Σχιστολιθικό Πετρέλαιο

Σχιστολιθικό πετρέλαιο (Shale oil) είναι μη συμβατικό πετρέλαιο που παράγεται από θραύσματα πετρωμάτων σχιστολιθικού πετρελαίου με πυρόλυση, υδρογόνωση, ή θερμική διάλυση (thermal dissolution). Αυτές οι διεργασίες μετατρέπουν την οργανική ύλη μέσα στο πέτρωμα κηρογόνου (kerogen) σε συνθετικό καύσιμο (Synthetic fuel). Το τελικό πετρέλαιο μπορεί να χρησιμοποιηθεί αμέσως ως καύσιμο ή να αναβαθμιστεί για να καλύψει τις προδιαγραφές διυλιστηρίου πετρελαίου προσθέτοντας υδρογόνο και αφαιρώντας ακαθαρσίες όπως θείο και άζωτο. Τα εξευγενισμένα προϊόντα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τους ίδιους σκοπούς όπως αυτά που παράγονται από πετρέλαιο.

Ο όρος "Σχιστολιθικό πετρέλαιο (shale oil)" χρησιμοποιείται επίσης για αργό πετρέλαιο που παράγεται από σχιστολίθους ή άλλους σχηματισμούς πολύ χαμηλής διαπερατότητας. Όμως, για να μειωθεί ο κίνδυνος σύγχυσης προτιμάται ο όρος "σφικτό πετρέλαιο (tight oil)" για το δεύτερο. Η International Energy Agency συνιστά τη χρήση του όρου "ελαφρύ σφικτό πετρέλαιο (light tight oil)" και η αναφορά της World Energy Resources 2013 από το World Energy Council χρησιμοποιεί τον όρο "σφικτό πετρέλαιο (tight oil)" για το αργό πετρέλαιο σε πετρελαιοφόρους σχιστολίθους.

 

Το σχιστολιθικό πετρέλαιο ήταν μία από τις πρώτες πηγές ορυκτελαίου (mineral oil) που χρησιμοποιήθηκε από ανθρώπους. Η πρώτη πρώιμη καταγεγραμμένη χρήση ήταν στην Ελβετία και την Αυστρία στις αρχές του 14ου αιώνα. Το 1596, ο προσωπικός γιατρός του Φρειδερίκος Α΄ Βαρβαρόσσα, δούκας του Βύρτεμπεργκ, έγραψε για τις θεραπευτικές του ιδιότητες. Το σχιστολιθικό πετρέλαιο χρησιμοποιήθηκε για να φωτίσει τους δρόμους της Μόντενα στην Ιταλία στην αλλαγή του 17ου αιώνα. Το βρετανικό στέμμα έδωσε το δικαίωμα της ευρεσιτεχνίας το 1694 σε τρία άτομα που είχαν "βρει τρόπο να εξάγουν και να κάνουν μεγάλες ποσότητες πίσσας από κάποιο είδος πέτρας." Αργότερα πουλήθηκε ως Betton's British Oil, το απεσταγμένο προϊόν ελέχθη ότι "δοκιμάστηκε από διάφορα άτομα για πόνους με αρκετή βελτίωση." Σύγχρονες βιομηχανίες εξαγωγής σχιστολιθικού πετρελαίου ιδρύθηκαν στη Γαλλία κατά τη δεκαετία του 1830 και στη Σκωτία κατά τη δεκαετία του 1840. Το πετρέλαιο χρησιμοποιήθηκε ως καύσιμο, ως λιπαντικό και κηροζίνη· η βιομηχανική επανάσταση είχε δημιουργήσει πρόσθετη ζήτηση για φωτισμό. Χρησίμευσε ως υποκατάστατο για το ολοένα και πιο σπάνιο και ακριβό φαλαινέλαιο (whale oil).

Κατά το τέλος του 19ου αιώνα, κατασκευάστηκαν εγκαταστάσεις εξαγωγής σχιστολιθικού πετρελαίου σε Αυστραλία, Βραζιλία και Ηνωμένες Πολιτείες της Αμερικής. Κίνα, Εσθονία, Νέα Ζηλανδία, Νότιος Αφρική, Ισπανία, Σουηδία και Ελβετία παρήγαγαν σχιστολιθικό πετρέλαιο στις αρχές του 20ου αιώνα. Η ανακάλυψη του αργού πετρελαίου στη Μέση Ανατολή κατά το μέσον του αιώνα επέφερε τη διακοπή των περισσότερων από αυτές τις βιομηχανίες, αν και στην Εσθονία και την Νοτιοανατολική Κίνα διατηρήθηκαν βιομηχανίες εξόρυξης μέχρι τις αρχές του 21ου αιώνα. Σε απάντηση στα αυξανόμενη πετρελαϊκά κόστη στην αλλαγή του 21ου αιώνα, έχουν ξεκινήσει διαδικασίες εξόρυξης, αναζήτησης και ανανέωσης στις ΗΠΑ, Κίνα, Αυστραλία και Ιορδανία.

Το σχιστολιθικό πετρέλαιο εξάγεται με πυρόλυση, υδρογόνωση, ή θερμική διαλυτοποίηση πετρωμάτων πετρελαίου από σχιστόλιθο. Η πυρόλυση του πετρώματος εκτελείται σε αποστακτήρα (retort), που βρίσκεται είτε πάνω από το έδαφος ή μέσα σε σχηματισμούς πετρωμάτων. Από το 2008, οι περισσότερες βιομηχανίες πετρωμάτων σχιστολιθικού πετρελαίου (oil shale industries) εκτελούν την εξαγωγή σχιστολιθικού πετρελαίου μετά την εξόρυξη, σύνθλιψη και μεταφορά σε εγκαταστάσεις απόσταξης, αν και αρκετές πειραματικές τεχνολογίες εκτελούν τη διεργασία επί τόπου (in situ). Η θερμοκρασία αποσύνθεσης του κηρογόνου σε εκμεταλλεύσιμους υδρογονάνθρακες ποικίλει ανάλογα με το χρονοδιάγραμμα της διεργασίας· στην υπέργεια διεργασία απόσταξης η αποσύνθεση ξεκινά στους 300 °C, αλλά συνεχίζεται πιο γρήγορα και ολοκληρώνεται σε υψηλότερες θερμοκρασίες. Η αποσύνθεση λαμβάνει χώρα πιο γρήγορα σε θερμοκρασία μεταξύ 480 and 520 °C (900 and 970 °F).

Η υδρογόνωση και η θερμική διαλυτοποίηση (διεργασίες ενεργού ρευστού (reactive fluid processes)) εξάγουν το πετρέλαιο χρησιμοποιώντας δότες υδρογόνου, διαλύτες, ή έναν συνδυασμό τους. Η θερμική διαλυτοποίηση εμπεριέχει την εφαρμογή διαλυτών σε αυξημένες θερμοκρασίες και πιέσεις, αυξάνοντας την έξοδο του πετρελαίου με πυρόλυση της διαλυμένης οργανικής ύλης. Διαφορετικές μέθοδοι παράγουν σχιστολιθικό πετρέλαιο με διαφορετικές ιδιότητες.

Ένα κρίσιμο μέτρο της βιωσιμότητας εξαγωγής του σχιστολιθικού πετρελαίου έγκειται στον λόγο της παραγόμενης ενέργειας από το σχιστολιθικό πετρέλαιο ως προς την χρησιμοποιούμενη ενέργεια για την εξόρυξη και επεξεργασία του, που είναι γνωστό ως "Επιστρεφόμενη ενέργεια ως προς επενδυμένη ενέργεια (Energy Returned on Energy Invested)" (EROEI). Ένα EROEI ίσο με 2 (ή λόγος 2:1) σημαίνει ότι παράγονται 2 βαρέλια ενεργού πετρελαίου ισοδυναμεί με ενέργεια ενός βαρελιού που κάηκε/καταναλώθηκε. Μια μελέτη του 1984 εκτίμησε το EROEI των διάφορων γνωστών αποθεμάτων σχιστολιθικού πετρελαίου μεταξύ 0,7–13,3. Πιο πρόσφατες μελέτες εκτιμούν το EROEI των κοιτασμάτων σχιστολιθικού πετρελαίου να είναι μεταξύ 1–2:1 ή 2–16:1 – ανάλογα με το εάν μετράται η ιδιοενέργεια ως κόστος ή η εσωτερική ενέργεια αποκλείεται και υπολογίζεται ως είσοδος μόνο η αγοραζόμενη ενέργεια. Η Royal Dutch Shell ανέφερε το EROEI ως τρία ή τέσσερα το 2006 στην επιτόπια ανάπτυξη στο "Mahogany Research Project."

Η ποσότητα πετρελαίου που μπορεί να ανακτηθεί κατά την απόσταξη ποικίλει ανάλογα με το κοίτασμα και την χρησιμοποιούμενη τεχνολογία. Περίπου το ένα έκτο των κοιτασμάτων στο Green River Formation έχουν σχετικά υψηλή απόδοση 25 μέχρι 100 USgal σχιστολιθικού πετρελαίου ανά τόνο σχιστολιθικού πετρώματος πετρελαίου· το ένα τρίτο έχει απόδοση περίπου 10 μέχρι 25 USgal ανά τόνο. (10 US gal/ton είναι περίπου 3,4 τόνοι πετρελαίου ανά 100 τόνους σχιστολίθου.) Περίπου το ήμισυ των κοιτασμάτων του σχηματισμού αποδίδει λιγότερο από 10 US gal/ton.

Οι κυριότεροι παραγωγοί σχιστολιθικού πετρελαίου έχουν δημοσιεύσει τις αποδόσεις τους για τις εμπορικές τους λειτουργίες. Η Fushun Mining Group αναφέρει παραγωγή 300.000 τόνων τον χρόνο σχιστολιθικού πετρελαίου από 6,6 εκατομμύρια τόνους σχιστολίθου, μια απόδοση 4,5% κατά βάρος. Η VKG Oil ισχυρίζεται παραγωγή 250.000 τόνων πετρελαίου τον χρόνο από 2 εκατομμύρια τόνους σχιστολίθου, απόδοση 13%. Η Petrobras παράγει στην εγκατάσταση της Petrosix 550 τόνους από πετρέλαιο ανά ημέρα από 6,200 τόνους σχιστολίθου, απόδοση 9%.

Οι ιδιότητες του ακατέργαστου σχιστολιθικού πετρελαίου ποικίλουν ανάλογα με τη σύσταση του μητρικού κοιτάσματος και τη χρησιμοποιούμενη τεχνολογία εξόρυξης. Όπως το συμβατικό πετρέλαιο, το σχιστολιθικό πετρέλαιο είναι σύνθετο μείγμα υδρογονανθράκων και χαρακτηρίζεται χρησιμοποιώντας τις γενικές ιδιότητες του πετρελαίου. Το σχιστολιθικό πετρέλαιο περιέχει μεγάλες ποσότητες από αλκενικούς και αρωματικούς υδρογονάνθρακες. Το σχιστολιθικό πετρέλαιο μπορεί επίσης να περιέχει σημαντικές ποσότητες από ετεροάτομα. Μια τυπική σύσταση περιλαμβάνει 0,5–1% οξυγόνο, 1,5–2%|άζωτο και 0,15–1% θείο και κάποια αποθέματα περιέχουν περισσότερα ετεροάτομα. Συχνά εμφανίζονται ορυκτά σωματίδια και μέταλλα. Γενικά, το πετρέλαιο είναι λιγότερο ρευστό από το αργό πετρέλαιο και ρέει σε θερμοκρασίες μεταξύ 24°C και 27°C, ενώ το συμβατικό αργό πετρέλαιο ρέει σε θερμοκρασίες μεταξύ -60 μέχρι 30°C. Αυτή η ιδιότητα επηρεάζει τη δυνατότητα του σχιστολιθικού πετρελαίου να μεταφέρεται στους υφιστάμενους αγωγούς.

Το σχιστολιθικό πετρέλαιο περιέχει πολυκυκλικούς αρωματικούς υδρογονάνθρακες που είναι καρκινογόνοι. Το ακατέργαστο σχιστολιθικό πετρέλαιο έχει ήπιο καρκινογενετικό δυναμικό που είναι συγκρίσιμο με κάποια ενδιάμεσα εξευγενισμένα προϊόντα, ενώ το αναβαθμισμένο σχιστολιθικό πετρέλαιο έχει μικρότερο καρκινογενετικό δυναμικό επειδή πιστεύεται ότι τα περισσότερα πολυκυκλικά αρωματικά διασπώνται με την υδρογόνωση. Ο Παγκόσμιος Οργανισμός Υγείας ταξινομεί το σχιστολιθικό πετρέλαιο ως καρκινογόνο ομάδας 1 για ανθρώπους.

Αν και το ακατέργαστο σχιστολιθικό πετρέλαιο μπορεί να καεί αμέσως ως καύσιμο, πολλές από τις εφαρμογές του απαιτούν την αναβάθμισή του. Οι διαφορετικές ιδιότητες των ακατέργαστων πετρελαίων χρειάζονται αντίστοιχα διάφορες προεπεξεργασίες πριν να μπορέσει να σταλεί σε ένα συμβατικό διυλιστήριο πετρελαίου.

Σωματίδια (Particulates) στο ακατέργαστο πετρέλαιο φράσσουν διεργασίες στο επόμενο στάδιο· το θείο και το άζωτο δημιουργούν ατμοσφαιρική ρύπανση. Το θείο και το άζωτο, μαζί με το αρσενικό και τον σίδηρο που μπορεί να υπάρχει, καταστρέφουν επίσης τους χρησιμοποιούμενους καταλύτες στη διύλιση. Τα αλκένια σχηματίζουν αδιάλυτα ιζήματα και προκαλούν αστάθεια. Το οξυγόνο μέσα στο πετρέλαιο, εμφανίζεται σε υψηλότερα επίπεδα από το αργό πετρέλαιο, οδηγώντας το ίδιο στον σχηματισμό καταστροφικών ελευθέρων ριζών. Η υδρογονοαποθείωση (Hydrodesulfurization) και η υδρογονοαπαζώτωση (hydrodenitrogenation) μπορούν να αντιμετωπίσουν αυτά τα προβλήματα και καταλήγουν σε ένα προϊόν παρόμοιο με το σημείο αναφοράς ακατέργαστου πετρελαίου. Οι φαινόλες μπορούν να αφαιρεθούν πρώτες με εκχύλιση με νερό. Η αναβάθμιση του σχιστολιθικού πετρελαίου σε μεταφορικά καύσιμα απαιτεί ρύθμιση των αναλογιών υδρογόνου-άνθρακα προσθέτοντας υδρογόνο (υδρογονοπυρόλυση (hydrocracking)) ή αφαιρώντας άνθρακα με απανθράκωση (coking).

Το σχιστολιθικό πετρέλαιο που παράγεται από κάποιες τεχνολογίες, όπως η διεργασία Kiviter, μπορεί να χρησιμοποιηθεί χωρίς παραπέρα αναβάθμιση ως συστατικό πετρελαίων και ως πηγή φαινολικών ενώσεων. Αποστάγματα πετρελαίων από τη διεργασία Kiviter μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν ως διαλύτες για βαριά πετρέλαια και ως πρόσθετα βελτίωσης στεγανοποιητικών σε πισσώδη υλικά όπως στην άσφαλτο.

Πριν τον Β΄ Παγκόσμιο Πόλεμο, το περισσότερο σχιστολιθικό πετρέλαιο αναβαθμιζόταν για να χρησιμοποιηθεί σε μεταφορικά καύσιμα. Κατόπιν, χρησιμοποιήθηκε ως πρώτη ύλη για χημικά ενδιάμεσα προϊόντα, για καθαρές χημικές και βιομηχανικές ρητίνες και ως συντηρητικό σιδηροδρομικού ξύλου. Από το 2008, χρησιμοποιείται κυρίως ως πετρέλαιο θέρμανσης και ναυτιλιακό καύσιμο και σε μικρότερη έκταση στην παραγωγή διάφορων χημικών.

Η συγκέντρωση των ενώσεων υψηλού σημείου ζέσης στο σχιστολιθικό πετρέλαιο είναι κατάλληλη για την παραγωγή μεσαίων αποσταγμάτων όπως κηροζίνη, καύσιμο αεριωθουμένων (jet fuel) και καύσιμο ντίζελ. Πρόσθετη πυρόλυση μπορεί να παραγάγει ελαφρύτερους υδρογονάνθρακες που χρησιμοποιούνται στη βενζίνη.

Τα παγκόσμια τεχνικά ανακτήσιμα αποθέματα σχιστολιθικού πετρελαίου έχουν εκτιμηθεί πρόσφατα σε περίπου 2,8 έως 3,3 τρισεκατομμύρια βαρέλια (450×10⁹ έως 520×10⁹ m³) σχιστολιθικού πετρελαίου, με τα μεγαλύτερα αποθέματα στις Ηνωμένες Πολιτείες Αμερικής, που θεωρείται ότι έχει 1,5 έως 2,6 τρισεκατομμύρια βαρέλια (240×109–410×109 m³). Η παγκόσμια παραγωγή σχιστολιθικού πετρελαίου εκτιμήθηκε σε 17.700 δισεκατομμύρια βαρέλια την ημέρα (2,810 m³ την ημέρα) το 2008. Κύριοι παραγωγοί ήταν η Κίνα με 7.600 δισεκατομμύρια βαρέλια την ημέρα (1.210 m³ την ημέρα), η Εσθονία 6.300 δισεκατομμύρια βαρέλια την ημέρα (1.000 m³ την ημέρα) και η Βραζιλία 3.800 δισεκατομμύρια βαρέλια την ημέρα (600 m³ την ημέρα).

Η παραγωγή του σχιστολιθικού πετρελαίου παρεμποδίζεται λόγω τεχνικών δυσκολιών και κόστους. Τον Μάρτιο του 2011, το Bureau of Land Management αμφισβήτησε προτάσεις στις ΗΠΑ για εμπορικές δραστηριότητες, ισχυριζόμενο ότι "Δεν υπάρχουν ακόμα γνωστοί οικονομικά βιώσιμοι τρόποι εξαγωγής και επεξεργασίας πετρωμάτων σχιστολιθικού πετρελαίου για εμπορικούς σκοπούς."