Del petróleo crudo a los combustibles (Parte I)

Nicolás Rodríguez Martínez

Nicolás Rodríguez Martínez es Ingeniero Químico egresado de la UNAM (1969-1973), colaboró de 1974 a 2005 en PEMEX, ocupando varias posiciones en instalaciones de PEMEX en el complejo productor de amoniaco en Cosoleacaque, coordinó la puesta en operación del laboratorio de control de calidad del tren de aromáticos en La Cangrejera. De 1985 a 2005 en las oficinas corporativas ocupó diversas posiciones entre las que destacan Asesor del Subdirector Comercial en PEMEX Refinación, encargado del despacho de la Gerencia de Ventas del Valle de México, Asesor y Secretario Técnico del Director General de PEMEX Refinación, así como Gerente de Ingeniería de Procesos en el mismo organismo. Director de Seguridad y Medio Ambiente en el IMP de 2005 a 2008. Actualmente realiza actividades como consultor independiente en materia de petróleo y gas.

Esta publicación fue revisada por el comité editorial de la Academia de Ciencias de Morelos.

Introducción

Un inmenso número de actividades humanas requiere de una fuente de energía, sea en el terreno de la industria, del transporte o del hogar. Piensa tan solo en el número de aparatos y dispositivos que conectas diariamente, que tienes que recargar periódicamente o que necesitan baterías. Vivimos una época en la que dos ideas aparentemente opuestas coexisten: necesitamos, urgentemente, disminuir la dependencia de combustibles no renovables (petróleo, gas y carbón) que emiten bióxido de carbono (CO2) a la atmósfera y contribuyen al calentamiento global por el empleo de fuentes de energía renovables (solar, eólica, geotérmica, hidráulica y biocombustibles) y, hay una enorme cantidad de productos derivados del petróleo que no tienen aún substituto. Es decir, no queremos usar el petróleo pero necesitamos usar los productos del petróleo.

Ante este panorama, la discusión sobre la forma en la que en el mundo y, en particular en México se extrae, refina y utiliza el petróleo, no es una tarea simple. Para poder comprender los retos que enfrentamos, es necesario tener claro ¿qué es el petróleo? ¿por qué el petróleo es aún una fuente importante de suministro de energía? ¿qué es la petroquímica? Además de los combustibles, ¿qué usos se le da al petróleo? En este artículo, estructurado en dos partes, trataré de dar respuestas a algunas de estas preguntas.

¿Qué es el petróleo?

La palabra petróleo deriva del griego petra (piedra) y óleum (aceite), aceite de roca y se utilizó también en latín. El término fue utilizado por primera vez en un texto en 1546 por el mineralogista alemán George Bauer, cuyo pseudónimo era Georgius Agricola.

El petróleo se formó a partir de los restos de organismos marinos antiguos, como plantas, algas y bacterias, sepultados por el movimiento de placas de la corteza terrestre y sometidos durante millones de años a altas temperaturas y muy altas presiones. Los compuestos que formaban a estos seres vivos se transformaron en fósiles orgánicos ricos en carbono e hidrógeno. Se definen como hidrocarburos a los compuestos que están constituidos principalmente por carbono (C) e hidrógeno (H). No los confundas con los carbohidratos, aunque las palabras se parecen, estos últimos contienen oxígeno en su fórmula.

En muchos lugares del mundo se encontró desde la antigüedad que, como resultado de fracturas en la corteza terrestre, aparecían derrames de un líquido viscoso negro que podía inflamarse y servir en algunas lámparas de aceite. Físicamente, el petróleo crudo es un líquido viscoso generalmente de color negro y en ocasiones amarillo. Coloquialmente se le conoce como “el oro negro”. El petróleo crudo es una mezcla heterogénea y compleja de compuestos orgánicos: hay gases, líquidos y sólidos, la mayoría insolubles en agua. Adicionalmente, el petróleo crudo contiene en menor cantidad algunos compuestos que contienen: oxígeno (O), nitrógeno (N), azufre (S) y metales como el sodio (Na), vanadio (V), níquel (Ni), fierro (Fe), cobre (Cu). En la Figura 1 se muestra la proporción en masa de elementos químicos que componen el petróleo.

Figura 1 Composición promedio del petróleo crudo extraído del subsuelo (datos en % en peso)

¿Qué distingue al petróleo en el mundo?

Los diferentes ecosistemas fosilizados dieron lugar a distintos tipos de mezclas de hidrocarburos. Por ello, la composición del petróleo crudo depende del sitio de extracción. Las características fisicoquímicas y por tanto, su calidad, depende de su origen y determinan el tipo de procesos necesarios para su transformación en la industria de refinación y petroquímica. Por esta razón, la industria los clasifica con base en sus propiedades físicas y químicas. La industria petrolera, clasifica a los hidrocarburos de acuerdo con su estructura química en:

• Parafinas (hidrocarburos de cadena lineal)
• Isoparafinas (hidrocarburos con cadenas ramificadas)
• Aromáticos (hidrocarburos que contienen un anillo con seis átomos de C)
• Nafténicos  (hidrocarburos que contienen anillos de diferentes tipos)
• Olefinas  (hidrocarburos con uno o varios dobles enlaces entre C- C)

Muchos de estos hidrocarburos, como anunciaba aquel viejo comercial de PEMEX, “están en nuestro closet” aunque no lo sepamos o no los identifiquemos, es decir, forman parte de nuestro cotidiano. Por ejemplo, la parafina más simple es el metano (CH4), el principal componente del gas natural (GN) que usamos en algunas regiones de nuestro país como combustible en nuestros hogares y en la industria para la generación de energía eléctrica o en el calentamiento de corrientes de agua u otros fluidos en las plantas industriales.

En el caso de las isoparafinas podemos citar el isobutano (C4H10), que forma parte de los hidrocarburos que componen el gas licuado del petróleo (GLP o LPG), combustible que aún se surte en muchos hogares para la cocción de nuestros alimentos y calentar el agua para bañarse. Verifica que hay en tu casa: ¿gas natural o GLP?

Los compuestos aromáticos, que recibieron ese nombre por tener olores característicos, son los campeones de la estabilidad. La estructura química del más sencillo aparece en la Figura 2, es el benceno (C6H6). Es uno de los 20 productos de mayor volumen de producción en el mundo y es la materia prima para elaborar una enorme diversidad de productos como: plásticos, resinas, fibras sintéticas, gomas, lubricantes, tinturas, detergentes, medicamentos y pesticidas, o sea, ¡mucho de lo que hay en un clóset!

Figura 2. Un aromático: molécula de benceno

Los nafténicos, son compuestos menos comunes en nuestro closet, siendo el más simple de ellos el ciclopentano (C5H10), y su campo de aplicación es en la industria y en la fabricación aceites lubricantes. Un uso común de estos hidrocarburos es la fabricación de tintas para la impresión de etiquetas.

Finalmente tenemos a las olefinas, que son también materia prima para la producción de los plásticos como el polietileno, uno de los más usados para la producción de bolsas para la envoltura de productos y alimentos.

¿Qué tan bueno es el petróleo mexicano?

Para poder definir la calidad de un petróleo, requerimos de diversos criterios. Consideremos primeramente que el petróleo crudo es una mercancía común (commodity, le llaman en inglés), ya que se produce un sinnúmero de “crudos” a nivel mundial. Dada la diversidad química a la que nos acabamos de referir la industria petrolera ha definido cuatro criterios a nivel internacional para clasificarlo:

• Por su contenido de azufre.

En función de la cantidad de azufre que contienen, los crudos se les denomina dulce, semidulce o amargo. Son dulces los que presentan de 0.1 a 0.5 kg de azufre por kg de petróleo, semidulces a los que se sitúan entre 0.5 y 0.8 y amargos los ubicados entre 0.8 y 5.0.

¿De dónde salió que el petróleo era dulce o amargo? Pues bien, el término de crudo dulce no es sólo una metáfora con el azúcar, sino que, en efecto, el aceite posee un sabor dulzón, aunque no recomiendo que lo prueben. En el Siglo XIX, los buscadores saboreaban y olían el producto crudo a medida que se extraía para juzgar su contenido relativo de azufre. Si el aceite tenía un sabor vagamente dulce y un olor agradable, era señal de su bajo contenido de azufre. Podríamos afirmar ahora que lo amargo viene de la dificultad para procesarlo, siendo necesario quitarle el azufre para hacer más dulce la vida de los ingenieros petroleros. Los crudos amargos también tienen menor precio en el mercado internacional, asociado al costo que implica su procesamiento para la transformación en productos derivados del petróleo.

Otro factor que contribuye al costo relativamente alto del procesamiento del crudo ácido o amargo es que requiere de una estabilización antes de ser transportado desde los campos petroleros de producción a los sitios industriales para su transformación. Esto se debe a que como hemos visto, el crudo amargo contiene cantidades relativamente altas de azufre en forma de ácido sulfhídrico (H2S), el compuesto que asociamos con el olor a huevo podrido, por lo que debe eliminarse antes del transporte, ya que es dañino para la salud, y el personal que opera los buque-tanques, los tanques de almacenamiento en las terminales y las refinerías estaría en riesgo.

• Por su densidad

Con frecuencia se escucha hablar de los crudos ligeros, los pesados e incluso, los extra-pesados. Esta clasificación del petróleo se basa en su densidad, es decir el peso (en realidad masa) que tiene un determinado volumen de petróleo, lo que está estrechamente ligado con su composición química. En el ámbito petrolero se emplea los grados API (°API) para definirla, siendo los °API inversos de la densidad, es decir, mientras más altos los °API más ligero es el crudo. En la Figura 3 se muestra gráficamente esta clasificación. Para darse una idea, el agua a 15 ºC tiene una densidad de 1 g/cm3, es decir, un gramo de agua ocupa un volumen de 1 cm3, o lo que es lo mismo 1000 Kg/m3

Figura 3. Clasificación del petróleo crudo en función de sus °API

Si analizamos los datos de la Figura 3, podremos constatar que: los crudos súper ligeros, con un ˚API mayor a 38, tienen una densidad menor a 834 kg/m3, los ligeros aquellos con un ˚API mayor a 31.1, densidad menor a 870 kg/m3, los medios se ubican entre 31.1 y 23 ºAPI densidad entre 870 y 920 kg/m3, en tanto que los pesados están entre 22.3 y 10 ºAPI, densidad entre 920 a 1,000 kg/m3 y, finalmente los extra pesados presentan un valor < 10 ºAPI tienen una densidad mayor a 1,000 kg/m3 lo que los hace más densos que el agua.

• Por sus propiedades químicas

Esta forma de clasificación se refiere al tipo de hidrocarburos que predominan en su composición, y para aplicarlo se emplea un parámetro denominado:  Factor de Caracterización de Watson (Kw), también conocido como KUOP. Bajo este criterio se clasifican en aromáticos los que en su composición predominan este tipo de hidrocarburos; por su parte los nafténicos su nombre se debe a la presencia mayoritaria éstos, los parafínicos son aquellos en que están constituidos primordialmente por estas especies y los mixtos los que en su composición presenta los diferentes tipos de hidrocarburos antes mencionados.

Bajo esta clasificación los crudos con mayor precio en el mercado son los parafínicos con respecto a los aromáticos, nafténicos y los mixtos. Como ejemplo, un crudo como el tipo Maya mexicano que es un crudo pesado mixto durante el año 2020 se exportó en 35.7 dólares americanos por barril (USD/b) y el tipo Istmo que es ligero mixto se vendió en 37.4 USD/b, es decir, una diferencia de 1.7 USD/b

En la Tabla 1 se muestran los precios promedios de 2020 de varios crudos producidos en el mundo.

Tabla 1. Precios promedios de 2020 de varios crudos

Fuente: www.eia.gov y www.datasource.kapsarc.org

• Por su acidez.

Es común referirnos a productos ácidos (como el limón) y básicos (como el bicarbonato de sodio). En nuestra vida diaria cuando nos excedemos en el consumo de picante nos provoca acidez, para combatirla usamos productos para neutralizarla, los más comunes están formulados a base de bicarbonato de sodio.

Se preguntarán qué tiene que ver esto con el petróleo, pues bien, otra importante clasificación se hace en términos de su acidez, caracterizada a través del Número Ácido Total (TAN por sus siglas en inglés). Este parámetro se expresa en términos de la cantidad en peso de hidróxido de potasio (KOH) necesaria para neutralizar un gramo de crudo, es decir, que cantidad de base es necesaria para eliminar su acidez. Los crudos ácidos presentan un valor de TAN mayor a 0.5 mg KOH/g crudo. Este parámetro es importante ya que los compuestos ácidos favorecen la ocurrencia de fenómenos de corrosión en los materiales metálicos que se utilizan en la extracción, conducción, transporte y procesamiento del petróleo. En la Tabla 2 se muestran las características de algunos petróleos crudos producidos en el mundo. Te propongo que la revises con cuidado y trates de ordenarlos según su precio.

Tabla 2 Características de algunos crudos producidos en el mundo con base en los criterios de clasificación descritos en este artículo

Fuente: www.oilprice.com

Crudos de Referencia o Crudos Marcadores

En los párrafos precedentes se mostró en forma sucinta las características de algunos crudos que se producen en el mundo y los correspondientes de nuestro país. Cuando se inició la comercialización del petróleo en el mundo, no se tenían mecanismos para determinar su valor en el mercado, por tanto, eran negociaciones particulares entre productos y compradores, sin establecer criterios para su apreciación.

La tabla 2 nos permite apreciar la diversidad de crudos producidos a nivel mundial y, como lo describimos en párrafos anteriores, no podría pagarse lo mismo por un petróleo rico en compuestos útiles y con pocos problemas para su procesamiento que por uno que no ofrezca las mismas características. Por ello, desde los años 80 del siglo pasado, la Organización de Países Exportadores de Petróleo (OPEP), decidió establecer el concepto “crudos de referencia o marcadores”, una herramienta útil para determinar el valor de crudos diferentes a éstos. Los crudos marcadores o de referencia, se utilizan para establecer un premio en el precio a los crudos cuya calidad es superior a éstos y, por el contrario, un castigo o descuento a los crudos de menor calidad. Hay cuatro mercados de referencia para la comercialización del crudo y en cada uno de ellos se ha seleccionado uno para las transacciones entre países: en Europa: Brent; en Asia y Medio Oriente: Dubái y Omán; en Estados Unidos y América: West Texas Intermediate (WTI); y en el Sureste de Asia (Malasia y Singapur): Tapis.

Producción de Petróleo en México

Para los mexicanos la discusión de la forma en la que el petróleo afecta las condiciones económicas y de desarrollo del país es un tema recurrente desde la época de la Expropiación Petrolera en 1938, cuando el presidente de México era Lázaro Cárdenas. Y, no es para menos, México es un importante productor de petróleo (el onceavo del mundo) aunque sólo el 3.9% del comercio exterior está ligado a él. Además, durante esta administración, la discusión de si México debe invertir o no en la producción y refinamiento del petróleo es uno de los temas más importantes. Sin abordar los aspectos económicos y políticos de estas decisiones, es importante que conozcamos bien cómo es el petróleo mexicano y cuánto de cada de uno se produce. En la figura 4 se presenta la evolución de la producción de petróleo crudo en nuestro país según el tipo de petróleo.

Figura 4.  Evolución de la producción de petróleo crudo por tipo en México, cifras en Miles de Barriles por Día (MBD)

[1] Fuente: www.pemex.com, Anuarios Estadísticos 2001, 2005, 2013, 2014 y 2019

Podemos observar que el crudo pesado (Maya) representa más del 50% de la producción en el período más reciente (1990-2020). El resto de la producción corresponde al petróleo ligero del Istmo, y, en menor proporción al petróleo súper ligero Olmeca. Estas cantidades reflejan también cómo están distribuidas las reservas conocidas en nuestro país. En los yacimientos que se explotan actualmente es más frecuente encontrar mezclas pesadas que ligeras y como lo dijimos antes, esto también refleja los diferentes ecosistemas que fueron enterrados hace millones de años bajo el territorio de nuestro país.

¿Cómo se separan los componentes del petróleo? ¿Qué es la petroquímica? ¿Qué productos se obtienen de esta? Busca las respuestas a estas preguntas en la siguiente sección de este artículo.

Esta columna se prepara y edita semana con semana, en conjunto con investigadores morelenses convencidos del valor del conocimiento científico para el desarrollo social y económico de Morelos. Desde la Academia de Ciencias de Morelos externamos nuestra preocupación por el vacío que genera la extinción de la Secretaría de Innovación, Ciencia y Tecnología dentro del ecosistema de innovación estatal que se debilita sin la participación del Gobierno del Estado.