La extracción de petróleo de esquisto es un proceso industrial para la producción de petróleo no convencional . Este proceso convierte el kerógeno del esquisto bituminoso en aceite de esquisto mediante pirólisis , hidrogenación o disolución térmica . El petróleo de esquisto resultante se utiliza como fueloil o se mejora para cumplir con las especificaciones de materia prima de la refinería agregando hidrógeno y eliminando impurezas de azufre y nitrógeno . [1]
La extracción de petróleo de esquisto bituminoso generalmente se realiza en la superficie ( procesamiento ex situ ) extrayendo el esquisto bituminoso y luego tratándolo en 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 petroleros . [2]
La descripción más antigua del proceso data del siglo X. En 1684, Gran Bretaña concedió la primera patente formal del proceso de extracción. Las industrias extractivas 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 interés renovado, acompañado del desarrollo y prueba de tecnologías más nuevas.
En 2010, importantes industrias de extracción de larga data están operando en Estonia , Brasil y China . Su viabilidad económica suele requerir una falta de petróleo crudo disponible localmente. Las cuestiones de seguridad energética nacional también han desempeñado un papel en su desarrollo. Los críticos de la extracción de petróleo 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.
En el siglo X, el médico asirio Masawaih al-Mardini (Mesue el Joven) escribió sobre sus experimentos para extraer petróleo de "una especie de esquisto bituminoso". [4] La primera patente de extracción de petróleo de esquisto fue concedida por la Corona británica en 1684 a tres personas que habían "encontrado una manera de extraer y producir grandes cantidades de brea, alquitrán y ole a partir 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 más tarde en Escocia utilizando un proceso inventado por James Young . [3] [7] A finales 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 a principios del siglo XX. Sin embargo, los descubrimientos de petróleo crudo en Texas durante la década de 1920 y en Medio Oriente 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 bruscamente en los años 1980. [9] [12] [13] La última réplica de esquisto bituminoso en los EE. UU., operada por Unocal Corporation , cerró en 1991. [12] [13] El programa estadounidense 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 . [14]
Desde 2010 [actualizar], la extracción de petróleo de esquisto está 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 mediante 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] Sólo cuatro procesos están en uso comercial: Kiviter , Galoter , Fushun y Petrosix . [dieciséis]
El proceso de extracción de petróleo de esquisto descompone el esquisto bituminoso y convierte su kerógeno en petróleo de esquisto, un petróleo crudo sintético similar al petróleo . El proceso se lleva a cabo por pirólisis , hidrogenación o disolución térmica . [21] [22] 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 esquisto. [23]
El método de extracción más antiguo y 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 querógeno se descompone en vapores de esquisto bituminoso condensables y gas de esquisto bituminoso combustible no condensable . Luego, 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 esquisto bituminoso produce esquisto bituminoso agotado, que es un residuo sólido. El esquisto gastado se compone de compuestos inorgánicos ( minerales ) y carbón , un residuo carbonoso formado a partir de querógeno. La quema del carbón de esquisto agotado produce cenizas de esquisto bituminoso. El esquisto gastado y las cenizas de esquisto se pueden utilizar como ingredientes en la fabricación de cemento o ladrillos. [21] [24] La composición del esquisto bituminoso puede aportar un valor añadido al proceso de extracción mediante la recuperación de subproductos, incluidos amoníaco , azufre , compuestos aromáticos , brea , asfalto y ceras . [13]
Calentar la pizarra bituminosa a la temperatura de pirólisis y completar las reacciones endotérmicas de descomposición del kerógeno requiere una fuente de energía. Algunas tecnologías queman otros combustibles fósiles como gas natural, petróleo o carbón para generar este calor y 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, las necesidades de energía térmica externa: el gas de esquisto bituminoso y los subproductos del carbón generados por la pirólisis pueden quemarse como fuente de energía, y el calor contenido en el esquisto bituminoso gastado caliente y Se pueden utilizar cenizas de esquisto bituminoso para precalentar el esquisto bituminoso en bruto. [21]
Para el procesamiento ex situ , la pizarra bituminosa 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 autoclave ex situ , comienza a 300 °C (570 °F) y avanza más rápida y completamente a temperaturas más altas. La cantidad de petróleo producida es mayor cuando la temperatura oscila entre 480 y 520 °C (900 y 970 °F). La proporción entre gas de esquisto bituminoso y petróleo de esquisto bituminoso generalmente aumenta junto con las temperaturas de retorta. [21] Para un proceso in situ moderno , que podría llevar varios meses de calentamiento, la descomposición se puede realizar a temperaturas tan bajas como 250 °C (480 °F). Son preferibles temperaturas inferiores a 600 °C (1110 °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. [25]
La hidrogenación y la disolución térmica (procesos de fluidos reactivos) extraen el aceite utilizando donadores de hidrógeno , disolventes o una combinación de estos. La disolución térmica implica la aplicación de disolventes 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]
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 de la pizarra bituminosa en bruto mediante calor y disolventes, los métodos se clasifican en pirólisis, hidrogenación o disolución térmica. [22]
Por ubicación : una distinción utilizada con frecuencia considera si el procesamiento se realiza sobre o bajo tierra, 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 autoclave en superficie , la 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 se encuentra en forma de depósito de esquisto bituminoso, después de lo cual se extrae a través de pozos petrolíferos , donde se eleva de la misma manera que el petróleo crudo convencional. [2] A diferencia del procesamiento ex situ , no implica minería ni eliminación de esquisto bituminoso en la superficie, ya que el esquisto bituminoso 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 la 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 a la pizarra bituminosa, las tecnologías de procesamiento se han clasificado en portador de calor gaseoso, portador de calor sólido, conducción de pared, fluido reactivo y métodos de calentamiento volumétrico. [11] [23] [2] [30] Los métodos portadores de calor se pueden subclasificar en 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 ).
Por tamaño de las partículas de esquisto bituminoso en bruto : Las diversas tecnologías de procesamiento ex situ pueden diferenciarse por el tamaño de las partículas de esquisto bituminoso que se introducen en las retortas. Como regla general, las tecnologías de portadores de calor de gas procesan trozos de esquisto bituminoso que varían en diámetro de 10 a 100 milímetros (0,4 a 3,9 pulgadas), mientras que las tecnologías de portadores de calor sólidos y de conducción de paredes procesan finos que son partículas de menos de 10 milímetros (0,4 pulgadas) de diámetro. . [dieciséis]
Por orientación de retorta : Las tecnologías "ex-situ" a veces se clasifican en 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 grumos utilizando un portador de calor gaseoso, mientras que las retortas horizontales procesan 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 verdaderos procesos in situ no implican la extracción ni la trituración de esquisto bituminoso. Los procesos in situ modificados implican perforar y fracturar el depósito de esquisto bituminoso objetivo para crear huecos en el depósito. Los huecos permiten un mejor flujo de gases y fluidos a través del depósito, aumentando así el volumen y la calidad del petróleo de esquisto producido. [13]
Las tecnologías de combustión interna queman materiales (normalmente carbón vegetal y gas de esquisto bituminoso) dentro de una retorta de eje vertical para suministrar calor para la pirólisis. [11] [2] Por lo general, las partículas crudas de esquisto bituminoso 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 mediante los gases calientes ascendentes, que pasan a través del petróleo descendente. esquisto, provocando así la descomposición del querógeno a aproximadamente 500 °C (932 °F). La niebla de petróleo 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. Se recoge el aceite de esquisto condensado, mientras que el gas no condensable se recicla y se utiliza para calentar la retorta. En la parte inferior de la retorta se inyecta aire para la combustión que calienta la pizarra bituminosa gastada y los gases entre 700 °C (1292 °F) y 900 °C (1650 °F). El gas reciclado frío puede ingresar al fondo de la retorta para enfriar las cenizas de esquisto. [11] [21] [31] Los procesos Unión A y Superior Direct se apartan de este patrón. En el proceso Unión A, la pizarra bituminosa se introduce a través del fondo de la retorta y una bomba la mueve hacia arriba. [11] En el proceso Superior Direct, la pizarra bituminosa se procesa en una retorta de rejilla móvil horizontal, segmentada y en forma de rosquilla . [11] [25] [32]
Las tecnologías de combustión interna como Paraho Direct son térmicamente eficientes , ya que la combustión del carbón vegetal en la esquisto gastada y el calor recuperado de las cenizas de esquisto y los gases desprendidos pueden proporcionar todos los requisitos de calor de la retorta. Estas tecnologías pueden alcanzar entre el 80% y el 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 .
Los inconvenientes comunes de las tecnologías de combustión interna son que el gas combustible de esquisto bituminoso se diluye con los gases de combustión [30] 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 provocar bloqueos cuando los puntos calientes hacen que las partículas se fusionen o se desintegren.
Las tecnologías de sólidos reciclados en caliente suministran calor a la pizarra bituminosa mediante el reciclaje de partículas sólidas calientes, normalmente cenizas de pizarra bituminosa. Estas tecnologías suelen emplear hornos giratorios 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 (1470 °F) y luego se mezclan con la pizarra bituminosa en bruto para hacer que la pizarra 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 recoger el petróleo. El calor recuperado de los gases de combustión y las cenizas de esquisto se puede utilizar 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 giratorio. Los gases de combustión del horno se utilizan para secar la pizarra bituminosa en un secador antes de mezclarla con ceniza caliente. [33] El proceso TOSCO II utiliza bolas de cerámica en lugar de cenizas de esquisto como sólidos reciclados calientes. [13] La característica distintiva del Proceso de Alberta Taciuk (ATP) es que todo el proceso ocurre en un único 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, permitiendo así utilizar todo el alimento triturado. Una desventaja es que se utiliza más agua para manipular la ceniza de esquisto más fina resultante.
Estas tecnologías transfieren calor a la pizarra bituminosa conduciéndolo a través de la pared de la retorta. El alimento de esquisto suele estar compuesto de 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 giratorio 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 encima de la 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 a cielo abierto 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. [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 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.
En general, las tecnologías de gas caliente generado externamente son similares a las tecnologías de combustión interna en que también procesan trozos de esquisto bituminoso en hornos de eje vertical. Sin embargo, es significativo que el calor en estas tecnologías es entregado 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. [11] [2] Petrosix y Paraho Indirect emplean esta tecnología. [13] [38] Además de no aceptar partículas finas como alimento, estas tecnologías no utilizan el calor potencial de la combustión del carbón de esquisto agotado 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 una importante descomposición del mineral de carbonato y la posterior generación de CO2 . Además, estas tecnologías tienden a ser más estables y fáciles de controlar que las tecnologías de combustión interna o de reciclaje de sólidos calientes.
El kerógeno está estrechamente unido a la lutita y resiste la disolución de la mayoría de los solventes . [39] A pesar de esta limitación, se ha probado la extracción utilizando fluidos especialmente reactivos, incluidos aquellos en estado supercrítico . [39] Las tecnologías de fluidos reactivos son adecuadas para el procesamiento de lutitas bituminosas con un bajo contenido de hidrógeno. En estas tecnologías, el gas hidrógeno (H 2 ) o los donadores de hidrógeno (sustancias químicas que donan hidrógeno durante reacciones químicas) reaccionan con precursores de coque (estructuras químicas en el esquisto bituminoso que son propensas a formar carbón durante el autoclave pero que aún no lo han hecho). [40] Las tecnologías de fluidos reactivos incluyen el proceso IGT Hytort (H 2 de alta presión ), procesos de disolventes donantes y el reactor de lecho fluidizado Chattanooga . [12] [2] En IGT Hytort, el esquisto bituminoso se procesa en un entorno de hidrógeno a alta presión. [41] El proceso de Chattanooga utiliza un reactor de lecho fluidizado y un calentador asociado alimentado con hidrógeno para el craqueo térmico y la hidrogenación del esquisto bituminoso . [12] Los resultados de laboratorio indican que estas tecnologías a menudo pueden obtener 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.
Se han realizado varias pruebas experimentales para la gasificación de esquisto bituminoso utilizando tecnologías de plasma . [42] En estas tecnologías, el esquisto bituminoso es bombardeado por radicales ( iones ). Los radicales rompen las moléculas de querógeno formando gas y petróleo sintéticos . Se utilizan 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]
Las tecnologías in situ calientan el esquisto bituminoso bajo tierra inyectando fluidos calientes en la formación rocosa o utilizando fuentes de calentamiento 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. [12] Estas tecnologías son potencialmente capaces de extraer 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 de superficie. Presentan una oportunidad para recuperar petróleo de esquisto de depósitos de baja ley que las técnicas mineras tradicionales no podían 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 en Alemania un proceso de extracción in situ modificado sin éxito significativo. [11] Uno de los primeros procesos in situ exitosos 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 , Suecia. [11] [48] Antes de la década de 1980, se exploraron muchas variaciones del proceso in situ en los Estados Unidos. El primer experimento modificado in situ de esquisto bituminoso 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.
Las tecnologías de conducción por pared in situ 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 en circulación. [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 pruebas de Mahogany en la cuenca de Piceance . En 2004 se extrajeron 270 metros cúbicos (1.700 bbl) de petróleo en un área de pruebas de 9 por 12 metros (30 por 40 pies). [29] [49] [51]
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 el vapor, y pozos verticales, que proporcionan transferencia de calor vertical a través del reflujo del petróleo de esquisto convertido y un medio para recolectar los hidrocarburos producidos. El calor se obtiene mediante la combustión de gas natural o propano en la fase inicial y de gas de esquisto bituminoso en una fase posterior. [12] [52]
El proceso de pilas de combustible geotérmico (IEP GFC) propuesto por Independent Energy Partners extrae petróleo de esquisto explotando una pila de pilas de combustible de alta temperatura . Las celdas, ubicadas en la formación de esquisto bituminoso, se alimentan de gas natural durante un período de calentamiento y luego de gas de esquisto bituminoso generado por su propio calor residual . [12] [48]
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 Alamos , inyecta dióxido de carbono calentado en la formación a través de pozos perforados y calienta 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]
La tecnología in situ de ExxonMobil ( ExxonMobil Electrofrac ) utiliza calentamiento eléctrico con elementos tanto de conducción mural como de calentamiento volumétrico. Inyecta un material eléctricamente conductor, como el coque de petróleo calcinado, en las fracturas hidráulicas creadas en la formación de esquisto bituminoso, que luego forma un elemento calefactor. [12] [55] [56] Los pozos de calefacción se colocan en una fila paralela con un segundo pozo horizontal que los cruza en la punta. Esto permite aplicar cargas eléctricas opuestas en cualquiera de los extremos. [12] [56]
El Instituto de Tecnología de Illinois desarrolló el concepto de calentamiento volumétrico de esquisto bituminoso utilizando ondas de radio (procesamiento por radiofrecuencia) a finales de la década de 1970. Esta tecnología fue desarrollada aún más por el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore . La pizarra bituminosa se calienta mediante conjuntos de electrodos verticales . Se podrían procesar volúmenes más profundos 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 muchas decenas de metros, superando así los tiempos de difusión térmica necesarios para el calentamiento conductivo. [2] [57] [58] Sus desventajas incluyen una demanda eléctrica intensiva y la posibilidad de que el agua subterránea o el carbón absorban cantidades indebidas de energía. [2] Raytheon está desarrollando el procesamiento de radiofrecuencia junto con fluidos críticos junto con CF Technologies y Schlumberger lo está probando . [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 la 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 esquisto bituminoso produce un calentamiento resistivo Joule . [12]
Las propiedades del petróleo de esquisto bituminoso en bruto varían según la composición del esquisto bituminoso original y la tecnología de extracción utilizada. [63] Al igual que el petróleo convencional, el petróleo de esquisto bituminoso es una mezcla compleja de hidrocarburos y se caracteriza por las propiedades generales del petróleo. El petróleo de esquisto suele contener 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 entre un 0,5 y un 1% de oxígeno , entre un 1,5 y un 2% de nitrógeno y entre un 0,15 y un 1% de azufre , y algunos depósitos contienen más heteroátomos. También suelen estar presentes partículas minerales y metales. [64] [65] Generalmente, el petróleo es menos fluido que el petróleo crudo y se puede verter a temperaturas entre 24 y 27 °C (75 y 81 °F), mientras que el petróleo crudo convencional se puede verter a temperaturas entre -60 y 30 °C. (-76 y 86 °F); Esta propiedad afecta la capacidad del petróleo de esquisto para ser transportado en los oleoductos existentes. [64] [66] [67]
El petróleo de esquisto contiene hidrocarburos aromáticos policíclicos que son cancerígenos . Se ha descrito que el aceite de esquisto en bruto tiene un potencial cancerígeno leve que es 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 mediante hidrogenación. [68]
Aunque el petróleo de esquisto en bruto puede quemarse inmediatamente como fueloil, muchas de sus aplicaciones requieren su mejora. Las diferentes propiedades de los aceites crudos requieren distintos tratamientos previos antes de enviarlos 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 puedan estar presentes, también destruyen los catalizadores utilizados en el refinado. [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 conversión del petróleo de esquisto bituminoso en combustibles para el transporte requiere ajustar las proporciones hidrógeno-carbono añadiendo hidrógeno ( hidrocraqueo ) o eliminando carbono ( coquización ). [71] [72]
Antes de la Segunda Guerra Mundial , la mayor parte del petróleo de esquisto se mejoró 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 que se utilizan en la gasolina. [60] [75]
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 a 10 mil millones de dólares. [76] Los diversos intentos de desarrollar depósitos de esquisto bituminoso sólo han tenido éxito cuando el costo de producción del petróleo de esquisto en una región determinada es inferior al precio del petróleo o de sus otros sustitutos. Según una encuesta realizada por RAND Corporation , el costo de producir petróleo de esquisto en un hipotético complejo de retorta de superficie en los Estados Unidos (que comprende una mina, una planta de retorta, una planta de mejora , servicios públicos de apoyo y recuperación de esquisto bituminoso gastado) sería de un rango de 70 a 95 dólares por barril (440 a 600 dólares/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 dólares por barril (190-250 dólares/m 3 ) después de alcanzar el hito de mil millones de barriles (160 × 10 6 m 3 ). [10] [29] El Departamento de Energía de los 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 superiores a 35 dólares por barril. Estas estimaciones suponen una tasa de retorno del 15%. [76] 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 ser rentables a precios del petróleo aún más bajos. de 20 dólares por barril (130 dólares/m 3 ). [13] [77]
Para aumentar la eficiencia del autoclave de esquisto bituminoso y, con ello, la viabilidad de la producción de petróleo de esquisto, los investigadores han propuesto y probado varios procesos de copirolisis en los que se procesan otros materiales como biomasa , turba , betún residual o desechos de caucho y plástico . 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 mejorar así el rendimiento del petróleo. , aumentando el rendimiento y disminuyendo 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 del carbón, como en Fushun China, producir productos químicos especiales como por 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 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 devuelta sobre energía invertida, o EROEI ). Un estudio de 1984 estimó que la TRE de los diversos depósitos conocidos de esquisto bituminoso oscilaba entre 0,7 y 13,3; [84] Algunas empresas y tecnologías más nuevas afirman una TRE de entre 3 y 10. Según World Energy Outlook 2010, la TRE del procesamiento ex situ suele ser de 4 a 5, mientras que la del procesamiento in situ puede ser incluso tan baja como 2. [85 ]
Para aumentar la TRE se propusieron varias tecnologías combinadas. Estos incluyen el uso de calor residual de procesos, por ejemplo, gasificación o combustión del carbono residual (carbón), y el uso de calor residual de otros procesos industriales, como la gasificación del carbón y la generación de energía nuclear . [12] [86] [87]
Los requerimientos de agua de los procesos de extracción son una consideración económica adicional en regiones donde el agua es un recurso escaso.
La minería de esquisto bituminoso implica una serie de impactos ambientales, más pronunciados en la minería a cielo abierto que en la 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 aguas superficiales y subterráneas, aumento de la erosión , emisiones de gases de azufre y contaminación del aire causada por la producción de partículas durante el procesamiento, transporte y actividades de apoyo. [57] [90] En 2002, alrededor del 97% de la contaminación del aire, el 86% del total de residuos y el 23% de la contaminación del agua en Estonia provinieron de la industria energética, que utiliza esquisto bituminoso como principal recurso para su producción de energía. [91]
La extracción de esquisto bituminoso puede dañar el valor biológico y recreativo de la tierra y el ecosistema en la zona minera. La combustión y el procesamiento térmico generan material de desecho. Además, las emisiones atmosféricas procedentes del procesamiento y la combustión del 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 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 comúnmente detectados incluyen derivados de quinolina , piridina y varios homólogos alquilo de piridina ( picolina , lutidina ). [94]
Las preocupaciones sobre el agua son cuestiones delicadas en 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 . [95] Dependiendo de la tecnología, el autoclave 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 programática de 2008 emitida por la Oficina de Administración de Tierras de EE. UU . declaró que la minería a cielo abierto y las operaciones de retorta 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 agua. [99] Activistas medioambientales , incluidos miembros de Greenpeace , han organizado fuertes protestas contra la industria del esquisto bituminoso. Como resultado, Queensland Energy Resources suspendió en 2004 el proyecto Stuart Oil Shale propuesto en Australia. [57] [100] [101]
{{cite book}}: |work=ignorado ( ayuda ){{cite book}}: |work=ignorado ( ayuda )La destilación fraccionada produce principalmente hidrocarburos de alto peso molecular, que luego pueden craquearse para producir hidrocarburos deseables en el rango de las gasolinas.