebergbau. In enger Kooperation mit industriellen Partnern und Forschungseinrichtungen hat die BGR über einen längeren Zeitraum die zur Stromerzeugung eingesetzten Grubengase aus deutschen Kohlebergwerken geochemisch untersucht. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass mikrobielles Methan einen wesentlichen Anteil an den kontrollierten und unkontrollierten Gasaustritten im Ruhrbecken hat. Das Methan stammt je nach Standort zu etwa 38 bis 90% aus mikrobieller Produktion (Thielemann et al. 2004). Ein Schwerpunkt in diesem Zusammenhang war die Bestimmung des Ausmaßes rezent durch Mikroorganismen gebildeten Methans in Gas-, Kohle- und Öllagerstätten, sowie die Untersuchung beteiligter Organismen. Dies sollte zu verlässlichen Aussagen hinsichtlich einer möglichen wirtschaftlichen Nutzung dieses Prozesses führen.

Hochdruckreaktor zur Untersuchung des mikrobiellen KW Abbaus unter arktischen Tiefsee Bedingungen Quelle: BGR

Ähnliche Beobachtungen werden weltweit an Erdöllagerstätten gemacht. Mit mikrobiologisch ausgerichteten Forschungsarbeiten wurden Untersuchungen über Diversität, Verbreitung und Lebensbedingungen der in Proben aus Kohle- und Erdöllagerstätten nachgewiesenen methanbildenden Mikroorganismen durchgeführt und Gasbildungsraten quantifiziert. Weiterhin wurden in zwei DFG-finanzierten Projekten an diesen Vorgängen beteiligte mikrobielle Prozesse und Organismen zur Vorhersage vom Degradationsgrad bestimmter Lagerstätten für die Explorationsindustrie untersucht.

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Ausblick

Der anaerobe Abbau von Kohlenwasserstoffen in tiefen Erdöllagerstätten durch Mikroorganismen zu Methan hat neben der wissenschaftlichen große wirtschaftliche und gesellschaftliche Bedeutung durch die Beeinflussung der Ölqualität. Daher werden in Proben aus unterschiedlichen geologischen Systemen (u. A. Erdöl- und Erdgaslagerstätten, Schlammvulkane, marine Sedimente) an diesen Vorgängen beteiligte mikrobielle Prozesse und Organismen zur besseren Beurteilung von Lagerstätten untersucht. Ferner soll untersucht werden, ob und wie man diese oder andere indigene Mikroorganismen und deren Eigenschaften, wie z. B. die Bildung von Gasen, Säuren, Biofilmen oder oberflächenaktiven Substanzen in Öllagerstätten stimulieren und damit die Ausbeute an fossilen Brennstoffen signifikant steigern kann (MEOR).

Probenahme untertage in stillgelegten Grubenanlagen im Ruhrgebiet Quelle: BGR

Einer neuer Schwerpunkt der Arbeiten im AB Geomikrobiologie liegt in der Untersuchung der KW-Mikrobiologie nördlicher Frontiergebiete (Projekt PANORAMA: Potenzialanalyse des Europäischen Nordmeeres und angrenzender Randmeere der Arktis). Zurzeit herrscht große Unsicherheit bezüglich der Umweltauswirkungen in Zusammenhang mit der fortschreitenden wirtschaftlichen Entwicklung der Arktis. Daher ist es dringend erforderlich, die KW-abbauenden Mikrobiozönosen in den verschiedenen sedimentären Lebensräumen der nördlichen Frontiergebiete, deren Lebensbedingungen und die potentiellen Abbauraten im Labor unter in situ nahen Bedingungen zu untersuchen. Diese Forschung dient zur besseren Einschätzung der Risiken und zur Entwicklung nachhaltiger Maßnahmen der Frontiergebiet-Exploration.

Literatur:

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