Estudio técnico del proceso de Shale Oil Retorting

Abstract

La energía es uno de los aspectos más importante de nuestras vidas, siendo base fundamental para el desarrollo de las mismas.
Su presencia está en todos los actos cotidianos que realizamos los seres humanos, desde los más básicos como la alimentación, el transporte o el trabajo, hasta aquellos que implican un progreso y mayor bienestar como las telecomunicaciones.
La energía es por tanto materia de numerosos estudio, gran parte de los esfuerzos tecnológicos se centran en encontrar nuevas vías de obtener energía o que las ya existentes sean más eficientes.
Este hecho cobra especial importancia en un mundo en el que la población tiene más acceso a numerosos servicios que conllevan una mayor demanda de energía, y la industria ha de ser capaz de responder a esa demanda. A pesar de que en los últimos años la demanda energética de países como España se ha visto reducida debido a la situación económica, el descenso ha supuesto solo un 2.5% en un año de gran crisis como el 2014.
Son muchas las fuentes para la obtención de energía, la obtenida a través de los hidrocarburos tiene un peso muy importante. A nivel mundial la energía que proviene de los combustibles fósiles supone aproximadamente el 80% del total.
Si bien a lo largo de los años el peso de otras fuentes de energía como las renovables (eólica, solar…) o la nuclear y la biomasa han aumentado su consumo, el peso de los hidrocarburos en el panorama energético mundial es innegable.
Sin embargo, las fuentes convencionales de petróleo no son inagotables y, unido a un aumento de la demanda de la energía mundial en los últimos años, hace que el sector ponga grandes esfuerzos en encontrar nuevas cuencas productoras. En este punto cobran gran importancia los yacimientos de petróleo no convencional.
Estos yacimientos, cuyas características no permiten extraer los hidrocarburos por los métodos habituales, no se contabilizan como reservas. Desarrollar la tecnología necesaria para explotar estos yacimientos permitiría generar un aumento de las reservas mundiales de combustibles fósiles, despejando el futuro energético global.
Es estudio de este proyecto analizar una de las fuentes de hidrocarburos no convencionales: el Shale Oil.
El Shale Oil es un tipo de petróleo no convencional, que hace referencia a los hidrocarburos atrapados en los poros de las rocas generadoras, llamadas Oil Shale, con baja permeabilidad que no permite su migración.
Además, estos hidrocarburos se encuentran en una fase prematura en la que la maduración térmica no se ha completado por lo que el Shale Oil no ha sido generado, sino que permanece en la porción de materia orgánica llamada kerógeno.
Solo a través de la estimulación térmica artificial se consigue la transformación del kerógeno generando Shale Oil, CO, CO2, y gases orgánicos. La proporción en la que son liberados estos componentes depende fundamentalmente de la relación hidrógeno/carbono y oxígeno/carbono del kerógeno. Estas características varían en función de las condiciones en las que se ha generado la materia orgánica, distinguiendo básicamente entre kerógeno formado a través de sedimentos de origen marino, lacustre o terrestre.
Existen numerosos yacimientos de Shale Oil en el mundo, sin embargo, no todos ellos reúnen condiciones para ser explotados ya sea por las dificultades técnicas o porque la cantidad que puede obtenerse de ellos no es significativa. Teniendo en cuenta estos aspectos, al realizar un estudio de las formaciones de Oil Shale es necesario distinguir entre recursos, el Oil Shale presente en la formación, y reservas técnicamente recuperables, aquellas que pueden ser extraídas de manera viable.
Respecto a las reservas técnicamente recuperables Rusia copa la primera posición del ranking mundial seguido de Estados Unidos y China como los tres países con mayores cantidades de Shale Oil cuya extracción es factible.
La producción de Shale Oil se basa en un proceso de maduración térmica artificial a aproximadamente 500°C que permita la transformación del kerógeno, aunque las técnicas para llevarlo a cabo, que reciben el nombre de Retorting, son muy variadas. Esto se debe esencialmente a que la composición del kerógeno así como las condiciones geológicas varía mucho de una formación a otra e incluso dentro de la misma formación.
Sin embargo, es posible establecer algunas características comunes permitiendo clasificar en tres los métodos de Retorting.
Los procesos en superficie, conocidos como procesos Aboveground, se caracterizan por realizar el proceso de maduración térmica en reactores pirolíticos situados en instalaciones en la superficie del yacimiento. Para poder realizar el tratamiento térmico del Oil Shale es necesario extraer previamente la roca por procesos de minería. Los trabajos de minería pueden ser del tipo a cielo abierto o subterráneos según las características geológicas de la formación.
Otras técnicas de producción de Shale Oil se basan en procesos bajo tierra conocidos como True In-Situ. Estos métodos consisten en llevar a cabo el calentamiento directamente en el subsuelo en el interior de la formación. De esta forma se genera el Shale Oil líquido y puede ser llevado a la superficie con técnicas muy similares a las empleadas en los procesos de extracción de petróleo convencional.
El tercer tipo de procesos de Retorting recibe el nombre de Modified in-Situ, y presenta características de los dos anteriores. Una parte de la roca es extraída por métodos de minería para ser tratada en reactores pirolíticos externos como en los procesos Aboveground. Por otra parte en el interior de la formación se realizan explosiones cuyo objetivo es fragmentar la roca para aumentar la permeabilidad. A continuación mediante fluidos calientes que circulan por los caminos generados se madura térmicamente el kerógeno para después extraer el Shale Oil generado como en los procesos True In-situ.
Con el fin de poder estudiar en detalle la obtención de Shale Oil este proyecto incluye la simulación de uno de estos procesos.
El proceso escogido es un proceso Aboveground, ya que facilita la simulación evitar parametrizar como se desarrolla el proceso en el subsuelo como sucede en las técnicas True In-Situ.
La simulación contempla todas las etapas del proceso, desde la extracción de la roca hasta la obtención del Shale Oil.
En una primera etapa la roca extraída se somete a un calentamiento inicial para eliminar la humedad que contiene, ya que si esta pasase al proceso el rendimiento del mismo se vería mermado. Tras el calentamiento el agua se vaporiza, por lo que puede ser eliminada fácilmente mediante un separador.
Tras eliminar la humedad la corriente de Oil Shale está lista para ser introducida en un reactor pirolítico. En este reactor se alcanzan temperaturas de 510°C, suficientes para producir la transformación térmica del kerógeno.
Del reactor se obtienen dos corrientes: una sólida y otra gaseosa.
La corriente gaseosa contiene los productos de la transformación del kerógeno, y debe ser enfriada para poder separar el Shale Oil, que se encuentra en fase vapor, del resto de componentes. Para ello la salida del reactor se introduce en un intercambiador térmico para disminuir su temperatura. De esta forma puede ser introducida en un separador flash donde el Shale Oil pasa a fase líquido y puede ser extraído del proceso. Por su parte la fase gas se vuelve a calentar y se recicla al proceso como aporte de calor al reactor pirolítico.
La corriente sólida saliente del reactor está formada por el Oil Shale agotado, y parte del kerógeno que no ha sido transformado. Esta corriente se introduce en una cámara de combustión. Durante la combustión se generan cenizas a una temperatura de 816°C que se reintroducen al proceso para servir de fuente de calor en el reactor.
Esta forma de operar, reciclando corrientes de proceso para que se produzca un flujo de calor entre ellas, permite mejorar la eficiencia lo que deriva en mayores rendimientos y costes menores.