Albertas oljesand värms upp

För många har bilder av Kanadas boreala skog sliten sönder av vidsträckta operationer som rensar marken och tar bort det översta jordskiktet kommit att symbolisera petroleumets miljömässiga ondska under 2000-talet. De så kallade ytgruvorna, som avslöjar stenhårda avlagringar av sand och lera rik på den tunga, klibbiga blandningen av kolväten som kallas bitumen, står nu för en betydande del av Kanadas oljeexport, inklusive mycket av petroleumen som går till USA . Men ansiktet för industrin som exploaterar norra Kanadas oljesand håller på att förändras - och kanske blir ännu mer oroande.

Gå söderut eller västerut från Fort McMurray, Alberta boomtown som är värd för många av de gruvor och avfallsdammar som har gjort provinsens oljeindustri ökända, och gruvorna ger vika för mer städat industriplatser bland myriga grönbruna myskägg och bestånd av vit gran, jack tall och asp. Dessa skogsomringade anläggningar har bytt ut spadar och enorma lastbilar för en utvinningsprocess som borrar ner hundratals meter i fasta band av bitumen och, med hjälp av stora mängder ånga, smälter den tjärhaltiga petroleumen på plats. Flytande bitumen sipprar sedan ut genom ett system av parallella rör. Sådana in situ-utvinningsverksamheter står nu för nästan hälften av den nuvarande produktionen av norra Albertas oljeverksamhet, och den siffran kommer bara att öka. Albertas 1,8 biljoner fat bitumen kan vara världens största enskilda ackumulering av kolväten, men fyra femtedelar av denna resurs ligger djupare än sträckbrytningen kan nå.

Den här historien var en del av vårt novembernummer 2011

• Se resten av frågan
• Prenumerera

In situ-utvinning är dyrt – i genomsnitt är det inte lönsamt om världens oljepriser är under 60 dollar per fat. Men med dagens priser konsekvent långt över det, blomstrar praktiken. Oljesanden kommer att generera över 1,5 miljoner fat olja per dag i år, enligt Canadian Association of Petroleum Producers, en Calgary-baserad grupp. Det står för mer än hälften av den olja som Kanada transporterar till USA (Kanada är grannlandets enskilt största källa för importerad olja). Till 2025 beräknas oljesandproduktionen mer än fördubblas, till 3,7 miljoner fat per dag, och in situ-verksamhet kommer att leverera nästan två tredjedelar av den ökningen.

Haken är att även om borrningen på ytan kan tyckas vara mindre destruktiv för miljön än gruvbrytning, är den nyare tekniken på många sätt mycket mer skadlig. Även om borrplatserna inte härjar landskapet som gruvorna gör, använder de enorma mängder energi och producerar följaktligen mycket koldioxid. Att använda ånga för att spola ut bitumen står för 2,7 procent av Kanadas totala utsläpp av växthusgaser, eller uppskattningsvis 19 megaton koldioxid förra året – lika med de årliga avgasutsläppen från 3,7 miljoner bilar. Det skapar mer än dubbelt så mycket produktionsutsläpp som vid konventionell oljesandbrytning. Oberoende experter säger att när bitumenet raffineras och levereras till bensinstationer över hela USA har det redan stått för två eller tre gånger så mycket växthusgas per gallon bränsle som bensin raffinerad från konventionell råolja.

Mest oroande är att borrningsoperationerna i oljesanden bara är ett exempel på den ökade produktionen av okonventionell olja, tidigare svårexploaterade källor som den senaste tidens tekniska framsteg har gjort ekonomiskt lönsam. Sådana resurser enbart i Amerika inkluderar enorma mängder bitumenliknande olja i Venezuela, djupa oljereserver under havet utanför Brasiliens kust och tät olja som finns i skifferavlagringar i hela USA och Kanada. De geologiska resurserna och teknikerna som används för att producera okonventionell olja varierar mycket, men de kräver alla utvinningsprocesser som är energikrävande och miljöförstörande. Oljesand är den främsta anledningen till att Kanadas årliga utsläpp av växthusgaser, som regeringen lovade att minska till 558 megaton till nästa år, nu överstiger 710 megaton och beräknas nå 785 megaton år 2020.

Verkligheten är dock att världen snabbt har blivit beroende av okonventionell olja, inklusive oljesanden, eftersom den globala energiefterfrågan har fortsatt att växa snabbare än utbudet. Och den kanadensiska ekonomin, särskilt i Alberta, har blivit starkt beroende av oljesandindustrins tillväxt. Investeringar från kanadensiska företag och globala oljejättar uppgick till 13 miljarder dollar 2010 och växte till 16 miljarder dollar i år. Oljesanden har gjort Alberta till den hetaste platsen i Kanada för jobb, investeringar och tillväxt, vilket hjälper landet att undvika många av de ekonomiska problem som drabbar USA och stora delar av Europa.

Oljesanden betyder hundratals miljoner dollar i skatter och royalties, och jobbskapande från Newfoundland till Vancouver. Så många Newfoundlänningar har kommit till Alberta för att arbeta i Fort McMurray att det är Newfoundlands tredje största stad, säger Murray Smith, tidigare energiminister i Alberta. En sådan ekonomisk styrka gör det givet att Kanada kommer att fortsätta exploatera den här resursen, säger han: Vi är granne med en kund som har 250 miljoner fordon som kör tre biljoner mil om året. Du kan vara säker på att så länge som efterfrågan finns, kommer det att finnas en produkt att sälja. Vi kommer att producera oljesanden.

Stora resurser: En flygvy visar ytbrytningen nära Fort McMurray i förgrunden, medan raffinerings- och avfallsdammar som gränsar till Athabascafloden är synliga i bakgrunden.

Age of Steam

Christina Lake, en snabbt växande in situ utvinningsverksamhet 120 kilometer söder om Fort McMurray, är verkligen avlägsen. Även om kalhygge, naturgasproduktion och grusgruvor har etsat skogarna, är mulhjort och älg fortfarande fler än människor. Christina Lakes närmaste granne är byn Conklin med 300 invånare, och i söder ligger Cold Lake Military Air Range, ett stort ingenmansland reserverat för flygstridsövningar och taktiska vapentester. Känslan av isolering fördunstar dock, eftersom tusentals arbetare installerar och driver utrustning för miljarder dollar vid Christina Lake och mer än ett dussin andra platser i Alberta.

VILKEN PEAK OIL?

Förstora diagram

Mycket av världens olja, inklusive de stora reserverna av konventionell olja på platser som Saudiarabien och Mexikanska golfen, är en blandning av kolväten som forsar upp från marken och flyter lätt vid rumstemperatur. Den kanadensiska oljesanden, å andra sidan, är tjärhaltiga avlagringar där kolvätena täcker sanden och leran. När den väl tagits bort från marken har oljan viskositeten av kall melass. Att utvinna det måste i grunden vända på de naturliga krafterna som skapade bitumenet som började för miljontals år sedan, när uppgången av Klippiga bergen tryckte in snabbströmmande lätt petroleum i angränsande lager av begravd sand.

I nästan ett sekel har företagare kämpat för att separera de stelnade avlagringarna från sanden och göra dem till flytande kolväten igen. Fort McMurrays gruvor öppnade på 1960-talet och början av 1970-talet och haltade tillsammans med statligt stöd tills oljepriserna började stiga i slutet av 1990-talet, vilket uppmuntrade investerare. Albertas in situ-platser är produkten av ett statligt finansierat forskningsprojekt som initierades 1974 för att lyfta oljesandsindustrin bortom stripp-brytning. I slutet av 1990-talet hade det provinsiella projektet bestämt sig för en teknik: ångassisterad gravitationsdränering eller SAGD. Cenovus, det Calgary-baserade företaget som driver Christina Lake, skapade den första kommersiella SAGD-webbplatsen 1999 och började pilottester vid Christina Lake tre år senare.

Även om det är mer sofistikerat än gruvbrytning, där bitumen mindre än 75 meter under marken helt enkelt grävs upp efter att det översta jordlagret har avlägsnats, är SAGD fortfarande till stor del en råkraftsmetod för att suga upp djupt begravd bitumen. Vid Christina Lake sjunker par av perforerade brunnar 375 meter djupt och når ett bitumenlager som är 25 till 30 meter tjockt. Där planar brunnarna ut till att löpa 800 meter horisontellt genom den nedre tredjedelen av fyndigheten, en brunn fem meter över den andra. Ånga tvingas genom de övre brunnarna vid 250 °C för att värma och så småningom smälta bitumenet, som rinner bort från sanden, leran och andra mineraler. Bottenproduktionsbrunnarna suger sedan upp en blandning av vatten och smält bitumen till ytan, där vattnet separeras från bitumenet och återvinns. Slutligen blandas bitumenet med ett kolvätespädningsmedel för att göra det tunt nog för pipelines innan det lämnas till en intilliggande oljeterminal och påbörjar sin resa till raffinaderier i USA.

Ovan jord är Christina Lake ett pulserande liv. Webbplatsen fraktar mer än 16 000 fat bitumen per dag. I augusti slutförde Cenovus en expansion som kostade cirka 900 miljoner dollar i kanadensiska dollar och ökade kapaciteten till 58 000 fat per dag. Nu är sajten inne i två likvärdiga utbyggnader som har ökat personalstyrkan till nästan 2 000 personer som arbetar, äter och sover på plats i sju till tio dagar i sträck. Det finns mycket mer tillväxt att komma, säger Drew Zieglgansberger, senior vice president med ansvar för Christina Lake. Zieglgansberger förväntar sig att platsen 2019 kommer att generera över 250 000 fat bitumen per dag – tillräckligt, säger han, för att gasa upp alla bilar i Illinois. Han säger att det borde hålla den takten i 30 år.

Själva platsen är mer som en medelstor kemisk anläggning än en gruvanläggning. Över den står fem 32 meter höga ånggeneratorer; fyra till är under uppbyggnad. Dessa maffiga ugnar bränner naturgas och spränger ut 250 miljoner BTU ånga per timme. Sammanlagt, säger Zieglgansberger, satte de ut värmen som motsvarar 50 000 bakgårdsgrillar. (Med varje timme av förbränning och värme från Christina Lakes ånggeneratorer kommer 75 ton koldioxidutsläpp - ungefär 45 kg koldioxid för varje fat bitumen.)

De dåliga nyheterna för Albertas oljesandsindustri är att Christina Lake är ett bästa scenario för SAGD idag. Zieglgansberger behöver bara ånga två fat vatten för att producera ett fat bitumen, vilket gör det till Albertas mest effektiva in situ-drift. Hans konkurrenter (och de flesta framtida SAGD-verksamheter) måste rikta in sig på tunnare bitumenavlagringar, en del strimlade med sten och vatten som avleder injicerad värme. Som ett resultat krävde det genomsnittliga fatet bitumen som producerades via SAGD förra året strax under tre fat ånga, enligt Albertas Energy Resource Conservation Board. Det är därför, när frakt och raffinering väl har tagits i beaktande, skapar Albertas in situ-produktionsprocess mycket mer utsläpp av växthusgaser än att göra bränsle från konventionell råolja.

Dessa siffror är inget annat än skandalösa för John Nenniger, grundare och VD för N-Solv, en Calgary-baserad startup som utforskar teknik för att exploatera oljesand. Nenniger säger att industrin har förbättrats lite sedan den första SAGD-fältpiloten i slutet av 1980-talet: Det allra första testet hade ett förhållande mellan ånga och olja på 2,38. Sedan dess har förhållandet mellan ånga och olja faktiskt försämrats. Det har inte skett några framsteg alls.

Gasslukare: Massiva ånggeneratorer vid Christina Lake bränner naturgas för att producera enorma mängder ånga, som injiceras i 375 meter djupa brunnar för att värma upp tjäroljan och låta den sugas upp till ytan.

Hämnd?

Det är inte som om ingen försöker. Stora oljebolag, inklusive Shell, Suncor Energy och Exxons dotterbolag Imperial Oil, samt entreprenöriella startups som N-Solv och Laricina, testar ett växande antal in situ-tekniker. Vissa pumpar luft djupt under jorden och tänder lite bitumen i hopp om att smälta resten mer effektivt. Andra ser potential i att använda elektricitet för att värma djupt nedgrävd bitumen.

Cenovus testar en metod som använder en kombination av ånga och ett lösningsmedel, butan, för att hjälpa till att lossa bitumenet. Pad A02 ser ut som alla andra vid Christina Lake, förutom att den bara har ett par brunnar som stöds av lite extra hårdvara: tre 50 fot långa lagringstankar för butanen och utrustning för att blanda den med 250 °C ångan som ryter i med rör från ånggeneratorerna. Att lägga till den utrustningen ökar kostnaden för att bygga en ny plats med nästan en tredjedel, men det är värt det, säger Harbir Chhina, Cenovus vice vd för oljesand. Chhina säger att tillsats av butan ger 10 till 15 procent mer bitumen från samma resurs och gör det ungefär 30 procent snabbare.

Effekterna av den förbättringen på energianvändning, vinster och föroreningar av växthusgaser är att få ett första test i kommersiell skala vid Narrows Lake, ett in situ-projekt omedelbart nordväst om Christina Lake där Cenovus hoppas kunna producera 130 000 fat bitumen per dag senast 2016. (Godkännande för Narrows Lake förväntas senast nästa sommar; Alberta har aldrig avvisat en ansökan om oljesand.) Chhinas förutsägelse: Narrows Lakes ånga-till-olja-förhållande kommer att vara cirka 1,7, 15 procent lägre än det skulle vara utan lösningsmedel. Han säger att tekniken kan minska utsläppen av växthusgaser med så mycket som 30 procent på de flesta SAGD-platser.

Samtidigt rustar Nenniger för tester av en process som endast innehåller lösningsmedel som uppfanns på 1970-talet av hans far, som var vice VD för processteknik på Hatch, Kanadas näst största ingenjörsfirma och N-Solvs majoritetsägare. Från en provisorisk arbetsplats i Hatchs kontor i Calgary planerar Nenniger teknikens comeback: ett pilottest på 60 miljoner dollar pågår på Suncor Energys Dover-anläggning nordväst om Fort McMurray, samma plats där SAGD-processen ursprungligen testades.

Nenniger uppskattar att eliminering av användningen av ånga och sänkning av temperaturer kommer att spara $9 på varje fat bitumen. Dessutom kan lösningsmedelsprocessen extrahera bitumen av bästa kvalitet och lämna mer av de tyngsta asfaltliknande materialen kvar i marken. Det borde göra N-Solvs bitumen lättare att förädla, vilket ger producenterna 15 USD extra för varje fat de skickar. Nenniger räknar också med att processen kommer att använda 80 till 90 procent mindre energi per fat bitumen än SAGD, vilket minskar koldioxidutsläppen i enlighet därmed.

N-Solv planerar att borra observationsbrunnar vid sin pilotanläggning i vinter, och injektions- och produktionsbrunnar bör följa under sommaren. Varmt lösningsmedel kan börja flöda redan hösten 2012, och leverera produktionsresultat till följande sommar. Nenniger projekterar kommersiell tillämpning på så lite som fem år. Att bevisa att vi är bättre än SAGD på en head-to-head basis kommer att öppna upp hela oljesandmarknaden, säger han.

Frågan för oljesandsinnovatörer är om den ekonomiska risken med att utveckla nya typer av in situ-teknik kommer att löna sig. Cenovus behöver ett globalt oljepris på bara $45 till $50 per fat för att göra vinst på sina Christina Lake-investeringar; med priser nu över $75 per fat tjänar det bra pengar. I en tid av billig naturgas och dyr olja kommer Kanadas bitumenproducenter att behöva en extra push innan de åtar sig miljarder dollar till alternativ till gruvdrift och SAGD. Nenniger menar att företagens beslutsfattare har små incitament att förändras under rådande ekonomiska förhållanden, där energikostnaderna är låga och skattemässigt avdragsgilla och koldioxidutsläppen är gratis. Du har ett system som inte skapar marknadsdrag, säger han.

Snabbare utvinning: En experimentell version av in situ-extraktion tillför ett lösningsmedel till ångan för att göra bitumenåtervinningen snabbare och effektivare.

Säger Heather MacLean, professor i ingenjörsvetenskap och offentlig politik vid University of Toronto, Det måste finnas någon typ av politisk push ... för att verkligen motivera den mest effektiva produktionen och minskningen av växthusgaser och andra miljöpåverkan. Det som behövs, säger hon, är ett pris på kol. För två år sedan införde Alberta en koldioxidskatt på 15 dollar per ton, men den täcker bara en del av industriutsläppen, och även oljechefer avfärdar dess inverkan på investeringar. Det är i tiotals cent per fat, säger Zieglgansberger.

Ett större problem

I somras gjorde ledande klimatförändringsaktivister oljesanden i Alberta till ett känt namn med två veckors protester framför Vita huset. Åtgärden riktade sig till den föreslagna Keystone XL-rörledningen, som skulle leverera en halv miljon fat petroleum per dag till raffinaderier på den amerikanska gulfkusten genom en 36-tums pipeline som går 2 673 kilometer från Alberta till Port Arthur, Texas. Mer än 1 000 demonstranter, inklusive NASA:s klimatforskare James Hansen, greps. President Obama är planerad att fatta ett slutgiltigt beslut om pipeline i vinter.

Ken Caldeira, en av 20 ledande klimatforskare som utfärdade ett öppet brev till presidenten som motsatte sig Keystone XL, hävdar att ett stoppande av det skulle öka kostnaderna för marknadsföringen av Albertas bitumen och därmed ge en de facto-signal för kolprissättning till producenterna. Vi erbjuder tillsammans en gratis subvention till fossilbränsleindustrin genom att låta dem dumpa sitt avfall i atmosfären, säger Caldeira, som är en atmosfärsforskare vid Carnegie Institution of Washington i Stanford, Kalifornien. Vi borde ta bort den subventionen.

Caldeira säger att det ultimata problemet han ser med oljesandinvesteringar är att de hotar att förstärka beroendet av petroleum, och petroleumförbränning i fordon genererar över en femtedel av de globala koldioxidutsläppen. Att förbättra utvinningsprocessen för oljesand kommer bara att göra detta beroende djupare. Med nuvarande metoder, uppskattar Albertas regering, kan 169 miljarder fat bitumen i oljesanden produceras ekonomiskt - mindre än en tiondel av den nedgrävda resursen. Effektivare teknik kommer att ge så mycket mer olja som ska brännas i världens bilar och lastbilar. Om vi ​​vill utvecklas till ett energisystem med låga koldioxidutsläpp borde vi inte bygga ytterligare fossilbränsleinfrastruktur, säger Caldeira.

Att stoppa Keystone XL-pipelinen kan dock få oavsiktliga konsekvenser. Om president Obama blockerar projektet kommer producenterna fortfarande att sälja sin bitumen, skicka den i tankfartyg eller genom föreslagna rörledningar till Kanadas hamnar i Stilla havet. Samtidigt skulle en saktad bitumenproduktion i Kanada förmodligen få producenter på andra håll att möta den bestående efterfrågan på bränsle genom att utnyttja resurser som oljeskiffer, svårkontrollerade djuphavsbrunnar eller till och med kol. Att avskräcka produktionen av oljesand kommer sannolikt inte att hämma det globala flödet av petroleum, säger Adam Brandt, professor vid Stanford Universitys Department of Energy Resources Engineering: Marknadskrafterna är bara överväldigande. MacLean håller med. Länder som importerar stora volymer olja i dag kommer inte att sluta göra det i morgon, säger hon. De går inte alla över till elfordon under det kommande decenniet. Så att ha en policy om ingen ytterligare fossilbränsleinfrastruktur verkar inte riktigt realistiskt för mig.

Ett antal experter säger att en minskning av den totala oljeefterfrågan i slutändan är det enda sättet att minska miljöpåverkan från Albertas oljesandsindustri, och en allmänt respekterad 2009 metaanalys av livscykelstudier av MacLean och andra livscykelanalytiker Alex Charpentier och Joule Bergerson vid University of Calgary verkar backa upp dem. Enligt analysen producerar bilkörning en kilometer 320 till 350 gram koldioxidföroreningar om bensinen kommer från in situ-anläggningar. Om bensinen raffineras från konventionell råolja, producerar samma resa mindre föroreningar - 250 till 280 gram koldioxid. Men själva förbränningen av petroleum, oavsett hur bränslet producerades, står för 212 av dessa gram i båda fallen.

Summan av kardemumman, säger Brandt: Om vi ​​verkligen är upprörda över oljesanden måste vi ta vår oljevana på allvar.

Peter Fairley är en frilansskribent baserad i Victoria, British Columbia. Hans inslag Kommer elfordon äntligen att lyckas? dök upp i januari/februari numret av Teknikgranskning .

Dölj