węgiel

węgiel

Węgiel (z PGmc. * Kula- , althochdeutsch kolo m., Kol n., Średniowysoki niemiecki kol n., Rzadkie glikole f. „Węgiel, węgiel drzewny”) to czarna lub brązowo-czarna stała skała osadowa otrzymana przez karbonizację roślin produkowana jest biomasa . Składa się głównie z pierwiastka chemicznego węgla i złożonych związków węgla .

Węgiel jest dostępny na każdym kontynencie. Jego głównym okresem geologicznym był górny karbon ( Pennsylvanian ), a odpowiadający mu węgiel jest głównie dostępny jako węgiel kamienny . Ponadto wciąż istnieją nowsze węgle kamienne, na przykład w Jurze i Kredie w zachodniej Kanadzie. W stosunku do Europy Środkowej „ trzeciorzęd ” jest również ważnym okresem tworzenia się węgla. Jednak węgiel ten jest dostępny głównie jako węgiel brunatny .

Węgiel wykorzystywany jest głównie jako nośnik energii kopalnej . Gdy są one spalone , ciepło jest uwalniane, które mogą być wykorzystane do ogrzewania . Spalanie węgla jest jedną z najpowszechniej stosowanych technik wytwarzania energii elektrycznej na świecie . Ma również znaczenie jako surowiec wyjściowy do produkcji koksu i grafitu oraz wydobycia węglowodorów ciekłych i wytopu żelaza . Wartość opałowa bloku węglowego służy jako punkt odniesienia dla innych paliw.

Zarówno uwęglanie, jak i spalanie węgla są podstawowymi elementami globalnego obiegu węgla .

Wielkość światowych zasobów węgla jest przedmiotem ciągłych badań. Szacunki z 2004 roku liczą się przy stałym zużyciu kilkuset lat do ich wyczerpania, inne szacunki zakładają, że maksymalna produkcja węgla może zostać osiągnięta już w 2025 roku. Wskaźniki dostaw poszczególnych rodzajów węgla można znaleźć w zakładce Węgiel / Tabele i grafika .

Powstanie

Surowiec do produkcji węgla jest głównie pochodzenia roślinnego. Typowe formowanie się węgla (węgiel humusowy, patrz ogólne informacje klasyfikacyjne: rodzaje węgla ) rozpoczyna się w rozległych lasach bagiennych na nizinach . Drzewa wykorzystują fotosyntezę do wiązania dwutlenku węgla z powietrza i przekształcania go w węglowodanową celulozę i inne związki organiczne . Po obumarciu pojedyncze drzewa zapadają się w bagno i tym samym są wycofywane z normalnego tlenowego procesu rozkładu – początkowo tworzy się torf .

Dalsza historia geologiczna omawianego regionu decyduje o tym, czy torf zostanie przekształcony w węgiel. W skorupie ziemskiej następuje zwykle osiadanie tektoniczne w rejonie nizin ( osiadanie , patrz też baseny osadowe ). Jeśli to osiadanie utrzymuje się przez okresy geologiczne (tj. przez wiele dziesiątek milionów lat), torfowe osady bagienne, często w różnych warunkach środowiskowych (w tym długotrwała pokrywa morska), są stale pokrywane osadami i jednocześnie zatapiane głębsza górna skorupa ziemi. Wraz ze wzrostem głębokości zatapiania wzrasta zarówno ciśnienie otoczenia, jak i temperatura otoczenia . Powoduje to tzw. Uwęglenie osadów torfowych. Ciśnienie wypiera wodę, a wzrost temperatury powoduje przemianę chemiczną związków organicznych, w trakcie której następuje wzbogacenie węgla . Początkowo produkowany jest węgiel brunatny . Wraz ze wzrostem osiadania nasila się uwęglenie. Węgiel brunatny staje się węglem kamiennym, aw końcu antracytem . Dlatego jakość węgla jest często lepsza, im głębiej leży w ziemi i im jest starszy.

Najważniejsze dziś złoża węgla (nierzadko tylko z historycznego punktu widzenia ekonomicznego ) powstały w karbonie górnym około 323,2-298,9 mln lat temu. We wczesnym karbonie górnym najważniejszym surowcem do produkcji torfu było 60–80% drzewiastych mchów szponiastych . Ich pnie prawie nie były drewniane , ale miały bardzo grubą perydermę (korę). W środkowym karbonie górnym Appalachów dominowali silnie zalesione Kordaici . W późnokarbońskiej Eurameryce dominowały słabo zdrewniałe paprocie z rzędu Marattiales . Gospodarczo ważne złoża węgla brunatnego w Europie Środkowej (Dolny Ren, środkowe Niemcy, Niederlausitz, Egergraben) powstały w trzeciorzędzie od 66 do 2,588 mln lat temu i dlatego są znacznie młodsze.

W zależności od paleogeograficznego położenia terenu edukacyjnego rozróżnia się formacje palustric (lub limnic) i parali. Pod pojęciem palustric / limnic rozumie się tworzenie się węgla na terenach podmokłych w pobliżu wód śródlądowych. Równolegle oznacza, że ​​złoże węgla wraca do formowania się torfowiska na równinie przybrzeżnej. Następnie między poszczególnymi pokładami węgla raz za razem wprowadzane są osady morskie , które można przypisać krótkotrwałym fazom transgresyjnym . Jeśli pokłady węgla mają swój początek w obszarach formacji palustriańskiej w obrębie basenów w rejonach górskich, to można mówić konkretnie o formacji międzygórskiej.

Nowe badania sugerują ścisły związek między powstawaniem niezwykle bogatych złóż węgla węglowego a ewolucją białej zgnilizny , czyli rodzajów grzybów, które potrafiły rozkładać ligninę , główny składnik drewna. Analizy genetycznych zależności molekularnych w związku z metodą zegara molekularnego wykazały, że biała zgnilizna pojawiła się prawdopodobnie dopiero pod koniec karbonu lub we wczesnym permie .

Ekstrakcja

Zaleca się stosowanie węgla zarówno na powierzchni w kopalniach odkrywkowych, jak iw kopalniach podziemnych . Na całym świecie około 40% węgla wydobywa się z górnictwa odkrywkowego, reszta z górnictwa podziemnego.

Dyby

Zasoby węgla brunatnego w Niemczech wyniosły w lutym 2014 r. Około 76,8 mld ton, z czego 40,3 mld ton można by wydobyć ekonomicznie przy użyciu dzisiejszej technologii. Przy stałej produkcji (2013: 183 mln t) rezerwy wystarczyłyby na 220 lat.

Około 24 miliardów ton niemieckich zasobów węgla kamiennego uważa się za możliwe do odzyskania. W oparciu o kwotę produkcyjną w 2004 r. (25,7 mln ton) dałoby to teoretyczny zasięg ponad 900 lat. Jednak ze względu na warunki geologiczne tylko część tych zasobów wydobywalnych może być eksploatowana w sposób konkurencyjny w skali międzynarodowej, zgodnie z aktualnym stanem techniki. Przedstawiciele niemieckiego przemysłu węglowego oceniają więc zasięg niemieckiego węgla kamiennego na około 400 lat, przy założeniu utrzymania ówczesnej wielkości produkcji.

German Energy Watch Group , niezależna grupa analityków pod kierownictwem naukowców z Ludwig-Bölkow- Stiftung (Monachium), doszła wiosną 2007 roku do innego wniosku w odniesieniu do światowych zasobów węgla, a zwłaszcza w odniesieniu do stanu rezerw w Niemczech:

„Wiele statystyk jest nieaktualnych. […] Można przypuszczać, że dostępne jest znacznie mniej węgla, niż się powszechnie zakłada. […] Wiele informacji nie było aktualizowanych od lat. Tam, gdzie to robiono, rezerwy były zwykle korygowane w dół, czasami bardzo drastycznie ”. Na przykład Federalny Instytut Nauk o Ziemi stwierdził, że niemieckie rezerwy węgla kamiennego od dziesięcioleci wynoszą od 23 do 24 miliardów ton. W 2004 roku obniżono ich ocenę do 183 mln ton, czyli o 99 proc. W przypadku węgla brunatnego doszło również do dramatycznych spadków o ponad 80 procent. Niemcy są największym producentem węgla brunatnego na świecie. Podobne tendencje, jeśli nie aż tak masowe, występują na przykład w Wielkiej Brytanii i Polsce. […] Jeśli teraz przyjąć, że węgiel powinien zaabsorbować spadki produkcji gazu ziemnego i ropy naftowej w nadchodzących dziesięcioleciach , to początkowo można by sobie wyobrazić zwiększenie światowej produkcji o 30 procent. Wzrost ten powinien pochodzić przede wszystkim z Australii, Chin, Rosji, Ukrainy, Kazachstanu i Republiki Południowej Afryki. Po tym okresie dotacja pozostanie stała, a od 2025 r. będzie stale spadać.”

- Komunikat prasowy Energy Watch Group z 3 kwietnia 2007 r

W drugim kwartale 2016 r. cena węgla energetycznego na rynku światowym wynosiła około 56 euro za tonę węgla.

Ocena dostawy

Według 67. raportu BP World Energy Report, udział Chin w światowej produkcji węgla wynosił w 2017 r. 46,4%, co stanowi nieco ponad dwukrotność udziału wszystkich krajów OECD (22,6%). USA (9,9%), Australia (7,9%), Indie (7,8%), Indonezja (7,2%) i Rosja (5,5%) znalazły się daleko w tyle. Niemcy były na 11. miejscu z 1,0% światowej produkcji.

Rozwój światowej produkcji „węgla kamiennego” (brunatny, kamienny
i antracyt) od 1978 r. (W mln t)
Rozwój światowej produkcji miękkiego węgla brunatnego od 1978 r. (W mln t)

Klasyfikacje i standardowe cechy jakości

Ogólne informacje dotyczące klasyfikacji

Klasyfikacja węgla lub węgla odbywa się według różnych systemów, w zależności od celu. Z technicznego punktu widzenia w szczególności należy dokładnie rozróżnić dwa pojęcia: rodzaje węgla i rodzaje węgla .

Rodzaje węgla

Te rodzaje węglawęglem specyficzne tradycyjne nazwy wielkości ziarna , które są oddzielone ( sklasyfikowane ) z niesegregowanych surowego węgla ( paszy węgla) przez przesiewanie . Podczas gdy każdy niemiecki obszar wydobycia węgla miał pierwotnie własne, choć często podobne, nazwy odmian, w 1941 roku wprowadzono jednolity system odmian. Zgodnie z tym wszystkie odłamki większe niż 80 mm nazywane są bryłą węgla . Mniejsze składniki węgla w kostkach (150-80 mm) o nazwie ogryzanie . Poniżej 80 mm następuje dalsze rozróżnienie

  • Węgiel orzechowy
    • Nakrętka 1, 80-50 mm
    • Nakrętka 2, 50-30 mm
    • Nakrętka 3, 30-18 mm
    • Nakrętka 4, 18-10 mm
    • Nakrętka 5, 10-6 mm
  • Miał węglowy
    • Miał I, 10-0 mm
    • Miał II, 6-0 mm
  • Węgiel do kurzu, 0,5-0 mm

Rodzaje węgla

Te rodzaje węgla są zróżnicowane w zależności od ich właściwości chemicznych i fizycznych, które są ściśle związane z historii geologicznej złoża. Do określenia rodzaju węgla stosuje się głównie dwa kryteria: rodzaj i stopień węgla .

  • Rodzaj węgla jest ściśle związana z sedymentacji historii węgla, zwłaszcza typu depozytu powierzchni i typem materiału organicznego osadza. Rozróżnia się dwa podstawowe rodzaje węgla : węgiel humusowy i węgiel sapropelowy . Węgle humusowe są węglem w ścisłym znaczeniu tego słowa i są znacznie bardziej powszechne z dwóch głównych rodzajów węgla. Wywodzą się z wilgotnych lądowych obszarów magazynowych charakteryzujących się gęstą roślinnością („bagna węglowe”), powstają głównie z materiału roślinnego drzewiastego i zielnego i rozwijają się w pośrednim stadium torfu . Makroskopowo idealnie charakteryzują się pasiastą strukturą w zakresie centymetrów. Z kolei węgle sapropelowe powstają w wodach stojących i pochodzą z materiału niedrzewnego z roślin lądowych (głównie liści ), ale także częściowo z alg i rozwijają się z przefermentowanego osadu (sapropel). Nie mają prążkowanej struktury i pękają jak muszla . Często tworzą cienkie zazębienia w ciągu węgli humusowych i świadczą o zwiększaniu nasiąkania terenu złoża.
  • Ranking węgiel jest wyrazem stopniu od dojrzałości lub postępu uwęglenia . Jest to ściśle związane z dalszą historią geologiczną (por. →  Diageneza ) niegdyś złożonego materiału organicznego lub torfu lub przefermentowanego osadu, zwłaszcza z ilością tonięcia w głębsze obszary skorupy ziemskiej i związanym z tym wzrostem temperatury otoczenia . Wraz ze wzrostem stopnia dojrzałości makroskopowo i mikroskopowo wykrywalne różnice między węglami humusowymi i sapropelowymi mogą się coraz bardziej zacierać.

Bardziej szczegółowy podział rodzajów węgla znajduje się poniżej .

Skład węgla

Przykładowy wzór strukturalny przekroju złożonego szkieletu organicznego węgla
Mikroskopijne obrazy węgla z dolnego permu w Chinach, każde w białym padającym świetle po lewej stronie, fluorescencja po prawej ; różne macerały są oznakowane

Węgiel składa się z krystalicznego węgla, materii organicznej , minerałów i wody. Poziom udziału substancji mineralnej (nieorganicznej) jest również nazywany stopniem węgla . Termin „zawartość popiołu” jest często używany, ponieważ substancje mineralne w niewielkim stopniu przyczyniają się do wartości opałowej węgla, po spaleniu węgiel pozostaje i tworzy popiół . Jednak substancja mineralna niespalonego węgla zawiera również tzw. Minerały lotne , które podczas spalania ulatniają się w postaci gazów i nie przyczyniają się do powstawania popiołu (np. Dwutlenku węgla związanego w węglanach ). Minerały obecne w niespalonym węglu niekoniecznie są zatem reprezentowane w odpowiednim popiele. Substancja mineralna mogła przedostać się do węgla przede wszystkim, tj. w trakcie sedymentacji (np. minerały ilaste , cząstki mułu z kwarcu ) lub wtórnie podczas diagenezy (minerały ilaste, kalcyt ). Stopień zawartości węgla i popiołu ma decydujący wpływ na wartość lub jakość węgla.

Materia organiczna składa się głównie z węgla, wodoru, azotu, siarki i tlenu. Tworzy złożoną makrocząsteczkową strukturę, której struktura i skład różni się w zależności od rodzaju i pochodzenia węgla. Wraz ze wzrostem stopnia uwęglenia stosunek węgla do wodoru, tlenu, azotu i siarki przesuwa się w kierunku węgla (patrz również tabela poniżej), przy czym udział tlenu jest szczególnie silny, a udział wodoru nieznacznie spada, a udział siarki i azotu na mniej więcej stałym poziomie.

W oparciu o ich właściwości optyczne w cienkich i wypolerowanych odcinkach, materia organiczna jest podzielona na różne macerały . Proporcja tych macerali w węglu zależy przede wszystkim od roślin (części), z których pierwotnie powstał. W petrografii węgla rodzaj węgla określa się na podstawie proporcji, a stopień węgla określa się na podstawie współczynnika odbicia, zwłaszcza proporcji witrynitu .

Stany odniesienia

O ile zawartość materii organicznej i minerałów jest praktycznie niezmienna w normalnych warunkach środowiskowych, o tyle zawartość wody może ulegać znacznym wahaniom, tj. H. Węgiel pochłania wodę i ponownie ją oddaje. Dlatego definiuje się stany referencyjne, które to uwzględniają. Rozróżnia się głównie następujące stany:

  • surowy: w stanie dostawy (paliwo w momencie pobierania próbek bez utraty wody odpowiada w przybliżeniu stanowi, w jakim jest używane)
  • włączony: mokry do analizy (paliwo drobno zmielone w czasie analizy)
  • wf: bezwodny (paliwo suszone w temperaturze 106°C)
  • wafel: bez wody i popiołu (paliwo suszone i bez popiołu)

Stan odniesienia waf jest hipotetyczny, tutaj proporcje wody i popiołu są odejmowane arytmetycznie; służy do charakteryzowania materii organicznej. Wszystkie stany odniesienia można przekonwertować na siebie.

Metody analityczne

Ponieważ niektóre z jego właściwości mają istotne znaczenie dla materialnej wartości węgla (ustalanie cen na podstawie analizy danych) i musi być ustalona na poziomie krajowym i międzynarodowym, stosując te same metody, narodowy (DIN) i międzynarodowych standardów (ISO) zostały opracowane do analizy węgla . W Niemczech odpowiedzialny był komitet roboczy „Testowanie paliw stałych” w Komitecie Norm Górniczych (FABERG) DIN , a międzynarodowo komitet techniczny ISO / TC 27 „Stałe paliwa mineralne” ISO .

Oznaczanie zawartości wody

Pod względem zawartości wody rozróżnia się wilgotność gruboziarnistą i higroskopijną. Wilgotność gruboziarnista odnosi się do wody czysto mechanicznej, wilgoć higroskopijna to woda zatrzymywana w kapilarach ziaren węgla. Oznaczanie przeprowadza się zgodnie z normą DIN 51718. W przypadku większości węgli oznaczanie przeprowadza się w dwóch etapach: Wilgotność zgrubną określa się w suszarce w temperaturze 30 ± 2 ° C, wilgotność higroskopijną w temperaturze 106 ± 2 ° C pod atmosfera azotowa. W przypadku węgli stabilnych oksydacyjnie (antracyt) całkowitą zawartość wody można również określić jednoetapowo w temperaturze 106°C w powietrzu. Inną metodą jest destylacja ksylenu, a następnie objętościowe oznaczanie wody.

Określenie popiołów

Popiół to nieorganiczna pozostałość, która zgodnie z normą DIN 51719 pozostaje po spaleniu węgla w piecu w temperaturze 815°C. Popiół to mieszanina soli metali alkalicznych, ziem alkalicznych, żelaza i glinu, takich jak tlenki, siarczany, krzemiany i fosforany.

Oznaczanie zawartości lotnej

Składniki lotne nie mogą być jednoznacznie określone, oznaczanie jest procedurą konwencyjną. Są one określane zgodnie z normą DIN 51720: węgiel jest podgrzewany do 900 ° C przez 7 minut. Uciekające składniki, skorygowane o wyciekającą wodę, są z zasady składnikami lotnymi.

Rodzaje węgla

Ogólne informacje o podrejonie

Rodzaje węgla nie są podzielone międzynarodowo jednolicie. Tabela przedstawia zestawienie Federalnego Instytutu Nauk o Ziemi i Zasobów Naturalnych (BGR). Głównymi kryteriami klasyfikacji są wartość energetyczna (wartość opałowa), składniki lotne i odbicie witrynitu.

Porównanie klasyfikacji węgla BGR z systemami EKG ONZ (in-seam carbon) i USA
Rodzaje węgla
EKG ONZ Stany Zjednoczone Niemcy
Torf Torf torf
Orto-lignit Węgiel brunatny Miękki węgiel brunatny
Metal-węgiel brunatny Węgiel brunatny / węgiel podbitumiczny Matowy węgiel brunatny
Węgiel podbitumiczny Węgiel podbitumiczny Węgiel brunatny lśniący
Węgiel kamienny Węgiel subbitumiczny / średniolotny węgiel bitumiczny Węgiel płomieniowy
Średnio lotny węgiel kamienny Węgiel gazowy
Średnio lotny węgiel kamienny Węgiel gazowy
Średnio lotny węgiel kamienny Węgiel drzewny
Węgiel bitumiczny o niskiej lotności Węgiel drzewny jadalny
Antracyt Pół-antracyt chudy węgiel
Antracyt antracyt

Podobna klasyfikacja rodzajów węgla odbywa się według zawartości lotnych składników, ta klasyfikacja jest szczególnie powszechna w górnictwie Ruhry. Kolejna tabela przedstawia rodzaje węgla i typowe składy pierwiastkowe.

Nazwisko Koalifikacja Zawartość wody w węglu surowym Lotne

(waf) w%

C węgiel%

(waf)

H wodór%

(waf)

O tlen%

(waf)

Wartość opałowa (waf) w

MJ / kg

brązowy węgiel Niska 45-60 60-43 65-75 8,0-5,5 30-12 <25–28
Węgiel płomieniowy 4-7 45-40 75-81 6,6-5,8 > 9,8 > 32
Węgiel gazowy 3-6 40-35 81-85 5,8-5,6 9,8-7,3 33,0-34,2
Węgiel gazowy 3-5 35-28 85-87,5 5,6-5,0 7,3-4,5 33,9-34,8
Węgiel drzewny 2-4 28-19 87,5-89,5 5,0-4,5 4.5-3.2 34,5-35,6
Węgiel drzewny jadalny 2-4 19-14 89,5-90,5 4,5-4,0 3,2-2,8 35,2-35,6
chudy węgiel 1-3 14-12 90,5-91,5 4,0-3,75 2,8-2,5 35,2-35,5
antracyt wysoki <2 <12 > 91,5 <3,75 <2,0 35,0-35,3

Ze względu na dużą zawartość wody wartość opałowa surowego węgla brunatnego jest tylko o 2/3 mniejsza niż węgla kamiennego.

Węgiel zawiera również azot w zakresie od około 0,8% do około 2%, siarkę w zakresie od około 0,2% do około 3%, w pojedynczych przypadkach nawet więcej. Wraz ze wzrostem uwęglenia maleją składniki lotne, zawartość wodoru i tlenu, wzrasta wartość opałowa.

brązowy węgiel

Obecnie węgiel brunatny - zmielony i wysuszony - jest używany prawie wyłącznie jako paliwo do wytwarzania energii elektrycznej . Znacznie zmniejszył się udział produkcji, która jest prasowana w brykiety . Węgiel brunatny ma kolor od brązowego do czarnego i ma wysoką zawartość wilgoci do 50 procent. Ich zawartość węgla w bezwodnym węglu wynosi 65-70%. Zawartość siarki wynosi do 3%. Wydobywany jest głównie w górnictwie odkrywkowym .

W Niemczech istnieją trzy duże obszary wydobycia węgla brunatnego:

Największą niemiecką firmą produkującą węgiel brunatny jest RWE Rheinbraun AG z Kolonii , której brykiety są sprzedawane pod nazwą Union-Brikett .

Czas powstania węgla brunatnego to trzeciorzęd . Podobnie jak w przypadku węgla kamiennego, rolę odgrywa tu również drewno z martwych drzew, które przeszło proces uwęglenia pod ciśnieniem i przy braku powietrza. Węgiel brunatny powstał jednak w nowszej epoce geologicznej, dlatego różni się jakościowo od węgla kamiennego, na przykład wyższą zawartością siarki oraz gruboziarnistą, luźną i porowatą masą bazową, w której mogą występować duże wtrącenia (czasem całe pnie). być znalezionym.

W przypadku węgla brunatnego rozróżnia się węgiel brunatny, węgiel brunatny matowy i brunatny miękki. Rodzaje o dużej zawartości lotnych składników można przerabiać na koks w koksowni . W zależności od temperatury procesu uzyskuje się tlenie lub Grudekoks . Koks z węgla brunatnego jest stosowany na skalę przemysłową przede wszystkim do filtracji , materiału zastępującego węgiel aktywny wykonany z drewna, który jest powszechny w skali laboratoryjnej .

Popiół lotny z węgla brunatnego jest produktem ubocznym spalania węgla brunatnego .

Według książki Gerharda Madausa o roślinach leczniczych z 1938 r. Podbiał jest jedyną rośliną, która może bez problemu rozwijać się na czystym węglu brunatnym.

Twardy węgiel

Wydobycie węgla kamiennego w pokładzie 1965
Antracyt (po lewej) i koks (po prawej)
Kopalnia średnio: I sekcja; 2. miejsce demontażu; 3. Förderberg ; 4. galeria; 5. budowa szybów; 6. Kompleks administracyjny; 7. magazyn; 8. magazyn węgla; 9. Haldenberg.

Węgiel kamienny to zbiorcze określenie węgla wyższej jakości. Powstał z rozległych drzewostanów puszczy, które w procesie zamierania zgromadziły duże ilości biomasy, podobnie jak dzieje się to obecnie na torfowisku . Depozyty te zostały częściowo pokryte w regularnych odstępach czasu (co jest, dlaczego istnieje zazwyczaj kilka węglowe szwy w twardej węgla górnictwa ) przez innych osadów , takich jak gliny i piasku / piaskowców. W rezultacie organiczny materiał wyjściowy został sprasowany i przekształcony bez dostępu powietrza oraz przy wysokich ciśnieniach i temperaturach, aż do utworzenia stałego wiązania węgla , wody i niepalnych wtrąceń mineralnych. Substancja mineralna zmienia się podczas spalania, a następnie pojawia się w postaci popiołu. Węgiel kamienny charakteryzuje się czarnym, solidnym podłożem, w którym można znaleźć inkluzje i odciski roślin prehistorycznych.

Dawne tereny górnicze w Niemczech:

Wraz z wygaśnięciem dotacji do węgla kamiennego w 2018 r. Zaprzestano wydobycia węgla kamiennego w Niemczech. Ostatnio wykonywano je w kopalniach o głębokości do 1750 metrów , albo pługiem węglowym, albo kombajnem ścianowym .

Inne warunki

Węgiel smołowy

W Bawarii (Penzberg, Peißenberg, Peiting, Hausham itp.) Wydobywano węgiel pakowy. Ich wiek odpowiada wieku węgla brunatnego. Jednak ze względu na wyższe ciśnienie górskie ma właściwości antracytowe. Tunele w dziale górniczym Muzeum Niemieckiego w Monachium zostały zbudowane z węgla kamiennego na ścianach.

Węgiel szungitowy

Skały znalezione w niektórych miejscach w Finlandii i Rosji, które zawierają do 95% węgla, są znane jako węgiel szungitowy.

Węgiel Sapropel

W różnych złożach węgla kamiennego występuje bardzo mała ilość sapropelu, który powstał z przefermentowanego szlamu. Jest miękki i łatwy do edycji, więc z. B. Figurki mogą być rzeźbione.

posługiwać się

Węgiel jest używany głównie jako paliwo stałe do wytwarzania ciepła poprzez spalanie. Do z. B. do wytwarzania energii elektrycznej w elektrowniach węglowych za pomocą wydzielanego ciepła wytwarzana jest para wodna, która z kolei napędza turbiny parowe . Aby porównać, jaką ilość energii można uzyskać z jakim węglem, zwykle stosuje się blok na węgiel kamienny .

W 2003 r. 24,4% energii pierwotnej i 40,1% energii elektrycznej na całym świecie było wytwarzane z przemysłowego wykorzystania węgla jako paliwa. Węgiel kamienny i brunatny są mniej więcej po równo reprezentowane. W nowoczesnych elektrowniach węglowych stosuje się różne techniki w celu redukcji zanieczyszczeń i zwiększenia wydajności.

Niemałą część węgla stosuje się po odpowiedniej obróbce do redukcji z rudy , zwłaszcza rudy żelaza , w wielkich piecach , a jest ważnym elementem w procesie wytapiania żeliwa .

W Wielkiej Brytanii wydobycie węgla rozwinęło się od początku XVIII wieku i stało się podstawą zapoczątkowanej tam industrializacji . Od XIX wieku węgiel był również używany do produkcji gazu miejskiego , który służył do oświetlenia ulic, gotowania i ogrzewania. W gazowniach gaz miejski pozyskiwany był z węgla metodą suchej destylacji - produktem ubocznym był koks . W XX wieku gaz miejski został w dużej mierze zastąpiony gazem ziemnym .

W XVIII wieku węgiel brunatny był używany jako barwny pigment pod nazwą Umber lub Cölln earth .

Produkty z węgla

koks

Koks jest stałą, węglową pozostałością, która jest korzystnie otrzymywana z węgla o niskiej zawartości popiołu i tłuszczu. W koksowniach lotne składniki są usuwane przez ogrzewanie ich w piecu z wyłączeniem powietrza o temperaturze wyższej niż 1000 ° C, tak aby stały węgiel i pozostały popiół stopiły się razem. Jako produkty uboczne powstają gaz koksowniczy i smoła węglowa . Proces ten, zwany koksowaniem, jest częścią procesu rafinacji węgla . Koks pali się prawie niewidocznym niebieskim płomieniem. Nie ma sadzy ani widocznego dymu. Koks jest używany jako paliwo i jako środek redukujący w produkcji żelaza w wielkich piecach. Ma matowoszary kolor, jest twardy i porowaty.

Brykiety

Brykiety produkowane są metodą tłoczenia, głównie z węgla brunatnego. Brykiety z węgla kamiennego (węgle jajeczne) mają niewielkie znaczenie w przypadku pożarów domów w Niemczech, sprzedawane są tylko te wykonane z antracytu.

Upłynnianie węgla

Skraplanie węgla odnosi się do procesów chemicznych, w których powstają ciekłe węglowodory ze stałego węgla. Proces bezpośredniego uwodornienia węgla został wykorzystany do produkcji gazów, gaźników i olejów napędowych. Motywacją do masowego wykorzystywania upłynniania węgla jest zastępowanie ropy naftowej jako surowca dla sektora petrochemicznego i energetycznego. Procesy stają się ważniejsze, gdy ropa naftowa nie jest dostępna w wystarczających ilościach.

Kwestie środowiskowe i klimatyczne

Ekstrakcja

Pokosy tworzenia się chmur parowych w chłodniach kominowych elektrowni na węgiel brunatny w pobliżu Kolonii Niederaußem

Wydobycie węgla w górnictwie odkrywkowym wiąże się z ogromną ilością ziemi . Podczas gdy w Niemczech tylko węgiel brunatny wydobywa się w kopalniach odkrywkowych, w innych krajach z. Czasami w ten sposób wydobywa się węgiel kamienny, na przykład w kopalni El Cerrejón w Kolumbii, największej kopalni węgla kamiennego w Ameryce Południowej o powierzchni około 690 km².

Inną formą jest v. za. Wydobywanie ze szczytów gór praktykowane w amerykańskich Appalachach , w którym szczyty gór są najpierw wysadzane i usuwane, aby następnie móc wydobywać węgiel w górnictwie odkrywkowym. W samych tylko Appalachach obszary górnicze obecnie (2012 r.) Rozciągają się na obszarze około 5700 kilometrów kwadratowych, często są to pierwotne obszary leśne. Ponadto podczas wydobycia uwalniane są metale ciężkie, takie jak arsen i rtęć, które zanieczyszczają środowisko i zagrażają zdrowiu okolicznych mieszkańców, a często zdarzają się powodzie, ponieważ rzeki są często zasypywane przez osadzanie się nadkładu w dolinach.

Aby móc jak najpełniej eksploatować złoża, przenosi się czasem całe wsie, co może prowadzić do potencjalnego konfliktu z ludnością (patrz też lista odkopanych miast ). W pewnych okolicznościach niszczone są również obszary szczególnie cenne ekologicznie lub kulturowo - przykładem jest krajobraz stawu Lacoma i wieś Lakoma , która musiała ustąpić miejsca kopalni odkrywkowej Cottbus-Nord , a także liczne wsie w osadzie łużyckiej. obszar, który musiał ustąpić w ciągu ostatnich kilkudziesięciu lat lub w niektórych przypadkach do dziś, jest zagrożony (patrz Mühlrose ).

W kopalniach odkrywkowych węgla brunatnego, podobnie jak na rozległych, suchych polach w rolnictwie, mogą powstawać duże ilości pyłu. Dlatego konieczne jest stosowanie skutecznej technologii kontroli zapylenia.

Innym aspektem jest obniżenie poziomu wód gruntowych do poziomu poniżej najgłębszego poziomu wydobycia w odkrywkowym górnictwie węgla brunatnego. Odbywa się to za pomocą pomp głębinowych w specjalnie utworzonych studniach. Obniżenie poziomu wód gruntowych może mieć negatywny wpływ na florę , ponieważ górne warstwy gleby mogą wysychać. Obniżenie prowadzi również do wysychania pobliskich studni, które pobierają wodę z dotkniętej warstwy wodonośnej .

I odwrotnie, zamknięcie kopalni odkrywkowej prowadzi do wzrostu poziomu wód gruntowych, gdy tylko pompy głębinowe zostaną wyłączone. Może to doprowadzić do poważnych uszkodzeń budynków wybudowanych w okolicy. Dobrze znanym tego przykładem jest obszar wokół miasta Korschenbroich , którego mieszkańcy borykają się z podnoszącym się poziomem wód gruntowych od czasu stopniowego zamykania kopalni odkrywkowej Garzweiler I.

Z kopalni węgla ulatnia się również metan będący gazem cieplarnianym .

spalanie

Zanieczyszczenie powietrza z elektrowni węglowej w USA
Elektrownie węglowe są przyczyną zanieczyszczenia powietrza w miastach takich jak Pekin.

Podczas spalania węgla wytwarzany jest dwutlenek węgla , para wodna i inne gazy, takie jak dwutlenek siarki , a także zanieczyszczenia, takie jak popiół lotny , drobny pył i metale ciężkie, które są szkodliwe dla środowiska i zdrowia . W porównaniu z innymi paliwami kopalnymi wykorzystywanymi w dużych ilościach, największa ilość dwutlenku węgla (CO 2 ) będącego gazem cieplarnianym jest uwalniana w przeliczeniu na użyteczną zawartość energii . Ze względu na niższą sprawność elektrownie na węgiel brunatny (ok. 1080 g CO 2 / kWh ) są mniej korzystne niż elektrownie na węgiel kamienny (ok. 800 g CO 2 / kWh). Uwalnianie CO 2 podczas spalania z tlenem można ograniczyć jedynie poprzez poprawę sprawności elektrowni, a tym samym zmniejszenie zużycia węgla. Oprócz CO 2 emitowanego bezpośrednio w elektrowniach i zakładach przemysłowych, dalsze CO 2 może być uwalniane poprzez niepożądane pożary węgla .

Dwutlenek siarki , który jest wytwarzany w szczególności gdy węgiel brunatny jest spalane , jest częściowo odpowiedzialna za kwaśnego deszczu . W nowoczesnych elektrowniach na węgiel kamienny i brunatny spaliny są oczyszczane z dwutlenku siarki w instalacjach odsiarczania spalin (patrz również gips z IOS ), tlenków azotu poprzez odazotowanie katalityczne ( SCR ) lub niekatalityczne ( SNCR ) oraz pył w separatorach elektrycznych. Popiół powstający podczas spalania węgla zawiera zwiększone stężenia metali ciężkich, takich jak: B. arsen i rtęć , ale także pierwiastki promieniotwórcze uran i tor . Ze względu na emisję pyłów, szczególnie w krajach, w których obowiązują tylko niskie przepisy dotyczące ochrony środowiska, występuje poważne, niezdrowe zanieczyszczenie powietrza, a także ściśle związany z nim smog . To duży problem, zwłaszcza w Chinach, które w dużym stopniu opierają się na węglu jako źródle energii.

Szkody środowiskowe, zdrowotne i klimatyczne są negatywnymi skutkami wykorzystywania węgla, które nie są ponoszone przez zanieczyszczających, ale przez ogół społeczeństwa. W kategoriach ekonomicznych mówi się o tzw. kosztach zewnętrznych . Te społeczne i ekologiczne koszty konwencjonalnej produkcji energii mają znaczący wpływ, a w niektórych przypadkach nawet przekraczają ceny dla odbiorców końcowych energii elektrycznej. Na przykład dla USA koszty zewnętrzne wytwarzania energii elektrycznej z węgla określono na 175–523 mld USD rocznie, przy ostrożnie wyliczonej średniej prawdopodobnej 345 mld USD lub 17,8 ct / kWh. Niektóre negatywne skutki następcze, takie jak B. Skutki środowiskowe poprzez uwalnianie toksycznych chemikaliów i metali ciężkich do środowiska, eutrofizację wód poprzez dopływ azotu, wtórne skutki kwaśnych deszczy i niektóre konsekwencje globalnego ocieplenia.

Wyjście węgla

Aby zminimalizować szkody dla środowiska, zdrowia i klimatu powodowane przez wytwarzanie energii i nadal być w stanie osiągnąć cel dwóch stopni , za konieczne uważa się odejście od wytwarzania energii elektrycznej z węgla. Jeśli cel dwustopniowy ma zostać osiągnięty z prawdopodobieństwem większym niż 50%, to według danych IPCC maksymalnie od 870 do 1240 gigaton (miliardów ton) dwutlenku węgla może zostać uwolnionych w latach 2011-2050 . Po przeliczeniu na rezerwy oznacza to, że w kontekście globalnym około jednej trzeciej zasobów ropy naftowej, połowy zasobów gazu ziemnego i ponad 80% zasobów węgla nie może zostać spalone. Dlatego centralnym elementem transformacji energetycznej jest odejście od węgla.

Silny jeszcze kilka lat temu wzrost rozbudowy elektrowni węglowych w ostatnim czasie stracił na sile; od 2010 roku tylko jedna trzecia planowanych elektrowni węglowych została faktycznie wdrożona na całym świecie. W Chinach i USA zużycie węgla spada i oddziela się od wzrostu gospodarczego. Kilka rządów dąży do znacznego ograniczenia lub całkowitego wycofania węgla. Kanadyjska prowincja Ontario była pierwszą dużą jednostką administracyjną, która wycofała węgiel do 2014 roku. Aby zmniejszyć emisję CO 2 i smog, 12 z 34 chińskich prowincji chce zmniejszyć zużycie węgla.

Zobacz też

literatura

linki internetowe

Wikisłownik: Węgiel drzewny  - wyjaśnienia znaczeń, pochodzenie słów, synonimy, tłumaczenia
Commons :  Album węglowy ze zdjęciami, filmami i plikami audio
Wikicytaty:  Cytaty o węglu

Indywidualne dowody

  1. Węgiel brunatny specjalny. Zarchiwizowane od oryginału w dniu 12 stycznia 2012 r . ; Źródło 3 marca 2015 r .
  2. a b Strona internetowa Energy Watch Group : Zasięg węgla jest wyraźnie zawyżony ( Memento z 28 stycznia 2016 r. w Internet Archive ) (3 kwietnia 2007 r.; PDF; 146 kB), ostatni dostęp 28 stycznia 2016 r.
  3. David Hibbett, Robert Blanchette, Paul Kenrick, Benjamin Mills: Klimat, rozkład i śmierć lasów węglowych . W: Current Biology . taśma 26 , nie. 13 , 2016, s. R563-567 , doi : 10.1016 / j.cub.2016.01.014 (alternatywny dostęp do pełnego tekstu: Clark University ).
  4. ^ Hans Murawski, Wilhelm Meyer: Słownik geologiczny. Wydanie XII. Spektrum Akademischer Verlag, 2010, ISBN 978-3-8274-1810-4 , s. 97, 121.
  5. Dimitrios Floudas, Manfred Binder, Robert Riley i 68 innych autorów: The Paleozoic Origin of Enzymatic Lignin Decomposition Reconstructed from 31 Fungal Genomes . W: Science . taśma 336 , nie. 6089 , 2012, s. 1715–1719 , doi : 10.1126 / science.1221748 (alternatywny dostęp do pełnego tekstu: Clark University ).
  6. ^ Nicola Armaroli , Vincenzo Balzani : Energia dla zrównoważonego świata - od epoki ropy naftowej do napędzanej słońcem przyszłości . Wiley-VCH 2011, s. 86.
  7. Węgiel brunatny w Niemczech 2013. Bundesverband Braunkohle, dostęp 6 marca 2015 .
  8. Cena węgla z krajów trzecich. Federalne Biuro Gospodarki i Kontroli Eksportu , wejście 7 listopada 2016 r .
  9. BP plc: BP Statistical Review of World Energy 2018. Londyn, 2018 ( PDF 6,5 MB), s. 38
  10. a b BGR: Energy Study 2015. Zasoby, zasoby i dostępność surowców energetycznych (19). Hanower 2015 ( online )
  11. ^ Wilhelm Gumz, Lothar Hardt: Krótka instrukcja paliw i technologii spalania. Springer-Verlag, 1962, ISBN 978-3-642-51615-3 , s. 203 (tabela 5-9)
  12. a b c węgla. Internetowa encyklopedia nauk o Ziemi
  13. a b Jennifer MK O'Keefe, Achim Bechtel, Kimon Christanis i 10 innych autorów: O fundamentalnej różnicy między stopniem a rodzajem węgla. Międzynarodowy Dziennik Geologii Węgla. Vol. 118, 2013, s. 58–87, doi: 10.1016 / j.coal.2013.08.007 (alternatywny dostęp do pełnego tekstu: Smithsonian Libraries )
  14. Węgiel Sapropel. Internetowa encyklopedia nauk o Ziemi
  15. Eberharda Lindnera; Chemia dla inżynierów; Lindner Verlag Karlsruhe, s. 258.
  16. Zasoby energetyczne 2009: Rezerwy, zasoby, dostępność, Federalny Instytut Nauk o Ziemi i Surowców (BGR), Hanower, strona 21, ISBN 978-3-9813373-1-0 .
  17. Międzynarodowa klasyfikacja rodzajów węgla; Plik PDF (149 kB).
  18. Franck i Knoop: Uszlachetnianie węgla. Chemia i Technologia, Springer-Verlag, Heidelberg; za G.Kölling i F.Schnur: Surowce chemiczne z węgla, Thieme, Stuttgart 1977.
  19. Z dala od gór . W: Die Zeit , 18 października 2007. Pobrano 16 maja 2012.
  20. Josh Gabbatiss: Z badań wynika, że ​​kopalnie węgla emitują więcej metanu niż sektor naftowo-gazowy. Carbon Brief, 24 marca 2020, dostęp 29 marca 2020 .
  21. Die Zeit, Pekin – Jak chory jest smog? , 27 lutego 2014 r.
  22. Międzynarodowa Agencja Energii: Emisje CO2 ze spalania paliw 2010 – najważniejsze informacje (PDF; 2,3 MB). Str. 37.
  23. Konrad Kleinknecht : Kto siedzi w szklarni , Piper, 2007, ISBN 978-3-492-05011-1 .
  24. POPIOŁ WĘGLOWY NA ALASCE: NASZE ZDROWIE, NASZE PRAWO WIEDZIEĆ - Raport o toksycznych chemikaliach znalezionych w odpadach po spalaniu węgla na Alasce ( Pamiątka z 18 lipca 2014 r. W archiwum internetowym ). Str. 8.
  25. a b Deutschlandfunk, carbon power: smog country China as a Climate Saver , 11 kwietnia 2014.
  26. G20: Ponad dwukrotnie większe dotacje dla elektrowni węglowych - derStandard.at. W: DerStandard.at. 26 czerwca 2019, dostęp 22 listopada 2019 (austriacki niemiecki).
  27. ^ Nicola Armaroli , Vincenzo Balzani , Ku światowi napędzanemu elektrycznością . W: Energy and Environmental Science 4, (2011), 3193-3222, s. 3195, doi : 10.1039 / c1ee01249e .
  28. ^ Epstein i in., Pełne rozliczanie kosztów cyklu życia węgla . W: Annals of the New York Academy of Sciences 1219, (2011), 73-98, s. 93, doi : 10.1111 / j.1749-6632.2010.05890.x .
  29. IPCC, trzecia grupa robocza, opublikowała wyniki: Podsumowanie dla decydentów , 13 kwietnia 2014 r.
  30. Christophe McGlade Paul Ekins , Podział geograficzny paliw kopalnych zużytego przy ograniczaniu globalnego ocieplenia do 2 ° C . Natura 517, (2015), 187-190, doi : 10.1038 / natura14016 .
  31. Germanwatch: Dowody na zmianę międzynarodowej polityki klimatycznej i energetycznej. Bonn 2015, PDF ( Pamiątka z 8 marca 2016 w Internet Archive )
  32. ^ Prowincja Ontario, komunikat prasowy, Tworzenie czystszego powietrza w Ontario - Prowincja wyeliminowała generowanie węgla , 15 kwietnia 2014 r.