Biophysical constraints of fossil energy systems: studying the metabolism of ecuador’s oil extraction-methodologies and application

Abstract

El concepte de “pic” en les tendències de producció d’oli d’alta qualitat ja està ben establert. Això es reflecteix en la dinàmica cap a l’extracció de reserves de petroli poc convencionals i de menor qualitat que exigeixen majors fluxos de materials i energia a la via metabòlica. Al mateix temps, els països desenvolupats mantenen un compromís onerós però poc efectiu per a la substitució parcial o total de fonts fòssils per energia renovable. Aquest esforç requereix la generació d’un camp complet d’investigació complet, capaç d’aportar la informació requerida sobre la viabilitat i viabilitat biofísica d’aquestes solucions. Aquesta tesi proposa ampliar la comprensió dels problemes relacionats amb els sistemes energètics actuals. Ho fa analitzant en profunditat el rendiment de l’extracció de petroli com a font d’energia primària i la seva relació amb la societat en la producció de portadors d’energia, identificant les seves limitacions biofísiques en termes d’escassetat i pica. Aquesta tesi presenta metodologies comptables innovadores basades en aplicacions de l’esquema de comptabilitat MuSIASEM que facilita la comprensió de les implicacions biofísiques de l’extracció de petroli. Les aplicacions s’il·lustren en un anàlisi integrat a escala i integrada del sector del petroli equatorià, evitant la simplificació d’informació, pròpia del reduccionisme, trobada en estudis similars realitzats amb narracions econòmiques clàssiques. L’enfocament proposat integra la caracterització de diversos factors rellevants en una definició de criteris múltiples del rendiment d’un procés d’extracció de fonts d’energia primària. Identifica perfils d’entrades i sortides rellevants de fluxos i fons descrits mitjançant el concepte de “processadors estructurals” que es poden definir a diferents nivells d’anàlisi (és a dir, camp / bloc / àrea geogràfica). Les combinacions de processadors estructurals s’analitzen com complexos funcionals les característiques depenen de la qualitat del recurs explotat (és a dir, de producció pesada, mitjana i lleugera). D’aquesta manera, podem estudiar els canvis en el rendiment dels camps petroliers a causa del seu envelliment. Els canvis en la disponibilitat i la qualitat del petroli (i la necessitat d’aigua dolça) afecten els nivells de pressió ambiental en termes de capacitat de l’aigüera necessària: absorbir l’aigua contaminada i les emissions de GEH. Aquest enquadrament permet estudiar la relació actual i futura entre la font d’energia primària (extracció de petroli) disponible per a la societat i la seva capacitat per produir, distribuir i utilitzar productes intermedis per garantir els seus usos finals en els diferents sectors socioeconòmics. Per assolir aquesta tasca, el marc analític genera escenaris futurs que permeten la comprensió metabòlica de les activitats dels sistemes d’extracció d’oli. És a dir, permet la indentificació de les taxes metabòliques i les restriccions biofísiques tant en el costat de l’oferta (sistema d’extracció de petroli) com en el costat de la demanda (usos finals d’energia) a la societat equatoriana. A causa de la integració de l’anàlisi quantitativa a diferents dimensions i nivells d’anàlisi, els resultats d’aquest tipus d’anàlisis proporcionen informació destacada a les discussions sobre polítiques energètiques en l’àmbit tècnic, econòmic i ambiental.

El concepto de “peak oil” en las tendencias de producción de petróleo de alta calidad ahora está bien establecido. Esto se refleja en la dinámica hacia la extracción de reservas de petróleo no convencionales y de menor calidad que exigen mayores flujos de materiales y energía en la vía metabólica. Al mismo tiempo, los países desarrollados mantienen un compromiso oneroso pero ineficaz para la sustitución parcial y/o total de las fuentes fósiles por energías renovables. Este esfuerzo requiere la generación de un nuevo campo de investigación completo capaz de suministrar la información requerida sobre la viabilidad biofísica de estas soluciones. Esta tesis propone ampliar el entendimiento de los problemas que atañe a los sistemas energéticos actuales, analizando a profundidad el rendimiento de la extracción de petróleo como fuente primaria de energía y su relación con la sociedad en la producción de energy carrier para garantizar las funciones requeridas del sistema, identificando sus limitaciones biofísicas en términos de escasez y sumidero. Se presentan metodologías contables innovadoras basadas en aplicaciones del esquema contable MuSIASEM que facilitan la comprensión de las implicaciones biofísicas de la extracción de petróleo. Las aplicaciones se ilustran en un análisis multiescala e integrado del sector petrolero ecuatoriano, evitando la simplificación de la información, típica del reduccionismo, que se encuentra en estudios similares realizados con narrativas económicas clásicas. El enfoque propuesto integra la caracterización de varios factores relevantes en una definición de criterios múltiples del desempeño de un proceso de extracción de fuentes de energía primaria. Identifica perfiles de entradas y salidas para varios flujos y fondos utilizando el concepto de “procesadores estructurales” que se pueden definir en diferentes niveles de análisis, es decir, campo / bloque / área geográfica. Las combinaciones de procesadores estructurales se analizan como sistemas complejos funcionales cuyas características dependen de la calidad del recurso explotado, es decir, la producción de petróleo pesado, medio y ligero. De esta manera, se logra estudiar los cambios en el rendimiento de los campos petroleros debido a su envejecimiento. Los cambios en la disponibilidad y calidad del petróleo (y la necesidad de agua dulce) afectan los niveles de presión ambiental en términos de la capacidad de sumidero requerida para absorber el agua contaminada y las emisiones de GEI. Este marco permite estudiar la relación presente y futura entre la fuente primaria de energía (extracción de petróleo) disponible para una sociedad y su capacidad para producir, distribuir y usar productos intermedios para garantizar sus usos finales en los diversos sectores socioeconómicos. Para lograr esta tarea, el marco analítico genera escenarios futuros que permiten la comprensión metabólica de las actividades de los sistemas de extracción de petróleo. Es decir, permite la identificación de tasas metabólicas y restricciones biofísicas tanto en el lado de la oferta (sistema de extracción de petróleo) como en el lado de la demanda (usos finales de energía) en la sociedad ecuatoriana. Debido a la integración del análisis cuantitativo a través de diferentes dimensiones y niveles de análisis, los resultados de este tipo de análisis proporcionan información relevante para las discusiones sobre política energética en el ámbito técnico, económico y ambiental.

The concept of “peak” in the trends of production of high quality oil is now well established. This is reflected by the dynamics towards the extraction of unconventional and lower quality oil reserves that demand greater flows of materials and energy in the metabolic pathway. At the same time, developed countries maintain an onerous but ineffective commitment to the partial or total substitution of fossil sources with renewable energy. This effort requires the generation of a complete new field of research capable of supplying the require information over the biophysical feasibility and viability of these solutions. This thesis proposes to expand the understanding of the problems related to current energy systems. It does so by analyzing in depth the performance of oil extraction as a primary source of energy and its relationship with society in the production of energy carriers, identifying its biophysical limitations in terms of scarcity and sink. This thesis presents innovative accounting methodologies based on applications of the MuSIASEM accounting scheme facilitating the understanding of the biophysical implications of oil extraction. The applications are illustrated in a multi-scale and integrated analysis of the Ecuadorian oil sector, avoiding the simplification of information, typical of reductionism, found in similar studies carried out using classic economic narratives. The proposed approach integrates the characterization of several relevant factors into a multi-criteria definition of the performance of a process of extraction of primary energy sources. It identifies profiles of relevant inputs and outputs of flows and funds described using the concept of “structural processors” that can be defined across different levels of analysis – i.e. field / block / geographical area. Combinations of structural processors are analyzed as functional complexes whose characteristics depend on the quality of the exploited resource – i.e. heavy, medium, and light oil production. In this way, we can study changes in the performance of oil fields due to their aging. Changes in the availability and quality of oil (and the need for freshwater) do affect the levels of environmental pressure in terms of required sink capacity - to absorb polluted water and GHG emissions. This framing allows to study the present and future relation between the primary source of energy (oil extraction) available to a society and its ability to produce, distribute and use intermediate products to guarantee their end uses in the various socioeconomic sectors. To achieve this task the analytical framework generates future scenarios allowing the metabolic understanding of the activities of the oil extraction systems. That is, it allows the identification of metabolic rates and biophysical constraints both in the supply side (oil extraction system) and in the demand side (energy end uses) in the Ecuadorian society. Due to the integration of the quantitative analysis across different dimensions and levels of analysis, the results of this type of analysis provide salient information to the discussions of energy policy across the technical, economic and environmental domain.