Carbon Footprint Analysis of Source Water for Hydraulic Fracturing: A Case Study of Mine Water Versus Freshwater

Abstract

In the face of climate change, less carbon intensive fuels are being sought. Natural gas has been perceived as a transition fuel, producing less CO₂ when burned than coal, but it is not a renewable resource. Hydrocarbon-rich shale formations contain natural gas, natural gas condensate, and oil production potential, and the extraction of these compounds has allowed the USA to become one of the largest global producers of natural gas. Horizontal drilling and hydraulic fracturing are used to extract the shale gas, but hydraulic fracturing of one well typically requires between 7 and 19 million L of water. One option being explored is the use of treated mine water as an alternative to freshwater. The Marcellus and Utica shale formations underlie much of the eastern USA, and the Utica Shale is being pursued for its high natural gas potential in eastern Ohio. Permits for wells are being approved, but concerns about the water source for hydraulic fracturing fluid are increasing. We analyzed the carbon footprints of three different water sources: treated mine water from Corning, Ohio, freshwater from the Ohio River, and freshwater from Seneca Lake near the well site. CO₂ emissions for each source were calculated during pumping, transportation, and treatment of the water for a one-time well use and annual use. The primary productivity increase that occurred after removal of mine discharge or reduction due to extraction from freshwater sources was also calculated. Annually, using treated mine water would emit 110,000 t of CO₂-e (CO₂ equivalent) if trucked to a treatment plant or 90,000 t of CO₂-e if treated on-site, while using water from the Ohio River would emit 2,000 t of CO₂-e, and using water from Seneca Lake would emit 4,500 t of CO₂-e, annually. Of course, decreasing the amount of unpolluted freshwater used has other environmental benefits.

Zusammenfassung

Im Angesicht des Klimawandels werden Brennstoffe geringerer Kohlenstoffintensität gesucht. Erdgas wurde als Übergangsbrennstoff wahrgenommen, weil es weniger CO₂ produziert als Kohle, aber es ist keine erneuerbare Ressource. Kohlenwasserstoffreiche Tonsteinformationen enthalten Erdgas, Erdgaskondensate und das Potential, Erdöl zu produzieren. Die Extraktion dieser Stoffe hat es erlaubt, daß die USA zu einem der größten globalen Produzenten von Erdgas wurde. Horizontalbohrungen und hydraulisches Fracken werden zur Förderung von Schiefergas genutzt, aber hydraulisches Fracken einer Bohrung benötigt typischerweise zwischen 7 und 19 Millionen L Wasser. Eine untersuchte Option ist die Verwendung von behandeltem Bergbauwasser als eine Alternative zu Süßwasser. Die Marcellus und Utica Tonformationen unterlagern weite Teile der östlichen USA,und der Utica Tonstein wird im östlichen Ohio wegen seines hohen Erdgaspotentiales aufgesucht. Bewilligungen für Bohrungen werden erteilt, aber Sorgen über die Herkunft des Wassers für das hydraulische Frackfluid nehmen zu. Wir haben den CO₂-Fußabdruck von drei unterschiedlichen Wasserquellen untersucht: behandeltes Bergbauwasser von Corning, Ohio, Süßwasser aus dem Ohio Fluß, und Süßwasser aus dem Seneca See in der Nähe des Bohrplatzes. CO₂-Emissionen für jede Quelle wurden für das Pumpen, den Transport und für die Wasseraufbereitung für den Fall einer einmaligen Nutzung oder einer mehrfachen Verwendung über ein Jahr berechnet. Die Zunahme primärer Produktivität, welche durch die Beseitigung des Bergbauwasseraustrittes entstand oder die Reduktion infolge der Entnahme aus Süßwasserquellen wurde ebenfalls berechnet. Für den Fall des Lastwagentransportes zu einer Wasseraufbereitung würde die Verwendung behandelten Bergbauwassers eine jährliche Emission von 110.000 t CO₂-e (CO₂-Äquivalent) bewirken, bei einer Behandlung vor Ort jedoch nur 90.000 t CO₂-e, während die Nutzung von Wasser aus dem Ohio Fluß jährlich in 2.000 t CO₂-e, und von Wasser aus dem Seneca See 4.500 t CO₂-e resultierte. Selbstverständlich hätte die Verringerung der Nutzung sauberen Süßwassers andere Umweltvorteile.

Resumen

En vista del cambio climático, los combustibles en base carbón tienen menor demanda. Gas natural está siendo percibido como un combustible de transición, produciendo menos CO2 en la combustión que el carbón, pero no es una fuente renovable. Formaciones de esquistos bituminosos ricos en hidrocarburos, gas natural condensado, potencial de producción de petróleo y la extracción de estos compuestos ha permitido que EEUU se convirtiera en uno de los mayores productores globales de gas natural. Las perforaciones horizontales y la fractura hidráulica están siendo usados para extraer el gas de los esquistos bituminosos, pero la fractura hidráulica de un pozo requiere entre 7 y 19 millones L de agua. Una de las opciones que está siendo explorada es el uso de agua de mina tratada como una alternativa frente al agua dulce. Las formaciones de esquistos bituminosos Marcellus y Utica están en el subsuelo de buena parte de EEUU oriental y el esquisto Utica es requerido por su alto potencial en gas natural en Ohio oriental. Los permisos para pozos están siendo aprobados pero la preocupación sobre la fuente de agua para fractura hidráulica se está incrementando. Analizamos las huellas de carbón de tres fuentes de agua diferentes: agua de mina tratada de Corning, Ohio, agua dulce del Río Ohio y agua dulce del Lago Seneca cerca del sitio del pozo. Las emisiones de CO2 para cada fuente fueron calculadas durante el bombeo, transporte y tratamiento de agua para el uso del pozo una vez y para el uso anual. Se calculó también la producción primaria que ocurrió después de la remoción de la descarga de mina o la reducción debido a la extracción de fuentes de agua dulce. Anualmente, usando agua de mina tratada se emitirían 110.000 t de CO2-e (CO2 equivalente) si se transportara hasta una planta de tratamiento o 90.000 t de CO2-e si se tratara en el sitio, mientras que usando agua del Río Ohio se emitirían 2.000 t de CO2-e y usando agua del Lago Seneca se emitirían 4.500 t de CO2-e, anualmente. Por supuesto, el descenso de la cantidad de agua dulce contaminada usada tiene otros beneficios ambientales.