ENERGÍAS NO RENOVABLESARENAS ALQUITRANADAS y ESQUISTOS BITUMINOSOSArenas Alquitranadas

Las arenas de alquitrán, conocidas también como arenas bituminosas, arenas de petróleo, arenas petrolíferas, arenas aceiteras y en Venezuela como petróleo crudo extra pesado, son una combinación de arcilla, arena, agua y bitumen. De las arenas de alquitrán se extrae un bitumen similar al petróleo el cual es convertido en un petróleo crudo sintético o refinado directamente por refinerías especializadas para obtener productos del petróleo. El petróleo convencional es extraído por medio de pozos mientras que los depósitos de arenas bituminosas son extraídos usando técnicas de seccionamiento de minería superficial, o se les hace fluir hacia pozos por medio de técnicas in situ que reducen la viscosidad del bitumen por medio de vapor y/o solventes.

Esquistos Bituminosos

Son rocas sedimentarias arcillosas, generalmente negruzcas, que contienen materiales inorgánicos y orgánicos, procedentes de la fauna y la flora acuáticas (también se las llama rocas empapadas de petróleo). Este material es transformado diagénicamente en medio reductor y da lugar a materia orgánica compleja con un elevado peso molecular. El contenido en petróleo de los esquistos bituminosos varía enormemente, de forma que de una tonelada pueden extraerse de 75 a 125 litros de petróleo. El proceso de extracción del petróleo consiste en la trituración, combustión en hornos y extracción.

Composición (%)

Elemento Arenas Alquitranadas

Esquistos Bituminosos

Carbono ( C ) 83,2 80

Hidrógeno ( H )

10,4 10

Oxigeno ( O ) 0,94 6

Nitrogeno (N ) 0,36 3

Azufre ( S ) 4,8 1

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Origen

El deposito de materia orgánica en los lagos, lagunas y áreas estuarinas restringidas es lo que forma la pizarra bituminosa, adicionalmente se le atribuye su formación a la acumulación de desechos de algas. Cuando las plantas mueren en estos ambientes pantanosos, sus biomasas son depositadas en ambientes acuáticos anaeróbicos donde los bajos niveles de oxigeno evitan su completo deterioro por bacterias. Para estas masas de materia orgánica no descompuesta, y que será preservada en forma de pizarra bituminosa, el ambiente debe mantenerse sin alteraciones o quieto por largos periodos de tiempo, para lograr secuencias de materia de algas lo suficientemente gruesas. En situaciones donde ocurre inicio de orogenia o eventos tectónicos, el ambiente de algas pantanoso se interrumpe y cesa la acumulación de pizarra bituminosa.

La primera fase en transformación de materia orgánica a petróleo es la conversión a kerogeno. Durante esta transformación a baja temperatura (denominada diagénesis) el oxigeno, nitrógeno y azufre son eliminados. La transformación completa a petróleo curre durante la catagenesis, con una exposición prolongada a temperaturas en el rango de 50⁰C a 200⁰C, y profundidades entre 4000 a 9800 pies. Las propiedades catalíticas de la lutita que contiene al kerogeno contribuyen a la transformación. La ventana para una intensa generación de petróleo comienza a 65⁰C, equivalente a una profundidad de 4500 pies o mas. Temperaturas mayores a 200⁰C marcan el final del estado metamórfico de la transformación (conversión final a gas metano y grafito – carbón puro).

Los esquistos bituminosos no han madurado térmicamente mas allá de la diagénesis debido a su relativa profundidad somera (muy inmediato a la superficie). Ha tomado algún grado de maduración, pero no suficiente para convertir el kerogeno a petróleo. A modo de comparación, el petróleo convencional puede contener hasta un 40% de gasolina natural. Un ratio de kerogeno / carbón (1:6) es un factor significante en términos de rendimiento de combustibles de alta calidad. Un contenido de nitrógeno entre el 1% a 3%, puede ser un problema a la hora de producir combustibles estables (el petróleo típicamente contiene menos del 0,5% de nitrógeno).

CONSUMO – EXPLOTACIÓN – RESERVAS

En Canadá y Venezuela se encuentran tantas reservas de arenas bituminosas como de crudo convencional en el resto del mundo. Las reservas de este tipo de crudos representa las dos terceras partes de las reservas totales, siendo reconocidas como tales hace poco. Los yacimientos que más crudo aportan son los de Athabasca Oil Sands en Canadá y la Faja

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Petrolífera del Orinoco en Venezuela. La amplia mayoría de las arenas alquitranadas canadienses se encuentran en la provincia de Alberta, la más prolífica productora de combustibles fósiles del país. Los depósitos de arenas alquitranadas subyacen bajo más de 140.000 kilómetros cuadrados de bosque boreal relativamente virgen, una extensión más grande que el estado de Florida.

Se estima que las arenas alquitranadas contienen, aproximadamente, 1,7 billones de barriles de betún de petróleo (el término técnico para denominar al combustible fósil extraído de las arenas alquitranadas).

Aunque la mayor parte de este betún no se extrajera nunca, y se estima que tan sólo una fracción, 174.000 millones de barriles, son recuperables mediante el uso de la tecnología actual, y esto cumpliéndose las condiciones económicas actuales y las previstas para el futuro.

La Faja Petrolífera del Orinoco en Venezuela posee reservas aproximadas a 513000 millones de barriles.

En cuanto a los esquistos bituminosos, las reservas mundiales de este recurso superan el potencial energético de las actualmente conocidas para el petróleo convencional, siendo Estados Unidos el país con la mayor cantidad de ellas (65% aproximadamente) Estonia es el país que más las explota en términos relativos y absolutos. El bajo costo de minería y la posibilidad de su utilización directa hicieron que se transformara en la principal fuente de energía: proveen más de 90% de la electricidad de ese país. En China, el uso de los esquistos para extracción de aceite a escala comercial sigue una tendencia de crecimiento a corto y largo plazo.

Nuestro vecino país de Uruguay a puesto en marcha el proyecto de explotación de yacimientos de esquistos recientemente estudiados. Posee reservas probadas de importante significación equivalentes a 20 años de su consumo anual de petróleo o más de 40 años de su consumo anual de electricidad. En nuestro país las formaciones geológicas Vaca Muerta y Los Molles que abarcan las provincias de Neuquén, parte de NO de Río Negro y SO de Mendoza, son ricas en esquistos bituminosos. En noviembre de 2011, Repsol -YPF, anunció que había usado pozos verticales para comprobar la existencia de reservas del orden de 927 millones de barriles de petróleo y de gas natural no convencional.

Si la extracción de crudo convencional continúa al mismo ritmo que en el 2002, salvo que se encontrasen nuevos yacimientos, las reservas mundiales durarían aproximadamente 32 años. Se calcula que quedan unas 143.000 millones de toneladas. Hay entre 6,8 y 7,2 barriles de petróleo por tonelada, en dependencia de la densidad del petróleo. Por tanto, las reservas de crudo convencional se calculan entre 0,97 y 1,003 billones de barriles de petróleo. Debido a esto tanto las arenas como los esquistos bituminosos han comenzado a tener mayor importancia dentro de la matriz energética mundial. Antiguamente este tipo de combustible quedaba

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descartado considerando los elevados precios de exploración, extracción y producción; hoy en día debido a la creciente falta de crudo convencional este tipo de yacimientos se vuelven cada vez más rentables.

Sólo el 30% de las reservas mundiales de petróleo corresponde al del tipo convencional, es decir que entre arenas, esquistos y petróleos de alta densidad suman el 70% de las reservas de este recurso.

METODOS DE EXTRACCION - ARENAS

Extracción de arenas alquitranadas

Minería a cielo abierto Proceso de extracción "In Situ"

Minería a cielo abierto

Este método es aplicable cuando el estrato o bolsa de bitumen se encuentra a una profundidad que permita el movimiento del suelo, normalmente entre 40 y 60 metros de profundidad (aunque algunas pueden llegar a los 90 metros de profundidad). Luego del movimiento de suelo necesario, las arenas se extraen mediante excavadoras y se transportan en camiones para su posterior tratado o refinado. Ese tratamiento que reciben las arenas se realiza con una disolución de agua caliente y soda caustica en un proceso de agitación. La arena sedimenta en el agua y el crudo flota en la superficie.

El agua (incluyendo los minerales disueltos, arcilla y pequeñas cantidades de bitumen) que se separa se transfiere a balsas de residuos y se recicla para su uso en un nuevo lote. Una vez que el bitumen ha sido separado de la arena, éste es aún un combustible fósil pesado y de baja graduación, que

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requiere ser sometido a un proceso energético intensivo para convertirlo en un petróleo crudo sintético parecido al petróleo convencional. Este proceso se hace ya sea añadiéndole hidrogeno o quitándoles carbono. La transformación del bitumen se realiza, generalmente, antes de que este sea enviado a las refinerías, aunque a veces el bitumen sin refinar se disuelve (por ejemplo, con nafta), y es bombeado a la refinería, donde se transforma y refina.

Esquema del proceso:

1. Preparación de lugar (Tala de árboles y arbustos. La capa de suelo y el humus se retiran para la rehabilitación del lugar)

2. Mina (Las arenas alquitranadas se remueven con grandes palas excavadoras y camiones. El mineral es triturado)

3. Extracción primaria (El agua caliente se mezcla con las arenas alquitranadas en grandes vasijas para separar el betún de la arena. La espuma de betún y burbujas de aire se separa de la superficie, el agua se recoge en el medio y la arena cae al fondo)

4. Residuos (La arcilla y la arena se sedimentan lentamente y se usan para rellenar la mina. El agua se reutiliza para una nueva extracción)

5. Extracción secundaria (La espuma de bitumen se mezcla con nafta en centrifugadoras para extraer el agua y las finas partículas de arcilla)

6. Fábrica (El bitumen se calienta para separar los vapores de hidrocarburos de un residuo sólido llamado "coque". El azufre se extrae y se vende para fabricar fertilizantes)

7. Transporte (Por oleoducto a las refinerías)8. Proceso subterráneo (Proceso de extracción “in situ”)

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Proceso de extracción "In Situ"

Más del 80% de las reservas establecidas de arenas alquitranadas se encuentran a mayor profundidad, y han de ser extraídas in situ. Este proceso tiene ciertas ventajas por sobre el método de extracción minera a cielo abierto:

1. Menor movimiento de suelos (solo para la instalación de cañerías, caminos, edificios y equipos)

2. Poca recuperación de tierras ya que el bitumen se extrae fundiéndolo y este es drenado luego.

3. Menor cantidad de residuos generados.

Algunos de estos métodos son:

CHOPS: Cold Heavy Oil Production with Sand o cold flow (Producción de petróleo pesado en frío con el flujo de la arena en frío).

CSS: Cyclic Steam Stimulation o inyección de vapor. SAGD: Steam Assisted Gravity Drainage (Drenaje

por gravedad asistido con vapor). VAPEX: Vapor Extraction Process. THAI: Toe to Heel Air Injection.

CHOPS

Solo es aplicable cuando el crudo es lo suficientemente fluido. Consiste en desplazar grandes masas de arena para que el crudo cercano pase a ocupar su lugar y poder extraerlo mediante pozos. Una de las ventajas es que es más barato que la extracción mediante minería de superficie, pero la recuperación del crudo es menor, en torno a un 5 o un 6%. Otro de los inconvenientes es el almacenaje de las arenas movidas.

CSS

Consiste en inyectar vapor a temperaturas que oscilan entre los 300 y los 400ºC en períodos de semanas o meses (dependiendo de la viscosidad del crudo, de la producción que se quiera, etc.), cuando ha pasado el periodo de tiempo necesario, se perfora un pozo para que el calor empape la formación rocosa. Finalmente el petróleo se extrae mediante bombeo de forma convencional. El proceso es cíclico (inyección, calor, bombeo). Con este proceso se recupera entre el 20 y el 25% del crudo, aunque el coste de inyectar el vapor es muy alto.

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SAGD

El proceso consiste en perforar dos pozos horizontales en la zona de las arenas bituminosas, uno en el fondo de la formación rocosa y otro aproximadamente 5 metros por encima, normalmente en un yacimiento se perforan varios pares de pozos. El vapor se inyecta por el pozo superior, el cual hace que el bitumen se disuelva y pueda fluir por el pozo inferior y ser bombeado hasta la superficie. El SAGD es más barato que el CSS y permite una recuperación del crudo del 60%.

VAPEX

Es similar al SAGD, pero en lugar de vapor lo que se inyecta al yacimiento son disolventes. Este método tiene la ventaja de que es más eficiente energéticamente hablando, ya que no se necesita un vapor calentado y, por lo tanto, no hay pérdidas energéticas por calor, además de que se mejora la calidad del crudo antes de su extracción.

THAI

Es un proceso totalmente nuevo que consiste en la combinación de un pozo vertical por el que se inyecta aire y un pozo horizontal por el que se extrae el crudo. Consiste en quemar una parte del crudo que existe en el yacimiento, creando una pared de calor con el resto del crudo, que se reblandece y se hace más fácil de extraer; además de que la combustión selectiva permite obtener un crudo de mejor calidad y más ligero sin tratamientos posteriores a la extracción. Pero dado que es muy difícil controlar la combustión de un yacimiento, éste método no es muy utilizado.

METODOS DE EXTRACCION - ESQUISTOS

La utilización energética del esquisto bituminoso admite dos opciones básicas: la quema directa en calderas para la producción de energía térmica o la destilación para la obtención de crudo sintético para insumo de una refinería de petróleo. La primera opción es la más desarrollada a nivel mundial y la que exige menores desarrollos tecnológicos. La tecnología de quema directa es muy similar a la quema de leña o cáscara de arroz. La segunda opción parece la más atractiva desde el punto de vista del aprovechamiento energético, pero su exigencia tecnológica es mayor. La extracción de crudo de los esquistos requiere de minería en superficie o subterránea, seguido de calentamiento

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(denominado "pirólisis" o "retortaje"), separación y recolección directamente del depósito natural donde se encuentra.

Este retortaje puede ser en superficie o in-situ. En caso de ser in-situ el yacimiento es calentado en el lugar y el aceite se recoge en pozos productores perforados para tal fin. El líquido obtenido es mejorado para producir crudo sintético que puede ser procesado en una refinería. Luego del retortaje el residuo se enfría y se dispone del mismo en el caso de procesamiento en superficie y en el caso in-situ el lugar es recuperado luego de la explotación. Actualmente, las tecnologías más desarrolladas son las aplicadas a explotación ex-situ, tanto para la combustión directa como para la obtención de petróleo sintético.

IMPACTO AMBIENTAL

Efecto Invernadero

Aunque los productos finales del petróleo convencional y de las arenas alquitranadas son los mismos (mayoritariamente combustibles para transporte, gasolina, kerosene), la producción de un barril de petróleo crudo sintético, proveniente de las arenas alquitranadas, libera hasta tres veces más contaminación por gases de efecto invernadero que el petróleo convencional. Esto es el resultado de la enorme cantidad de energía necesaria para generar el calor necesario (procedente sobre todo de la quema de gas natural), a fin de extraer el betún de las arenas de alquitrán y transformarlo en crudo sintético. Para producir tan solo tres barriles de petróleo proveniente de arenas se necesita la energía equivalente a un barril de petróleo.

Bosques

Es conocido que estas arenas bituminosas se encuentran bajo el bosque boreal, complejo que reúne un mosaico único de bosques, humedales y lagos. El bosque boreal de Canadá representa una cuarta parte de los bosques que permanecen intactos a nivel mundial. Albergando una amplia variedad de faunas. Si el desarrollo actual de los proyectos con arenas bituminosas se lleva a acabo, tal como se ha planeado 3.000 kilómetros cuadrados de bosque boreal podría desaparecer, junto a los animales que viven allí y 137.000 kilómetros cuadrados podría quedar fragmentado en una tela de araña de líneas sísmicas, carreteras, etc.

Agua

Los ríos que atraviesan los yacimientos son usados como fuente acuífera primaria para separar el betún de las arenas alquitranadas de las minas, haciendo peligrar la subsistencia de especies y la industria pesquera comercial. Las operaciones de minería de las arenas alquitranadas sacan de 2 a 4,5barriles de agua dulce del río por cada barril de petróleo producido. Tanto la minería de las arenas alquitranadas como las extracciones in situ, producen grandes volúmenes de deshechos, resultado

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del uso del agua. En las extracciones in situ, el tipo de residuos principal es el resultado de tratar el agua utilizado en la extracción, dado que producen grandes cantidades de residuos en forma de escombreras (seis barriles de deshechos por barril de betún extraído). Estos deshechos, un cieno de agua, arena, arcilla fina y betún residual, son almacenados en amplios depósitos de aguas residuales. Estos estanques de deshechos pueden cubrir más de 50 kilómetros cuadrados.

Aire

La Contaminación atmosférica por las arenas bituminosas está aumentando rápidamente desde el 2003. Esta contaminación es debido a la quema de combustibles fósiles procedentes de la industria pesada que contienen sustancias como óxidos de nitrógeno (NOx), Dióxido de azufre (SO2), que son emitidos en grandes cantidades por la extracciones de arenas alquitranadas.

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