The metabolism of oil extraction: A bottom-up approach applied to the case of Ecuador

Parra, R., Di Felice, L.J., Giampietro, G., Ramos-Martin, J. (2018): The metabolism of oil extraction: A bottom-up approach applied to the case of Ecuador”, Energy Policy, Vol. 122: 63-74.

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enpol2018Abstract: The global energy system is highly dependent on fossil fuels, which covered approximately 90% of primary energy sources in 2016. As the quality and quantity of oil extracted changes, in response to changes in end uses and in response to biophysical limitations, it is important to understand the metabolism of oil extraction – i.e. the relation between the inputs used and the output extracted. We formalize a methodology to describe oil extraction based on the distinction between functional and structural elements, using the Multi-Scale Integrated Analysis of Societal and Ecosystem Metabolism (MuSIASEM) to generate a diagnostic of the performance of oil extraction and to build scenarios. The analysis allows generating modular benchmarks which are applicable to other countries. It is shown that oil extraction in Ecuador consumes, per cubic meter of crude oil extracted, over 100 kWh of electricity and 1.5 GJ of fuels, requiring 3 kW of power capacity and 2 h of human activity. A scenario is developed to check the effects on Ecuador’s metabolic pattern of an increase in oil production over the next five years. The strength of the proposed methodology is highlighted, focusing on the adaptability of the method for dealing with policy issues.

Keywords: Oil extraction, MuSIASEM, Ecuador, Metabolism, Complexity

JEL Codes: Q02, Q35, Q41, Q57

Despite efforts to reduce greenhouse gas (GHG) emissions and to shift towards a renewable energy system, oil remains an essential part of the global energy chain, with 3820 Mtoe consumed in 2015, out of a total final energy consumption of 9383 Mtoe (International Energy Agency, 2017). This is partly due to the fact that most renewable systems propose an alternative to electricity, rather than fuels. With sustainability issues tied to biofuels, particularly due to concerns over land use in relation to food security (Rathmann et al., 2010), as well as their low energetic output (Rajagopal et al., 2007), it is unlikely that conventional fuels will be phased out in the near future. Given the huge role that oil plays in societies, it is important to understand its metabolism – intended here as the interaction of internal factors determining the relation between the profile of inputs and outputs – particularly in relation to the internal consumption of energy carriers and other flows and funds (see Section 3.1 for a definition), such as water, chemicals, power capacity and human activity.

The aim of the paper is two-fold: on one hand, to develop methodological tools allowing us to describe the oil extraction process by accounting for various flows and funds across different levels; on the other, to apply the methodology to the case of Ecuador, both characterizing the factors determining the current metabolism and developing a scenario for future extraction and policy.

The MuSIASEM energy grammar has been described and applied in detail – see, for example, Velasco-Fernandez et al. (2015) and Giampietro et al. (2014). Its two main concepts, essential to understand the proposed analysis, are the distinction between primary energy sources (PES) and energy carriers (EC), and the disaggregation between mechanical energy (electricity) and thermal energy (heat and fuels). Fig. 1 shows the formalization of MuSIASEM’s energy grammar. A list of the acronyms introduced in Fig. 1, and used throughout the paper, is also provided in Table 1.



Recent developments in MuSIASEM have seen the introduction of a new conceptual tool called processor (Giampietro, 2018; González-López and Giampietro, 2017; Ripa and Giampietro, 2017; Ripoll-Bosch and Giampietro, 2017), whose aim is to describe the inputs and outputs of flows and funds of a certain process linking it with processes both at the same level and across different levels. Fig. 2 shows an example of a sequential pathway of processors for the fuel chain, starting from oil extraction and ending with transport of fuels to society. Here, the output of one processor becomes an input for the next, and each processor fulfilling a certain function (e.g. “oil extraction”) can be mapped
onto different structural processors. Each processor is characterized by a profile of inputs and outputs. Inputs coming from society (produced by processes under human control) are represented at the top of the processor. The useful output, either fulfilling a function for a following processor or being used by society, is represented by the arrow exiting the processor on the right. Inputs from the ecosystem (blue arrows) and outputs to the ecosystem, such as emissions (yellow arrows), are represented at the bottom.


Structural processors describe a process taking place through a specific technology or method, for example oil extraction with deep sea drilling. The characteristics of these processors reflect the technical coefficients determined by the organizational structure of the plant carrying out the process. Functional processors, on the other hand, describe notional elements of a process whose aim is to provide a function within a wider system: for example, fuel refined for the transport system. The characteristics of these processors are defined by the function that has to be expressed to stabilize the metabolism of the larger whole. Theoretical ecology explains the notional definition of a functional processor in terms of mutual information – i.e. a metabolic network (i.e. an ecosystem) defines a virtual image of the metabolic characteristics of the node (network niche) which is independent of the actual characteristics of the metabolic element of the node (Ulanowicz, 1986).

Table 4 shows an overview of Ecuador’s energy system, focusing on primary energy sources (PES) and energy carriers (EC), including imports and exports. As data for 2016 is not available yet, data for 2015 was used, taken from Ecuador’s annual energy balance, published by the Ministry of Strategic Sectors (Ministerio Coordinador de Sectores Estratégicos, (Ministerio Coordinador de Sectores Estratégicos, 2016)). Oil accounts for almost 90% of the primary energy mix. However, due to a lack of refining capacity, Ecuador is a net exporter of crude oil and net importer of refined fuels.

Leaving electricity aside and focusing on fuels, Table 5 shows the final consumption of fuels by societal sub-sectors, splitting them into GLP, diesel oil, fuel oil and gasoline. The disaggregation of both different fuels and of different societal compartments is needed to characterize end uses and to be able to have a complete overview not only of what is being produced, but also of how and where it is being consumed.


Looking at Ecuador’s 2016 metabolic pattern for oil extraction, we can see that:
– On average, over 100 kWh of electricity are needed for each cubic meter of crude oil extracted;
– Approximately 1.5 GJ of fuels are consumed for each cubic meter of crude oil extracted: most of them (1.3 GJ) are used to generate electricity on site, and the rest to operate machinery;
– As for funds, approximately 0.032 kW of power capacity are needed for each cubic meter of crude oil extracted; and 2 h of human activity, including both direct (operational) and indirect (administrative) jobs;
– Considering water use, almost 8m3 of fluid (water, gas and oil) are extracted for each cubic meter of oil recovered – 0.2m3 of freshwater are consumed per unit of extraction, and almost 6m3 of water are reinjected;
– Finally, the oil extraction step contributes to overall CO2 emissions by producing almost 84 kg of CO2 per cubic meter of oil extracted.

This framework is useful for two purposes. Firstly, it allows us to have a detailed description of the flows and the funds consumed by Ecuador’s oil extraction sector, as briefly outlined, identifying the relevant elements of the system. Given the lack of data on this step of the fuel chain, the metabolic description is valuable for energy analyses.

Secondly, the characterization of these elements in the form of processors allows checking how the combination of various elements of the oil extraction process contributes to its final metabolism, and how changing the relative weight of the elements affects the flows and funds of the final oil extraction processor, as will be seen in the next subsection.

The results for Ecuador showed that currently medium oil dominates the market, and that at the moment the extraction process on average requires, per cubic meter of oil extracted, over 100 kWh of electricity, 1.5 GJ of fuels, 3 kW of power capacity, 2 h of human activity and 6.2m3 of freshwater, of which 6m3 are reinjected. The extraction process also generates, per cubic meter of oil extracted, almost 85 kg of CO2 emissions. The package of indicators that are generated by the approach allows providing an integrated assessment of the performance of the investigated process in the form of a multi-criteria analysis. For example: (i) the profile of inputs of energy carriers (electricity, and fuels) are relevant for calculating the Energy Return on the Energy Investment (mapping both on the speed of depletion of the stock of resources and on emissions of CO2 per net supply); (ii) the requirement of power capacity (technology) is an indicator relevant for assessing the fixed economic costs; (iii) the requirement of labor is relevant both for assessing the economic costs and the opportunity for employment; (iv) the information about freshwater and CO2 emissions is relevant for an
analysis of environmental impact. Future work will focus on organizing this information in the form of a Multi-Criteria Analysis in order to make it available to decision makers in the form of a decision support system.

The analysis of the proposed scenario showed that extraction of new oil resources in Ecuador will shift from medium to heavy oil, but as this will be done mostly within newer blocks, less Base Sediment Water (BSW) will be produced in the process. This will lower the requirement of inputs per unit of oil produced. However, in order to provide a full overview of the overall effect on Ecuador’s oil extraction metabolism, a time dimension must be introduced in the analysis, checking how processors of the current oil extraction structures will change as they age in terms of flows and funds consumed. It is well known that, in general, older blocks consume more resources. This explains why the
simulated processor focusing only on the delta of increased production, based on the exploitation of new blocks, is less energy and water intensive than Ecuador’s 2016 real processor. Thus, the inclusion of a time dimension to the analysis is identified as a second area for further research.


El metabolismo energético de las Islas Baleares (1986-2012)

Del turismo de masas a la crisis financiero-inmobiliaria. En un Working Paper reciente de CEPROEC, que lleva más de 160 descargas, Javier Ginard-Bosch, investigador del ICTA de la UAB, Iván Murray, de la UIB y yo mismo, analizamos el metabolismo energético de las islas Baleares. La elección del caso de estudio no es casual y pretende examinar con más detalle una economía muy particular, no solo por ser insular, sino por depender en un alto grado de una actividad concreta, el sector turístico.

El documento muestra como tras la entrada de España en la entonces llamada Comunidad Europea, se abrieron e intensificaron los flujos turísticos de Baleares que cambiarían su fisonomía para siempre. El PIB Balear creció, entre 1986 y 2012, a una tasa del 3,6%, lo que no solo atrajo mucha mano de obra, sino que implicó un mayor consumo energético, que creció a un 2,9% anual. En consonancia con otros estudios, se muestra la relación entre el PIB y el consumo total de energía (o total energy throughput en inglés).


El estudio también muestra como en el caso Balear también se da una relación entre el consumo de energía primaria por hora de trabajo medida en MJ/h (EMR, exosomatic metabolic rate en la jerga de MuSIASEM) y la productividad del trabajo (ELP), medida en euros por hora. Este resultado, ya comprobado para muchos otros países, es importante para el debate sobre el decrecimiento, pues de sostenerse, implicaría que para poder mantener los niveles de consumo material trabajando menos horas, habría que aumentar la productividad del trabajo, lo cual conllevaría un aumento del consumo de energía por hora de trabajo y probablemente del total de energía de la sociedad.


La alta concentración de la mano de obra en el sector del turismo, de baja intensidad energética pero también de baja productividad del trabajo, hizo que el valor de esa variable tendiese a igualarse entre sectores, demostrando el agotamiento del modelo turístico de masas y residencial, que solo ha llevado a una precarización de la mano de obra.


Tras demostrar que el aumento en el consumo de energía de las Baleares se ha debido en su mayoría a la expansión del transporte (por el modelo de turismo y modelo de desarrollo implementado), así como debido al aumento del nivel material de vida del sector residencial, el trabajo explica por qué no ha habido un proceso de capitalización de la economía, lo que se ha materializado en una progresiva precarización de las condiciones de trabajo del sector turismo.

El documento de trabajo se puede descargar aquí. Una versión ampliada y mejorada ha sido enviada a la revista Ecological Economics.

En la página web de nuestro centro encontrarás toda la información tanto de nuestro equipo como de nuestro trabajo.

La economía circular o la invención del círculo

(publicado el 20/04/2015 en el blog Última Llamada de

Últimamente oímos hablar bastante de economía circular en las discusiones acerca del desarrollo económico y su interacción con el medio ambiente. En particular, en Europa se ha puesto de moda este término desde que el 25 de septiembre de 2014 se aprobara la comunicación de la Comisión Europea al Parlamento, al Consejo Económico y Social y al Comité de las Regiones, llamada “Hacia una economía circular: un programa de cero residuos para Europa”.

El concepto no es para nada nuevo. China venía trabajando desde hacía tiempo en una iniciativa de consumo y producción sostenible, llamada economía circular, que ya se basaba en la mejora en el uso de recursos (eficiencia de uso), en el fomento del reciclaje y en la reducción de los residuos. Esto se materializó en forma de Ley el 29 de agosto de 2008, cuando se aprobó la  Ley de Economía Circular de la República Popular de China.

En ambos casos, el lado positivo es que se reconoce que hay que ir más allá de la linealidad del proceso económico que entiende la economía ortodoxa (se toman recursos del ambiente, se transforman con capital y trabajo, y se consumen). Se explicita que todo ese proceso implica generación de residuos y destrucción de la naturaleza, y precisamente se proponen mejoras en la eficiencia de uso y el reciclaje como soluciones. Sin embargo, como veremos, y a pesar de ser un paso adelante, esta propuesta sigue siendo insuficiente.

Desde la UE se plantea la economía circular como una reinvención del concepto dedesarrollo sostenible primero, y economía verde, después, que habían sido criticados por parte de ecologistas, economistas ecológicos y otros, por su falta de ambición y su dilución semántica. Sin embargo, lo que se nos viene encima con la economía circular es todavía peor. La creencia en un cierto optimismo tecnológico,en la que se apoya esta propuesta, es muy conveniente para el mantenimiento del statu quo, pues evita que nos cuestionemos el modelo de desarrollo en el que estamos inmersos, y en el que la crisis se define como la falta de crecimiento económico. En efecto, bajo la ilusión de la economía circular, parecería que el crecimiento puede continuar de manera ilimitada, pues estamos reciclando los residuos y convirtiéndolos en nuevos recursos. Por si fuera poco, cada vez somos más eficientes en el uso de recursos y necesitamos menos cantidad de los mismos para generar una unidad de valor añadido. Así que todo suena muy bien. El problema es que en este planteamiento hay dos errores fundamentales.

El primero es que siguen sin tenerse en cuenta leyes básicas de la física, como la Segunda Ley de la Termodinámica, que en una de sus acepciones vendría a decir algo así como que todo proceso implica un consumo de energía. La aplicación en lo que nos ocupa es que el propio proceso de reciclaje de recursos implica, por un lado, una pérdida de recursos, pues el reciclaje no es posible al 100%, y por otro, un gasto energético en el propio proceso de reciclado. El segundo error es no tener en cuenta la Paradoja de Jevons, que nos dice que las mejoras en la eficiencia de uso de un recurso no siempre llevan a un menor uso del recurso, sino que pueden derivar, por el contrario, en un uso mayor. Un ejemplo claro de esto lo tenemos en los automóviles. Las mejoras en la eficiencia de uso (consumo por km.) no han derivado en que consumamos menos energía en nuestro transporte, sino en que realicemos más kilómetros con nuestros vehículos privados.

Solo por estos dos motivos ya se cae el argumento de la economía circular. No se nos puede olvidar que el crecimiento económico siempre implicará un mayor uso de recursos, a pesar de todas las iniciativas de eficiencia de uso que se implementen o todos los programas de fomento del reciclado. Por esto, no podemos dejarnos embelesar por conceptos como la economía circular, que desvían el debate acerca de la necesidad o no del crecimiento económico y de sus consecuencias tanto ambientales como sociales.

Como bien nos recordaba Joan Martínez Alier en su artículo en el diario mexicanoLa Jornada del 5 de abril de 2015, este debate se podría articular en torno a conceptos ya discutidos desde los años 70 del pasado siglo como el estado estacionario de Herman Daly (1973), el decrecimiento de Gorz (1972), o algunos más recientes como el Sumak Kawsay o Buen Vivir propuesto desde Ecuador. El mismo economista ecológico Nicholas Georgescu-Roegen nos recordaba en esos mismos años que el propósito del proceso económico era el disfrute de la vida.

De hecho, la sostenibilidad siempre ha estado presente en los pueblos, al menos hasta la aparición y generalización de los combustibles fósiles, que nos permitieron esa emancipación temporal de la tierra, en palabras del economista ecológico y último discípulo de Georgescu-Roegen, Kozo MayumiEl mismo Mayumi, nos da un ejemplo de una cierta armonía y circularidad en el flujo de materiales en el Tokio del Shogunato Tokugawa (que en aquella época se llamaba Edo) entre 1603 y 1867.

Edo, con más de un millón de habitantes, diseñó lo que hoy día llamaríamos un sistema agro-silvo-pastoril en el que convivían las plantaciones de arroz con la regeneración forestal para el mantenimiento de los servicios ecosistémicos y la gestión del ganado. La alta fertilidad de los cultivos de arroz, necesarios para alimentar a una población tan grande, se mantuvo gracias a la colaboración ciudadana. Por un lado, se realizaron obras hidráulicas que permitieron el riego por gravedad de las terrazas, por otro se prohibió el sacrificio de animales, lo que evitó el sobrepastoreo y la deforestación, pero lo más importante fue la instauración de un sistema de recogida y aprovechamiento de las heces humanas para el aporte de nutrientes a los campos de arroz.

En fin, la conclusión es muy sencilla: en este caso no están inventando de nuevo la rueda sino el círculo. Economía circular en el sentido de aprovechamiento de los residuos y eficiencia en el uso siempre ha habido en todas las sociedades, de una manera u otra. Los debates acerca del crecimiento son viejos, aunque hay que seguir haciéndolos pues siempre tendremos nuevas propuestas del statu quo que intentarán desviarnos de la discusión fundamental, ¿para qué y cuánto crecer? Y sobre todo ¿a qué coste?