La extracción de petróleo de esquisto es un proceso industrial para la producción de petróleo no convencional . Este proceso convierte el kerógeno de la lutita bituminosa en petróleo de lutita mediante pirólisis , hidrogenación o disolución térmica . El aceite de esquisto resultante se utiliza como fuel oil o se mejora para cumplir con las especificaciones de materia prima de la refinería mediante la adición de hidrógeno y la eliminación de las impurezas de azufre y nitrógeno .
Tipo de proceso | Químico |
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Sector (es) industrial (es) | Industria química , industria petrolera |
Principales tecnologías o subprocesos | Kiviter , Galoter , Petrosix , Fushun , Shell ICP |
Materia prima | Pizarra bituminosa |
Producto (s) | Aceite de esquisto bituminoso |
Compañías líderes | Royal Dutch Shell , Eesti Energia , Viru Keemia Grupp , Petrobras , Fushun Mining Group |
Instalaciones principales | Planta de aceite de esquisto Fushun , Planta de aceite de Narva , Petrosix , Planta de aceite de esquisto Stuart |
La extracción de petróleo de esquisto generalmente se realiza sobre el suelo ( procesamiento ex situ ) extrayendo el esquisto bituminoso y luego tratándolo en las instalaciones de procesamiento . Otras tecnologías modernas realizan el procesamiento subterráneo ( procesamiento in situ o in situ ) aplicando calor y extrayendo el petróleo a través de pozos de petróleo .
La descripción más antigua del proceso data del siglo X. En 1684, Gran Bretaña otorgó la primera patente formal del proceso de extracción. Las industrias de extracción y las innovaciones se generalizaron durante el siglo XIX. La industria se contrajo a mediados del siglo XX tras el descubrimiento de grandes reservas de petróleo convencional , pero los altos precios del petróleo a principios del siglo XXI han provocado un renovado interés, acompañado por el desarrollo y la prueba de nuevas tecnologías.
A partir de 2010, las principales industrias de extracción de larga data están operando en Estonia , Brasil y China . Su viabilidad económica generalmente requiere una falta de petróleo crudo disponible localmente. Las cuestiones de seguridad energética nacional también han influido en su desarrollo. Los críticos de la extracción de aceite de esquisto plantean preguntas sobre cuestiones de gestión ambiental , como la eliminación de desechos, el uso extensivo del agua, la gestión de aguas residuales y la contaminación del aire.
Historia
En el siglo X, el médico árabe Masawaih al-Mardini (Mesue el Joven) escribió sobre sus experimentos para extraer petróleo de "algún tipo de pizarra bituminosa". [2] La corona británica concedió la primera patente de extracción de petróleo de esquisto en 1684 a tres personas que habían "encontrado una manera de extraer y hacer grandes cantidades de brea, tar y aceite de una especie de piedra". [1] [3] [4] La extracción industrial moderna de petróleo de esquisto se originó en Francia con la implementación de un proceso inventado por Alexander Selligue en 1838, mejorado una década más tarde en Escocia utilizando un proceso inventado por James Young . [1] [5] A finales del siglo XIX, se construyeron plantas en Australia, Brasil, Canadá y Estados Unidos. [6] La invención de 1894 de la retorta Pumpherston , que dependía mucho menos del calor del carbón que sus predecesoras, marcó la separación de la industria del esquisto bituminoso de la industria del carbón. [1]
China ( Manchuria ), Estonia, Nueva Zelanda , Sudáfrica , España , Suecia y Suiza comenzaron a extraer petróleo de esquisto a principios del siglo XX. Sin embargo, los descubrimientos de petróleo crudo en Texas durante la década de 1920 y en el Medio Oriente a mediados del siglo XX paralizaron la mayoría de las industrias de esquisto bituminoso. [6] [7] [8] [9] En 1944, EE. UU. Reinició la extracción de petróleo de esquisto como parte de su Programa de combustibles líquidos sintéticos . Estas industrias continuaron hasta que los precios del petróleo cayeron abruptamente en la década de 1980. [7] [10] [11] La última retorta de esquisto bituminoso en los EE. UU., Operada por Unocal Corporation , cerró en 1991. [10] [11] El programa de EE. UU. Se reinició en 2003, seguido de un programa de arrendamiento comercial en 2005 que permitió la extracción de esquisto bituminoso y arenas bituminosas en tierras federales de conformidad con la Ley de Política Energética de 2005 . [12]
A partir de 2010[actualizar], la extracción de petróleo de esquisto está en funcionamiento en Estonia, Brasil y China. [13] [14] [15] En 2008, sus industrias produjeron alrededor de 930.000 toneladas métricas (17.700 barriles por día) de petróleo de esquisto. [6] Australia, EE. UU. Y Canadá han probado técnicas de extracción de petróleo de esquisto a través de proyectos de demostración y están planificando su implementación comercial; Marruecos y Jordania han anunciado su intención de hacer lo mismo. [6] [10] [15] [16] [17] [18] Sólo cuatro procesos están en uso comercial: Kiviter , Galoter , Fushun y Petrosix . [14]
Principios de procesamiento
El proceso de extracción de petróleo de esquisto descompone el esquisto bituminoso y convierte su kerógeno en petróleo de esquisto, un crudo sintético similar al petróleo. El proceso se realiza mediante pirólisis , hidrogenación o disolución térmica . [19] [20] Las eficiencias de los procesos de extracción a menudo se evalúan comparando sus rendimientos con los resultados de un ensayo de Fischer realizado en una muestra de lutita. [21]
El método de extracción más antiguo y más común implica la pirólisis (también conocida como retorta o destilación destructiva ). En este proceso, el esquisto bituminoso se calienta en ausencia de oxígeno hasta que su kerógeno se descompone en vapores de petróleo de esquisto condensable y gas de esquisto bituminoso combustible no condensable . Los vapores de petróleo y el gas de esquisto bituminoso se recolectan y enfrían, lo que hace que el petróleo de esquisto se condense . Además, el procesamiento de la lutita bituminosa produce lutita bituminosa gastada, que es un residuo sólido. El esquisto gastado consiste en compuestos inorgánicos ( minerales ) y carbón, un residuo carbonoso formado a partir del kerógeno. Quemar el carbón de la lutita gastada produce cenizas de lutita bituminosa. La lutita y las cenizas de lutita gastadas se pueden utilizar como ingredientes en la fabricación de cemento o ladrillos. [19] [22] La composición de la pizarra bituminosa puede aportar valor añadido al proceso de extracción mediante la recuperación de subproductos, como amoniaco , azufre , compuestos aromáticos , brea , asfalto y ceras . [11]
Calentar la lutita bituminosa a temperatura de pirólisis y completar las reacciones de descomposición endotérmica del kerógeno requiere una fuente de energía. Algunas tecnologías queman otros combustibles fósiles como gas natural, petróleo o carbón para generar este calor y los métodos experimentales han utilizado electricidad, ondas de radio , microondas o fluidos reactivos para este propósito. [23] Se utilizan dos estrategias para reducir, e incluso eliminar, los requisitos externos de energía térmica: el gas de esquisto bituminoso y los subproductos de carbonilla generados por la pirólisis se pueden quemar como fuente de energía, y el calor contenido en el esquisto bituminoso gastado en caliente y La ceniza de esquisto bituminoso se puede utilizar para precalentar el esquisto bituminoso crudo. [19]
Para el procesamiento ex situ , la pizarra bituminosa se tritura en trozos más pequeños, aumentando el área de superficie para una mejor extracción. La temperatura a la que se produce la descomposición de la lutita bituminosa depende de la escala de tiempo del proceso. En los procesos de retorta ex situ , comienza a 300 ° C (570 ° F) y avanza más rápida y completamente a temperaturas más altas. La cantidad de aceite producida es la más alta cuando la temperatura oscila entre 480 y 520 ° C (900 y 970 ° F). La proporción de gas de esquisto bituminoso a petróleo de esquisto generalmente aumenta junto con las temperaturas de retorta. [19] Para un proceso in situ moderno , que puede requerir varios meses de calentamiento, la descomposición puede realizarse a temperaturas tan bajas como 250 ° C (480 ° F). Son preferibles las temperaturas por debajo de 600 ° C (1,110 ° F), ya que esto evita la descomposición de la piedra caliza y la dolomita en la roca y, por lo tanto, limita las emisiones de dióxido de carbono y el consumo de energía. [24]
La hidrogenación y la disolución térmica (procesos de fluidos reactivos) extraen el aceite utilizando donantes de hidrógeno , disolventes o una combinación de estos. La disolución térmica implica la aplicación de solventes a temperaturas y presiones elevadas, aumentando la producción de aceite al romper la materia orgánica disuelta. Diferentes métodos producen aceite de esquisto con diferentes propiedades. [20] [25] [26] [27]
Clasificación de tecnologías de extracción
Los analistas de la industria han creado varias clasificaciones de las tecnologías utilizadas para extraer petróleo de esquisto a partir de esquisto bituminoso.
Por principios de proceso : Basado en el tratamiento de la lutita bituminosa por calor y solventes, los métodos se clasifican en pirólisis, hidrogenación o disolución térmica. [20]
Por ubicación : una distinción que se utiliza con frecuencia considera si el procesamiento se realiza por encima o por debajo del suelo y clasifica las tecnologías en términos generales como ex situ (desplazadas) o in situ (en el lugar). En el procesamiento ex situ , también conocido como retorta por encima del suelo , la pizarra bituminosa se extrae bajo tierra o en la superficie y luego se transporta a una instalación de procesamiento. Por el contrario, el procesamiento in situ convierte el kerógeno mientras aún se encuentra en forma de depósito de pizarra bituminosa, luego de lo cual se extrae a través de pozos de petróleo , donde se eleva de la misma manera que el petróleo crudo convencional. [23] A diferencia del procesamiento ex situ , no implica minería o eliminación de esquisto bituminoso gastado en la superficie, ya que el esquisto bituminoso gastado permanece bajo tierra. [28]
Por método de calentamiento : el método de transferencia de calor de los productos de combustión al esquisto bituminoso puede clasificarse como directo o indirecto. Mientras que los métodos que permiten que los productos de combustión entren en contacto con la pizarra bituminosa dentro de la retorta se clasifican como directos , los métodos que queman materiales externos a la retorta para calentar otro material que entra en contacto con la pizarra bituminosa se describen como indirectos [14]
Por portador de calor : según el material utilizado para entregar energía térmica a la lutita bituminosa, las tecnologías de procesamiento se han clasificado en portador de calor de gas, portador de calor sólido, conducción de pared, fluido reactivo y métodos de calentamiento volumétrico. [9] [21] [23] [29] Los métodos portadores de calor pueden subclasificarse como directos o indirectos.
La siguiente tabla muestra las tecnologías de extracción clasificadas por método de calentamiento, portador de calor y ubicación ( in situ o ex situ ).
Clasificación de tecnologías de procesamiento por método de calentamiento y ubicación (según Alan Burnham) [9] [21] [23] [29] | ||
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Método de calentamiento | Sobre el suelo ( ex situ ) | Subterráneo ( in situ ) |
Combustión interna | Combustión de gas , NTU , Kiviter , Fushun , Union A , Paraho Direct , Superior Direct | Occidental Petroleum MIS , LLNL RISE , Geokinetics Horizontal , Rio Blanco |
Sólidos reciclados en caliente (esquisto inerte o quemado) | Alberta Taciuk , Galoter , Enefit , Lurgi-Ruhrgas , TOSCO II , Chevron STB , LLNL HRS , Shell Spher , KENTORT II | - |
Conducción a través de una pared (varios combustibles) | Pumpherston , ensayo de Fischer , Oil-Tech , EcoShale en cápsula , recursos de combustión | Shell ICP (método primario), American Shale Oil CCR , IEP Geothermic Fuel Cell |
Gas caliente generado externamente | PetroSIX , Union B , Paraho Indirect , Superior Indirect , Syntec (proceso Smith) | Chevron CRUSH , Omnishale , EPM IGE |
Fluidos reactivos | IGT Hytort (de alta presión H 2 ), los procesos de disolventes donantes RENDALL Proceso reactor de lecho fluidizado Chattanooga | Shell ICP (algunas realizaciones) |
Calentamiento volumétrico | - | Procesos de ondas de radio, microondas y corriente eléctrica. |
Por tamaño de partícula de lutita bituminosa en bruto : las diversas tecnologías de procesamiento ex situ pueden diferenciarse por el tamaño de las partículas de lutita bituminosa que se introducen en las retortas. Como regla general, las tecnologías de gas portador de calor procesan grumos de lutita bituminosa que varían en diámetro de 10 a 100 milímetros (0,4 a 3,9 pulgadas), mientras que las tecnologías de portador de calor sólido y conducción de pared procesan finos que son partículas de menos de 10 milímetros (0,4 pulgadas) de diámetro. . [14]
Por orientación de retorta : las tecnologías "ex situ" a veces se clasifican en verticales u horizontales. Las retortas verticales suelen ser hornos de eje donde un lecho de pizarra se mueve de arriba a abajo por gravedad. Las retortas horizontales suelen ser tambores o tornillos giratorios horizontales en los que la lutita se mueve de un extremo al otro. Como regla general, las autoclaves verticales procesan grumos utilizando un portador de calor de gas, mientras que las autoclaves horizontales procesan los finos utilizando un portador de calor sólido.
Por complejidad de la tecnología : las tecnologías in situ suelen clasificarse como verdaderos procesos in situ o procesos in situ modificados . Los verdaderos procesos in situ no implican minar o triturar la lutita bituminosa. Los procesos in situ modificados implican perforar y fracturar el depósito de esquisto bituminoso objetivo para crear vacíos en el depósito. Los vacíos permiten un mejor flujo de gases y fluidos a través del depósito, aumentando así el volumen y la calidad del petróleo de esquisto producido. [11]
Tecnologías ex situ
Combustión interna
Las tecnologías de combustión interna queman materiales (típicamente carbón y gas de esquisto bituminoso) dentro de una retorta de eje vertical para suministrar calor para la pirólisis. [9] [23] Por lo general, las partículas de esquisto bituminoso crudo entre 12 milímetros (0,5 pulgadas) y 75 milímetros (3,0 pulgadas) de tamaño se introducen en la parte superior de la retorta y son calentadas por los gases calientes ascendentes, que pasan a través del aceite descendente. lutita, lo que provoca la descomposición del kerógeno a aproximadamente 500 ° C (932 ° F). La neblina de aceite de esquisto, los gases desprendidos y los gases de combustión enfriados se eliminan de la parte superior de la retorta y luego se trasladan al equipo de separación. El aceite de esquisto condensado se recoge, mientras que el gas no condensable se recicla y se utiliza para llevar el calor a la retorta. En la parte inferior de la retorta, se inyecta aire para la combustión que calienta el esquisto bituminoso gastado y los gases entre 700 ° C (1,292 ° F) y 900 ° C (1,650 ° F). El gas reciclado frío puede entrar en el fondo de la retorta para enfriar las cenizas de esquisto. [9] [19] [30] Los procesos Unión A y Superior Direct se apartan de este patrón. En el proceso Unión A, la pizarra bituminosa se alimenta a través del fondo de la retorta y una bomba la mueve hacia arriba. [9] En el proceso Superior Direct, la lutita bituminosa se procesa en una retorta de rejilla móvil horizontal, segmentada y con forma de rosquilla . [9] [24] [31]
Las tecnologías de combustión interna, como Paraho Direct, son térmicamente eficientes , ya que la combustión de carbón en la lutita gastada y el calor recuperado de la ceniza de lutita y los gases desprendidos pueden proporcionar todos los requisitos de calor de la retorta. Estas tecnologías pueden alcanzar el 80-90% del rendimiento del ensayo de Fischer. [29] Dos industrias de petróleo de esquisto bien establecidas utilizan tecnologías de combustión interna: las instalaciones de proceso de Kiviter se han operado continuamente en Estonia desde la década de 1920, y varias empresas chinas operan las instalaciones de proceso de Fushun .
Los inconvenientes comunes de las tecnologías de combustión interna son que el gas de esquisto bituminoso combustible se diluye con los gases de combustión [29] y las partículas de menos de 10 milímetros (0,4 pulgadas) no se pueden procesar. La distribución desigual del gas a través de la retorta puede resultar en bloqueos cuando los puntos calientes hacen que las partículas se fusionen o se desintegran.
Sólidos reciclados en caliente
Las tecnologías de sólidos reciclados en caliente entregan calor a la lutita bituminosa mediante el reciclaje de partículas sólidas calientes, generalmente cenizas de lutita bituminosa. Estas tecnologías generalmente emplean retortas de lecho fluidizado o de horno rotatorio , alimentadas por partículas finas de lutita bituminosa que generalmente tienen un diámetro de menos de 10 milímetros (0,4 pulgadas); algunas tecnologías utilizan partículas incluso menores de 2,5 milímetros (0,10 pulgadas). Las partículas recicladas se calientan en una cámara o recipiente separado a aproximadamente 800 ° C (1470 ° F) y luego se mezclan con el esquisto bituminoso crudo para hacer que el esquisto se descomponga a aproximadamente 500 ° C (932 ° F). El vapor de petróleo y el gas de petróleo de esquisto se separan de los sólidos y se enfrían para condensar y recolectar el petróleo. El calor recuperado de los gases de combustión y la ceniza de esquisto puede usarse para secar y precalentar el esquisto bituminoso en bruto antes de mezclarlo con los sólidos reciclados calientes.
En los procesos Galoter y Enefit , la pizarra bituminosa gastada se quema en un horno separado y la ceniza caliente resultante se separa del gas de combustión y se mezcla con partículas de pizarra bituminosa en un horno rotatorio. Los gases de combustión del horno se utilizan para secar la lutita bituminosa en un secador antes de mezclarla con ceniza caliente. [32] El proceso TOSCO II utiliza bolas de cerámica en lugar de cenizas de esquisto como sólidos reciclados calientes. [11] La característica distintiva del Proceso Alberta Taciuk (ATP) es que todo el proceso ocurre en un solo recipiente horizontal rotatorio de múltiples cámaras. [11] [14]
Debido a que los sólidos reciclados calientes se calientan en un horno separado, el gas de esquisto bituminoso de estas tecnologías no se diluye con los gases de escape de combustión. [9] [23] Otra ventaja es que no hay límite en las partículas más pequeñas que la retorta puede procesar, lo que permite utilizar todo el alimento triturado. Una desventaja es que se usa más agua para manipular la ceniza de esquisto más fina resultante.
Conducción a través de una pared
Estas tecnologías transfieren calor a la pizarra bituminosa al conducirlo a través de la pared de la retorta. La alimentación de esquisto suele estar formada por partículas finas. Su ventaja radica en el hecho de que los vapores de la retorta no se combinan con los gases de combustión. [9] [23] El proceso de Recursos de combustión utiliza un horno rotatorio de hidrógeno, donde el gas caliente circula a través de un anillo exterior . [33] [34] La retorta calentada eléctricamente escalonada de Oil-Tech consta de cámaras de calentamiento individuales interconectadas, apiladas una encima de la otra. [10] [31] Su principal ventaja radica en su diseño modular , que mejora su portabilidad y adaptabilidad. [31] El proceso en cápsula EcoShale de Red Leaf Resources combina la minería de superficie con un método de calentamiento a baja temperatura similar a los procesos in situ al operar dentro de los límites de una estructura de tierra. Un gas caliente que circula a través de tuberías paralelas calienta los escombros de esquisto bituminoso. [10] [35] [36] Una instalación dentro del espacio vacío creado por la minería permitiría una rápida recuperación de la topografía. [36] Un inconveniente general de las tecnologías de conducción a través de una pared es que las retortas son más costosas cuando se amplían debido a la gran cantidad resultante de paredes conductoras de calor hechas de aleaciones de alta temperatura.
Gas caliente generado externamente
En general, las tecnologías de gas caliente generado externamente son similares a las tecnologías de combustión interna en que también procesan terrones de lutitas bituminosas en hornos de eje vertical. Sin embargo, de manera significativa, el calor en estas tecnologías es suministrado por gases calentados fuera del recipiente de la retorta y, por lo tanto, los vapores de la retorta no se diluyen con los gases de escape de la combustión. [9] [23] El Petrosix y Paraho indirecta emplean esta tecnología. [11] [37] Además de no aceptar partículas finas como alimento, estas tecnologías no utilizan el calor potencial de la combustión del carbón en la lutita gastada y, por lo tanto, deben quemar combustibles más valiosos. Sin embargo, debido a la falta de combustión de la lutita gastada, la lutita bituminosa no supera los 500 ° C (932 ° F) y en algunas lutitas bituminosas se puede evitar la descomposición significativa de minerales de carbonato y la posterior generación de CO 2 . Además, estas tecnologías tienden a ser más estables y fáciles de controlar que las tecnologías de combustión interna o de reciclaje de sólidos calientes.
Fluidos reactivos
El kerógeno está fuertemente unido a la lutita y resiste la disolución por la mayoría de los solventes . [38] A pesar de esta limitación, se ha probado la extracción con fluidos especialmente reactivos, incluidos aquellos en estado supercrítico . [38] Las tecnologías de fluidos reactivos son adecuadas para procesar lutitas bituminosas con un bajo contenido de hidrógeno. En estas tecnologías, el gas hidrógeno (H 2 ) o los donantes de hidrógeno (sustancias químicas que donan hidrógeno durante las reacciones químicas) reaccionan con los precursores del coque (estructuras químicas en la lutita bituminosa que son propensas a formar carbón durante la retorta, pero que aún no lo han hecho). [39] Las tecnologías de fluidos reactivos incluyen el proceso IGT Hytort (H 2 de alta presión ), los procesos de donantes de solventes y el reactor de lecho fluidizado Chattanooga . [10] [23] En IGT Hytort, la lutita bituminosa se procesa en un entorno de hidrógeno a alta presión. [40] El proceso de Chattanooga utiliza un reactor de lecho fluidizado y un calentador de hidrógeno asociado para el craqueo térmico e hidrogenación de la lutita bituminosa . [10] Los resultados de laboratorio indican que estas tecnologías a menudo pueden obtener rendimientos de aceite significativamente más altos que los procesos de pirólisis. Los inconvenientes son el costo adicional y la complejidad de la producción de hidrógeno y los recipientes de retorta de alta presión.
Gasificación por plasma
Se han realizado varias pruebas experimentales para la gasificación de esquisto bituminoso utilizando tecnologías de plasma . [41] En estas tecnologías, la pizarra bituminosa es bombardeada por radicales ( iones ). Los radicales rompen las moléculas de kerógeno formando gas y aceite sintéticos . Se utiliza aire, hidrógeno o nitrógeno como gas de plasma y los procesos pueden operar en modo de arco , arco de plasma o electrólisis de plasma. [41] [42] [43] El principal beneficio de estas tecnologías es el procesamiento sin utilizar agua. [42]
Tecnologías in situ
Las tecnologías in situ calientan la lutita bituminosa bajo tierra inyectando fluidos calientes en la formación rocosa o utilizando fuentes de calor lineales o planas seguidas de conducción térmica y convección para distribuir el calor a través del área objetivo. Luego, el petróleo de esquisto se recupera a través de pozos verticales perforados en la formación. [10] Estas tecnologías son potencialmente capaces de extraer más petróleo de esquisto de un área determinada de tierra que lastecnologíasconvencionales deprocesamiento ex situ , ya que los pozos pueden alcanzar mayores profundidades que las minas superficiales. Presentan una oportunidad para recuperar petróleo de esquisto de depósitos de baja ley que las técnicas mineras tradicionales no pudieron extraer. [44]
Durante la Segunda Guerra Mundial , se implementó un proceso de extracción in situ modificado sin un éxito significativo en Alemania. [9] Uno de los primeros procesos in situ con éxito fue la gasificación subterránea mediante energía eléctrica ( método Ljungström ), un proceso explotado entre 1940 y 1966 para la extracción de petróleo de esquisto en Kvarntorp en Suecia. [9] [45] Antes de la década de 1980, se exploraron muchas variaciones del proceso in situ en los Estados Unidos. Occidental Petroleum llevó a cabo el primer experimento de lutita bituminosa in situ modificada en los Estados Unidos en 1972 en Logan Wash, Colorado. [11] Se están explorando tecnologías más nuevas que utilizan una variedad de fuentes de calor y sistemas de suministro de calor.
Conducción mural
Las tecnologías de conducción de paredes in situ utilizan elementos calefactores o tubos calefactores colocados dentro de la formación de lutitas bituminosas. El proceso de conversión in situ de Shell (Shell ICP) utiliza elementos calefactores eléctricos para calentar la capa de esquisto bituminoso entre 340 y 370 ° C (650 y 700 ° F) durante un período de aproximadamente cuatro años. [46] El área de procesamiento está aislada del agua subterránea circundante por una pared de congelación que consiste en pozos llenos de un fluido circulante súper enfriado. [21] [28] Las desventajas de este proceso son el gran consumo de energía eléctrica, el uso extensivo de agua y el riesgo de contaminación del agua subterránea . [47] El proceso se probó desde principios de la década de 1980 en el sitio de prueba de caoba en Piceance Basin . En 2004 se extrajeron 270 metros cúbicos (1.700 bbl) de petróleo en un área de prueba de 9 por 12 metros (30 por 40 pies). [28] [46] [48]
En el Proceso CCR propuesto por American Shale Oil , se hace circular vapor sobrecalentado u otro medio de transferencia de calor a través de una serie de tuberías colocadas debajo de la capa de pizarra bituminosa a extraer. El sistema combina pozos horizontales, a través de los cuales pasa el vapor, y pozos verticales, que proporcionan tanto transferencia de calor vertical a través del reflujo de petróleo de esquisto convertido como un medio para recolectar los hidrocarburos producidos. El calor es suministrado por la combustión de gas natural o propano en la fase inicial y por gas de esquisto bituminoso en una etapa posterior. [10] [49]
El proceso de celdas de combustible geotérmico (IEP GFC) propuesto por Independent Energy Partners extrae petróleo de esquisto mediante la explotación de una pila de celdas de combustible de alta temperatura . Las celdas, colocadas en la formación de esquisto bituminoso, son alimentadas por gas natural durante un período de calentamiento y luego por gas de esquisto bituminoso generado por su propio calor residual . [10] [45]
Gas caliente generado externamente
Las tecnologías in situ de gas caliente generado externamente utilizan gases calientes calentados por encima del suelo y luego inyectados en la formación de esquisto bituminoso. El proceso Chevron CRUSH , que fue investigado por Chevron Corporation en asociación con el Laboratorio Nacional de Los Alamos , inyecta dióxido de carbono calentado en la formación a través de pozos perforados y para calentar la formación a través de una serie de fracturas horizontales a través de las cuales circula el gas. [50] General Synfuels International ha propuesto el proceso Omnishale que implica la inyección de aire sobrecalentado en la formación de esquisto bituminoso. [10] [36] El proceso de extracción de vapor in situ de Mountain West Energy utiliza principios similares de inyección de gas a alta temperatura. [10] [51]
ExxonMobil Electrofrac
ExxonMobil 's in situ tecnología ( ExxonMobil Electrofrac ) utiliza calefacción eléctrica con elementos tanto de conducción pared y métodos de calentamiento volumétricas. Inyecta un material conductor de electricidad, como el coque de petróleo calcinado, en las fracturas hidráulicas creadas en la formación de lutitas bituminosas, que luego forma un elemento calefactor. [10] [52] [53] Los pozos de calentamiento se colocan en una fila paralela con un segundo pozo horizontal que los cruza en la punta. Esto permite que se apliquen cargas eléctricas opuestas en cualquier extremo. [10] [53]
Calentamiento volumétrico
El Instituto de Tecnología de Illinois desarrolló el concepto de calentamiento volumétrico de esquisto bituminoso utilizando ondas de radio (procesamiento de radiofrecuencia) a fines de la década de 1970. Esta tecnología fue desarrollada por el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore . La pizarra bituminosa se calienta mediante conjuntos de electrodos verticales . Los volúmenes más profundos podrían procesarse a velocidades de calentamiento más lentas mediante instalaciones espaciadas a decenas de metros. El concepto supone una radiofrecuencia en la que la profundidad de la piel es de varias decenas de metros, superando así los tiempos de difusión térmica necesarios para el calentamiento por conducción. [23] [54] [55] Sus inconvenientes incluyen una demanda eléctrica intensiva y la posibilidad de que el agua subterránea o el carbón absorban cantidades indebidas de energía. [23] El procesamiento de radiofrecuencia junto con fluidos críticos está siendo desarrollado por Raytheon junto con CF Technologies y probado por Schlumberger . [56] [57]
Las tecnologías de calentamiento por microondas se basan en los mismos principios que el calentamiento por ondas de radio, aunque se cree que el calentamiento por ondas de radio es una mejora con respecto al calentamiento por microondas porque su energía puede penetrar más en la formación de esquisto bituminoso. [58] El proceso de calentamiento por microondas fue probado por Global Resource Corporation . [59] Electro-Petroleum propone una recuperación de petróleo mejorada eléctricamente mediante el paso de corriente continua entre cátodos en pozos productores y ánodos ubicados en la superficie o en profundidad en otros pozos. El paso de la corriente a través de la formación de lutitas bituminosas produce un calentamiento resistivo de Joule . [10]
Ciencias económicas
La pregunta dominante para la producción de petróleo de esquisto es en qué condiciones el petróleo de esquisto es económicamente viable. Según el Departamento de Energía de los Estados Unidos , los costos de capital de un complejo de procesamiento ex situ de 100.000 barriles por día (16.000 m 3 / d) son de 3 a 10 mil millones de dólares. [60] Los diversos intentos de desarrollar depósitos de esquisto bituminoso sólo han tenido éxito cuando el costo de producción de petróleo de esquisto en una región determinada es más bajo que el precio del petróleo o sus otros sustitutos. Según una encuesta realizada por RAND Corporation , el costo de producir petróleo de esquisto en un hipotético complejo de retorta en superficie en los Estados Unidos (que comprende una mina, una planta de retorta, una planta de mejora , servicios de apoyo y recuperación de esquisto bituminoso gastado) estaría en un rango de $ 70-95 por barril ($ 440-600 / m 3 ), ajustado a los valores de 2005. Suponiendo un aumento gradual en la producción después del inicio de la producción comercial, el análisis proyecta una reducción gradual en los costos de procesamiento a $ 30-40 por barril ($ 190-250 / m 3 ) después de alcanzar el hito de mil millones de barriles (160 × 10 6 m 3 ). [8] [28] El Departamento de Energía de Estados Unidos estima que el procesamiento ex-situ sería económico a precios mundiales promedio sostenidos del petróleo por encima de 54 dólares por barril y el procesamiento in-situ sería económico a precios por encima de 35 dólares por barril. Estas estimaciones asumen una tasa de retorno del 15%. [60] Royal Dutch Shell anunció en 2006 que su tecnología Shell ICP obtendría beneficios cuando los precios del petróleo crudo fueran superiores a 30 dólares por barril (190 dólares / m 3 ), mientras que algunas tecnologías en producción a gran escala afirman la rentabilidad a precios del petróleo incluso más bajos. de $ 20 por barril ($ 130 / m 3 ). [11] [61]
Para aumentar la eficiencia de la retorta de esquisto bituminoso y, por lo tanto, la viabilidad de la producción de aceite de esquisto, los investigadores han propuesto y probado varios procesos de co-pirólisis, en los que otros materiales como biomasa , turba , bitumen residual o residuos de caucho y plástico son retocados. junto con la pizarra bituminosa. [62] [63] [64] [65] [66] Algunas tecnologías modificadas proponen combinar una retorta de lecho fluidizado con un horno de lecho fluidizado circulante para quemar los subproductos de la pirólisis (carbón y gas de esquisto bituminoso) y mejorar así el rendimiento de petróleo. , aumentando el rendimiento y disminuyendo el tiempo de retorta. [67]
Otras formas de mejorar la economía de la extracción de petróleo de esquisto podrían ser aumentar el tamaño de la operación para lograr economías de escala , usar esquisto bituminoso que es un subproducto de la minería del carbón como en Fushun China, producir químicos especiales como Viru Keemia Grupp en Estonia, cogenera electricidad a partir del calor residual y procesa esquisto bituminoso de alta calidad que produce más petróleo por esquisto procesado.
Una posible medida de la viabilidad de la lutita bituminosa como fuente de energía radica en la relación entre la energía del petróleo extraído y la energía utilizada en su extracción y procesamiento (Energía devuelta sobre la energía invertida, o EROEI ). Un estudio de 1984 estimó que la EROEI de los diversos depósitos de esquisto bituminoso conocidos variaba entre 0,7 y 13,3; [68] Algunas empresas y tecnologías más nuevas afirman un EROEI de entre 3 y 10. Según World Energy Outlook 2010, el EROEI del procesamiento ex situ suele ser de 4 a 5, mientras que el del procesamiento in situ puede ser incluso tan bajo como 2. . [69]
Para aumentar el EROEI, se propusieron varias tecnologías combinadas. Estos incluyen el uso de calor residual del proceso, por ejemplo, la gasificación o combustión del carbón residual (carbón), y el uso del calor residual de otros procesos industriales, como la gasificación del carbón y la generación de energía nuclear . [10] [70] [71]
Los requisitos de agua de los procesos de extracción son una consideración económica adicional en las regiones donde el agua es un recurso escaso.
Consideraciones ambientales
La minería de esquisto bituminoso implica una serie de impactos ambientales, más pronunciados en la minería a cielo abierto que en la minería subterránea. [72] Estos incluyen el drenaje ácido inducido por la exposición rápida y repentina y la oxidación subsiguiente de materiales anteriormente enterrados, la introducción de metales, incluido el mercurio [73] en las aguas superficiales y subterráneas, el aumento de la erosión , las emisiones de gas de azufre y la contaminación del aire causada por la producción de partículas durante el procesamiento, transporte y actividades de apoyo. [54] [74] En 2002, aproximadamente el 97% de la contaminación del aire, el 86% de los residuos totales y el 23% de la contaminación del agua en Estonia procedían de la industria energética, que utiliza el esquisto bituminoso como principal recurso para su producción de energía. [75]
La extracción de lutitas bituminosas puede dañar el valor biológico y recreativo de la tierra y el ecosistema en el área minera. La combustión y el procesamiento térmico generan material de desecho. Además, las emisiones atmosféricas del procesamiento y la combustión de esquisto bituminoso incluyen dióxido de carbono , un gas de efecto invernadero . Los ambientalistas se oponen a la producción y el uso de esquisto bituminoso, ya que genera aún más gases de efecto invernadero que los combustibles fósiles convencionales. [76] Los procesos experimentales de conversión in situ y las tecnologías de captura y almacenamiento de carbono pueden reducir algunas de estas preocupaciones en el futuro, pero al mismo tiempo pueden causar otros problemas, incluida la contaminación de las aguas subterráneas . [77] Entre los contaminantes del agua comúnmente asociados con el procesamiento de esquisto bituminoso se encuentran los hidrocarburos heterocíclicos de oxígeno y nitrógeno. Los ejemplos comúnmente detectados incluyen derivados de quinolina , piridina y varios homólogos de alquilo de piridina ( picolina , lutidina ). [78]
Las preocupaciones por el agua son temas delicados en las regiones áridas, como el oeste de Estados Unidos y el desierto de Negev en Israel , donde existen planes para expandir la extracción de esquisto bituminoso a pesar de la escasez de agua. [79] Dependiendo de la tecnología, la retorta aérea utiliza entre uno y cinco barriles de agua por barril de petróleo de esquisto producido. [28] [80] [81] [82] Una declaración de impacto ambiental programática de 2008 emitida por la Oficina de Administración de Tierras de EE. UU . Declaró que las operaciones de minería a cielo abierto y de retorta producen de 2 a 10 galones estadounidenses (7,6 a 37,9 l; 1,7 a 8,3 gal imp. ) de aguas residuales por 1 tonelada corta (0,91 t) de pizarra bituminosa procesada. [80] El procesamiento in situ , según una estimación, utiliza aproximadamente una décima parte de la cantidad de agua. [83] Los activistas medioambientales , incluidos los miembros de Greenpeace , han organizado fuertes protestas contra la industria del esquisto bituminoso. En uno de los resultados, Queensland Energy Resources suspendió en 2004 el Proyecto Stuart Oil Shale propuesto en Australia. [54] [84] [85]
Ver también
- Esquisto bituminoso en China
- Esquisto bituminoso en Estonia
- Esquisto bituminoso en Jordania
- Geología de la pizarra bituminosa
- Reservas de esquisto bituminoso
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enlaces externos
- Esquisto bituminoso. Una revista científico-técnica ( ISSN 0208-189X )
- Centro de información sobre la declaración de impacto ambiental programático (EIS) de lutitas bituminosas y arenas bituminosas Con respecto a los posibles arrendamientos de tierras de arenas petrolíferas federales en Utah y tierras de esquisto bituminoso en Utah, Wyoming y Colorado.
- La Asociación Nacional de Esquisto bituminoso de los Estados Unidos (NOSA)