Hidrocarburos: fósiles pero aún no extinguidos Understand article
Traducido por Lara Sanz García y Gabriel Pinto. Universidad Politécnica de Madrid. Continuando nuestra serie sobre la energía, Menno van Dijk nos presenta el pasado, el presente y el futuro de los hidrocarburos – todavía el combustible más común.
de musgo (Mnium hornum);
las partes de las células de
las plantas que almacenan la
energía de la luz como
combustible molecular
(cloroplastos) son claramente
visibles
Imagen cortesía de Kristian
Peters and Hans Ferdinand
Maßmann; fuente de la imagen:
Wikimedia Commons
Hoy en día, mientras los investigadores están trabajando en el desarrollo de combustibles limpios y renovables, nuestra sociedad todavía depende de los combustibles fósiles casi por completo. ¿Cómo se forman?, ¿cuánto hay?, y ¿cuánto durarán?
Hace cientos de millones de años, el mundo era un desierto, pero no estaba vacío. Una diversidad de animales y plantas habitaban la tierra. Los mares estaban llenos de vida y, como hoy, la mayor parte de la biomasa consistía en organismos microscópicos. Todos ellos extraían la energía para sus moléculas orgánicas directa o indirectamente de la luz del Sol.
Almacenamiento en depósitos
Desde entonces, los continentes se han separado, con algunas masas de tierra desapareciendo en las profundidades y otras que permanecen. Viento, hielo y lluvia causaron una erosión sobre la superficie terrestre, que creó grandes masas de sedimentos, especialmente en los estuarios de los ríos. Algunos sedimentos eran porosos (como arena o esqueletos de animales calcáreos) y otros impermeables (como la arcilla). El material orgánico estaba enterrado, también, y los movimientos verticales de masa terrestre podrían llevarlos a varios kilómetros bajo tierra. Allí, aumentaron su temperatura con el calor procedente del interior de la Tierra.
La alta temperatura y la alta presión debidas a la profundidad causaron que la materia orgánica se descompusiera y se convirtiera en un fluido con una variada colección de estructuras químicas: hidrocarburos volátiles como el metano y el etano, moléculas parafínicas largas y cortas, aromáticas, y estructuras policíclicas altamente complejas y largas. Como todas ellas están formadas principalmente de carbono (C) e hidrógeno (H), se les llama colectivamente “hidrocarburos”.
perforación en alta mar
Imagen cortesía de Mayumi
Terao / iStockphoto
Este fluido, en su mayoría mezclado con agua que también quedó atrapada, salía hacia arriba a través de rocas porosas hasta que fue – en algunos casos – detenido por una capa impermeable de sedimentos. Donde la geometría del terreno, determinada por roturas y deformaciones, había formado recintos tridimensionales, o depósitos, el líquido se acumuló y permaneció “cociendo a fuego lento”.
Debido a la ausencia de oxígeno, la energía solar almacenada como energía química en las moléculas no se quemó (combustión), sino se conservó durante millones de años. A veces se formaba una fase de gas separada sobre el petróleo y, en otras ocasiones, se formaba una “burbuja de gas” cuando solamente moléculas de hidrocarburos muy pequeñas encontraban su camino al depósito. Hay que indicar que esta burbuja de gas, así como el depósito de petróleo, están encerrados en roca porosa, cuyos poros están llenos de petróleo y/o gas y/o agua.
Sobre la superficie, también quedó enterrada materia orgánica como árboles y plantas. Bajo condiciones favorables, cuando se cubrieron rápidamente con sedimentos y sin contacto con el oxígeno, previniendo la putrefacción, se convirtieron en espesas capas de carbón. En algunos lugares, los hidrocarburos entraron en contacto con las bacterias, con apetito de otras moléculas, que cambiaron su composición. De esta manera cada depósito de energía solar acumulada tendrá su propio carácter en lo que se refiere a la forma del depósito y la composición de los hidrocarburos.
El mundo moderno hambriento de energía
consumidores mundiales de
petróleo (miles de barriles
por día). Haga clic sobre la
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Imagen cortesía de Vienna
Leigh
A lo largo del tiempo, los humanos hemos desarrollado una enorme hambre de energía. Originalmente, esto se satisfizo con la leña. Cuando el crecimiento de madera no pudo sostenerse con el crecimiento de la demanda de energía, empezamos la excavación de leña que tenía millones de años de las minas de carbón. Pero la forma sólida de carbón era pesada, peligrosa de extraer y no muy económica. Con el tiempo, se descubrieron las reservas de petróleo. Aunque el uso humano del petróleo se remonta a la prehistoria, el primer pozo de petróleo moderno fue perforado en Estados Unidos, el 27 de agosto de 1859 por Edwin Drake en Pensilvania. Más tarde, otros pozos fueron perforados, especialmente en la mitad este, donde aparecieron extensas fuentes de petróleo limpias y fácilmente extraíbles situadas debajo de la arena.
El motor de combustión causó un explosivo crecimiento de demanda de petróleo. Este crecimiento fue tan rápido que su final parecía cercano. El Club de Roma, un foro de pensamiento global sobre asuntos políticos, advirtió que la humanidad estaba agotando las reservas de energía rápidamente. Así que la gente empezó a buscar en lugares más inaccesibles y descubrieron mucho más petróleo bajo el agua: el Mar del Norte, el Golfo de Méjico o el Delta del Níger en Nigeria. Promovida por los altos precios del petróleo, la tecnología se desarrolló para obtener petróleo de aguas cada vez más profundas. Además, el gas natural salió a la luz. Originalmente, descubrir gas en una prospección era considerado mala suerte. Se podía usar en zonas próximas, pero exportarlo a largas distancias era demasiado caro. Aquí también, el desarrollo tecnológico cambió la situación.
Gas licuado
el Mar del Norte
Imagen cortesía de the Shell
Image Library
Con la tecnología del gas natural licuado, el gas natural se comprime en una proporción 1/600 de volumen, y puede transportarse a distancias mucho más largas. Recientemente, también ha llegado a ser posible la transformación química en escala comercial de gas a hidrocarburos más pesados (líquido) como gasolina o diesel (GtL, gas a líquido). En consecuencia, enormes reservas de gas (en el Golfo Pérsico, por ejemplo, hay un depósito 10 veces más grande que el de Slochteren en Holanda, el depósito de gas natural más grande de Europa, estimado en 1.5 × 1012 m3; Rusia también tiene grandes depósitos de gas) podrían usarse para satisfacer el “hambre” de energía.
Todo esto fue posible gracias al desarrollo de tecnología altamente avanzada. El primer pozo de petróleo para Shell en Malasia, en Miri, era de sólo 140 m de profundidad, y fue perforado en 1910 con una técnica que los chinos habían usado durante siglos para extraer la sal. En los 60 años de existencia, fueron recuperados 100 000 m3 de petróleo por una bomba de varilla.
Hoy, el petróleo se extrae de depósitos que se encuentran en el agua a 2.5 km de profundidad, 6 km bajo el lecho marino. Esto requiere la perforación precisa de un agujero de 6 km de profundidad y 50 cm de diámetro desde una plataforma de perforación moviéndose unos pocos kilómetros por encima en el mar. Entonces, en el fondo del mar, una construcción llamada cabeza de pozo submarino tiene que situarse sobre el pozo, desde la cual el petróleo debe fluir a la plataforma de producción que a veces se encuentra a docenas de kilómetros. Esto no debe confundirse con la plataforma de perforación, que taladra y construye los pozos y luego se va. En cambio, las plataformas de producción contienen el equipo para el proceso.
Entre el depósito y la plataforma, pueden ocurrir una multitud de problemas, que deben conocerse y superarse. Además de saber hacerlo y la tecnología, esto requiere mucho dinero, y este tipo de reserva de petróleo sólo puede ser rentable si produce grandes cantidades de petróleo por día: fuera de la costa de Malasia, se ha encontrado recientemente una nueva reserva, que producirá en cuatro días tanto como ha producido la primera fuente en Miri en 60 años: eso son 650 000 barriles de petróleo, unos 100 000 m3.
Datos sobre los hidrocarburos
R/P estimado: hasta los 93 años
Coste por kWh: El coste depende enormemente de la fuente. Los costes de producción van desde un puñado de dólares por barril de petróleo “fácil” en Arabia Saudí hasta decenas de dólares por barril de petróleo pesado en lugares remotos.
Riesgos: Contaminación durante el transporte y la producción; producción de CO2 cuando se usa.
Tiempo estimado de investigación: La investigación durará tanto con lo hagan estos combustibles, para hacerlos más baratos, limpios y más eficientes energéticamente, para extraer una gran cantidad de petróleo de un depósito (por ejemplo la recuperación mejorada de petróleo), y poder explotar económicamente también pequeños depósitos.
¿Cuál es el camino?
Una cosa está clara: todo el petróleo y el gas que ha sido bombeado fuera se ha ido para siempre. Slochteren se está agotando, los famosos depósitos del Mar del Norte también, e incluso en el Golfo de Méjico, la fuente de petróleo más importante para el país con más necesidad de energía del mundo –Estados Unidos-, las reservas están disminuyendo. ¿Sufrirá pronto la economía de los hidrocarburos una muerte lenta, o quizá, rápida? Por último, los suministros son finitos, indudablemente, pero todavía los hidrocarburos tienen algún as en la manga.
Mejora de la recuperación del petróleo
Dependiendo de las circunstancias precisas de un depósito de petróleo, se extrae aproximadamente un tercio del disponible, generalmente. El resto permanece por debajo, en los poros de la roca. Usando la tecnología, todavía puede hacerse algo para extraer más petróleo: desde la relativamente simple inyección de agua para hacer presión sobre el petróleo del depósito, hasta la adición de surfactantes y polímeros para liberar el petróleo de la roca. Gracias a los altos precios del petróleo, estas técnicas mejoradas para la recuperación del petróleo se vuelven muy interesantes.
Aceites pesados y arenas petrolíferas
También hay depósitos que contienen petróleo muy pesado, es decir, viscoso. Hasta ahora no eran rentables, pero aquí también la tecnología puede lograr el cambio. Pero no es fácil y requerirá grandes inversiones, además de conocimientos.
en petróleo recuperada en
Fort McMurray, Alberta,
Canadá
Imagen cortesía de Rob
Belknap / iStockphoto
Todavía hay petróleo hiperpesado en abundancia. En arenas petrolíferas y esquistos de petróleo, los depósitos de hidrocarburos están almacenados –el tamaño de varias veces la cantidad de petróleo “fácil”. En Canadá se producen diariamente 200 000 m3 de petróleo a partir de arenas de alquitrán. Este es un proceso costoso y difícil, debido a las temperaturas extremadamente frías que predominan en esa región. Además, el proceso de producción de líquidos útiles procedentes de arenas petrolíferas requiere un poco de energía y no es tan eficiente. Para los restos más profundos (el 80% del total), ningún método de recuperación está aún actualmente disponible.
Carbón
Las reservas de carbón también son abundantes, todavía. En los últimos años, el carbón ha sido la fuente de energía que más rápido ha crecido. Esto se debe al crecimiento de la economía –y la consecuente demanda energética- en China, que no sólo ha limitado las reservas de petróleo y gas, sino que requiere mucho carbón. China consume aproximadamente el 40% de la producción mundial de carbón. Pero esto no deja de tener su precio: ¡las muertes de docenas de mineros cada día! y un enorme daño medioambiental (lluvia ácida, por ejemplo) se asocian a la combustión de carbón. Con los procesos modernos (como la transformación de carbón en gas) es posible producir energía a partir del carbón de una manera menos dañina para el medio ambiente. Y con más dinero y menos prisa, la situación de seguridad puede mejorarse.
Hidratos de gas
El metano, de origen bacteriano o fósil, que se libera en el fondo del mar, puede formar lo que se conocen como hidratos de gas. Este es un tipo de hielo que, debido al metano atrapado en el interior (bajo presión), tiene un punto de fusión más alto. Es probable que se almacenen grandes cantidades de metano en enormes campos de hidratos en el fondo del océano, incluyendo la costa este de los Estados Unidos. Se estima que las fuentes totales de energía en hidratos de gas en la Tierra son mayores que todos los demás combustibles fósiles combinados – de todos los tiempos. Sin embargo, la gente no tiene la menor idea todavía de cómo explotar estas reservas (de manera segura).
Para una visión de ciencia ficción de lo que podría suceder si esos campos de hidratos fueran desestabilizados, ver Schätzing (2004).
Reservas y producción
En gran parte de la Tierra se ha examinado la presencia de petróleo y campos de gas. La mayoría de las regiones de hidrocarburos: han sido encontradas son las conocidas regiones de petróleo y gas, incluyendo nuestro propio Mar del Norte. Dentro de estas zonas, se están encontrando depósitos aún, pero los realmente grandes ya se conocen, y esto convierte en cada vez más difícil y costoso el desarrollo de los nuevos. El cuadro siguiente ofrece una visión general de las reservas probadas actuales. Existe una incertidumbre considerable en estas cifras, de carácter técnico (estimar el tamaño de un depósito es muy complicado) y de carácter político (los países y las compañías pueden tener todo tipo de razones para hacer que se vean los depósitos más grandes o más pequeños).
| Reservas | Producción anual | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| m3 | Joules | m3 | Joules | ||
| Crude oil | 1.9 x 1011 | 6.8 x 1021 | 4.7 x 109 | 1.7 x 1020 | 41 |
| Natural gas | 1.8 x 1014 | 6.4 x 1021 | 2.7 x 1012 | 9.6 x 1019 | 67 |
| Coal | 8.0 x 1017 | 2.9 x 1015 | 6.1 x 1019 | 277 | |
| TOTAL | 3.0 x 1022 | 2.9 x 1015 | 3.3 x 1020 | 93 | |
Reservas anuales de eficacia probada y producción anual de hidrocarburos en términos de volumen (m3 de gas en condiciones estándar de 1 bar, 15ºC) y en términos de contenido de energía. R/P es la proporción de la reserva en relación a la producción anual, dando la cantidad de años que las reservas conocidas durarán si se siguen explotando en la tasa de producción actual
Fuente de datos: revisión estadística BP (www.bp.com)
De acuerdo a este cuadro, al nivel de consumo actual tendríamos todavía por delante 93 años si fuéramos a usar toda la energía fósil. Eso suena más tranquilizador de lo que es, por varias razones:
- Hay una gran incertidumbre en el número 93. No significa que después de exactamente 93 años de gasto de energía, se vaya a acabar de repente – ya hemos empezado a notar los efectos de la escasez de combustibles fósiles.
- Los procesos para recuperar petróleos más pesados también requieren más energía, de manera que eficazmente menos energía procedente de esto petróleo “fácil” estará a nuestra disposición.
- Cuando el consumo de energía, y consecuentemente su producción, crece, el número de años en el que podremos todavía usar las reservas disminuye (R/P).
- Los nuevos proyectos que podrían añadir reservas requieren enormes inversiones, y llevar mucho tiempo desde el proyecto a la producción. Un simple pozo de petróleo cuesta alrededor de 1 millón de euros, pero un pozo en agua profunda podría suponer más de 100 millones de euros. Una pequeña plataforma de producción cuesta mil millones de euros. En el proyecto de arenas petrolíferas en Athabasca en Canadá, ya se han invertido 45 miles de millones de dólares, y todavía faltan por llegar 50 miles de millones de dólares en 2012. Entre el descubrimiento de un depósito y la primera producción, pueden pasar ocho años fácilmente. De manera que los accionistas y los políticos tienen que proporcionar tiempo y dinero, pero generalmente tienen poca paciencia. Si no existe una razón para invertir a corto plazo, crearemos una escasez de energía a largo plazo.
- Para muchos lugares, las complicaciones políticas juegan un papel destacado. Por lo tanto, puede que no sea posible el acceso a las fuentes.
Hay muchos factores que desempeñan un papel importante a la hora de encontrar y producir combustibles fósiles, pero uno de los principales es que la cantidad de hidrocarburos es finita y las reservas de eficacia probada no deberían ser vistas como un barril de reserva que podemos abrir en cualquier momento: tienen que invertirse mucho tiempo y dinero para que puedan usarse. Cabe la posibilidad de que haya problemas de producción ante la problemática falta de reservas.
El pico Hubbert
original de Hubbert en 1956.
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Basado en el análisis del ciclo de descubrimiento, desarrollo, inversión en infraestructura, más descubrimientos, y luego la lenta desaparición de las reservas, Marion King Hubbert, un geocientífico que trabajaba en el laboratorio de investigación de Shell en Houston, Texas, desarrolló un método de análisis que predecía con éxito el punto más alto de producción de petróleo en el continente americano para 1970. Hizo esta predicción en 1956. Su teoría puede aplicarse a un campo de petróleo en concreto o para todo un país, y también a nivel mundial. Aplicando este método a nuestro planeta, deberíamos haber alcanzado esta cima justo ahora. Si es así, ya hemos superado el punto máximo de producción de petróleo por habitante.
Finalmente, debería indicarse que los hidrocarburos no sólo se usan para energía. Aproximadamente una décima parte se usa en la industria petroquímica para producir una enorme serie de productos: desde plásticos a disolventes, medicamentos y detergentes. Al igual que la energía, se han convertido en parte esencial de nuestras vidas. A corto plazo, afortunadamente, hay todavía combustibles fósiles, pero en cuanto a la R/P, no deberíamos pensar en ello como algo libre de problemas, sino como un respiro.
Petroleros y oleoductos
La tecnología del transporte de petróleo ha evolucionado junto a la industria del petróleo. Originalmente se usaban barcos de gran tamaño para transportar petróleo en barriles de madera. Pero como los barriles eran pesados, defectuosos, y caros, representaban incluso la mitad del coste de la producción de petróleo. En 1876, Ludvig y Robert Nobel, hermanos de Alfred Nobel, fundaron Branobel en Baku, Azerbaiyán, una de las empresas petroleras más importante del mundo a finales del siglo diecinueve. Fueron exitosos pioneros en la ingeniería de transporte de petróleo, pero también experimentaron alguno de los primeros desastres con petroleros. Los petroleros actuales superan los 400 m de largo, con una capacidad de más de 500 000 DWT (deadweight tonnage, tonelaje de peso muerto, una medida que hace referencia al peso que puede transportar un barco de manera segura). Pueden transportar dos millones de barriles de petróleo, lo que equivale al consumo de petróleo de un día en Francia en 2007.
Un nuevo petrolero de 250 000-280 000 DWT costaba 116 millones de dólares en 2005 – pero los barcos petroleros a menudo son de segunda mano. A partir de 2007, en las estadísticas de la CIA aparecían 4295 petroleros de 1000 DWT o más en todo el mundo: esta cantidad es aproximadamente el 37% de la flota mundial en términos de DWT. En 2005, 2.42 miles de millones de toneladas de petróleo se transportaron en petroleros: el 76.7% era crudo, el resto consistía en productos de petróleo refinado. Con la excepción de los oleoductos, el petrolero es actualmente la mejor forma de transporte en lo que se refiere a la relación calidad-precio.
Pero debido a la cantidad total de petróleo transportado, los petroleros modernos deben considerarse una amenaza para el medio ambiente, con fugas que pueden causar efectos devastadores. El crudo contiene hidrocarburos aromáticos policíclicos que son difíciles de limpiar, y permanecen durante años en los sedimentos y en el entorno marino. Las especies marinas que están constantemente expuestas a ello pueden presentar problemas de desarrollo, susceptibilidad a enfermedades, y ciclos reproductivos fuera de lo normal. La Federación Internacional de Contaminación de Propietarios de Petroleros ha hecho un seguimiento de 9351 fugas accidentales que han ocurrido entre 1974 y 2008. La mayoría de las fugas se debían a operaciones rutinarias como la carga y descarga, y el transporte de petróleo. Mientras que más del 90% de los derrames en condiciones de servicio eran pequeños, menos de siete toneladas por fuga, los derrames debidos a accidentes como colisiones, defectos en la cubierta, y explosiones son mucho más grandes, en el 84% de estos casos se perdieron más de 700 toneladas.
Las tuberías modernas han existido desde 1860, y hoy se extienden por el mundo, en una red creciente de millones de kilómetros de largo, con Rusia y el resto de Europa contribuyendo cada uno con unos 2500 km de tuberías de gas y petróleo (70% del transporte de gas). Generalmente constituyen la manera más económica de transportar grandes cantidades de petróleo o gas natural sobre tierra. Los oleoductos están hechos de tubos de acero o plástico, con diámetros interiores entre 10-120 cm, y se encuentran normalmente enterrados a 1-2 m de profundidad. El flujo de petróleo de aproximadamente 1-6 m/s está asegurado a lo largo de la tubería por las estaciones de bombeo. Las tuberías multi-producto se usan para transportar dos o más productos distintos en la misma tubería. No hay separación física entre los productos diferentes, de manera que algo se mezcla, produciendo una interfase contaminada que se separa de la tubería en las instalaciones de recepción. Para el gas natural, las tuberías se construyen de acero al carbono y su diámetro varía entre 5-150 cm, dependiendo del tipo de tubería. El gas se encierra a presión en las estaciones de compresión y es inodoro a menos que se mezcle con un odorante como el mercaptano, donde sea requerido por la autoridad reguladora.
Las tuberías de gas y petróleo no son simplemente un elemento de comercio: suponen la conexión de aspectos geopolíticos y de seguridad internacional, y su construcción, ubicación, y control a menudo ocupan un lugar destacado en los intereses y acciones de los estados. Los oleoductos cruzan zonas propensas a terremotos y guerras, reservas naturales y fondo de mares. Como contienen material inflamable o explosivo, plantean problemas especiales de seguridad, con rupturas y explosiones mortales, que son los accidentes más comunes.
References
Review
La tecnología puede que sea prehistórica, pero la quema de combustibles fósiles continúa siendo una parte esencial y cada vez más costosa de nuestra forma de vida moderna, y la rápida industrialización de las naciones más pobladas de la Tierra.
Junto con los productos farmacéuticos, el petróleo es un gran negocio con una implicación importantísima de la ciencia. El artículo de Van Dijk puede ofrecer a los profesores alguna idea para debatir sobre las siguientes cuestiones en clase. Los estudiantes podrían reflexionar sobre la economía, sobre cómo actualmente vale la pena extraer combustibles fósiles de reservas relativamente inaccesibles. ¿Cuánto tendrá que costar un barril de petróleo antes de explotar las reservas “hiperpesadas”, una vez descrito el coste del problema? Los estudiantes podrían estudiar cómo la distribución de depósitos de hidrocarburos en nuestro planeta ha afectado a las relaciones internacionales, desde la perspectiva económica y estratégica.
Y mientras que el carácter no renovable de este recurso es bien conocido por la mayoría de los estudiantes, el hecho de que alrededor del diez por ciento no sea en absoluto usado como combustible es menos conocido. ¿Qué argumentos podrían desarrollar los estudiantes para reducir el consumo de combustibles fósiles para garantizar las reservas de materias primas fósiles para usos como “plásticos, disolventes, medicamentos y detergentes”? La cuestión energética requerirá multitud de respuestas, y los actuales estudiantes de ciencias pueden desarrollar alguna de las soluciones, además de hacer que vivamos en el futuro con menos dependencia de los hidrocarburos.
Ian Francis, Reino Unido