Reducción de emisiones en procesos de refinación del petróleo: Estrategias y tecnologías

Introducción

La industria del petróleo y gas es una de las principales fuentes de emisiones de gases de efecto invernadero (GEI), responsables del cambio climático. La refinación del petróleo, en particular, es un proceso que genera una gran cantidad de emisiones, principalmente de dióxido de carbono (CO₂).

Descarbonizar una refinería de petróleo requiere planes complejo y realista. El nivel de emisión de gases contaminantes de cada refinería varía según ciertos factores como: su tamaño, el tipo de petróleo que se procesa, los combustibles que utiliza y las fuentes de energía que consume.

Este artículo, considera y explora las estrategias y tecnologías que pueden reducir las emisiones de CO₂ en los procesos de refinación; donde en el contexto actual del cambio climático, los gases de efecto invernadero (GEI) asociados con este sector han aumentado debido al incremento del consumo de energía a nivel mundial.

¿Que son los Gases de Efecto Invernadero (GEI)?

Son componentes gaseosos de la atmósfera, naturales y resultantes de la actividad humana, que absorben y emiten radiación infrarroja; esta propiedad causa el efecto invernadero. Los principales gases que contribuyen con este fenómeno son el dióxido de carbono (CO₂), el metano (CH₄), el óxido nitroso (N₂O) y los gases fluorados, de los cuales el CO₂ es el más contaminante (figura 1) .

En el contexto de los procesos de refinación, los GEI son producidos principalmente por la combustión de los combustibles fósiles para generar energía. El petróleo, el gas natural y el carbón, contienen carbono, que se libera a la atmósfera en forma de CO₂ cuando se quema.

Unidades de proceso que generan más emisiones en una refinería¹

En el mundo existen más de 1.000 refinerías de petróleo, que básicamente se clasifican en dos tipos: refinerías de hidrodesulfuración o hidrotratamiento las cuales producen gasolina, combustible para aviones y destilados medios y las refinerías de conversión más grandes incluyen hidrocrackers y unidades de craqueo catalítico para reducir aún más las fracciones de crudo pesadas y convertirlas en productos más livianos.

Las refinerías de conversión más grandes emiten alrededor de cuatro veces más CO₂ por barril de petróleo que las de hidrodesulfuración. En orden de importancia se mencionan las unidades de refinación que más contaminación generan:

• Centrales eléctricas, que generan la energía necesaria para operar las unidades de proceso.
• Unidades de craqueo catalítico fluido, que convierte las fracciones de crudo más pesadas en productos más livianos.
• Unidades de destilación atmosférica, donde se separan las diferentes fracciones del crud.
• Reformadores de metano a vapor, que produce hidrógeno para las unidades de proceso.

Principales fuentes contaminantes durante los procesos de refinación

la refinación del petróleo es un proceso complejo que implica una serie de etapas para convertirlo en productos terminados. A medida que estos procesos se realizan, se emiten contaminantes que tienen un impacto negativo hacia el medio ambiente y la salud humana. Entre las principales fuentes se encuentran:

• Combustión de energía fósil: La refinación es energéticamente intensiva y requiere de cantidades significativas de energía para sus procesos; esta es obtenida de los combustibles fósiles, y cuando se produce la combustión emite dióxido de carbono, y otros contaminantes como el óxido de nitrógeno y dióxido de azufre.
• Tratamiento y almacenamiento de residuos: Una inadecuada gestión en el manejo de residuos y subproductos peligrosos provenientes de los procesos, genera contaminación a los ecosistemas.
• Quema de gas: La quema o venteo del exceso de gas por medio de antorchas es una práctica común en las refinerías. Aunque sirve para deshacerse de gases bajo condiciones seguras, estos procesos emiten gran cantidad de CO₂, metano y otros gases contaminantes.
• Derrames o fugas: Los derrames, las fugas accidentales o las liberaciones intencionales de vapores, gases o productos, que ocurren durante los procesos operativos, generan contaminación atmosférica.

La suma de todas estas emisiones durante el proceso de refinación del petróleo tiene un impacto ambiental significativo, las cuales requieren de gestiones internas precisas y tecnologías adecuadas para que sean minimizadas y así, la industria del petróleo y gas logre avanzar hacia un futuro sostenible.

Según informe especial de World Energy Outlook sobre la industria del petróleo y el gas y la COP28, titulado “Emisiones de operaciones de petróleo y gas en transiciones netas cero“:

“Hoy en día, las operaciones de petróleo y gas representan alrededor del 15 % del total de las emisiones relacionadas con la energía a nivel mundial, el equivalente a 5.100 millones de toneladas de emisiones de gases de efecto invernadero. En el escenario de emisiones netas cero para 2050 de la Agencia Internacional de Energía, la intensidad de las emisiones de estas actividades cae un 50 % al final de la década”²

Importancia de la reducción de emisiones durante los procesos de refinación

Es una acción necesaria para disminuir los efectos negativos con el medio ambiente, cumplir con los objetivos climáticos globales y las estrictas regulaciones ambientales, mejorar la sostenibilidad del sector y adaptarse a una economía en transición hacia fuentes de energía más limpias y renovables, que ayuden en la lucha contra el cambio climático y el calentamiento global.

El cambio climático es una de las principales amenazas a las que se enfrenta la humanidad, y es prioritario abordarlo de manera efectiva y urgente. Sus efectos se están sintiendo en todo el mundo, en forma de eventos climáticos extremos con cambios en los patrones de circulación atmosférica, aumento de la temperatura media de la tierra, aumento del nivel del mar debido a la expansión térmica del agua y una considerable pérdida de biodiversidad. Por otra parte, es de suma importancia para la salud pública y la reducción de incidencia de enfermedades.

Estrategias sostenibles para la reducción de emisiones en la refinación del petróleo

Con la creciente preocupación por la sostenibilidad ambiental, se necesitan desarrollar e implementar estrategias efectivas para una transición hacia operaciones carbono-neutrales en el proceso derefinación del petróleo . Entre las principales estrategias se encuentran:

• Mejoras en la eficiencia energética: Se enfoca en reducir el consumo de energía durante los procesos de refinación, para reducir de manera efectiva las emisiones. Implementar tecnologías innovadoras, actualizar los procesos existentes y recuperar al máximo el calor residual, mejora el uso de energía y reduce al mínimo el desperdicio. Estas son estrategias de mitigación rentable, aunque solo permiten una modesta reducción de 5-10 %.
• Integración de fuentes de energías renovables: Es una opción efectiva en este proceso de transición, la generación de energía renovable, la producción de hidrógeno con bajas emisiones de carbono y la electrificación de procesos, son estrategias valoradas.
• Captura y almacenamiento de carbono (CAC): Es una tecnología prometedora para capturar y almacenar las emisiones de CO₂, de forma segura para su futuro uso. Existen diversas formas, estas pueden ser en la precombustión o poscombustión de los procesos de refinación.
• Aumento de la eficacia de los procesos: Implementar técnicas avanzadas para optimizar y controlar los procesos incrementan la eficiencia en las operaciones, incidiendo en la reducción del consumo de energía.
• Integración de tecnologías digitales: Las soluciones digitales como la inteligencia artificial y el análisis de datos para optimizar operaciones, predecir mantenimientos y mejorar la toma de decisiones.
• Formación y concientización: Es fundamental establecer una cultura de sostenibilidad ambiental en las empresas. Los empleados impulsados por los líderes deben estar capacitados y adquirir el compromiso de promover hábitos sostenibles en cada entorno donde laboren.
• Monitoreo y control de las emisiones: Implementar sistemas de seguimiento y análisis de datos que permitan a las refinerías mantener el control sobre sus emisiones. Una correcta gestión de estos sistemas contribuye con la identificación de áreas potenciales de mejoras, demostrando el compromiso de las organizaciones petroleras con la preservación de medio ambiente.
• Regulaciones y normativas: Son herramientas necesarias para que la industria petrolera regule sus emisiones y avance hacia operaciones más sostenibles y respetuosas con el medio ambiente. El futuro de este sector depende de su capacidad para gestionar su huella de carbono. Si esta acción se aplica de forma colectiva se logran mejoras importantes.

Es fundamental desarrollar e implementar estrategias rentables de mitigación de emisiones para que las refinerías continúen operativas dentro de una sociedad que se mantiene en la búsqueda del cero neto.

Tecnologías innovadoras para la reducción de emisiones en la refinación del petróleo

En los últimos años, con el fin de establecer un camino a largo plazo hacia reducciones de emisiones, el sector petrolero ha venido desarrollando e implementando un conjunto de tecnologías para descarbonizar sus procesos. Entre las más novedosas se encuentran:

Optimización de procesos: Desarrollar procesos de refinación más eficientes respeto al uso de energía, modernizar y automatizar los sistemas existentes, mediante la integración de tecnologías digitales, puede reducir la generación de CO₂ en un 10-20 %. “Uno de los avances clave se encuentra en la carga de reactores de protección con catalizadores frescos, sin necesidad de desconectar una unidad, garantizando un funcionamiento continuo y eficiente de las instalaciones”³

La captura y almacenamiento de carbono (CAC o CCS, por sus nombre en inglés carbon capture and storage): Es una tecnología prometedora para capturar y almacenar las emisiones de CO₂ de la atmósfera. La CAC consiste en separar el CO₂ emitido por la industria y la generación de energía en los procesos de combustión de los procesos de refinación, capturarlo y transportarlo a un lugar de almacenamiento geológico para aislarlo de la atmósfera a largo plazo, con el fin de utilizarlo en el futuro, como puede apreciar en la figura 2. Esta tecnología está cada vez más avanzada y su implementación reduce las emisiones entre un 90-95 %.

Por ejemplo, el CANSOLV CO₂ es una tecnología líder de Shell para el tratamiento de gases y la recuperación de CO₂. Utiliza una amina regenerable, destacándose por su bajo consumo de energía, cinética, mínima volatilidad y alta resistencia a la degradación en gases con oxígeno. Esta tecnología asiste a las empresas a cumplir las regulaciones ambientales. Ha capturado más de 5 millones de toneladas de CO₂ de las instalaciones de Saskpower Boundary Dam en Canadá.

Biocombustibles: Se utilizan como sustitutos de los combustibles fósiles en múltiples procesos de refinación. Estos son menos contaminantes.

Estas tecnologías deben ajustarse para reducir al mínimo el impacto ambiental y las emisiones, mientras se asegura que sean rentables para incrementar su acceso y, a su vez la economía de la energía.

El compromiso de las empresas

Repsol

En su compromiso cero emisiones netas en 2050, fue la primera compañía del sector en marcar una meta ambiciosa en favor del planeta, y en su Plan Estratégico 2021-2025 fijaron exigentes compromisos en la ruta hacia la descarbonización. Reducen las emisiones de sus procesos productivos y, además, contribuyen a reducir la huella ambiental de sus clientes con soluciones y productos de baja y neutra huella de carbono. Todo, gracias a una firme apuesta por la tecnología y la digitalización.

Petrobras⁴

Ha formado una alianza con el fabricante japonés Kureha para desarrollar tecnología de captura de carbono en plataformas petrolíferas marinas. Planean capturar GEI y convertirlos en productos valiosos, como baterías y piezas de automóviles. Kureha desarrolla un catalizador para descomponer el metano en hidrógeno y carbono en sus instalaciones de investigación, con planes de probar un prototipo a pequeña escala en una plataforma. El objetivo es que la tecnología esté disponible comercialmente para 2030, alineándose con las metas de emisiones netas cero de la empresa.

Estrategias para disminuir las emisiones en refinerías de petróleo en EE. UU⁵

A medida que las petroleras  en EE. UU. se adaptan a un futuro más sostenible, estas deben seguir operando mientras reducen significativamente sus emisiones. Un ejemplo es el estado de Washington, donde se ha demostrado que las refinerías pueden disminuir sus emisiones en un 40% y la intensidad de carbono de sus productos, sin necesidad de cerrar las instalaciones.

Se plantean cinco formas clave para minimizar la contaminación climática provenientes de las refinerías:

1. Convertir refinerías más pequeñas para producir combustible de aviación sostenible (SAF)
2. Comprometerse a reducir las fugas de metano
3. Electrificar o apagar unidades que requieren mucho calor
4. Reemplazar todo el hidrógeno gris por hidrógeno verde
5. Implementar captura y utilización de carbono (CCU) en flujos de gases residuales concentrados en unidades de FCC

“Washington tiene la oportunidad de liderar la nación en la reducción de las emisiones provenientes de la refinación de petróleo. Es muy posible que el sector de refinación de Washington reduzca sus emisiones en 2,36 millones de toneladas de CO₂ anuales para 2030”

Conclusiones

Reducir la huella de carbono en las refinerías es un trabajo desafiante que requiere una detallada evaluación de varios factores tecnológicos y operativos. No obstante, mediante estrategias apropiadas, como eficiencia operativa, la captura de carbono, monitoreo de emisiones, integración de fuentes de energías renovables y estímulos financieros, disminuyen considerablemente las emisiones que conllevan a un avance hacia un futuro más sostenible y beneficioso.

Es un largo camino, pero la industria de refinación de petróleo tiene la capacidad y los recursos para reducir las emisiones en sus procesos de manera rápida y precisa. Aquellas que actúen con anticipación para disminuir podrán obtener una ventaja competitiva significativa en un entorno energético que está en evolución.

Referencias

1. Soleado Nixon, y colaboradores; “Métodos computacionales en ingeniería química”; Frente. Química. Ing, Volumen 4 – 2022; https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fceng.2022.804163/full 
2. International Energy Agency (IEA); “Emisiones de operaciones de petróleo y gas en transiciones netas cero” Publicado junio 2023; https://www.iea.org/reports/emissions-from-oil-and-gas-operations-in-net-zero-transitions
3. Mercado A; “Procesos de Refinación de Petróleo: Cómo se Transforma el Crudo en Productos Útiles”; publicado22 Septiembre, 2023; https://www.adrianmercado.com.ar/blog/procesos-de-refinacion-de-petroleo/
4. VilelaA ; ” Petrobras y Kureha forman alianza para capturar carbono en alta mar de Brasil”; h2businessnews, publicado 2023-08-28; 2023-08-28; https://h2businessnews.com/petrobras-y-kureha-forman-alianza-para-capturar-carbono-en-alta-mar-de-brasil/
5. Drew Veysey, Meghan Peltier y  Joseph Fallurin; ” Cinco formas en que las refinerías de petróleo de EE. UU. pueden reducir las emisiones hoy”; publicado 5 de junio de 2023; https://rmi.org/how-to-slash-refinery-emissions-quickly-washington-state/