シェールオイル

シェールオイルは、オイルシェール岩石の破片を熱分解、水素化、または熱溶解によって製造する非在来型石油です。これらのプロセスにより、岩石中の有機物（ケロゲン）が合成石油とガスに変換されます。得られた石油は、燃料としてすぐに使用することも、水素を添加し、硫黄や窒素などの不純物を除去することで、製油所の原料仕様を満たすように精製することもできます。精製された製品は、原油から得られる製品と同じ用途に使用できます。

「シェールオイル」という用語は、他の非在来型で浸透率が非常に低い地層の頁岩から生産される原油にも使用されます。しかし、オイルシェールから生産されるシェールオイルと油層頁岩の原油との混同のリスクを減らすため、後者には「タイトオイル」という用語が好まれます。 ^{[ 1 ]}国際エネルギー機関は「ライトタイトオイル」という用語の使用を推奨しており、世界エネルギー会議の「世界エネルギー資源2013」報告書では、油層頁岩の原油に「タイトオイル」という用語を使用しています。 ^{[ 2 ] [ 3 ]}

オイルシェールは、人類が最初に利用した鉱物油の供給源の一つでした。 ^{[ 4 ]} 10世紀、アラビアの医師マサワイフ・アル＝マルディニ（若いメスエ）は、「ある種の瀝青質の頁岩」から油を抽出する方法を初めて記述しました。^{[ 5 ]}また、14世紀初頭にはスイスとオーストリアでも使用されていたと報告されています。 ^{[ 6 ]} 1596年、ヴュルテンベルク公フリードリヒ1世 の侍医は、その治癒効果について記述しました。^{[ 7 ]} 18世紀初頭には、イタリアのモデナの街路灯にシェールオイルが使用されました。^{[ 7 ]} 1694年、英国王室は「ある種の石から大量のピッチ、タール、オイルを抽出して製造する方法を発見した」3人に特許を与えました。^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]} 後にベットンズ・ブリティッシュ・オイルとして販売されたこの蒸留製品は、「痛みや苦痛に悩む様々な人々に試され、大きな効果があった」と言われていた。^{[ 10 ]} 現代のシェールオイル抽出産業は、1830年代にフランスで、 1840年代にスコットランドで設立された。 ^{[ 11 ]} このオイルは燃料、潤滑油、ランプオイルとして使用された。産業革命により照明に対する需要がさらに高まった。ますます希少で高価になっていた鯨油の代替品として役立った。^{[ 7 ] [ 12 ] [ 13 ]}

19 世紀後半には、オーストラリア、ブラジル、米国にシェールオイル抽出プラントが建設されました。20世紀初頭には、中国、エストニア、ニュージーランド、南アフリカ、スペイン、スウェーデン、スイスがシェールオイルを生産しました。世紀半ばに中東で原油が発見されたことで、これらの産業のほとんどが停止しましたが、エストニアと中国東北部は21 世紀初頭まで抽出産業を維持しました。^{[ 11 ] [ 14 ] [ 15 ]} 21 世紀初頭の石油価格の高騰に対応して、米国、中国、オーストラリア、ヨルダン で抽出作業が開始され、探査され、または再開されました。^{[ 15 ]}

シェールオイルは、オイルシェールの熱分解、水素化、または熱溶解によって抽出されます。^{[ 16 ] [ 17 ]} 岩石の熱分解は、地上または岩石層自体の中に設置されたレトルトで行われます。2008 年現在、ほとんどのオイルシェール産業では、岩石を採掘、粉砕し、レトルト施設に輸送した後にシェールオイル抽出プロセスを実施していますが、いくつかの実験的な技術では、その場でプロセスを実施しています。ケロゲンが使用可能な炭化水素に分解する温度は、プロセスの時間スケールによって異なります。地上レトルトプロセスでは、分解は300 °C (570 °F)で始まりますが、より高い温度ではより速く完全に進行します。分解は、480 ～ 520 °C (900 ～ 970 °F)の温度で最も速く起こります。^{[ 16 ]}    

水素化と熱溶解（反応流体プロセス）は、水素供与体、 溶媒、またはこれらの組み合わせを使用して石油を抽出します。熱溶解は、高温高圧下で溶媒を適用し、溶解した有機物を分解することで石油の生産量を増加させます。さまざまな方法によって、特性の異なるシェールオイルが生成されます。^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]}

シェールオイルの抽出の実現可能性の重要な指標は、オイルシェールによって生成されるエネルギーと、その採掘および処理に使用されるエネルギーの比率であり、この比率は「投資エネルギーに対するエネルギー回収率」（EROEI）として知られています。EROEIが2（または2:1の比率）の場合、実際のオイル2バレルを生産するには、オイル1バレルに相当するエネルギーを燃焼/消費する必要があることを意味します。1984年の研究では、既知のさまざまなオイルシェール鉱床のEROEIは0.7から13.3の間で変動すると推定されました。^{[ 21 ]} より最近の研究では、オイルシェールのEROEIは、自己エネルギーをコストとしてカウントするか、内部エネルギーを除外して購入したエネルギーのみを入力としてカウントするかによって、1～2:1または2～16:1と推定されています。^{[ 22 ]}ロイヤル・ダッチ・シェルは、 2006年に「マホガニー研究プロジェクト」における原位置開発について、3〜4のEROEIを報告した。^{[ 23 ] [ 24 ]}

乾留中に回収できる油の量は、オイルシェールと使用される技術によって異なります。^{[ 15 ]}グリーンリバー層のオイルシェールの約6分の1は、オイルシェール1トンあたり25～100 USガロン（95～379 L、21～83 imp gal）のシェールオイルを比較的高い収量で産出します。約3分の1は、1トンあたり10～25 USガロン（38～95 L、8.3～20.8 imp gal）の収量です。（1トンあたり10 USガロンは、シェール100トンあたり約3.4トンの油です。）グリーンリバー層のオイルシェールの約半分は、1トンあたり10 USガロン未満の収量です。 ^{[ 25 ]}         

世界の主要シェールオイル生産者は、商業操業における収率を公表している。撫順鉱業集団は 、660万トンのシェールから年間30万トンのシェールオイルを生産しており 、収率は重量比で4.5%であると報告している。^{[ 26 ]} VKG Oilは 、200万トンのシェールから年間25万トンのオイルを生産しており 、収率は13%であると主張している。^{[ 27 ]}ペトロブラスは、ペトロシックス工場で 、6,200トンのシェールから1日あたり550トンのオイルを生産しており 、収率は9%である。^{[ 28 ]}

シェールオイルの原油特性は、親油頁岩の組成と使用される抽出技術によって異なる。^{[ 29 ]} 従来の石油と同様に、シェールオイルは炭化水素の複雑な混合物であり、オイルのバルク特性によって特徴付けられる。通常、大量のオレフィン系炭化水素と芳香族炭化水素を含む。また、かなりの量のヘテロ原子を含むこともある。典型的なシェールオイルの組成には、酸素0.5～1% 、窒素1.5～2%、硫黄0.15～1%が含まれる。堆積物によっては、他の堆積物よりも多くのヘテロ原子を含む。鉱物粒子や金属もしばしば存在する。^{[ 30 ] [ 31 ]} 一般的に、このオイルは原油よりも流動性が低く、24～27 ℃（75～81 °F）の温度で流動可能になるが、従来の原油は-60～30 ℃（-76～86 °F）の温度で流動可能になる。この特性は、シェールオイルを既存の石油パイプラインで輸送する能力に影響を与える。^{[ 30 ] [ 32 ] [ 33 ]}    

シェールオイルには、発がん性のある多環芳香族炭化水素が含まれています。米国環境保護庁は、未精製シェールオイルの発がん性は軽度であり、一部の石油精製中間製品と同程度であると結論付けていますが、精製シェールオイルは、多環芳香族のほとんどが水素化によって分解されていると考えられているため、発がん性が低いとしています。^{[ 34 ]} 世界保健機関は、シェールオイルをヒトに対するグループ1の発がん性物質に分類しています。 ^{[ 35 ]}

未精製の頁岩油は燃料油としてすぐに燃焼できるが、多くの用途では精製処理が必要となる。原油の特性が異なるため、従来の石油精製所に送る前に、それに応じた様々な前処理が必要となる。^{[ 36 ]}

原油中の微粒子は下流工程を詰まらせ、硫黄と窒素は大気汚染を引き起こします。硫黄と窒素は、存在する可能性のあるヒ素や鉄とともに、精製に使用される触媒を破壊します。 ^{[ 37 ] [ 38 ]}オレフィンは不溶性の沈殿物を形成し、不安定性を引き起こします。原油よりも高濃度で存在する油中の酸素は、破壊的なフリーラジカルの形成を促進します。^{[ 31 ]}水素化脱硫と水素化脱窒素によりこれらの問題を解決し、ベンチマーク原油に匹敵する製品を得ることができます。^{[ 30 ] [ 31 ] [ 39 ] [ 40 ]}フェノールは、まず水抽出によって除去できます。^{[ 40 ]}シェールオイルを輸送燃料にアップグレードするには、水素を添加（水素化分解）するか炭素を除去する（コークス化）ことによって、水素-炭素比を調整する必要があります。^{[ 39 ] [ 40 ]}

キビター法などの一部の技術で生産されたシェールオイルは、油成分として、またフェノール化合物の供給源として、それ以上の精製を行わずに使用できます。キビター法からの留出油は、石油由来の重油の希釈剤として、またアスファルトなどの瀝青材料の接着性向上添加剤としても使用できます。 ^{[ 40 ]}

第二次世界大戦前は、シェールオイルの大部分は輸送燃料として使用するために精製されていました。その後、化学中間体、純粋な化学品、工業用樹脂の原料、および鉄道用木材防腐剤として使用されました。2008年現在、主に暖房油および船舶燃料として使用され、さまざまな化学品の製造にはそれほど多く使用されていません。^{[ 36 ]}

シェールオイルは沸点の高い化合物が濃縮されているため、灯油、ジェット燃料、ディーゼル燃料などの中間留分の製造に適しています。^{[ 31 ] [ 41 ] [ 42 ]}さらに分解することで、ガソリンに使用されるより軽い炭化水素を生成できます。^{[ 31 ] [ 43 ]}

「淡色スルホン化頁岩油」（PSSO）は、「イチタモール」（化学名：ビチミノスルホン酸アンモニウム）と呼ばれるスルホン化およびアンモニア中和された変種であり、今日でも使用されている。^{[ 44 ]}

世界の技術的に回収可能なオイルシェール埋蔵量は、最近2.8兆～3.3兆バレル（450 × 10 ^ ⁹ ～520 × 10 ^ ^9立方メートル）と推定されており、最大の埋蔵量は米国にあり、1.5兆～2.6兆バレル（240 × 10 ^ ⁹ ～410 × 10 ^ ⁹立方メートル^）と推定されている。^{[ 14 ] [ 41 ] [ 45 ] [ 46 ]} 2008年の 世界のシェールオイル生産量は1日あたり17,700バレル（2,810 m ³ /d）と推定された。主な生産国は中国（ 1日あたり7,600バレル（1,210 m ³ /d））、エストニア（1日あたり6,300バレル（1,000 m ³ /d））、ブラジル（1日あたり3,800バレル（600 m ³ /d））であった。^{[ 14 ]}      

シェールオイルの生産は、技術的な困難とコストのために妨げられてきた。^{[ 47 ]} 2011年3月、米国土地管理局は、コロラド州、ユタ州、ワイオミング州での商業操業の提案に疑問を呈し、「商業目的でオイルシェールを抽出および処理する経済的に実行可能な方法はまだ知られていない」と述べた。^{[ 48 ]}米国エネルギー情報局は、タイトオイル、すなわち「タイトオイル資源から直接生産される原油」を指すのに「シェール（タイト）オイル」という表現を使用することがある。2021年、米国はこのようなタイトオイルを1日あたり723万バレル生産し、これは米国の原油生産総量の約64%に相当する。^{[ 49 ]} IEAもタイトオイルを「シェールオイル」と呼ぶことがあるが、^{[ 50 ]}オイルシェールからの製品はすべて固体燃料に分類している。^{[ 51 ]}

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