Extracción de petróleo de esquisto
Proceso de extracción de petróleo de esquisto bituminoso
Extracción de petróleo de esquisto
Fotografía de la instalación experimental de extracción de petróleo de esquisto in situ de Shell Oil en la cuenca de Piceance, en el noroeste de Colorado. En el centro de la fotografía, se ven varias tuberías de recuperación de petróleo en el suelo. En el fondo se ven varias bombas de petróleo.
Instalación experimental de petróleo de esquisto in situ de Shell , cuenca Piceance , Colorado, Estados Unidos
Tipo de procesoQuímico
Sector(es) industrial(es)Industria química , industria petrolera
Principales tecnologías o subprocesosKiviter , Galoter , Petrosix , Fushun , Shell ICP
Materia primaEsquisto bituminoso
Producto(s)Aceite de esquisto bituminoso
Empresas líderesRoyal Dutch Shell , Eesti Energia , Viru Keemia Grupp , Petrobras , Fushun Mining Group
Instalaciones principalesPlanta de petróleo de esquisto de Fushun , Planta de petróleo de Narva , Petrosix , Planta de petróleo de esquisto de Stuart

La extracción de petróleo de esquisto bituminoso es un proceso industrial para la producción de petróleo no convencional . Este proceso convierte el kerógeno presente en el esquisto bituminoso en petróleo de esquisto bituminoso mediante pirólisis , hidrogenación o disolución térmica . El petróleo de esquisto bituminoso resultante se utiliza como combustible o se mejora para cumplir con las especificaciones de materia prima de la refinería mediante la adición de hidrógeno y la eliminación de impurezas de azufre y nitrógeno . [1]

La extracción de petróleo de esquisto bituminoso se realiza generalmente sobre la superficie ( procesamiento ex situ ) extrayendo el esquisto bituminoso y luego tratándolo en instalaciones de procesamiento . Otras tecnologías modernas realizan el procesamiento bajo tierra ( procesamiento in situ ) aplicando calor y extrayendo el petróleo a través de pozos petrolíferos . [2]

La primera descripción del proceso data del siglo X. En 1684, Inglaterra 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 redujo 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 del desarrollo y la prueba de nuevas tecnologías.

En 2010, en Estonia , Brasil y China funcionaban importantes industrias de extracción de larga data . Su viabilidad económica suele depender de la falta de petróleo crudo disponible localmente. Las cuestiones de seguridad energética nacional también han influido en su desarrollo. Los críticos de la extracción de petróleo de esquisto plantean interrogantes sobre cuestiones de gestión ambiental , como la eliminación de residuos, el uso extensivo del agua, la gestión de las aguas residuales y la contaminación del aire.

Historia

En esta retorta vertical, el esquisto bituminoso se procesa en un recipiente de hierro fundido que es más ancho en la parte inferior y estrecho en la parte superior. Las líneas de la izquierda señalan y describen sus componentes principales. De abajo a arriba, consisten en un sello de agua, hornos alimentados con carbón que flanquean una retorta de hierro fundido, una tolva que recibe el esquisto y un sistema de válvulas. Las flechas y el texto de la derecha muestran las entradas y salidas del proceso: se inyecta vapor cerca de la parte inferior de la retorta; cerca de su parte superior, se extraen y recogen los vapores y gases del petróleo; un contenedor con ruedas entrega el esquisto bituminoso a la tolva.
La retorta de Alexander C. Kirk , utilizada a mediados y fines del siglo XIX, fue una de las primeras retortas verticales para esquisto bituminoso. Su diseño es típico de las retortas utilizadas a fines del siglo XIX y principios del XX. [3]

En el siglo X, el médico asirio Masawaih al-Mardini (Mesue el Joven) escribió sobre sus experimentos en la extracción de petróleo de "una especie de esquisto bituminoso". [4] La primera patente de extracción de petróleo de esquisto fue otorgada por la Corona inglesa en 1684 a tres personas que habían "encontrado una manera de extraer y hacer grandes cantidades de brea, alquitrán y aceite de una especie de piedra". [3] [5] [6] 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 después en Escocia utilizando un proceso inventado por James Young . [3] [7] A fines del siglo XIX, se construyeron plantas en Australia, Brasil, Canadá y Estados Unidos. [8] La invención en 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. [3]

China ( Manchuria ), Estonia, Nueva Zelanda , Sudáfrica , España , Suecia y Suiza comenzaron a extraer petróleo de esquisto bituminoso a principios del siglo XX. Sin embargo, los descubrimientos de petróleo crudo en Texas durante la década de 1920 y en Oriente Medio a mediados del siglo XX paralizaron la mayoría de las industrias de esquisto bituminoso. [8] [9] [10] [11] En 1944, Estados Unidos reanudó 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 drásticamente en la década de 1980. [9] [12] [13] La última retorta de esquisto bituminoso en Estados Unidos, operada por Unocal Corporation , cerró en 1991. [12] [13] El programa estadounidense se reinició en 2003, seguido por un programa de arrendamiento comercial en 2005 que permitía la extracción de esquisto bituminoso y arenas bituminosas en tierras federales de conformidad con la Ley de Política Energética de 2005 . [14]

En 2010 [actualizar], la extracción de petróleo de esquisto estaba en funcionamiento en Estonia, Brasil y China. [15] [16] [17] En 2008, sus industrias produjeron alrededor de 930.000  toneladas (17.700 barriles por día) de petróleo de esquisto. [8] Australia, Estados Unidos y Canadá han probado técnicas de extracción de petróleo de esquisto a través de proyectos de demostración y están planeando su implementación comercial; Marruecos y Jordania han anunciado su intención de hacer lo mismo. [8] [12] [17] [18] [19] [20] Solo cuatro procesos están en uso comercial: Kiviter , Galoter , Fushun y Petrosix . [16]

Principios de procesamiento

Un diagrama de flujo vertical comienza con un depósito de esquisto bituminoso y sigue dos ramas principales. Los procesos ex situ convencionales, que se muestran a la derecha, pasan por la extracción, el triturado y el tratamiento en retorta. Se indica el resultado del esquisto gastado. Los flujos de procesos in situ se muestran en la rama izquierda del diagrama de flujo. El depósito puede estar fracturado o no; en cualquier caso, el depósito se somete a tratamiento en retorta y se recupera el petróleo. Las dos ramas principales convergen en la parte inferior del diagrama, lo que indica que a la extracción le sigue el refinado, que implica un tratamiento térmico y químico y la hidrogenación, lo que produce combustibles líquidos y subproductos útiles.
Descripción general de la extracción de petróleo de esquisto

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 lleva a cabo mediante pirólisis , hidrogenación o disolución térmica . [21] [22] La eficiencia de los procesos de extracción a menudo se evalúa comparando sus rendimientos con los resultados de un ensayo de Fischer realizado en una muestra de esquisto. [23]

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 condensables y gas de esquisto bituminoso combustible no condensable . Luego, los vapores de petróleo y el gas de esquisto bituminoso se recogen y se enfrían, lo que hace que el petróleo de esquisto se condense . Además, el procesamiento de esquisto bituminoso produce esquisto bituminoso gastado, que es un residuo sólido. El esquisto gastado consiste en compuestos inorgánicos ( minerales ) y carbón , un residuo carbonoso formado a partir del kerógeno. La quema del carbón del esquisto bituminoso produce cenizas de esquisto bituminoso. El esquisto gastado y las cenizas de esquisto bituminoso se pueden usar como ingredientes en la fabricación de cemento o ladrillos. [21] [24] La composición del esquisto bituminoso puede brindar valor agregado al proceso de extracción a través de la recuperación de subproductos, incluidos amoníaco , azufre , compuestos aromáticos , brea , asfalto y ceras . [13]

Para calentar el esquisto bituminoso a la temperatura de pirólisis y completar las reacciones endotérmicas de descomposición del kerógeno se necesita 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 fin. [2] Se utilizan dos estrategias para reducir, e incluso eliminar, los requisitos de energía térmica externa: el gas de esquisto bituminoso y los subproductos de carbón generados por la pirólisis pueden quemarse como fuente de energía, y el calor contenido en el esquisto bituminoso gastado caliente y las cenizas de esquisto bituminoso pueden utilizarse para precalentar el esquisto bituminoso crudo. [21]

Para el procesamiento ex situ , el esquisto bituminoso se tritura en trozos más pequeños, lo que aumenta la superficie para una mejor extracción. La temperatura a la que se produce la descomposición del esquisto bituminoso depende de la escala de tiempo del proceso. En los procesos de retorta ex situ , comienza a 300 °C (570 °F) y avanza más rápidamente y completamente a temperaturas más altas. La cantidad de petróleo producido es máxima cuando la temperatura oscila entre 480 y 520 °C (900 y 970 °F). La relación entre el gas de esquisto bituminoso y el petróleo de esquisto bituminoso generalmente aumenta junto con las temperaturas de retorta. [21] 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). Las temperaturas inferiores a 600 °C (1110 °F) son preferibles, 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. [25]

La hidrogenación y la disolución térmica (procesos de fluidos reactivos) extraen el petróleo utilizando donantes de hidrógeno , solventes o una combinación de estos. La disolución térmica implica la aplicación de solventes a temperaturas y presiones elevadas, lo que aumenta la producción de petróleo al craquear la materia orgánica disuelta. Diferentes métodos producen petróleo de esquisto con diferentes propiedades. [22] [26] [27] [28]

Clasificación de las tecnologías de extracción

Los analistas de la industria han creado varias clasificaciones de las tecnologías utilizadas para extraer petróleo de esquisto bituminoso.

Por principios de proceso : Basados ​​en el tratamiento del esquisto bituminoso crudo mediante calor y solventes, los métodos se clasifican como pirólisis, hidrogenación o disolución térmica. [22]

Por ubicación : Una distinción que se utiliza con frecuencia considera si el procesamiento se realiza sobre o bajo tierra, y clasifica las tecnologías en términos generales como ex situ (desplazado) o in situ (en el lugar). En el procesamiento ex situ , también conocido como retortado sobre la superficie , el esquisto bituminoso 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 está en forma de depósito de esquisto bituminoso, después de lo cual se extrae a través de pozos petrolíferos , donde sube de la misma manera que el petróleo crudo convencional. [2] A diferencia del procesamiento ex situ , no implica la extracción ni la eliminación del esquisto bituminoso gastado sobre la superficie, ya que el esquisto bituminoso gastado permanece bajo tierra. [29]

Por método de calentamiento : El método de transferencia de calor de los productos de combustión a la pizarra bituminosa 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 [16]

Por portador de calor : según el material utilizado para suministrar energía térmica al esquisto bituminoso, 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. [11] [23] [2] [30] Los métodos de portador de calor se pueden subclasificar 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 las tecnologías de procesamiento por método de calentamiento y ubicación (según Alan Burnham) [11] [23] [2] [30]
Método de calentamientoSobre el suelo ( ex situ )Subterráneo ( in situ )
Combustión internaCombustión de gas , NTU , Kiviter , Fushun , Union A , Paraho Direct , Superior DirectOccidental Petroleum MIS , LLNL RISE , Geokinetics Horizontal , Río Blanco
Sólidos reciclados calientes
(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 , Fischer Assay , Oil-Tech , EcoShale In-Capsule , Recursos de combustiónICP de Shell (método primario), CCR de American Shale Oil , celda de combustible geotérmica IEP
Gas caliente generado externamentePetroSIX , Union B , Paraho Indirect , Superior Indirect , Syntec (proceso Smith)Chevron CRUSH , Omnishale , MWE IGE
Fluidos reactivosIGT Hytort (H 2 ) de alta presión , procesos de disolventes donantes Reactor de lecho fluidizado Chattanooga del proceso Rendall ICP de concha (algunas realizaciones)
Calentamiento volumétrico–Procesos de ondas de radio, microondas y corriente eléctrica.

Por tamaño de partícula de esquisto bituminoso crudo : Las diversas tecnologías de procesamiento ex situ pueden diferenciarse por el tamaño de las partículas de esquisto bituminoso que se introducen en las retortas. Por regla general, las tecnologías de gas portador de calor procesan trozos de esquisto bituminoso cuyo diámetro varía de 10 a 100 milímetros (0,4 a 3,9 pulgadas), mientras que las tecnologías de conducción de pared y de portador de calor sólido procesan partículas finas que son partículas de menos de 10 milímetros (0,4 pulgadas) de diámetro. [16]

Por orientación de la retorta : Las tecnologías "ex situ" a veces se clasifican como verticales u horizontales. Las retortas verticales suelen ser hornos de cuba donde un lecho de esquisto se mueve de arriba a abajo por gravedad. Las retortas horizontales suelen ser tambores o tornillos giratorios horizontales donde el esquisto se mueve de un extremo al otro. Como regla general, las retortas verticales procesan los terrones utilizando un portador de calor gaseoso, mientras que las retortas horizontales procesan los finos utilizando un portador de calor sólido.

Por complejidad de la tecnología : Las tecnologías in situ suelen clasificarse como procesos in situ verdaderos o procesos in situ modificados . Los procesos in situ verdaderos no implican la extracción o trituración del esquisto bituminoso. Los procesos in situ modificados implican la perforación y fracturación del yacimiento de esquisto bituminoso objetivo para crear huecos en el yacimiento. Los huecos permiten un mejor flujo de gases y fluidos a través del yacimiento, aumentando así el volumen y la calidad del petróleo de esquisto producido. [13]

Ex situTecnologías

Combustión interna

Las tecnologías de combustión interna queman materiales (normalmente carbón y gas de esquisto bituminoso) dentro de una retorta de eje vertical para suministrar calor para la pirólisis. [11] [2] Normalmente, las partículas de esquisto bituminoso en bruto de entre 12 milímetros (0,5 pulgadas) y 75 milímetros (3,0 pulgadas) de tamaño se introducen en la parte superior de la retorta y se calientan con los gases calientes ascendentes, que pasan a través del esquisto bituminoso descendente, lo que provoca la descomposición del kerógeno a unos 500 °C (932 °F). La niebla de aceite de esquisto, los gases evolucionados 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 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 a entre 700 °C (1292 °F) y 900 °C (1650 °F). El gas reciclado frío puede entrar por el fondo de la retorta para enfriar la ceniza de esquisto. [11] [21] [31] Los procesos Union A y Superior Direct se apartan de este patrón. En el proceso Union A, el esquisto bituminoso se alimenta a través del fondo de la retorta y una bomba lo mueve hacia arriba. [11] En el proceso Superior Direct, el esquisto bituminoso se procesa en una retorta horizontal, segmentada y con forma de rosquilla con rejilla móvil . [11] [25] [32]

Las tecnologías de combustión interna como Paraho Direct son térmicamente eficientes , ya que la combustión del carbón en el esquisto gastado y el calor recuperado de las cenizas de esquisto y los gases evolucionados pueden proporcionar todos los requisitos de calor de la retorta. Estas tecnologías pueden lograr el 80-90% del rendimiento del ensayo de Fischer. [30] Dos industrias de petróleo de esquisto bien establecidas utilizan tecnologías de combustión interna: las instalaciones de proceso Kiviter han estado operando continuamente en Estonia desde la década de 1920, y varias empresas chinas operan instalaciones de proceso Fushun .

Las desventajas más comunes de las tecnologías de combustión interna son que el gas de esquisto bituminoso combustible se diluye con los gases de combustión [30] y las partículas más pequeñas de 10 milímetros (0,4 pulgadas) no se pueden procesar. La distribución desigual del gas en la retorta puede provocar bloqueos cuando los puntos calientes hacen que las partículas se fusionen o desintegren.

Sólidos reciclados en caliente

Las tecnologías de sólidos reciclados calientes proporcionan calor al esquisto bituminoso mediante el reciclaje de partículas sólidas calientes, por lo general cenizas de esquisto bituminoso. Estas tecnologías suelen emplear hornos rotatorios o retortas de lecho fluidizado , alimentadas por partículas finas de esquisto bituminoso que generalmente tienen un diámetro de menos de 10 milímetros (0,4 pulgadas); algunas tecnologías utilizan partículas incluso más pequeñas que 2,5 milímetros (0,10 pulgadas). Las partículas recicladas se calientan en una cámara o recipiente separado a aproximadamente 800 °C (1.470 °F) y luego se mezclan con el esquisto bituminoso crudo para hacer que este se descomponga a aproximadamente 500 °C (932 °F). El vapor de petróleo y el gas de esquisto bituminoso se separan de los sólidos y se enfrían para condensar y recolectar el petróleo. El calor recuperado de los gases de combustión y las cenizas de esquisto puede usarse para secar y precalentar el esquisto bituminoso crudo antes de mezclarlo con los sólidos reciclados calientes.

En los procesos Galoter y Enefit , el esquisto bituminoso usado se quema en un horno separado y la ceniza caliente resultante se separa del gas de combustión y se mezcla con partículas de esquisto bituminoso en un horno rotatorio. Los gases de combustión del horno se utilizan para secar el esquisto bituminoso en un secador antes de mezclarlo con la ceniza caliente. [33] El proceso TOSCO II utiliza bolas de cerámica en lugar de ceniza de esquisto como sólidos reciclados calientes. [13] La característica distintiva del Proceso Alberta Taciuk (ATP) es que todo el proceso se lleva a cabo en un solo recipiente horizontal giratorio de múltiples cámaras. [13] [16]

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 la combustión. [11] [2] Otra ventaja es que no hay límite en las partículas más pequeñas que la retorta puede procesar, lo que permite que se utilice todo el material triturado. Una desventaja es que se utiliza más agua para manipular la ceniza de esquisto más fina resultante.

Diagrama de la retorta del procesador Alberta Taciuk. Es un cilindro horizontal de 8,2 metros (27 pies) de alto y 62,5 metros (205 pies) de ancho. El esquisto bituminoso crudo se alimenta desde el lado derecho y se mueve a una sección donde se seca y se precalienta con cenizas de esquisto bituminoso calientes. La temperatura en esta sección es de alrededor de 250 °C (482 °F). Al mismo tiempo, el esquisto bituminoso crudo en esta sección sirve para enfriar las cenizas de esquisto bituminoso resultantes antes de su eliminación. En la sección de retorta, la temperatura es de alrededor de 500 °C (932 °F). Los vapores de petróleo se eliminan a través del tubo de vapor. El esquisto bituminoso usado se calienta nuevamente en la sección de combustión a una temperatura de 750 °C (1,380 °F) y se generan cenizas. Luego, las cenizas se envían a la sección de retorta como portador de calor, o a la zona de enfriamiento para su eliminación.
Procesador de retorta Alberta Taciuk

Conducción a través de una pared

Estas tecnologías transfieren calor al esquisto bituminoso conduciéndolo a través de la pared de la retorta. La alimentación de esquisto generalmente consiste en partículas finas. Su ventaja radica en el hecho de que los vapores de la retorta no se combinan con los gases de escape de la combustión. [11] [2] El proceso de Recursos de Combustión utiliza un horno rotatorio alimentado con hidrógeno, donde el gas caliente circula a través de un anillo exterior . [34] [35] La retorta calentada eléctricamente por etapas de Oil-Tech consta de cámaras de calentamiento individuales interconectadas, apiladas una sobre otra. [12] [32] Su principal ventaja radica en su diseño modular , que mejora su portabilidad y adaptabilidad. [32] El proceso en cápsula EcoShale de Red Leaf Resources combina la minería de superficie con un método de calentamiento a menor temperatura similar a los procesos in situ al operar dentro de los confines de una estructura de tierra. Un gas caliente que circula a través de tuberías paralelas calienta los escombros de esquisto bituminoso. [12] [36] [37] Una instalación dentro del espacio vacío creado por la minería permitiría una rápida recuperación de la topografía. [37] Un inconveniente general de las tecnologías de conducción a través de paredes 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 el sentido de que también procesan trozos de esquisto bituminoso en hornos de eje vertical. Sin embargo, es significativo que el calor en estas tecnologías se entrega mediante gases calentados fuera del recipiente de retorta y, por lo tanto, los vapores de retorta no se diluyen con los gases de escape de la combustión. [ 11] [2] Petrosix y Paraho Indirect emplean esta tecnología. [13] [38] Además de no aceptar partículas finas como alimentación, estas tecnologías no utilizan el calor potencial de la combustión del carbón en el esquisto gastado y, por lo tanto, deben quemar combustibles más valiosos. Sin embargo, debido a la falta de combustión del esquisto gastado, el esquisto bituminoso no supera los 500 °C (932 °F) y se puede evitar la descomposición significativa de minerales de carbonato y la posterior generación de CO2 para algunos esquistos bituminosos. Además, estas tecnologías tienden a ser más estables y más fáciles de controlar que las tecnologías de combustión interna o de reciclado de sólidos calientes.

Fluidos reactivos

El kerógeno está fuertemente ligado a la pizarra y resiste la disolución por la mayoría de los solventes . [39] A pesar de esta restricción, se ha probado la extracción usando fluidos especialmente reactivos, incluyendo aquellos en estado supercrítico . [39] Las tecnologías de fluidos reactivos son adecuadas para procesar pizarras bituminosas con un bajo contenido de hidrógeno. En estas tecnologías, el gas hidrógeno (H2 ) o los donantes de hidrógeno (químicos que donan hidrógeno durante las reacciones químicas) reaccionan con los precursores de coque (estructuras químicas en la pizarra bituminosa que son propensas a formar carbón durante la retorta pero que aún no lo han hecho). [40] Las tecnologías de fluidos reactivos incluyen el proceso IGT Hytort ( H2 a alta presión ), los procesos de solvente donante y el reactor de lecho fluidizado Chattanooga . [12] [2] En el IGT Hytort, la pizarra bituminosa se procesa en un ambiente de hidrógeno a alta presión. [41] El proceso Chattanooga usa un reactor de lecho fluidizado y un calentador asociado alimentado con hidrógeno para el craqueo térmico y la hidrogenación de la pizarra bituminosa . [12] Los resultados de laboratorio indican que estas tecnologías permiten obtener con frecuencia rendimientos de petróleo significativamente mayores que los procesos de pirólisis. Las desventajas 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 llevado a cabo varias pruebas experimentales para la gasificación de esquisto bituminoso mediante tecnologías de plasma . [42] En estas tecnologías, el esquisto bituminoso es bombardeado por radicales ( iones ). Los radicales rompen las moléculas de kerógeno formando gas sintético y petróleo. 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. [42] [43] [44] El principal beneficio de estas tecnologías es el procesamiento sin utilizar agua. [43]

In situTecnologías

Las tecnologías in situ calientan el petróleo de esquisto bituminoso del subsuelo inyectando fluidos calientes en la formación rocosa o utilizando fuentes de calor lineales o planares seguidas de conducción y convección térmica 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. [12] Estas tecnologías tienen la capacidad de extraer potencialmente más petróleo de esquisto de un área determinada de tierra que las tecnologías de procesamiento ex situ convencionales , ya que los pozos pueden alcanzar mayores profundidades que las minas a cielo abierto. Presentan una oportunidad para recuperar petróleo de esquisto de depósitos de baja calidad que las técnicas de minería tradicionales no podrían extraer. [45]

John Fell experimentó con la extracción in situ en Newnes , Australia, durante 1921, con cierto éxito, [46] [47] pero sus ambiciones estaban muy por delante de las tecnologías disponibles en ese momento.

Durante la Segunda Guerra Mundial, se implementó un proceso de extracción in situ modificado sin un éxito significativo en Alemania. [11] Uno de los primeros procesos in situ exitosos fue la gasificación subterránea por energía eléctrica ( método Ljungström ), un proceso explotado entre 1940 y 1966 para la extracción de petróleo de esquisto en Kvarntorp en Suecia. [11] [48] Antes de la década de 1980, se exploraron muchas variaciones del proceso in situ en los Estados Unidos. El primer experimento de esquisto bituminoso in situ modificado en los Estados Unidos fue realizado por Occidental Petroleum en 1972 en Logan Wash, Colorado. [13] Se están explorando tecnologías más nuevas que utilizan una variedad de fuentes de calor y sistemas de suministro de calor.

Conducción de pared

Una sección transversal simplificada del proceso in situ de Shell muestra una serie de agujeros verticales que se han perforado en el yacimiento de esquisto bituminoso, rodeados por una "pared de congelación" destinada a evitar fugas al área circundante. El proceso tiene una huella ecológica también en el suelo.
El muro de congelación de Shell para la producción de petróleo de esquisto in situ separa el proceso de su entorno

Las tecnologías de conducción in situ por pared utilizan elementos calefactores o tuberías de calefacción colocadas dentro de la formación de esquisto bituminoso. El proceso de conversión in situ de Shell (Shell ICP) utiliza elementos calefactores eléctricos para calentar la capa de esquisto bituminoso a entre 340 y 370 °C (650 y 700 °F) durante un período de aproximadamente cuatro años. [49] El área de procesamiento está aislada del agua subterránea circundante por una pared de congelación que consiste en pozos llenos de un fluido súper enfriado circulante. [23] [29] Las desventajas de este proceso son el gran consumo de energía eléctrica, el uso extensivo de agua y el riesgo de contaminación de las aguas subterráneas . [50] El proceso se probó desde principios de la década de 1980 en el sitio de prueba de Mahogany en la cuenca de Piceance . En 2004, se extrajeron 270 metros cúbicos (1700 bbl) de petróleo en un área de prueba de 9 por 12 metros (30 por 40 pies). [29] [49] [51]

Esquema general de la instalación de procesamiento in situ de CCR de American Shale Oil. Los pozos horizontales y verticales aplican vapor al depósito de esquisto bituminoso y los pozos verticales recuperan el petróleo.
Proceso CCR de American Shale Oil

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 esquisto bituminoso que se va a extraer. El sistema combina pozos horizontales, a través de los cuales pasa vapor, y pozos verticales, que proporcionan tanto transferencia de calor vertical a través del reflujo del petróleo de esquisto convertido como un medio para recolectar los hidrocarburos producidos. El calor se suministra mediante la combustión de gas natural o propano en la fase inicial y mediante gas de esquisto bituminoso en una etapa posterior. [12] [52]

El proceso de celdas de combustible geotérmicas (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, ubicadas en la formación de esquisto bituminoso, se alimentan con gas natural durante un período de calentamiento y luego con gas de esquisto bituminoso generado por su propio calor residual . [12] [48]

Gas caliente generado externamente

Esquema general del proceso Chevron CRUSH. Los pozos verticales inyectan gas caliente, recuperan el petróleo y albergan monitores de agua subterránea. Las bombas de petróleo, los compresores de gas caliente y las unidades y tanques de tratamiento de petróleo se encuentran en la superficie. La formación de esquisto bituminoso se fractura para permitir la circulación de gas entre pozos y aumentar la recuperación de petróleo.
Proceso Chevron CRUSH

Las tecnologías in situ de gas caliente generado externamente utilizan gases calientes calentados sobre el 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 Álamos , 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. [53] General Synfuels International ha propuesto el proceso Omnishale que implica la inyección de aire sobrecalentado en la formación de esquisto bituminoso. [12] [37] El proceso de extracción de vapor in situ de Mountain West Energy utiliza principios similares de inyección de gas a alta temperatura. [12] [54]

Fractura electrolítica de ExxonMobil

La tecnología in situ de ExxonMobil ( ExxonMobil Electrofrac ) utiliza calentamiento eléctrico con elementos de conducción de pared y métodos de calentamiento volumétrico. Inyecta un material conductor de electricidad, como coque de petróleo calcinado, en las fracturas hidráulicas creadas en la formación de esquisto bituminoso, que luego forma un elemento de calentamiento. [12] [55] [56] Los pozos de calentamiento se colocan en una fila paralela con un segundo pozo horizontal que los cruza en su punta. Esto permite que se apliquen cargas eléctricas opuestas en cada extremo. [12] [56]

Calentamiento volumétrico

Corte transversal realizado por un artista de una instalación de procesamiento de esquisto bituminoso que utiliza ondas de radio para suministrar calor a la formación. En una meseta rodeada de montañas, se muestran torres de transmisión, una torre de perforación petrolífera y algunas estructuras de soporte sobre el suelo. Grandes tuberías opacas representan su red de infraestructura subterránea.
Representación artística de una instalación de extracción basada en ondas de radio

El Instituto de Tecnología de Illinois desarrolló el concepto de calentamiento volumétrico de esquisto bituminoso mediante ondas de radio (procesamiento por radiofrecuencia) a fines de la década de 1970. Esta tecnología fue desarrollada aún más por el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore . El esquisto bituminoso 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 presupone una frecuencia de radio en la que la profundidad de la piel es de muchas decenas de metros, superando así los tiempos de difusión térmica necesarios para el calentamiento conductivo. [2] [57] [58] Sus desventajas incluyen la demanda eléctrica intensiva y la posibilidad de que el agua subterránea o el carbón absorban cantidades indebidas de energía. [2] El procesamiento por radiofrecuencia junto con fluidos críticos está siendo desarrollado por Raytheon junto con CF Technologies y probado por Schlumberger . [59] [60]

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 profundamente en la formación de esquisto bituminoso. [61] El proceso de calentamiento por microondas fue probado por Global Resource Corporation. [62] Electro-Petroleum propone una recuperación de petróleo mejorada eléctricamente mediante el paso de corriente continua entre los cátodos en los pozos de producción y los ánodos ubicados en la superficie o en profundidad en otros pozos. El paso de la corriente a través de la formación de esquisto bituminoso da como resultado un calentamiento Joule resistivo . [12]

Aceite de esquisto bituminoso

Las propiedades del petróleo de esquisto crudo varían dependiendo de la composición de la pizarra bituminosa original y de la tecnología de extracción utilizada. [63] Al igual que el petróleo convencional, el petróleo de esquisto es una mezcla compleja de hidrocarburos, y se caracteriza utilizando las propiedades en masa del petróleo. El petróleo de esquisto generalmente contiene grandes cantidades de hidrocarburos olefínicos y aromáticos . El petróleo de esquisto también puede contener cantidades significativas de heteroátomos . Una composición típica de petróleo de esquisto incluye 0,5-1% de oxígeno , 1,5-2% de nitrógeno y 0,15-1% de azufre , y algunos depósitos contienen más heteroátomos. Las partículas minerales y los metales también suelen estar presentes. [64] [65] Generalmente, el petróleo es menos fluido que el petróleo crudo, volviéndose vertible a temperaturas entre 24 y 27 °C (75 y 81 °F), mientras que el petróleo crudo convencional es vertible a temperaturas entre −60 y 30 °C (−76 y 86 °F); esta propiedad afecta la capacidad del petróleo de esquisto para ser transportado en tuberías existentes. [64] [66] [67]

El aceite de esquisto contiene hidrocarburos aromáticos policíclicos que son cancerígenos . Se ha descrito que el aceite de esquisto crudo tiene un potencial cancerígeno leve, comparable al de algunos productos intermedios de refinería, mientras que el aceite de esquisto mejorado tiene un potencial cancerígeno menor, ya que se cree que la mayoría de los aromáticos policíclicos se descomponen por hidrogenación. [68]

Aunque el petróleo de esquisto crudo puede quemarse inmediatamente como combustible, muchas de sus aplicaciones requieren que se lo mejore. Las diferentes propiedades de los aceites crudos requieren, en consecuencia, distintos tratamientos previos antes de que puedan enviarse a una refinería de petróleo convencional . [1]

Las partículas en el petróleo crudo obstruyen los procesos posteriores; el azufre y el nitrógeno crean contaminación del aire . El azufre y el nitrógeno, junto con el arsénico y el hierro que pueden estar presentes, también destruyen los catalizadores utilizados en la refinación. [69] [70] Las olefinas forman sedimentos insolubles y causan inestabilidad. El oxígeno dentro del petróleo, presente en niveles más altos que en el petróleo crudo , se presta a la formación de radicales libres destructivos . [60] La hidrodesulfuración y la hidrodesnitrogenación pueden abordar estos problemas y dar como resultado un producto comparable al petróleo crudo de referencia . [64] [60] [71] [72] Los fenoles se pueden eliminar primero mediante extracción con agua. [72] La mejora del petróleo de esquisto en combustibles para el transporte requiere ajustar las proporciones de hidrógeno y carbono agregando hidrógeno ( hidrocraqueo ) o eliminando carbono ( coquización ). [71] [72]

Antes de la Segunda Guerra Mundial , la mayor parte del petróleo de esquisto se procesaba para su uso como combustible para el transporte. Posteriormente, se utilizó como materia prima para productos químicos intermedios, productos químicos puros y resinas industriales, y como conservante de madera para ferrocarriles . A partir de 2008, se utiliza principalmente como combustible para calefacción y combustible marino, y en menor medida en la producción de diversos productos químicos. [1]

La concentración de compuestos de alto punto de ebullición del petróleo de esquisto es adecuada para la producción de destilados medios como queroseno , combustible para aviones y combustible diésel . [60] [73] [74] El craqueo adicional puede crear los hidrocarburos más ligeros utilizados en la gasolina. [60] [75]

Ciencias económicas

Gráfico de los cambios en el precio del crudo ligero y dulce de NYMEX entre 1996 y 2009 (sin ajustes por inflación). En 1996, el precio era de unos 20 dólares por barril. Desde entonces, los precios han experimentado un fuerte aumento, alcanzando un máximo de más de 140 dólares por barril en 2008. Cayeron a unos 70 dólares por barril a mediados de 2009.
Precios del crudo ligero y dulce de NYMEX 1996-2009 (sin ajustar por inflación)

La pregunta dominante para la producción de petróleo de esquisto es bajo 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 $ 3-10 mil millones. [76] Los diversos intentos de desarrollar depósitos de esquisto bituminoso han tenido éxito solo cuando el costo de producción de petróleo de esquisto en una región dada es menor que el precio del petróleo o sus otros sustitutos. Según una encuesta realizada por la Corporación RAND , el costo de producir petróleo de esquisto en un complejo de retorta de superficie hipotético en los Estados Unidos (que comprende una mina, planta de retorta, planta de mejoramiento , servicios públicos de apoyo y recuperación de esquisto bituminoso usado), estaría en un rango de $ 70-95 por barril ($ 440-600 / m 3 ), ajustado a los valores de 2005. Suponiendo un aumento gradual de la producción después del inicio de la producción comercial, el análisis proyecta una reducción gradual de los costos de procesamiento a $30–40 por barril ($190–250/m3 ) después de alcanzar el hito de 1.000 millones de barriles (160 × 106 m3 )  . [ 10] [29] El Departamento de Energía de los Estados Unidos estima que el procesamiento ex situ sería económico con precios mundiales del petróleo sostenidos superiores a $54 por barril y el procesamiento in situ sería económico con precios superiores a $35 por barril. Estas estimaciones suponen una tasa de retorno del 15%. [76] Royal Dutch Shell anunció en 2006 que su tecnología Shell ICP generaría ganancias cuando los precios del petróleo crudo fueran superiores a $30 por barril ($190/m3 ) , mientras que algunas tecnologías en producción a gran escala afirman ser rentables con precios del petróleo incluso inferiores a $20 por barril ($130/m3 ) . [13] [77]^

Para aumentar la eficiencia de la retorta de esquisto bituminoso y, por lo tanto, la viabilidad de la producción de petróleo de esquisto, los investigadores han propuesto y probado varios procesos de copirólisis, en los que otros materiales como biomasa , turba , betún residual o desechos de caucho y plástico se retortan junto con el esquisto bituminoso. [78] [79] [80] [81 ] [82] Algunas tecnologías modificadas proponen combinar una retorta de lecho fluidizado con un horno de lecho fluidizado circulado para quemar los subproductos de la pirólisis (carbón y gas de esquisto bituminoso) y, de ese modo, mejorar el rendimiento del petróleo, aumentar el rendimiento y disminuir el tiempo de retorta. [83]

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 , utilizar esquisto bituminoso que es un subproducto de la minería de carbón como en Fushun China, producir productos químicos especiales como Viru Keemia Grupp en Estonia, cogenerar electricidad a partir del calor residual y procesar esquisto bituminoso de alta calidad que produce más petróleo por esquisto procesado.

Una posible medida de la viabilidad del esquisto bituminoso como fuente de energía reside en la relación entre la energía del petróleo extraído y la energía utilizada en su extracción y procesamiento (Energía Retornada sobre la Energía Invertida, o EROEI ). Un estudio de 1984 estimó que el EROEI de los diversos depósitos de esquisto bituminoso conocidos variaba entre 0,7 y 13,3; [84] Algunas empresas y tecnologías más nuevas afirman un EROEI de entre 3 y 10. Según el 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. [85]

Para aumentar la EROEI, se propusieron varias tecnologías combinadas, entre ellas el uso del calor residual de los procesos, por ejemplo, la gasificación o la combustión del carbono residual (carbón), y el uso del calor residual de otros procesos industriales, como la gasificación del carbón y la generación de energía nuclear . [12] [86] [87]

Los requerimientos de agua para los procesos de extracción son una consideración económica adicional en regiones donde el agua es un recurso escaso.

Consideraciones medioambientales

La minería de esquisto bituminoso implica una serie de impactos ambientales, más pronunciados en la minería de superficie que en la minería subterránea. [88] Estos incluyen el drenaje ácido inducido por la exposición rápida y repentina y la posterior oxidación de materiales anteriormente enterrados, la introducción de metales, incluido el mercurio [89] en las aguas superficiales y subterráneas, el aumento de la erosión , las emisiones de gases de azufre y la contaminación del aire causada por la producción de partículas durante el procesamiento, el transporte y las actividades de soporte. [57] [90] En 2002, aproximadamente el 97% de la contaminación del aire, el 86% de los desechos totales y el 23% de la contaminación del agua en Estonia provenían de la industria energética, que utiliza el esquisto bituminoso como el principal recurso para su producción de energía. [91]

Una fotografía de pilas de color gris oscuro/plateado de trozos de esquisto gastado.
El esquisto gastado a menudo presenta un problema de eliminación

La extracción de esquisto bituminoso 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 crea incluso más gases de efecto invernadero que los combustibles fósiles convencionales. [92] 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 . [93] Entre los contaminantes del agua comúnmente asociados con el procesamiento de esquisto bituminoso se encuentran los hidrocarburos heterocíclicos de oxígeno y nitrógeno. Los ejemplos detectados comúnmente incluyen derivados de quinolina , piridina y varios homólogos alquílicos de piridina ( picolina , lutidina ). [94]

Las preocupaciones por el agua son temas sensibles en regiones áridas, como el oeste de los EE. UU. y el desierto del Néguev en Israel , donde existen planes para expandir la extracción de esquisto bituminoso a pesar de la escasez de agua . [95] Dependiendo de la tecnología, el retortado sobre el suelo utiliza entre uno y cinco barriles de agua por barril de petróleo de esquisto producido. [29] [96] [97] [98] Una declaración de impacto ambiental programático de 2008 emitida por la Oficina de Administración de Tierras de los EE. UU. declaró que las operaciones de minería a cielo abierto y retortado producen de 2 a 10 galones estadounidenses (7,6 a 37,9 L; 1,7 a 8,3 imp gal) de aguas residuales por 1 tonelada corta (0,91 t) de esquisto bituminoso procesado. [96] El procesamiento in situ , según una estimación, utiliza aproximadamente una décima parte de la cantidad de agua. [99] Los activistas ambientales , incluidos miembros de Greenpeace , han organizado fuertes protestas contra la industria del esquisto bituminoso. En un resultado, Queensland Energy Resources suspendió en 2004 el proyecto de esquisto bituminoso de Stuart en Australia. [57] [100] [101]

Véase también

Referencias

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