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.

Free download before September 9, 2018:

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.


Consumo de combustible del transporte terrestre en Ecuador


Consumo de combustible del transporte terrestre en Ecuador

En un trabajo reciente, que lleva más de 950 descargas, el investigador de CEPROEC Jaime Cevallos, analiza la evolución del parque automotor de Ecuador y encuentra que en el período 2003-2013 éste ha crecido a una tasa del 7,8% anual, que en su mayoría es resultado del aumento de automóviles y jeeps, es decir, de vehículos de uso privado.


Cevallos ha llevado a cabo por primera vez en el Ecuador un análisis empírico que le ha permitido calcular el consumo de combustible por tipología de vehículo. Para ello, ha utilizado datos reales del odómetro de una muestra de vehículos de la ciudad de Quito gracias a la base de datos de la Agencia Nacional de Tránsito (ANT), que ha utilizado para estimar el combustible mediante coeficientes de uso de energía por kilómetro recorrido. Estos resultados han sido ajustados a los valores macro que para el sector del transporte ofrece el Balance Energético realizado por el Ministerio Coordinador de Sectores estratégicos (MICSE).

En cuanto a la distribución del consumo, el transporte terrestre representa el 77% del consumo total de combustibles. El transporte de mercancías implicó un 60% del consumo del sector del transporte, mientras que el transporte de pasajeros un 26%. Cevallos analiza la evolución del parque por tipología de vehículo, la evolución del consumo, así como el impacto de los subsidios (un 68% del costo total del combustible del sector transporte) para aventurarse a una serie de recomendaciones de política energética y fiscal que incluyen, entre otras, la eliminación progresiva del subsidio a la gasolina que solo beneficia a la población con más recursos y no tendría efectos inflacionarios.

El documento de trabajo se puede descargar aquí. Una versión ampliada del mismo ha sido enviada a la revista Energy Policy.

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

Consumo mundial de petróleo por habitante estancado

En esta entrada presento de manera muy breve el consumo mundial de petróleo por habitante desde 1965. Los datos provienen de BP Statistics para el petróleo y Naciones Unidas para la población. Como otras veces, podéis bajar tanto el excel con los datos y referencias como con la figura en el enlace provisto.

Figura 1. Consumo mundial de petróleo por habitante (t/hab) 1965-2013


Fuente: Puedes bajar el archivo excel con los datos, las fuentes y la figura aquí.

En la figura podemos ver que, después de los picos de 1973, 1978 y 1979, el consumo de petróleo por habitante en el mundo ha disminuido hasta el entorno de los 580-600 kg por habitante y se ha mantenido constante desde entonces. Es decir, todo el aumento en el consumo de petróleo ha sido absorbido simplemente por el aumento de la población. Hasta hace bien poco, los países ricos seguían aumentando su consumo a costa de los países más pobres. Esto ha cambiado recientemente y desde 2013 ya no es así.

¿Qué esperar del futuro? Bien, la población va a continuar aumentando. Los países ricos seguirán reduciendo su consumo (lo cuál dificultará su crecimiento económico) y esto permitirá que de momento el aumento de población de los países menos ricos pueda acceder al petróleo. Sin embargo, en un contexto de Peak Oil y con la burbuja del Fracking desinflándose (ver referencia 1 y referencia 2), la mayor escasez de petróleo implicará, tarde o temprano, caídas en el nivel de consumo de petróleo por habitante, y eso conducirá a conflicto social, a cambios estructurales, o a ambos. En cualquier caso, las naciones que estarán mejor preparadas son aquellas que, si tienen petróleo lo usan internamente en lugar de exportarlo y, si no lo tienen, promueven rápidamente un cambio de su matriz energética hacia fuentes renovables también en temas de movilidad.

Factura energética en España

Leyendo un post reciente sobre Siria del magnífico blog de Gail Tverberg, he recordado discusiones que tuve con una colega sobre las repercusiones para los países exportadores de petróleo del hecho de convertirse en importadores. El contexto era la liberalización del sector energético (generación eléctrica y gas) en Argentina, su reciente cambio a ser importador neto de gas, su futuro cambio a importador de petróleo (en 2014 muy probablemente) y la expropiación de YPF por parte del Estado de Argentina. Coincidiamos en que la mayor dependencia del exterior estaba detrás de la expropiación, así como la necesidad de reducir el coste del aprovisionamiento energético.

Tverberg da un giro al argumento y defiende que Siria, y antes Egipto, han sufrido crisis sociales agudas y violentas en el momento en que se han convertido en importadores netos de energía, cuando el régimen ya no podía subsidiar el acceso a los servicios básicos y a algunos bienes de primera necesidad con los ingresos de los combustibles fósiles. La carga creciente de la factura energética ha detraido recursos que ahora tienen que dedicarse a las importaciones de energía y han hecho a esos países no solo más pobres, sino más dependientes del exterior.

Posteriormente he leído este post del también magnífico blog de Antonio Turiel en el que, con la ayuda de la página web Flujos de Energía, nos muestra una selección de países que podrían estar próximos a ser importadores netos de combustibles fósiles. Como bién dice Turiel, no se debe deducir a la ligera que inmediatamente después de convertirse en importador neto un país sufrirá una crisis social violenta como en el caso de Siria, pero sí podemos avanzar que sus problemas económicos se agravarán. El post termina con una figura que muestra la enorme dependencia energética de España y que reproduzco a continuación (Figura 1). Nos hace la advertencia de la gravedad de la situación en nuestro país y de que el consumo de petróleo ya está bajando.

Figura 1. Dependencia exterior en el consumo de petróleo en España



En un post anterior ya analicé la dependencia energética española. Allí ya puse de manifiesto el problema creciente de la factura energética del país, es decir, el coste de las importaciones netas de combustibles. Allí mencionaba un trabajo de Charlie Hall que establecía en poco más del 5% del PIB el límite para que la factura energética tuviese enormes implicaciones económicas para la economía de los Estados Unidos.

Figura 2. Factura energética en España (1995-2012)


Fuente: Puedes bajar el archivo excel con los datos, las fuentes y la figura aquí.

Desgraciadamente, la situación en España está solo empeorando. Como podemos observar en la Figura 2 el déficit energético alcanzó en 2012 su nivel máximo, por encima de los 45.000 millones de euros (linea azul y eje izquierdo). En términos relativos también se alcanzó un máximo histórico, pasando a representar un 4,42% del PIB (linea negra, eje derecho). Esto quiere decir que la economía española gastó un 4,42% de su producción anual en garantizar el suministro de energía necesario para su funcionamiento, a pesar de que está reduciendo su nivel de consumo de una manera muy importante desde su máximo en 2007 (Figura 3). De hecho, por primera vez en la historia el déficit energético fue superior al déficit comercial, lo que quiere decir que hubo superavit no energético. 

Figura 3. Consumo de petróleo en España en MT, 1995-2012


Fuente: Ver Figura 2.

La situación es más grave si no nos quedamos solo con el último dato, pero vemos la tendencia. Claramente tanto el déficit energético como su peso relativo en el PIB van en aumento, anticipando que el país se está empobreciendo y está transfiriendo cantidades cada vez mayores de renta a los países exportadores de los que dependemos. Quizás de esta manera podamos entender mejor la cada vez mayor presencia de empresas rusas y del Golfo Pérsico en nuestro país.

Si, como vimos aquí, existe una estrecha relación entre crecimiento económico y consumo de energía, un mayor nivel de actividad económica implicará irremediablemente un mayor consumo de energía, que a precios mayores de los combustibles fósiles, no hará otra cosa que aumentar nuestro ya elevado déficit energético. Esto quiere decir que el país tendrá cada año menos renta disponible para el resto de usos: consumo e inversión privados y gasto público, y que estaremos transfiriendo cada año másrenta a los países exportadores de combustibles fósiles. En resumen, creceremos para pagar cada vez más por la energía necesaria para ese crecimiento, y no nos beneficiaremos de ese crecimiento en términos de más puestos de trabajo o de mejores niveles de vida material.

Ante esta situación solo cabe la adaptación. Dado que la energía será más cara, si no queremos ser más pobres todavía tendremos que reducir su consumo. Ahora bién, esta reducción tampoco es gratis e implicará que algunos bienes y servicios que hasta hace poco eran considerados como accesibles pueden dejar de serlo, como los viajes y muchas otras actividades de ocio. La sociedad está cambiando y negarlo, o esconder la cabeza como las avestruces, no tiene sentido. Hay que afrontar de manera decidida el cambio necesario y planificar nuestra transición a un modelo que estará caracterizado por una menor disponibilidad de energía y a un coste mayor.

Más información sobre metabolismo de las sociedades en la web de nuestro grupo de investigación, Societal Metabolism.

Importaciones de petróleo en China y precio del WTI, 1990-2010

Releyendo el trabajo de fin de Máster de Raúl Velasco, Dos senderos diferenciados de metabolismo energético: China e India, queda claro que el patrón diferenciado de consumo energético de China, que la está distanciando cada vez más de India, sufre un vuelco tremendo con la entrada de China en la Organización Mundial del Comercio (WTO en inglés) en diciembre de 2001. La bajada generalizada de aranceles por parte del resto de países, y su bajo coste de mano de obra propiciaron el salto tan importante en términos de PIB y de consumo energético que vimos en el anterior post.

Este mayor consumo animó las importaciones de petróleo de China, justo en un periodo en el que nos estábamos acercando al cénit del petróleo (Peak Oil) tal y como la propia Agencia Internacional de la Energía tuvo que admitir. La combinación de estos dos hechos tuvo su efecto también sobre el precio del petróleo.

Fig. 1. Importaciones de petróleo en China y precio del WTI, 1990-2010


Fuente: US Energy Information Administration, Importaciones de petróleo y precio del WTI. Puedes bajar el excel con los datos AQUI.

En la Figura 1 se puede observar como el cambio de tendencia en el precio del West Texas Intermediate coincide con la entrada de China en la WTO. Es cierto que la mayor escasez relativa que implica el cénit del petróleo ha influido, pero no deja de ser relevante que el cambio de tendencia coincida con el momento en que China pasó a ser, ya de manera definitiva, la factoría del mundo.

La consecuencia lógica es que la tendencia de los precios del petróleo a medio y largo plazo es al alza, y de hecho se manifiesta en las últimas semanas por el acercamiento del precio del WTI al del Brent (de referencia en Europa y más caro). Esto tendrá consecuencias directas (en forma de empobrecimiento relativo) para países altamente dependientes de las importaciones de petróleo como España, como vimos en otro post.

Si estás interesado en el tema, puedes seguir el trabajo de nuestro grupo aquí.

La próxima subida del precio del petróleo

Leo en el Financial Times que China ha prohibido las exportaciones de diésel anticipando el aumento en la demanda del verano. A esto se le suma que Rusia ha subido los aranceles de exportación del diésel y la gasolina en un 44%. Ambos países quieren controlar la subida de precios interna, pero sin duda provocarán un efecto en cadena en otros países importadores de productos refinados, que con el afán de aumentar sus stocks provocarán una subida de precios y por tanto un repunte de los precios bajos que hemos visto esta semana.

Esta situación está ya provocando subidas de precios. En primer lugar debido a la subida de los combustibles, como en Estados Unidos, en donde la gasolina ha subido más de un 33% en el surtidor en el último año. En segundo lugar, seguirán subiendo los precios de las materias primas, como por ejemplo los cereales. Por un lado la subida de los combustibles implica un aumento de los costes en que incurren los productores, lo que afecta la producción mundial de alimentos y repercute en la soberanía alimentaria, como analizamos en este artículo. Por otro lado, la demanda de carne sigue aumentando en Asia, lo que genera una presión sobre la demanda de cereales a nivel mundial, que está llevando a que el precio de los mismos no pare de crecer, un 71% desde abril de 2010 según la FAO, y con ellos la rentabilidad de los grandes agricultores, como los estadounidenses, como se puede ver en el siguiente vídeo. Este fenómeno también está provocando que aumenten las compras/leasing de grandes extensiones de tierra en otros países para producir los cereales que nuestros países consumen de forma directa (como alimento) o indirecta (como biocombustibles), lo que se conoce como land grabbing. Esto abunda en los problemas de soberanía alimentaria de los países pobres, como denuncian asociaciones como GRAIN.

Los analistas, sin embargo, suelen indicar que se trata de movimientos de los especuladores en los mercados de futuros, cuando en realidad lo que tenemos es un mercado muy ajustado por dos motivos. Del lado de la demanda está el crecimiento económico en la mayoría de países y la recuperación de la actividad económica, que implica un aumento del consumo de energía. Del lado de la oferta, por un lado parece que hemos llegado ya al límite de extracción (el famoso cenit del petróleo), y a esto se le unen los problemas coyunturales como la menor exportación de Libia, según informa la agencia Reuters. Este mercado tan ajustado solo refleja la escasez relativa del petróleo, que irá en aumento en un futuro inmediato y con ella veremos una continua subida de precios. Siempre podrá haber algún altibajo, pero la tendencia es clara, a no ser que las economías empiecen a introducir medidas efectivas para controlar la demanda de energía. Es lo que vemos, además, para el resto de materias primas.