Bitumen, také známý jako asfalt, je všestranná uhlovodíková látka získaná z ropy. Bitumen se odedávna používá v hydroizolačních materiálech budov a dnes je nejznámější jako pojivo v silničním asfaltu. Protože je bitumen tak hustý a špatně teče, ulpívá na písku a jílu a nelze jej snadno čerpat na povrch z vrtů jako konvenční ropu. Proces výroby asfaltu se obvykle získává ze surové ropy procesem nazývaným frakční destilace. Široké využití nachází v silničním stavebnictví, kde slouží jako pojivo v asfaltových směsích.
Kromě primárních aplikací poskytuje sekundární produkty, jako jsou bitumenové barvy, nátěry a emulze. Tyto vedlejší produkty nabízejí další funkce v různých průmyslových odvětvích. Bitumenové barvy se běžně používají pro ochranu proti korozi na kovových površích, zatímco bitumenové emulze najdou uplatnění při stabilizaci půdy a kontrole prachu. Zvyšování obsahu R-materiálu v asfaltových směsích vyráběných za horka je jedním z aktuálních problémů v silničním stavitelství, kterému je věnována celospolečenská pozornost. Vyšší obsah R-materiálu přináší vyšší technologické nároky nejen na výrobu na obalovnách asfaltových směsí, ale také na zacházení s materiály obecně. Přínosem za vyšší nároky na výrobu je následné snížení environmentální zátěže spojené s výstavbou silniční infrastruktury způsobené těžbou a využíváním přírodních zdrojů.
Bitumen je komplexní materiál, který nemá zřetelný bod tání. S rostoucí teplotou bitumen postupně měkne a jeho viskozita klesá, proto je definován bod měknutí. Bod měknutí bitumenu je teplota, při které bitumen měkne nad libovolnou měkkost a lze ji určit testováním bodu měknutí. Laboratorní metodou měření bodu měknutí je kroužkový a kuličkový test. Popsaná zkušební metoda platí také pro živičná pojiva získaná z živičných směsí, například extrakcí.
Testování bodu měknutí bitumenu
Evropská norma „EN 1427 Asfalty a asfaltová pojiva - Stanovení bodu měknutí - Kruhová a kuličková metoda“ popisuje zkušební metodu pro stanovení bodu měknutí asfaltů a asfaltových pojiv v rozsahu 28 stupňů až 150 stupňů. Přechod od rtuťových teploměrů k elektronickým teplotním zařízením odhalil, že definice teploty ve rtuťovém teploměru nebyla dostatečně citlivá, aby poskytla přesný a nezaujatý přenos do elektronických zařízení. Je třeba vzít v úvahu body měknutí kroužků a kuliček nad 100 stupňů, protože podmínky se mohly od předchozí aplikace na dnešní testovací zařízení změnit. Pod asi 100 stupňů je rozdíl v naměřených teplotách mezi elektronickým a rtuťovým teploměrem přijatelný ve srovnání s opakovatelností těchto zkušebních metod.
Při tomto testu se bitumenový vzorek vloží do dvou mosazných kroužků a na ně se umístí ocelové kuličky. Systém se umístí do vodní lázně a zahřeje se. Teplota, při které bitumenem potažená ocelová kulička dopadne na dno skleněné nádoby, se nazývá teplota měknutí. Bod měknutí hladkého přírodního asfaltu, silničního asfaltu, uhelného asfaltu a foukaného asfaltu lze měřit prstencovým a kuličkovým přístrojem. Tvrdý bitumen a oxidovaný (foukaný) bitumen se zjišťuje bodem měknutí a penetrační zkouškou. Obecně platí, že čím vyšší je bod měknutí, tím nižší je teplotní citlivost. Jinými slovy, tepelný odpor je vyšší.
Čtěte také: Jak se vyrábí cement?
Testování bodu měknutí určuje bitumen na základě teplotní odolnosti, která indikuje vhodné bitumenové pojivo za požadovaných povětrnostních podmínek při stavbě silnic. V oblastech s horkým počasím musí být bitumen odolnější vůči vysokým teplotám, proto se používá bitumen s vyšším bodem měknutí. Jinými slovy, hodnota bodu měknutí musí být vyšší než teplota vozovky, jinak bitumen obsažený ve vrstvě změkne a bude lepkavý. Naproti tomu bitumen odolný vůči nízkým teplotám se používá v mírném až chladném klimatu.
Vztah mezi penetrací a bodem měknutí bitumenu
Obecně platí, že bod měknutí bitumenu penetračního stupně a bitumenu viskozitního stupně klesá s rostoucí penetrací. Ve skutečnosti měkčí bitumen taje postupně při nižších teplotách a má nižší tepelný odpor. S viskozitou se také zvyšuje bod měknutí. To znamená, že viskózní bitumen začíná měknout při vyšších teplotách. V důsledku toho se teplotní citlivost snižuje se zvyšující se viskozitou. U oxidovaného (foukaného) bitumenu neexistuje jasný vztah mezi bodem měknutí a stupněm penetrace. To přímo závisí na způsobu výroby. U tohoto typu bitumenu je bod měknutí vyšší než u bitumenu viskozitního stupně a penetračního bitumenu. V důsledku toho je oxidovaný bitumen méně citlivý na penetrační bitumen a viskozitní typy bitumenu.
Příprava vzorku a provedení testu
Kruhová a kuličková aparatura se skládá ze: dvou ocelových kuliček, dvou mosazných kroužků, skleněné nádoby, teploměru, základny pro přidržování prstenů (podpěry) a ohřívače. Během přípravy vzorku se vzorek bitumenu zahřívá na teplotu 75-100 stupňů, dokud se bitumen nestane zcela tekutým. Připraví se směs stejných poměrů glycerinu a dextrinu. Poté je povrch kovové nebo skleněné desky potažen. To zabraňuje přilnutí bitumenu k desce. Kroužky se zahřívají na přibližně stejnou teplotu jako roztavený bitumen. Položí se na desku potaženou směsí glycerinu a dextrinu. Zahřátý bitumen se jemně nalije do každého prstence, mírně nad objem prstenců, a nechá se vychladnout na pokojovou teplotu. Jakmile zkušební kusy vychladnou, přebytečný bitumen lze odstranit mírně nahřátým nožem.
Poté se vodní lázeň naplní převařenou destilovanou vodou o teplotě 5 stupňů. Kroužky naplněné bitumenem jsou připevněny k nosnému rámu a umístěny do vodní lázně o teplotě 15 stupňů po dobu 5 minut. Ocelové kuličky se ochladí na teplotu 5 stupňů. Ocelová kulička je umístěna na horní části kroužků připevněných k podpěře. Tento přístroj se umístí do kádinky naplněné destilovanou vodou. Hladina vody musí být minimálně o 50 mm výše než horní povrch míče. Kádinka se umístí na ohřívač a seřídí se míchadlo a teploměr. Kádinka se zahřívá konstantní rychlostí 5 plus/minus 0,5 stupně/minutu. Zahřívání pokračuje, dokud bitumen nezměkne a nezačne se pohybovat dolů vlivem hmotnosti koule. Teplota každé kuličky z teploměru se zaznamená, jakmile se dotkne dna talíře. Průměrná hodnota bodu měknutí dvou kuliček je bod měknutí bitumenu.
Nekonvenční zdroje ropy a jejich těžba
Dehtové písky jsou obecně směsí písku, jílu, vody a bitumenu. Bitumen je hustý, lepkavý, černý olej, který se přirozeně vyskytuje v různých formách, obvykle když je lehčí olej degradován bakteriemi. Největší ložiska dehtových písků na světě se nacházejí v Albertě, Kanadě a ve Venezuele. Dehtové písky představují potenciálně rozsáhlou zásobu ropy, ale představují své vlastní environmentální výzvy.
Čtěte také: jak se dříve těžila břidlice na Plzeňsku
K těžbě ropy z dehtových písků se pro povrchovou těžbu využívá velké množství půdy, vody a energie ve srovnání s jinými zdroji ropy. Povrchová těžba také produkuje velké množství odpadu, jako je zbytkový písek, jíl a kontaminanty nacházející se v dehtových píscích, které představují riziko pro okolní vodní zdroje. Proto se vyvíjejí nové technologie, které umožní získávat bitumen i z větších hloubek.
Proces SAGD (Steam-Assisted Gravity Drainage)
Dosud nejrozšířenější metodou je proces SAGD (Steam-Assisted Gravity Drainage), kdy se do ložiska vtlačuje horká pára s cílem bitumen tavit. Roztavený bitumen se po zachycení odčerpává na povrch. Tato metoda je lacinější a spotřebuje méně vody než je tomu u povrchové těžby. Současně ale stoupá spotřeba energie k výrobě páry, k níž se používá zejména zemní plyn. Variantně se místo zemního plynu používá k výrobě páry část bitumenu. Kanadská ropná společnost Nexen např. zplyňuje nejtěžší frakci bitumenu (asfalt) a získaný syntetický plyn pak spaluje k výrobě páry, případně ho používá k výrobě vodíku jako prostředku ke zvýšení jakosti bitumenu a jeho přeměny na syntetickou surovou ropu. Stinnou stránkou této metody jsou větší emise CO2 než u povrchové těžby nebo u standardního procesu SAGD.
Varianta THAI (Toe-to Heel Air Injection)
Jinou variantou procesu SAGD je metoda THAI (Toe-to Heel Air Injection). Do ložiska se nejprve vhání pára, a to až do chvíle, kdy je bitumen dostatečně horký, aby po dodání vzduchu v podzemí samovolně vzplanul. Díky dodávanému vzduchu vzniká v podzemí horizontální hořící fronta o teplotě kolem 500 stupňů Celsia. Intenzivní teplo dělí bitumen na těžší a lehčí frakce - těžší frakce podporuje hoření, lehčí frakce se taví a odtéká do produkčního vrtu, odkud se čerpá na povrch. Výhodou této metody je to, že část procesu rafinace probíhá již v podzemí. Také spotřeba zemního plynu je ve srovnání se standardním procesem SAGD o 10 až 30 % nižší. Nižší je i spotřeba vody, a to díky tomu, že voda se na povrch čerpá spolu s bitumenem a potom se vrací zpět do podzemí.
Varianta ET-DSP (Electro-Thermo Dynamic Stripping)
Za nejméně znečišťující variantu získávání bitumenu se považuje metoda, kdy se k ohřevu používá elektřina. Označuje se jako ET-DSP (Electro-Thermo Dynamic Stripping). Představuje síť vertikálních vrtů, do nichž se vkládají tři velké elektrody. Elektrický odpor mezi vrtem a podzemní vodou vytváří teplo, které vede ke zkapalnění bitumenu a jeho odtoku do centrálního produkčního vrtu, odkud se čerpá na povrch. Změnou gradientu napětí mezi elektrodami může provozovatel usměrňovat elektrické pole tak, aby byly zahřívány nejbohatší části ložiska. Voda, která se čerpá na povrch spolu s bitumenem, se vrací zpět k zajištění vodivosti. Protože se v kanadské provincii Alberta používá k výrobě elektřiny hlavně uhlí, jsou emise CO2 větší než u jiných metod. K výrobě elektřiny se proto počítá také s využíváním vodní nebo větrné energie. Uvažuje se rovněž o využívání jaderných reaktorů, které by byly budovány v blízkosti ložisek dehtových písků a poskytovaly by páru nebo elektrickou energii bez emisí CO2.
Využití jaderných reaktorů
V souvislosti se získáváním ropy z ropných písků se rovněž uvažuje o využívání jaderných reaktorů. Například kanadská společnost Energy Alberta požádala o povolení přípravy lokality pro výstavbu jaderných elektráren v oblasti Peace River v provincii Alberta. Uvažuje se zde o výstavbě dvou dvoublokových jaderných elektráren se zdokonalenými těžkovodními reaktory ACR-1000, a to právě v místě, kde se vyskytují ropné písky. První zdroj energie ve formě páry nebo elektřiny pro zpracování ropných písků - dvoubloková jaderná elektrárna o elektrickém výkonu 2 200 MW - by mohl být uveden do provozu v roce 2017.
Čtěte také: hydroizolace teras pomocí fólie
V Kanadě existuje i projekt aplikací minireaktorů o tepelném výkonu 70 MW a elektrickém výkonu 25 až 27 MW, které by běžely bez přerušení po dobu pěti let. Předpokládá se, že reaktor bude umístěn v podzemí a bitumen uvolní pomocí vyrobené páry. Touto myšlenkou se zabývá společnost Hyperion Power Generation (HPG) se sídlem v Santa Fe ve státě Nové Mexiko. Vyvíjený reaktor, označovaný jako Hyperion Power Module, bude produkovat páru a elektřinu zejména pro aplikace v odlehlých průmyslových lokalitách. Společnost předpokládá, že v první etapě bude existovat poptávka až po 4 000 těchto minireaktorů. Vývojoví pracovníci přitom vidí možnosti aplikovat reaktory i na ostrovech, ve městech a při odsolování mořské vody. Po uplynutí pěti let společnost Hyperion reaktorový modul odveze do továrny k výměně paliva a na jeho místo instaluje modul nový. Reaktorový modul bude mít rozměr kolem 1,5 m, takže bude vhodný pro přepravu auty, po železnici, loděmi i letadly. Kombinovaná výroba elektřiny a tepla z tohoto reaktoru bude stačit zásobovat město s 20 tisíci obyvateli. Jednotlivé moduly bude možné spojovat a vytvářet energetické bloky o větším výkonu, a to aniž by bylo třeba budovat přenosovou síť.
Prognózy a výzvy
Náklady na technologie THAI a ET-DSP jsou vysoké, I když mohou v budoucnosti klesat, přesto bude trvat minimálně 5 až 15 let do jejich komercializace. Podle poradenské firmy IHS CERA by denní produkce ropy z dehtových písků mohla do roku 2035 dosáhnout 6,3 milionů barelů. Kanadská vláda odhaduje, že získávání ropy z dehtových písků vyžaduje troj až pětinásobné množství energie než je tomu u konvenční těžby. U metody SAGD je například třeba vynaložit téměř jeden barel k získání 3 barelů ropy. I když jde o velice nákladný a energeticky náročný proces získávání ropy, o těžbu ropných písků v kanadské pánvi Athabasca se již dnes zajímá čínský ropný gigant Petro China, který získal většinu akcií ve dvou projektech zabývajících se touto těžbou. Společnost bude k těžbě využívat páru a jejím cílem je získat 3 miliardy barelů ropy.
Mnohem čistší způsob využití ropných písků se zkoumá v laboratořích univerzity v Calgary ve spolupráci s britskou univerzitou v Newcastle. Výzkumní pracovníci se domnívají, že by bylo možné využít bakterie, které budou přeměňovat bitumen na metan. Ten by se pak mohl těžit jako konvenční zemní plyn. K tomuto procesu dochází v podzemí zcela přirozeným způsobem, kde bakterie Syntrophus, které nepotřebují ke svému životu kyslík, konzumují ropu a uvolňují vodík jako odpadní produkt. Druhá skupina metanogenních bakterií potom mění vodík na metan. Uvedené bakterie tedy již existují a bude stačit přidávat jen umělá hnojiva. V roce 2008 se uskutečnily laboratorní pokusy s přidáváním dusíku, fosforu, vitamínů a stopových minerálů. Ukázalo se, že bakterie byly schopné přeměnit uhlovodíky na metan asi za 600 dní. Zda bakteriální metoda bude schopna produkovat metan ekonomickým způsobem by měly prokázat zkoušky nově založené společnosti Prefero Energy. Pokud ano, získáme velké množství relativně čistého paliva - metanu. Spalování metanu by ve srovnání s jinými fosilními palivy poskytlo energii při výrazném snížení emisí CO2.
tags: #tezba #bitumenu #pomoci #pary