Lecture 19 End of fossil fuels, and moving off them Oil - - PowerPoint PPT Presentation

GEOS ¡24705 ¡/ ¡ENST ¡24705 ¡/ ¡ENSC ¡21100 ¡

Lecture ¡19 ¡ End ¡of ¡fossil ¡fuels, ¡and ¡moving ¡off ¡them ¡

Oil ¡produc+on ¡history ¡

Uses: ¡sealing ¡boats ¡and ¡ baths, ¡glue, ¡mixed ¡with ¡sand ¡

• etc. ¡for ¡mortar, ¡medicine, ¡

lamps, ¡mummificaLon, ¡ warfare ¡(“Greek ¡fire”, ¡liquid ¡ that ¡ignited ¡on ¡contact ¡with ¡ water), ¡painLngs ¡

Tarwater ¡Creek, ¡Santa ¡ Cruz ¡Mountains, ¡CA. ¡ ¡ Photo: ¡USGS ¡

Natural ¡oil ¡seeps ¡were ¡used ¡from ¡an+quity ¡

Genesis ¡6:14 ¡ Make ¡thee ¡an ¡ark ¡of ¡gopher ¡wood; ¡rooms ¡shalt ¡thou ¡make ¡in ¡the ¡ark, ¡and ¡shalt ¡ pitch ¡it ¡within ¡and ¡without ¡with ¡pitch ¡ ¡ Exodus ¡2:3 ¡ And ¡when ¡she ¡could ¡not ¡longer ¡hide ¡him, ¡she ¡took ¡for ¡him ¡an ¡ark ¡of ¡bulrushes, ¡ and ¡daubed ¡it ¡with ¡slime ¡and ¡pitch, ¡and ¡put ¡the ¡child ¡therein ¡… ¡

Birth ¡of ¡oil ¡industry ¡assumed ¡Titusville, ¡PA ¡1859 ¡

Site ¡is ¡long ¡known ¡“Oil ¡Creek”, ¡oil ¡was ¡nuisance ¡to ¡local ¡salt ¡miners ¡ Then, ¡deliberate ¡aVempt ¡to ¡develop ¡a ¡well ¡– ¡investors ¡funded ¡effort. ¡ Oil ¡producLon ¡boomed ¡by ¡x ¡1500 ¡in ¡4 ¡yrs, ¡x ¡5000 ¡in ¡15 ¡years ¡

Phillips ¡and ¡ Woodford ¡wells ¡on ¡ Oil ¡Creek, ¡PA, ¡1861 ¡

¡From ¡ Pennsylvania ¡Historical ¡& ¡ Museum ¡Commission, ¡ Drake ¡Well ¡Museum ¡ CollecOon, ¡Titusville, ¡PA ¡ ¡ ¡

Why ¡the ¡sudden ¡interest ¡in ¡oil? ¡ ¡

Data ¡from ¡“History ¡of ¡the ¡American ¡whale ¡fishery" ¡ ¡

• A. ¡Starbuck, ¡1878. ¡ ¡Figure ¡from ¡U. ¡Bardi, ¡ASPO ¡

Resource ¡limita+on: ¡fuel ¡for ¡lighLng ¡was ¡running ¡out ¡

“Peak ¡whale ¡oil” ¡ ¡~ ¡1850, ¡with ¡expected ¡corresponding ¡rise ¡in ¡prices ¡

“Moby ¡Dick”, ¡ Melville, ¡1851 ¡

Kerosene ¡demand ¡drives ¡early ¡oil ¡produc+on ¡

Refineries ¡and ¡pipelines ¡by ¡1870s ¡(Rockefeller’s ¡Standard ¡Oil ¡founded ¡1870) ¡ ¡ gasoline ¡was ¡waste ¡product ¡– ¡too ¡volaOle ¡and ¡flammable ¡for ¡use ¡for ¡lighOng ¡ 1878: ¡Edison’s ¡lightbulb ¡reduces ¡kerosene ¡demand, ¡causes ¡oil ¡industry ¡slump ¡ 1886: ¡invenLon ¡of ¡car ¡provides ¡slowly ¡growing ¡market ¡for ¡gasoline ¡ By ¡WWI ¡U.S. ¡is ¡dominant ¡oil ¡producer ¡(TX, ¡CA) ¡and ¡exporter, ¡followed ¡by ¡Russia ¡ ¡

Oil ¡barrels ¡(1860s?) ¡

• Titusville. ¡

As ¡much ¡as ¡50% ¡of ¡oil ¡ was ¡lost ¡to ¡spillage ¡in ¡ producLon ¡& ¡transport ¡

(Paleontological ¡Research ¡Assn.) ¡

Early ¡oil ¡produc+on ¡is ¡interna+onal ¡

First ¡drilled ¡oil ¡well ¡in ¡Baku, ¡Azerbaijan ¡in ¡1848 ¡(before ¡Titusville) ¡ ¡

Nobel ¡oil ¡field ¡in ¡Balakhani, ¡Azerbaijan, ¡1890s ¡– ¡Swedish-­‑owned ¡by ¡Nobel ¡brothers, ¡one ¡of ¡whom ¡ goes ¡on ¡to ¡invent ¡dynamite ¡and ¡found ¡a ¡famous ¡prize…From: ¡San ¡Joaquin ¡Geological ¡Society ¡

Early ¡oil ¡wells ¡are ¡high-­‑pressure: ¡ ¡

no ¡need ¡for ¡pumps ¡– ¡derricks ¡only ¡

R: ¡Baku, ¡Azerbaijan, ¡1890, ¡building ¡levees ¡to ¡try ¡to ¡save ¡oil ¡ from ¡gusher. ¡Image ¡from: ¡San ¡Joaquin ¡Geological ¡Society ¡ L: ¡The ¡famous ¡1901 ¡Lucas ¡gusher ¡in ¡Spindletop ¡dome, ¡ Texas, ¡gushing ¡more ¡oil ¡than ¡the ¡rest ¡of ¡the ¡country’s ¡ producLon ¡together. ¡ ¡Image ¡from: ¡American ¡Petroleum ¡InsOtute ¡

No ¡more ¡gushers: ¡lower-­‑pressure ¡oil ¡requires ¡a ¡pump ¡

¡

“Nodding ¡donkeys” ¡or ¡“pumpjacks” ¡

Image: ¡Tony ¡Waltham ¡

Looks ¡like ¡Newcomen ¡ & ¡WaV’s ¡pumping ¡ engines! ¡ ¡ Not ¡a ¡true ¡beam ¡

• engine. ¡Don’t ¡drive ¡

beam ¡directly ¡with ¡

• piston. ¡

¡ Typically ¡use ¡diesel ¡ engines, ¡whose ¡linear ¡ moLon ¡is ¡oo ¡fast, ¡too ¡ short ¡ Linear ¡-­‑> ¡rotary ¡ moLon ¡and ¡then ¡ rotary ¡-­‑> ¡linear ¡again ¡ Sucker ¡rod ¡pump

hVp://www.youtube.com/watch?v=SFJFiyXTOa0 ¡ ¡

Gearbox

hVp://www.youtube.com/watch?v=FU0dYV3LvAk&feature=related ¡

Natural ¡gas ¡produc+on ¡history ¡

Natural ¡gas ¡produc+on ¡history ¡

1000 ¡BC ¡ ¡ ¡Oracle ¡at ¡Delphi, ¡eternal ¡flames ¡at ¡Zoroastrian ¡temples ¡

Delphi, ¡Greece ¡ Baku, ¡Azerbaijan ¡ ¡ (now ¡fed ¡by ¡pipe) ¡

Natural ¡gas ¡produc+on ¡history ¡

1000 ¡BC ¡ ¡ ¡Oracle ¡at ¡Delphi, ¡eternal ¡flames ¡at ¡Zoroastrian ¡temples ¡

¡ ¡500 ¡BC ¡ ¡ ¡ ¡China ¡drill ¡for ¡gas, ¡transports ¡w/ ¡bamboo ¡pipelines ¡

Delphi, ¡Greece ¡ Drilling ¡for ¡brine ¡and ¡gas, ¡salt-­‑making ¡ Szechuan, ¡Song ¡Dynasty ¡(920-­‑1279 ¡AD) ¡

Natural ¡gas ¡produc+on ¡history ¡

1000 ¡BC ¡ ¡ ¡Oracle ¡at ¡Delphi, ¡eternal ¡flames ¡at ¡Zoroastrian ¡temples ¡

¡ ¡500 ¡BC ¡ ¡ ¡ ¡China ¡uses ¡bamboo ¡pipelines ¡to ¡transport ¡natural ¡gas ¡

1785 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Gas ¡lighLng ¡in ¡Britain ¡(arOficial ¡gas ¡from ¡coal) ¡

L: ¡Last ¡outdoor ¡gas ¡lamps ¡ in ¡BalLmore, ¡1957 ¡ R: ¡Ad ¡for ¡interior ¡gas ¡ lights, ¡1906 ¡(to ¡replace ¡oil) ¡

Natural ¡gas ¡produc+on ¡history ¡

1000 ¡BC ¡ ¡ ¡Oracle ¡at ¡Delphi, ¡eternal ¡flames ¡at ¡Zoroastrian ¡temples ¡

¡ ¡500 ¡BC ¡ ¡ ¡ ¡China ¡uses ¡bamboo ¡pipelines ¡to ¡transport ¡natural ¡gas ¡

1785 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Gas ¡lighLng ¡in ¡Britain ¡(arOficial ¡gas ¡from ¡coal) ¡ 1821 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡First ¡gas ¡well ¡in ¡U.S. ¡(shale, ¡Fredonia ¡NY) ¡ 1859 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡First ¡pipeline ¡in ¡U.S. ¡(from ¡Titusville ¡oil ¡well) ¡

¡

1859 ¡Drake ¡well ¡ Titusville, ¡PA ¡

Natural ¡gas ¡produc+on ¡history ¡

1000 ¡BC ¡ ¡ ¡Oracle ¡at ¡Delphi, ¡eternal ¡flames ¡at ¡Zoroastrian ¡temples ¡

¡ ¡500 ¡BC ¡ ¡ ¡ ¡China ¡uses ¡bamboo ¡pipelines ¡to ¡transport ¡natural ¡gas ¡

1785 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Gas ¡lighLng ¡in ¡Britain ¡(arOficial ¡gas ¡from ¡coal) ¡ 1821 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡First ¡gas ¡well ¡in ¡U.S. ¡(shale, ¡Fredonia ¡NY) ¡ 1859 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡First ¡pipeline ¡in ¡U.S. ¡(from ¡Titusville ¡oil ¡well) ¡ 1885 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Robert ¡Bunsen ¡invents ¡the ¡Bunsen ¡burner ¡

¡

Invented ¡for ¡Chemistry.. ¡first ¡burn ¡of ¡gas ¡ for ¡heat. ¡Arrived ¡just ¡in ¡Lme ¡as ¡natural ¡gas ¡ was ¡seeking ¡new ¡uses: ¡cooking, ¡heaLng... ¡ ¡

Natural ¡gas ¡produc+on ¡history ¡

• Aug. ¡1920 ¡Popular ¡Science ¡ ¡

Pipelines ¡really ¡take ¡off ¡aqer ¡WWII ¡

1000 ¡BC ¡ ¡ ¡Oracle ¡at ¡Delphi, ¡eternal ¡flames ¡at ¡Zoroastrian ¡temples ¡

¡ ¡500 ¡BC ¡ ¡ ¡ ¡China ¡uses ¡bamboo ¡pipelines ¡to ¡transport ¡natural ¡gas ¡

1785 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Gas ¡lighLng ¡in ¡Britain ¡(arOficial ¡gas ¡from ¡coal) ¡ 1821 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡First ¡gas ¡well ¡in ¡U.S. ¡(Fredonia ¡NY) ¡ 1859 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡First ¡pipeline ¡in ¡U.S. ¡(from ¡Titusville ¡oil ¡well) ¡ 1885 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Robert ¡Bunsen ¡invents ¡the ¡Bunsen ¡burner ¡ 1891 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡First ¡major ¡pipeline ¡(IN-­‑Chicago) ¡

¡ ¡

Gas ¡pipelines ¡now ¡cross ¡all ¡N. ¡America ¡

Running ¡out ¡

U.S. ¡domes+c ¡oil ¡decline: ¡“Hubbert’s ¡peak” ¡

¡

Data: ¡U.S. ¡Energy ¡InformaOon ¡Agency; ¡ ¡Image: ¡Wikimedia ¡Commons ¡(S.Foucher, ¡2007). ¡

PredicLon ¡in ¡1956 ¡by ¡M. ¡Hubbert, ¡U.S. ¡geophysicist, ¡borne ¡out ¡to ¡2005 ¡

Decline ¡in ¡produc+on ¡à à ¡rise ¡in ¡imports ¡

¡

Rise ¡in ¡imports ¡à à ¡dependence ¡on ¡suppliers ¡

à ¡OPEC ¡embargo ¡leads ¡to ¡price ¡spike ¡

$10/barrel ¡in ¡1969 ¡ $100/barrel ¡in ¡1979 ¡ ¡

(USD ¡$2000) ¡

High ¡oil ¡prices ¡allow ¡more ¡expensive ¡extrac+on ¡

à ¡turn ¡to ¡offshore, ¡remote ¡(Alaska) ¡

First ¡offshore ¡plauorm ¡off ¡Louisiana ¡in ¡1938 ¡(100 ¡foot ¡depth) ¡ ¡ 1973 ¡OPEC ¡embargo ¡prompted ¡construcLon ¡of ¡Trans-­‑Alaska ¡pipeline ¡(1977) ¡ ¡ Oil ¡produced ¡from ¡deeper ¡waters: ¡BP ¡“Deepwater ¡Horizon” ¡is ¡5000 ¡q ¡(1500 ¡m) ¡ Industry ¡projected ¡extracLon ¡from ¡8000 ¡q ¡water ¡depth, ¡wells ¡to ¡> ¡35,000 ¡q. ¡

Petrobras ¡P-­‑51 ¡oil ¡and ¡gas ¡ plaeorm ¡off ¡the ¡Brazilian ¡ coast: ¡180,000 ¡barrels ¡oil ¡ and ¡6M ¡cubic ¡meters ¡gas ¡ per ¡day. ¡ Photo: ¡Petrobras ¡ ¡

U.S. ¡oil ¡ups ¡and ¡downs ¡

¡

The ¡revolu+on: ¡hydraulic ¡fracturing ¡for ¡shale ¡oil ¡and ¡gas ¡

sd ¡

Allows ¡extracLon ¡of ¡oil ¡and ¡gas ¡from ¡rock ¡where ¡it ¡wouldn’t ¡otherwise ¡flow ¡ ¡

¡

Hydraulic ¡fracturing ¡ ConvenLonal ¡producLon ¡

Image ¡from ¡Alberta ¡Oil ¡ hVp://www.youtube.com/watch?v=nvnnBcxhzNA ¡

Fracking ¡rescued ¡U.S. ¡from ¡natural ¡gas ¡crisis ¡

Where ¡is ¡fossil ¡fuel ¡found? ¡

U.S. ¡conven+onal ¡gas ¡is ¡already ¡in ¡shales ¡

¡

Shale ¡gas ¡plays ¡near ¡conven+onal ¡produc+on ¡

¡

Shale ¡gas ¡can ¡make ¡use ¡of ¡exis+ng ¡pipelines ¡ but ¡oil ¡can’t... ¡ ¡

Shale ¡gas ¡can ¡make ¡use ¡of ¡exis+ng ¡pipelines ¡ but ¡oil ¡can’t... ¡goes ¡by ¡rail ¡instead ¡

Oil trains, Pilsen, Chicago, April 2015. Photo: Abel Uribe, Chicago Tribune

~ ¡40 ¡trains/week ¡through ¡Chicago, ¡each ¡with ¡~ ¡100 ¡tank ¡cars ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

Fracking ¡revolu+on ¡hits ¡oil ¡a ¡bit ¡later ¡than ¡gas ¡

~ ¡40 ¡trains/week ¡through ¡Chicago, ¡each ¡with ¡~ ¡100 ¡tank ¡cars ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

World ¡proven ¡oil ¡reserves, ¡~ ¡2009 ¡

NoLce ¡that ¡U.S. ¡doesn’t ¡even ¡register ¡on ¡global ¡map. ¡ ¡ ¡Source: ¡ ¡ForOusOne ¡ ¡ ¡ ¡Data: ¡USGS ¡World ¡Petroleum ¡ Assessment ¡

NoLce ¡that ¡U.S. ¡doesn’t ¡even ¡register ¡on ¡global ¡map. ¡ ¡ ¡Source: ¡ ¡ForOusOne ¡ ¡ ¡ ¡Data: ¡USGS ¡World ¡Petroleum ¡ Assessment ¡

World ¡proven ¡conven+onal ¡gas ¡reserves, ¡~ ¡2009 ¡

Shale gas could be globally significant

¡

Local ¡producLon ¡would ¡allow ¡Europe, ¡like ¡U.S. ¡ to ¡be ¡energy ¡independent ¡for ¡gas ¡

Shale ¡gas ¡revolu+on ¡benefits ¡only ¡U.S. ¡at ¡present ¡

Figure: ¡ Washington ¡ Post, ¡April ¡2013 ¡ ¡

Coal ¡deposits ¡are ¡more ¡widespread ¡

Source: ¡Saturn ¡Minerals ¡

Over ¡half ¡world’s ¡proven ¡reserves ¡500 ¡Gt ¡/ ¡900 ¡Gt ¡proven. ¡ ¡ (EsLmated ¡total ¡world ¡coal ¡reserves ¡are ¡~ ¡5000 ¡Gt ¡vs ¡~ ¡1000 ¡Gt ¡oil ¡+ ¡gas ¡

Image: ¡American ¡Coal ¡FoundaOon ¡ Data: ¡Speight, ¡J.G. ¡“The ¡ Chemistry ¡and ¡Technology ¡of ¡ Coal” ¡

Biggest ¡producOon: ¡Wyoming, ¡Kentucky, ¡W. ¡Virginia, ¡Pennsylvania, ¡Illinois ¡ (but ¡PA ¡and ¡IL ¡peaked ¡in ¡1918, ¡PA ¡coal ¡down ¡by ¡factor ¡of ¡4 ¡since). ¡Anthracite ¡ producOon ¡peaked ¡in ¡1920s. ¡Sulfur ¡content: ¡Western ¡< ¡0.5%. ¡Midwest ¡> ¡1.5% ¡

U.S. ¡has ¡largest ¡coal ¡reserves ¡

Coal ¡is ¡very ¡expensive ¡to ¡ship ¡

World coal flows, 2010

A ¡future ¡without ¡fossil ¡fuel? ¡

Why, we have just begun to commence to get ready to find out about electricity. This scheme of combustion to get power makes me sick to think of—it is so wasteful.… You see, we should utilize natural forces and thus get all

• f our power. Sunshine is a form of energy, and the winds

and the tides are manifestations of energy. Do we use them? Oh no! We burn up wood and coal, as renters burn up the front fence for fuel. We live like squatters, not as if we owned the property.

• Thomas A. Edison, 1916

Solar ¡no ¡longer ¡prohibi+vely ¡expensive ¡

$0 $20 $40 $60 $80 $100 $120 $140 $160 $180 $200 Jan-­‑08 Jan-­‑09 Jan-­‑10 Jan-­‑11 Jan-­‑12 Jan-­‑13 Jan-­‑14 Jan-­‑15 Jan-­‑16 Jan-­‑17 PPA ¡Execution ¡Date ¡Utility-­‑Scale ¡PV ¡Utility-­‑Scale ¡Wind Levelized ¡PPA ¡Price ¡(2015 ¡$/MWh)

250 ¡MW 30 ¡MW 100 ¡MW

50

Ryan ¡Wiser, ¡Lawrence ¡ Berkelely ¡Laboratory ¡

How ¡much ¡would ¡it ¡cost ¡to ¡switch ¡to ¡solar? ¡

Compare ¡to ¡what ¡we ¡know ¡(some ¡from ¡problem ¡set, ¡class) ¡

¡

coal ¡at ¡~ ¡$60/ton ¡(6 ¡cents/kg), ¡30 ¡MJ/kg ¡à ¡~ ¡0.7 ¡cents/kWh ¡ ¡ natural ¡gas ¡at ¡~ ¡$4.5/mmBTU ¡x ¡1mmBTU/ ¡293 ¡kWh ¡~ ¡1.5 ¡cents/kWh ¡ mean ¡wholesale ¡elect. ¡price ¡ ¡~ ¡4 ¡ ¡ ¡ ¡cents/kWh ¡ new ¡coal ¡or ¡natural ¡gas ¡elect. ¡~ ¡6 ¡ ¡ ¡ ¡cents/kWh ¡ ¡

• nshore ¡wind ¡elect. ¡~ ¡4? ¡ ¡ ¡ ¡cents/kWh ¡

solar ¡PV ¡elect. ¡ ¡~6? ¡ ¡ ¡cents/kWh ¡ whole ¡economy ¡~ ¡60 ¡ ¡ ¡cents/kWh ¡ ¡

Solar ¡and ¡wind ¡no ¡longer ¡inconceivable ¡... ¡but ¡transiOon ¡is ¡not ¡easy. ¡