Uljni škriljac
Posle uglja, nafte i gasa, kada je reč o fosilnim gorivima, ugljovodonici iz škriljaca ili drugačije rečeno gasni i uljni škriljci u svetu, ali i u Srbiji, postaju novi veliki energetski adut. Za njih se, doduše, zna već stotinu godina, ali zbog nekada veoma jeftine nafte, gotovo da ih niko nije koristio. Ali sa sadašnjim naglim razvojem tehnologije za njihovo korišćenje, a posebno veoma izraženim rastom cene nafte i gasa i težnja za energetskom nezavisnošću podstakle su mnoge države na razmišljanja o dobijanju nafte iz uljnih škriljaca. Oni kao sirovina za proizvodnju nafte, gasa, ali i toplotne i električne energije – postaju veoma ozbiljan konkurent.
Uljni škriljci su rudni materijali sedimentno-organogenog karaktera sa različitim sadržajem organske materije koja je raspršena u porama u obliku mikroskopski sitnih čestica. Njihova starost se kreće od kambrijuma do tercijalnog doba. Bili su formirani taloženjem organskih materija u različitim okruženjima. Uljni škriljci su stene koje sadrže više od 10 odsto organske materije, kerogena (ulja). Obično nastaju u većim jezerima, močvarama ili plitkim delovima velikih voda taloženjem raznih organizama kao što su ostaci algi, zeljastih i drvenastih biljaka. Okruženje mora ostati uniformno za duži vremenski period da se bi se očuvala organska materija i formirao uljni škriljac, na kraju se pod utiskom pritiska i temperature stvaraju uslovi u kojima dolazi do odstranjivanja vlage, molekularne vode, a u metagenezi se proizvodi metan, uklanja se vodonik, malo ugljenika, a dalje i određena količina kiseonika. Prema geološkoj podeli uljni škriljci se mogu svrstati na bazi njihovog sastava kao škriljci bogati karbonatima, silikatima ili kanel škriljci. Karbonatni škriljci sadrže karbonate kao što su kalcit i dolomit - 20 karbonatnih minerala je nađeno u uljnim škriljcima. Ovo su veoma čvrsti škriljci i njih je teško eksploatisati ex situ metodom. Silikatni uljni škriljci su uglavnom tamno braon ili crne boje, bogati su silikatnim mineralima kao što su kvarc, feldspati, gline, opal... Oni nisu čvrsti i vodootporni kao karbonatni i mogu se eksploatisati ex situ metodom. Kanel škriljci su obično tamno braon ili crne boje koji se sastoje od organske materije koja u potpunosti obavija druga zrna minerala. Pogodni su za ex situ eksploataciju. Uljni škriljci pri zagrevanju na visokim temperaturama (~ 500 °C ) daju tečne ugljovodonike slične sirovoj nafti i nešto gasa. Dobijena tečnost „ulje“ je izrazito crna, viskozna, i na temperaturi ispod 40 °C gubi sposobnost tečenja. Posle krekovanja i hidrogenizacije ovog naftnog „ulja“, dobija se sintetička nafta vrlo slična sirovoj parafinskoj nafti. Uljni škriljci se od naftnih peskova razlikuju ne samo po litološkom sastavu i veličini zrna, već i po tome što ne sadrže slobodnu naftu u porama. Oni sadrže kerogen iz koga se nafta stvara tek po izlaganju visokoj temperaturi - pirolizi. To su dakle nezreli ekvivalenti vrlo kvalitetnih matičnih stena za naftu i gas, koje nisu u geološkoj prošlosti dospele na velike dubine i temperature, već su ostale na površini ili blizu nje.
Istorijski, geološki i ekonomski, najpoznatija ležišta uljnih škriljaca su u zapadnom SAD, Rusiji, Kongu, Brazilu, Estoniji, Škotskoj i Kini. Najveće rezerve uljnih škriljaca nalaze se u okviru kenozojskih sedimenata (preko 55 %), a čak oko 70 % svetskih rezervi je u SAD. Mada se uljani škriljci javljaju u mnogim zemljama , samo 33 zemlje poseduje količine koje su ekonomski isplative. Smatra se da ekonomičnu površinsku eksploataciju obezbeđuju uljni škriljci sa prinosom ulja od minimalno 50-60 l/t. U SAD se za uljne Grin River šejlove uzima granična vrednost od oko 120 l/t; za Irati šejlove Brazila i za kukerzite Estonije granica ekonomičnosti je ispod 100 l/t. Poželjno je da sadržaj kerogena bude što veći (preko 20-30 %), a karbonatni uljni šejlovi su manje povoljni za retortovanje od silikatnih. Godine 2005. procena ukupnih svetskih rezervi uljnih škriljaca je na 411 gigatona, dovoljno za doprinos od 2,8 do 3,3 biliona barela nafte. Ovo prevazilazi dokazane svetske rezerve konvencionalne nafte koje iznose 1.317 biliona barela od 01.01.2007. Ove brojke ostaju uslovne jer je istraživanje ili analiza depozita uljnih škriljaca i dalje otvorena i činjenica da nalazišta uljnih škriljaca na severozapadu Kine nisu uračunata u prethodne globalne procene.
Uljni škriljci eksploatišu se u SAD, Kanadi, Estoniji, Kini, Škotskoj, Švedskoj, Francuskoj, Australiji, Rumuniji, Belorusiji, Maroku i severnoj Africi. Od 2009, 80 % uljanih škriljaca koji se koriste u svetu se vadi u Estoniji, gde služe kao osnovno gorivo jer se 95 % struje dobija iz uljnih škriljaca.
Kineska kompanija „DŽilin enerdži" pokrenula je prošle godine veliki projekat eksploatacije škriljaca u oblasti Huadijan, koji su po količini nafte u njima slični aleksinačkim (oko 10 odsto). Kompanija planira da godišnje dobije oko 200.000 tona nafte, a cela investicija koštaće oko 150 miliona dolara. Pri ceni nafte od 145 dolara za barel (812 dolara za tonu), ispada da bi se za samo godinu dana moglo zaraditi oko 165 miliona dolara, što znači da bi se investicija isplatila za manje od jedne godine. Ipak, procene kompanije „Rojal dač šel", kao i nekih drugih svetskih kompanija, govore da se eksploatacija uljnih škriljaca bogatih naftom, a naši spadaju među najbogatije, isplati već pri ceni sirove nafte od 30 dolara za barel.
Suština svakog procesa retortovanja-dobijanja ulja iz škriljaca sastoji se u tome da se u određenoj retorti (peći) vrši zagrevanje škriljaca na temperaturi 450-550 °C na kojoj se vrši razlaganje organske materije (kerogena) iz škriljaca, pri čemu se jedan njen deo dobija kao tečna komponenta (ulje), drugi deo kao gasna komponenta (gas), a treći u vidu ugljeničnog taloga koji ostaje u prerađenom škriljcu (polukoks). Vađenje korisnih komponenti uljanih škriljaca se uglavnom odvija na površini - ex situ obrada - iako postoji nekoliko novih tehnologija koje praktikuju podzemnu obradu in situ.
Proces izdvajanja nafte iz škriljaca se sastoji u razlaganju uljanog škriljca i konvertovanje njegovog kerogena u naftu poput sintetičke sirove nafte. Proces se sprovodi pirolizom, hidrogenizacijom ili termalnim razlaganjem. Kod ekstrakcije pirolizom (suva destilacija) dolazi do zagrevanja škriljca bez prisustva kiseonika sve do potpunog raspada kerogena na kondenzovane naftne pare i nekondenzovani zapaljivi gas, koji se potom skupljaju i pri njihovom hlađenju dolazi do kondenzovanja nafte. Da bi se škriljci zagrejali do potrebne temperature za pirolizu koriste se druga fosilna goriva čijim se sagorevanjem generiše toplota a mogu se koristiti i struja, radio talasi, mikrotalasi ili reaktivne tečnosti. Hidrogenizacija i termalno razlaganje izdvajaju naftu koristeći donore vodonika, rastvarače ili kombinaciju oba. Termalno rastvaranje podrazumeva primenu rastvarača na povišenim temperaturama i pritiscima, povećavajući proizvodnju nafte pucanjem rastvorenih organskih materija.
Kod ex situ metode mineralna sirovina dobija se površinskom ili podzemnom eksploatacijom. Uljni škriljci su zdrobljeni na manje parčiće, a temperatura na kojoj počinje razlaganje je 300 °C. Količina proizvedene nafte najveća je pri temperaturama između 480 i 520 °C. Prema orijentaciji retorte su klasifikovane na horizontalne i vertikalne, a prema veličini čestica uljnih škriljaca razlikuju se granulacije od 10 do 100 mm u prečniku koje se obrađuju gasnim toplotnim nosiocima i granulacije manje od 10 mm u prečniku koje se obrađuju čvrstim nosiocima toplote. Problem koji se javlja kod ove metode je 0.885-0.9t/t otpadnog materijala.
Kod tehnologije unutrašnjeg sagorevanja dolazi do spaljivanja materije unutar vertikalnog šahta retorte kako bi se obezbedila toplotna energija potrebna za pirolizu. Čestice uljanih škriljaca veličine od 12 do 75 mm veličine ubacuju na vrhu retorte i zagrevaju se toplim gasovima koji se dižu naviše i prolaze kroz opadajuće uljne škriljce, čime dolazi do razgradnje kerogena na 500 °C. Naftna magla, razvijeni gasovi i ohlađeni gasovi sagorevanja se uklanjaju sa vrha retorte i odvode se u separatore. Kondenzovana nafta se sakuplja dok se nekondenzovani gas reciklira i koristi se kao nosač toplote do retorte. U donjem delu retorte utiskuje se vazduh zbog boljeg sagorevanja koje zagreva istrošene škriljce i gasove na temperature od 700 do 900 °C. Hladni reciklirani gas može ući na dnu retorte kako bi ohladio pepeo škriljaca.
Tehnologija se zasniva na dostavljanju toplote uljnim škriljcima recikliranjem toplote ostataka čvrstih čestica, obično je to pepeo škriljaca. Ova tehnologija koristi rotirajuće peći ili fluidizovan sloj retorte, ispunjen finim slojem čestica škriljaca prečnika manjeg od 10 mm. Reciklirane čestice se zagrevaju u odvojenoj komori do oko 800 °C i zatim se mešaju sa sirovim uljanim škriljcima kako bi izazvali razlaganje kerogena na oko 500 °C. Uljane pare i gas su odvojene od čvrste materije i ohlađene da se kondenzuju i prikupi nafta. Toplota prikupljena od zapaljivih gasova i pepela može biti iskorišćena da se isuši i prethodno zagreje sirovi škriljac pre nego što se pomeša sa zagrejanim recikliranim česticama.
Ove tehnologije prenose toplotu uljnim škriljcima dopremanjem preko zida retorte. Škriljci koji se nalaze u procesu su finije strukture. Prednost metode je u tome što se isparenja iz retorte ne mešaju sa isparenjima gasova koji se koriste za sagorevanje. Metoda koristi vodonične rotirajuće peći, u kojima vreo gas cirkuliše u omotaču peći.
Generalno je slična metoda kao i metoda unutrašnjeg sagorevanja. Sličnost je u tome što procesuira grudvice škriljaca u vertikalnim pećima. Značajno je to što se toplota u ovim tehnologijama isporučuje preko gasova koji su grejani van retorti, a samim tim isparenja iz retorte nisu razređena.
Kerogen je jako vezan za škriljac i otporan na većinu rastvarača. Uprkos tome, ekstrakcija veoma reaktivnim rastvaračima je testirana uključujući i one u nadkritičnom stanju. Ove metode su pogodne za tretiranje uljnih škriljaca sa malim sadržajem vodonika. U ovim metodama hidrogen gas ili donori vodonika reaguju sa prekursorima koksa.
In situ metoda je tehnologija za preradu uljnih škriljaca pod zemljom. Taj proces otklanja probleme rudarstva, rukovanja i odlaganja velike količine materijala, koji se javljaju kod nadzemnog retortovanja. Uljni škriljci se polako zagrevaju pod zemljom i dobijene tečnosti i gasovi se vade direktno iz rezervoara, na način koji se ne razlikuje od načina pumpanja sirove nafte. Upotrebom metode sporog zagrevanja i manjih energetskih potreba nego kod površinske obrade dobija se još jedna prednost u odnosu na ex situ metode: ulje je boljeg kvaliteta, a i troškovi pre dostavljanja rafinerijama su manji. Dosadašnja iskustva pokazuju da je retortovanje u ležištu vrlo složen proces, a pre svega teško se kontroliše. Retortovanje in situ može obuhvatiti jedan sloj ili više slojeva škriljaca ili se primenjuje modifikovan postupak, koji se sastoji od izrade podzemnih retorti. Postoje razne tehnologije obrade ali sve one prate isti princip.
Koriste grejuće elemente ili grejuće cevi postavljene u formaciji uljnih škriljaca. Šel tehnologija koristi električno grejanje slojeva uljnih škriljaca od 650 do 700 °C u periodu od približno 4 godine. Procesuirano područje je izolovano od vode iz okruženja smrznutim zidom koji se sastoji od bušotina ispunjenih super ohlađenim tečnostima. Mana ove metode je veliki utrošak električne energije, velika količina vode koja se koristi i rizik zagađenja podzemnih voda.
Ova metoda zasniva se na korišćenju gasa koji grejan na površini a zatim utisnut u formacije uljnih škriljaca. Ševron CRUSH proces razvijen od strane Ševron korporacije, sastoji se od utiskivanja zagrejanog ugljen-dioksida u formacije škriljaca preko bušotina i grejanju formacije kroz niz horizontalnih fraktura u kojima gas cirkuliše.
Metoda koristi električno grejanje sa elementima zidne kondukcije i metode volumetrijskog grejanja. Ona ubrizgava električno konduktivni materijal u hidraulički frakturiranu formaciju uljnih škriljaca koji zatim formira grejući element. Grejuće bušotine su postavljene u paralelne redove a takođe ih presecaju horizontalne bušotine.