Kohle

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Kohle
Sedimentgestein
Komposition
PrimärKohlenstoff
Sekundär
Braunkohle (Braunkohle)
Anthrazit (Steinkohle)

Kohle ist ein brennbares schwarzes oder bräunlich-schwarzes Sedimentgestein , das als Gesteinsschichten, sogenannte Kohleflöze , gebildet wird . Kohle ist meistens Kohlenstoff mit variablen Mengen anderer Elemente , hauptsächlich Wasserstoff , Schwefel , Sauerstoff und Stickstoff . [1] Kohle entsteht, wenn totes Pflanzenmaterial in Torf zerfällt und durch die Hitze und den Druck einer tiefen Vergrabung über Millionen von Jahren in Kohle umgewandelt wird. [2] Riesige Kohlevorkommen stammen aus ehemaligen Feuchtgebieten - genanntKohle Wälder -Das viel von der Erde tropischen Landflächen während der späten bedeckt Karbons ( Pennsylvanien ) und Permian mal. [3] [4] Viele bedeutende Kohlevorkommen sind jedoch jünger als diese und stammen aus dem Mesozoikum und dem Känozoikum .

Kohle wird hauptsächlich als Brennstoff verwendet. Während Kohle seit Tausenden von Jahren bekannt ist und verwendet wird, war ihre Verwendung vor der industriellen Revolution begrenzt . Mit der Erfindung der Dampfmaschine stieg der Kohleverbrauch. Ab 2016 bleibt Kohle ein wichtiger Brennstoff, da sie rund ein Viertel der weltweiten Primärenergie und zwei Fünftel des Stroms liefert . [5] Bei der Eisen- und Stahlherstellung und anderen industriellen Prozessen wird Kohle verbrannt.

Die Gewinnung und Verwendung von Kohle verursacht viele vorzeitige Todesfälle und viele Krankheiten. [6] Die Kohleindustrie schädigt die Umwelt , einschließlich dem durch Klimaänderungen , wie sie die größte sind anthropogene Quelle von Kohlendioxid , 14,4 Gigatonnen (Gt) in 2018 [7] , die 40% der gesamten Emissionen aus fossilen Brennstoffen ist , [8] und über 25% der gesamten globalen Treibhausgasemissionen . [9] Im Rahmen der weltweiten Energiewende haben viele Länder den Einsatz von Kohle und den UN-Generalsekretär reduziert oder eingestellthat die Regierungen gebeten, den Bau neuer Kohlekraftwerke bis 2020 einzustellen. [10] Der Kohleverbrauch erreichte 2013 seinen Höhepunkt [11], aber um das Ziel des Pariser Übereinkommens zu erreichen, die globale Erwärmung auf weit unter 2 ° C (3,6 ° F) zu halten, muss der Kohleverbrauch halbiert werden von 2020 bis 2030. [12]

Der größte Verbraucher und Importeur von Kohle ist China . China fördert fast die Hälfte der weltweiten Kohle, gefolgt von Indien mit etwa einem Zehntel. Australien macht etwa ein Drittel der weltweiten Kohleexporte aus, gefolgt von Indonesien und Russland . [13]

Etymologie

Das Wort hatte ursprünglich die Form col im Altenglischen von Proto-Germanic * kula ( n ), von der wiederum angenommen wird, dass sie von der Proto-Indo-europäischen Wurzel * g ( e ) u-lo- "lebende Kohle" stammt. [14] Zu den germanischen Verwandten gehören der altfriesische Kol , der mittelholländische Cole , der niederländische Kool , der althochdeutsche Chol , der deutsche Kohle und der altnordische Kol sowie die IrenDas Wort Gual ist auch über die indogermanische Wurzel verwandt. [14]

Geologie

Kohle besteht aus Mazeralen , Mineralien und Wasser. [15] Fossilien und Bernstein können in Kohle gefunden werden.

Formation

Beispiel chemische Struktur von Kohle

Die Umwandlung toter Vegetation in Kohle wird als Koalifizierung bezeichnet . Zu verschiedenen Zeiten in der geologischen Vergangenheit hatte die Erde dichte Wälder [16] in tief liegenden Feuchtgebieten. In diesen Feuchtgebieten begann der Prozess der Koalifizierung, als abgestorbenes Pflanzenmaterial vor biologischem Abbau und Oxidation geschützt wurde , üblicherweise durch Schlamm oder saures Wasser, und in Torf umgewandelt wurde . Dadurch wurde der Kohlenstoff in riesigen Torfmooren eingeschlossen , die schließlich tief von Sedimenten vergraben wurden. Dann, über Millionen von Jahren, verursachten die Hitze und der Druck der tiefen Bestattung den Verlust von Wasser, Methan und Kohlendioxid und erhöhten den Kohlenstoffanteil. [fünfzehn]Die Qualität der produzierten Kohle hing vom maximal erreichten Druck und der erreichten Temperatur ab, wobei Braunkohle (auch "Braunkohle" genannt) unter relativ milden Bedingungen erzeugt wurde und subbituminöse Kohle , bituminöse Kohle oder Anthrazit (auch "Steinkohle" oder "genannt". Schwarzkohle "), die wiederum mit zunehmender Temperatur und steigendem Druck erzeugt wird. [2] [17]

Von den Faktoren, die an der Koalifizierung beteiligt sind, ist die Temperatur viel wichtiger als der Druck oder die Zeit der Bestattung. [18] Subbituminöse Kohle kann sich bereits bei Temperaturen von 35 bis 80 ° C bilden, während Anthrazit eine Temperatur von mindestens 180 bis 245 ° C erfordert. [19]

Obwohl Kohle aus den meisten geologischen Perioden bekannt ist, wurden 90% aller Kohlebetten in der Karbon- und Perm- Periode abgelagert , was nur 2% der geologischen Geschichte der Erde entspricht. [20] Paradoxerweise war dies während des spätpaläozoischen Eishauses , einer Zeit globaler Vereisung . Allerdings ausgesetzt der Rückgang der globale Meeresspiegel begleitet die Vergletscherung kontinentale shelfs , die untergetaucht worden war, und diese wurden breit hinzugefügt Flussdeltas erzeugt durch erhöhte Erosion aufgrund des Rückgangs der Basisebene . Diese weit verbreiteten Feuchtgebiete boten ideale Bedingungen für die Kohlebildung.[21] Die rasche Bildung von Kohle endete mit der Kohlelücke beim Aussterben der Perm-Trias , wo Kohle selten ist. [22]

Eine günstige Geographie allein erklärt nicht die ausgedehnten kohlenstoffhaltigen Kohlebetten. [23] Andere Faktoren, die zur raschen Ablagerung von Kohle beitrugen, waren hohe Sauerstoffgehalte von über 30%, die intensive Waldbrände und die Bildung von Holzkohle förderten , die durch Zersetzung von Organismen so gut wie unverdaulich war. hohe Kohlendioxidwerte , die das Pflanzenwachstum fördern; und die Natur der Karbonwälder, zu denen Lykophytenbäume gehörten , deren bestimmtes Wachstum dazu führte, dass Kohlenstoff nicht lange Zeit im Kernholz lebender Bäume gebunden war . [24]

Eine Theorie besagt, dass einige Pflanzen vor etwa 360 Millionen Jahren die Fähigkeit entwickelt haben, Lignin zu produzieren , ein komplexes Polymer, das ihre Zellulosestämme viel härter und holziger macht. Die Fähigkeit, Lignin zu produzieren, führte zur Entwicklung der ersten Bäume . Bakterien und Pilze entwickelten jedoch nicht sofort die Fähigkeit, Lignin zu zersetzen, so dass das Holz nicht vollständig zerfiel, sondern unter Sedimenten vergraben wurde und sich schließlich in Kohle verwandelte. Vor etwa 300 Millionen Jahren entwickelten Pilze und andere Pilze diese Fähigkeit und beendeten die Hauptperiode der Kohlebildung in der Erdgeschichte. [25]Eine Studie aus dem Jahr 2016 widerlegte diese Idee jedoch weitgehend und fand umfangreiche Hinweise auf einen Ligninabbau während des Karbonismus, und dass Verschiebungen der Ligninhäufigkeit keinen Einfluss auf die Kohlebildung hatten. Sie schlugen vor, dass klimatische und tektonische Faktoren eine plausibelere Erklärung seien. [26]

Ein wahrscheinlicher tektonischer Faktor waren die Central Pangean Mountains , eine enorme Reichweite entlang des Äquators, die in der Nähe dieser Zeit ihre größte Höhe erreichte. Klimamodelle deuten darauf hin, dass die Central Pangean Mountains zur Ablagerung großer Mengen Kohle im späten Karbon beigetragen haben. Die Berge bildeten das ganze Jahr über ein Gebiet mit starken Niederschlägen, ohne die für ein Monsunklima typische Trockenzeit . Dies ist notwendig für die Erhaltung von Torf in Kohlesümpfen. [27]

Kohle ist aus präkambrischen Schichten bekannt, die älter sind als Landpflanzen. Es wird vermutet, dass diese Kohle aus Algenresten stammt. [28] [29]

Manchmal sind Kohleflöze (auch als Kohlebetten bekannt) mit anderen Sedimenten in einem Zyklothem eingebettet . Es wird angenommen, dass Zyklotheme ihren Ursprung in Gletscherzyklen haben , die Schwankungen des Meeresspiegels hervorrufen , die abwechselnd große Gebiete des Festlandsockels freilegen und dann überfluten. [30]

Chemie der Koalifizierung

Moderner Torf besteht hauptsächlich aus Lignin. Die Cellulose- und Hemicellulosekomponente liegt im Bereich von 5% bis 40%. Verschiedene andere organische Verbindungen wie Wachse und stickstoff- und schwefelhaltige Verbindungen sind ebenfalls vorhanden. [31] Lignine sind Polymere von Monolignolen , einer Familie von Alkoholen, deren gemeinsames Merkmal ein Benzolring mit einer Allylalkoholseitenkette ist. Diese werden durch Kohlenhydratketten unter Bildung des Lignins vernetzt, dessen Gesamtzusammensetzung ungefähr (C 31 H 34 O 11 ) n [32] beträgt. Cellulose ist ein Polymer aus Glucose mit der ungefähren Formel (C 6 H)10 O 5 ) n. [33] Lignin hat eine Gewichtszusammensetzung von etwa 54% Kohlenstoff, 6% Wasserstoff und 30% Sauerstoff, während Cellulose eine Gewichtszusammensetzung von etwa 44% Kohlenstoff, 6% Wasserstoff und 49% Sauerstoff aufweist. Steinkohle hat eine Zusammensetzung von etwa 84,4% Kohlenstoff, 5,4% Wasserstoff, 6,7% Sauerstoff, 1,7% Stickstoff und 1,8% Schwefel, bezogen auf das Gewicht. [34] Dies impliziert, dass chemische Prozesse während der Koalifizierung den größten Teil des Sauerstoffs und einen Großteil des Wasserstoffs entfernen müssen, wobei Kohlenstoff zurückbleibt, ein Prozess, der als Carbonisierung bezeichnet wird . [35]

Die Carbonisierung erfolgt hauptsächlich durch Dehydratisierung , Decarboxylierung und Demethanisierung. Durch Dehydratisierung werden Wassermoleküle aus der reifenden Kohle durch Reaktionen wie [36] entfernt.

2 R-OH → R-O-R + H 2 O.
2 R-CH 2 -O-CH 2 -R → R-CH = CH-R + H 2 O.

Die Decarboxylierung entfernt Kohlendioxid aus der reifenden Kohle und verläuft durch Reaktionen wie [36]

RCOOH → RH + CO 2

während die Demethanisierung durch Reaktion wie z

2 R-CH 3 → R-CH 2 -R + CH 4

In jeder dieser Formeln repräsentiert R den Rest eines Cellulose- oder Ligninmoleküls, an das die reagierenden Gruppen gebunden sind.

Dehydratisierung und Decarboxylierung finden früh in der Koalifizierung statt, während die Demethanisierung erst beginnt, nachdem die Kohle bereits den bituminösen Rang erreicht hat. [37] Die Decarboxylierung bewirkt eine Verringerung des Sauerstoffanteils, während eine Demethanisierung den Wasserstoffanteil verringert. Dehydratisierung bewirkt beides und verringert auch die Sättigung des Kohlenstoffgerüsts (Erhöhung der Anzahl der Doppelbindungen zwischen Kohlenstoff).

Mit fortschreitender Carbonisierung werden aliphatische Verbindungen (Kohlenstoffverbindungen, die durch Ketten von Kohlenstoffatomen gekennzeichnet sind) durch aromatische Verbindungen (Kohlenstoffverbindungen, die durch Ringe von Kohlenstoffatomen gekennzeichnet sind) ersetzt, und aromatische Ringe beginnen, zu polyaromatischen Verbindungen (verknüpfte Ringe von Kohlenstoffatomen) zu verschmelzen . [38] Die Struktur ähnelt zunehmend Graphen , dem Strukturelement von Graphit.

Chemische Veränderungen gehen mit physikalischen Veränderungen einher, wie z. B. einer Abnahme der durchschnittlichen Porengröße. [39] Die Mazerale (organische Partikel) der Braunkohle bestehen aus Huminit , das erdig aussieht . Wenn die Kohle zu subbituminöser Kohle reift, wird Huminit durch glasartiges (glänzendes) Vitrinit ersetzt . [40] Die Reifung von Steinkohle ist durch Bitumenisierung gekennzeichnet , bei der ein Teil der Kohle in Bitumen , ein kohlenwasserstoffreiches Gel, umgewandelt wird. [41] Die Reifung zu Anthrazit ist durch eine Debitumenisierung (durch Demethanisierung) und die zunehmende Neigung des Anthrazits gekennzeichnet, mit einer Conchoidalfraktur zu brechen, ähnlich wie dickes Glas bricht. [42]

Typen

Küstenexposition der Point Aconi Seam in Nova Scotia
Vom United States Geological Survey verwendetes Kohle-Ranking-System

Da geologische Prozesse im Laufe der Zeit unter geeigneten Bedingungen Druck auf totes biotisches Material ausüben , steigt sein metamorpher Grad oder Rang sukzessive an in:

  • Torf , ein Vorläufer der Kohle
  • Braunkohle oder Braunkohle, der niedrigste und gesundheitsschädlichste Kohlenrang [43], wird fast ausschließlich als Brennstoff für die Stromerzeugung verwendet
  • Subbituminöse Kohle , deren Eigenschaften zwischen denen von Braunkohle und denen von Bitumenkohle liegen, wird hauptsächlich als Brennstoff für die Erzeugung von Dampfstrom verwendet.
  • Steinkohle , ein dichtes Sedimentgestein, normalerweise schwarz, aber manchmal dunkelbraun, oft mit gut definierten Streifen aus hellem und mattem Material. Es wird hauptsächlich als Brennstoff zur Erzeugung von Dampfstrom und zur Herstellung von Koks verwendet . In Großbritannien als Dampfkohle bekannt und historisch zur Dampferzeugung in Dampflokomotiven und Schiffen verwendet
  • Anthrazit , der höchste Kohlenrang, ist eine härtere, glänzende Schwarzkohle, die hauptsächlich für die Heizung von Wohn- und Gewerbeflächen verwendet wird .
  • Graphit ist schwer zu entzünden und wird üblicherweise nicht als Brennstoff verwendet. Es wird am häufigsten in Stiften verwendet oder zur Schmierung pulverisiert .

Kanalkohle (manchmal auch " Kerzenkohle " genannt) ist eine Sorte feinkörniger, hochrangiger Kohle mit erheblichem Wasserstoffgehalt, die hauptsächlich aus Liptinit besteht .

Es gibt mehrere internationale Standards für Kohle. [44] Die Einstufung von Kohle basiert im Allgemeinen auf dem Gehalt an flüchtigen Bestandteilen . Der wichtigste Unterschied besteht jedoch zwischen thermischer Kohle (auch als Dampfkohle bekannt), die zur Stromerzeugung über Dampf verbrannt wird. und metallurgische Kohle (auch als Kokskohle bekannt), die bei hoher Temperatur zu Stahl verbrannt wird .

Das Hiltsche Gesetz ist eine geologische Beobachtung, dass (innerhalb eines kleinen Gebiets) je tiefer die Kohle gefunden wird, desto höher ihr Rang (oder Grad) ist. Dies gilt, wenn der Wärmegradient vollständig vertikal ist. Metamorphose kann jedoch unabhängig von der Tiefe zu seitlichen Rangänderungen führen. Beispielsweise wurden einige der Kohleflöze des Kohlefeldes in Madrid, New Mexico , durch Kontaktmetamorphose von einer magmatischen Schwelle teilweise in Anthrazit umgewandelt, während der Rest der Flöze als Steinkohle erhalten blieb. [45]

Geschichte

Chinesische Bergleute in einer Illustration der 1637 veröffentlichten Enzyklopädie von Tiangong Kaiwu

Die früheste anerkannte Verwendung stammt aus dem Gebiet von Shenyang in China, wo um 4000 v. Chr. Neolithische Einwohner damit begonnen hatten, Ornamente aus schwarzer Braunkohle zu schnitzen. [46] Kohle aus der Fushun- Mine im Nordosten Chinas wurde bereits 1000 v. Chr. Zum Schmelzen von Kupfer verwendet . [47] Marco Polo , der Italiener, der im 13. Jahrhundert nach China reiste, beschrieb Kohle als "schwarze Steine ​​... die wie Holzscheite brennen" und sagte, Kohle sei so reichlich vorhanden, dass die Menschen drei heiße Bäder pro Woche nehmen könnten. [48] In Europa stammt der früheste Hinweis auf die Verwendung von Kohle als Brennstoff aus der geologischen Abhandlung über Steine (Runde 16) des griechischen Wissenschaftlers Theophrastus(ca. 371–287 v. Chr.): [49] [50]

Unter den Materialien, die ausgegraben werden, weil sie nützlich sind, bestehen die als Anthrakes [Kohlen] bekannten aus Erde und brennen, sobald sie in Brand gesteckt werden, wie Holzkohle [Anthrakes]. Sie sind in Ligurien zu finden ... und in Elis, wenn man sich Olympia über die Bergstraße nähert; und sie werden von denen verwendet, die in Metallen arbeiten.

-  Theophrastus auf Steinen (16) [51]

Outcrop Kohle wurde in Großbritannien während der verwendeten Bronzezeit (3000-2000 BC), wo es Teil gebildet Beerdigung Haufen . [52] [53] Im römischen Großbritannien , mit Ausnahme von zwei modernen Feldern, " beuteten die Römer bis zum Ende des zweiten Jahrhunderts n. Chr. Kohlen auf allen großen Kohlefeldern in England und Wales aus". [54] In der römischen Siedlung in Heronbridge bei Chester wurden Hinweise auf den Handel mit Kohle aus dem Jahr 200 n. Chr. Gefunden . und in den Fenlands von East Anglia , wo Kohle aus demMidlands wurde über den Car Dyke zum Trocknen von Getreide transportiert. [55] In den Herden von Villen und römischen Festungen , insbesondere in Northumberland , wurden um das Jahr 400 n. Chr. Kohlenschlacken gefunden. Im Westen Englands beschrieben zeitgenössische Schriftsteller das Wunder einer permanenten Kohlenpfanne auf dem Altar von Minerva in Aquae Sulis (heutiges Bad ), obwohl in der Tat leicht zugängliche Oberflächenkohle aus dem Somerset-Kohlefeld in recht niedrigen Wohngebieten vor Ort gebräuchlich war. [56]Es wurden Hinweise auf die Verwendung von Kohle für die Eisenverarbeitung in der Stadt während der Römerzeit gefunden. [57] In Eschweiler , Rheinland , wurden von den Römern Steinkohlevorkommen zum Schmelzen von Eisenerz verwendet . [54]

Bergmann in Großbritannien, 1942

Es gibt keine Beweise dafür, dass das Produkt in Großbritannien vor etwa 1000 n. Chr., Dem Hochmittelalter , von großer Bedeutung war . [58] Kohle wurde im 13. Jahrhundert als "Seekohle" bezeichnet. Der Kai, an dem das Material in London ankam, war als Seacoal Lane bekannt, was in einer 1253 erteilten Charta von König Heinrich III . identifiziert wurde . [59] Ursprünglich wurde der Name vergeben, weil am Ufer viel Kohle gefunden wurde, die von den exponierten gefallen war Kohleflöze auf Klippen über oder aus Unterwasser-Kohlevorkommen ausgewaschen [58], aber zur Zeit Heinrichs VIII. wurde davon ausgegangen , dass sie von der Art und Weise abgeleitet waren, wie sie auf dem Seeweg nach London gebracht wurden. [60] 1257–1259 Kohle aus Newcastle upon Tynewurde für die Schmiede und Kalkbrenner , die Westminster Abbey bauen, nach London verschifft . [58] Seacoal Lane und Newcastle Lane, wo Kohle an Kais entlang der Flussflotte abgeladen wurde , existieren noch. [61]

Diese leicht zugänglichen Quellen waren im 13. Jahrhundert, als die unterirdische Gewinnung durch Schachtabbau oder Stollen entwickelt wurde, weitgehend erschöpft (oder konnten die wachsende Nachfrage nicht befriedigen) . [52] Der alternative Name war "Pitcoal", weil er aus Minen stammte. Die Entwicklung der industriellen Revolution führte zum großflächigen Einsatz von Kohle, da die Dampfmaschine das Wasserrad übernahm . 1700 wurden in Großbritannien fünf Sechstel der weltweiten Kohle abgebaut. Großbritannien hätte in den 1830er Jahren keine geeigneten Standorte für Wassermühlen mehr gehabt, wenn Kohle nicht als Energiequelle verfügbar gewesen wäre. [62] 1947 gab es in Großbritannien etwa 750.000 Bergleute. [63]Aber die letzte tiefe Kohlenmine in Großbritannien wurde 2015 geschlossen. [64]

Eine Sorte zwischen Steinkohle und Anthrazit war einst als "Dampfkohle" bekannt, da sie häufig als Brennstoff für Dampflokomotiven verwendet wurde . In dieser speziellen Verwendung wird es in den Vereinigten Staaten manchmal als "Seekohle" bezeichnet. [65] Kleine " Dampfkohle ", auch trockene kleine Dampfmuttern (DSSN) genannt, wurde als Brennstoff für die Warmwasserbereitung verwendet .

Kohle spielte im 19. und 20. Jahrhundert eine wichtige Rolle in der Industrie. Der Vorgänger der Europäischen Union , die Europäische Gemeinschaft für Kohle und Stahl , basierte auf dem Handel mit dieser Ware. [66]

Kohle kommt weiterhin an Stränden auf der ganzen Welt an, sowohl durch natürliche Erosion freiliegender Kohleflöze als auch durch windgepeitschte Verschmutzungen von Frachtschiffen. Viele Haushalte in solchen Gebieten sammeln diese Kohle als bedeutende und manchmal primäre Quelle für Heizöl. [67]

Emissionsintensität

Die Emissionsintensität ist das Treibhausgas, das über die Lebensdauer eines Generators pro erzeugter Stromeinheit emittiert wird. Die Emissionsintensität von Kohlekraftwerken ist hoch, da sie pro erzeugter kWh etwa 1000 g CO2eq ausstoßen, während Erdgas eine mittlere Emissionsintensität von etwa 500 g CO2eq pro kWh aufweist. Die Emissionsintensität von Kohle variiert je nach Typ und Generatortechnologie und übersteigt in einigen Ländern 1200 g pro kWh. [68]

Energiedichte

Die Energiedichte von Kohle beträgt ungefähr 24 Megajoule pro Kilogramm [69] (ungefähr 6,7 Kilowattstunden pro kg). Für ein Kohlekraftwerk mit einem Wirkungsgrad von 40% werden geschätzte 325 kg Kohle benötigt, um eine 100-W-Glühbirne ein Jahr lang mit Strom zu versorgen. [70]

27,6% der Weltenergie wurden 2017 durch Kohle geliefert, und Asien verbrauchte fast drei Viertel davon. [71]

Chemie

Komposition

Die Zusammensetzung der Kohle wird entweder als unmittelbare Analyse (Feuchtigkeit, flüchtige Stoffe, fester Kohlenstoff und Asche) oder als endgültige Analyse (Asche, Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff und Schwefel) angegeben. Die "flüchtige Substanz" existiert nicht für sich (mit Ausnahme von etwas adsorbiertem Methan), sondern bezeichnet die flüchtigen Verbindungen, die durch Erhitzen der Kohle erzeugt und vertrieben werden. Eine typische Steinkohle kann eine endgültige Analyse auf trockener, aschefreier Basis von 84,4% Kohlenstoff, 5,4% Wasserstoff, 6,7% Sauerstoff, 1,7% Stickstoff und 1,8% Schwefel auf Gewichtsbasis aufweisen. [34]

Die Zusammensetzung der Asche in Bezug auf Oxide variiert: [34]

Aschezusammensetzung, Gewichtsprozent
SiO
2
20-40
Al
2
Ö
3
10-35
Fe
2
Ö
3
5-35
CaO1-20
MgO0,3-4
TiO
2
0,5-2,5
N / A
2
O
& K.
2
Ö
1-4
SO
3
0,1-12 [72]

Weitere Nebenkomponenten sind:

Durchschnittlicher Inhalt
SubstanzInhalt
Quecksilber (Hg)0,10 ± 0,01  ppm [73]
Arsen (As)1,4–71 ppm [74]
Selen (Se)3 ppm [75]

Kokskohle und Verwendung von Koks zum Schmelzen von Eisen

Koksofen in einer rauchfreien Brennstoffanlage in Wales , Vereinigtes Königreich

Koks ist ein fester kohlenstoffhaltiger Rückstand aus Kokskohle (eine aschearme, schwefelarme Steinkohle, auch als metallurgische Kohle bekannt ), die zur Herstellung von Stahl und anderen Eisenprodukten verwendet wird. [76] Koks wird aus Kokskohle hergestellt, indem in einem Ofen ohne Sauerstoff bei Temperaturen von bis zu 1.000 ° C gebacken, die flüchtigen Bestandteile vertrieben und der feste Kohlenstoff und die restliche Asche miteinander verschmolzen werden. Metallurgischer Koks wird als Brennstoff und als Reduktionsmittel beim Schmelzen von Eisenerz in einem Hochofen verwendet . [77] Das bei seiner Verbrennung entstehende Kohlenmonoxid reduziert Hämatit (anEisenoxid ) zu Eisen .

Kohlendioxidabfälle entstehen auch ( ) 4Fe + 3CO2}}}"> zusammen mit Roheisen , das zu reich an gelöstem Kohlenstoff ist und daher weiter behandelt werden muss, um Stahl herzustellen.

Kokskohle sollte wenig Asche, Schwefel und Phosphor enthalten , damit diese nicht zum Metall wandern. [76] Der Koks muss stark genug sein , um dem Gewicht der Ablagerungen im Hochofen standzuhalten, weshalb Kokskohle bei der Herstellung von Stahl auf herkömmlichem Weg so wichtig ist. Koks aus Kohle ist grau, hart und porös und hat einen Heizwert von 29,6 MJ / kg. Einige Kokereierzeugnisse produzieren Nebenprodukte, einschließlich Kohlenteer , Ammoniak , Leichtöle und Kohlengas .

Petrolkoks (Petrolkoks) ist der feste Rückstand, der bei der Ölraffination anfällt. Er ähnelt Koks, enthält jedoch zu viele Verunreinigungen, um für metallurgische Anwendungen nützlich zu sein.

Verwendung in Gießereikomponenten

Fein gemahlene Steinkohle, in dieser Anwendung als Seekohle bekannt, ist Bestandteil von Gießereisand . Während sich das geschmolzene Metall in der Form befindet , verbrennt die Kohle langsam, setzt unter Druck reduzierende Gase frei und verhindert so, dass das Metall in die Poren des Sandes eindringt. Es ist auch in "Formwäsche" enthalten, einer Paste oder Flüssigkeit mit der gleichen Funktion, die vor dem Gießen auf die Form aufgetragen wird. [78] Seekohle kann mit der Tonauskleidung (dem "Bod") gemischt werden, die für den Boden eines Kuppelofens verwendet wird . Beim Erhitzen zersetzt sich die Kohle und der Körper wird leicht bröckelig, was das Aufbrechen von Löchern zum Gewindeschneiden der Metallschmelze erleichtert. [79]

Alternativen zu Cola

Stahlschrott kann in einem Lichtbogenofen recycelt werden . und eine Alternative zur Herstellung von Eisen durch Schmelzen ist direkt reduziertes Eisen , bei dem jeder kohlenstoffhaltige Brennstoff zur Herstellung von Schwamm oder pelletisiertem Eisen verwendet werden kann. Zur Verringerung der Kohlendioxidemissionen kann Wasserstoff als Reduktionsmittel [80] und Biomasse oder Abfall als Kohlenstoffquelle verwendet werden. [81] In der Vergangenheit wurde Holzkohle als Alternative zu Koks in einem Hochofen verwendet, wobei das resultierende Eisen als Holzkohleeisen bekannt ist .

Vergasung

Die Kohlevergasung wird im Rahmen eines Kohlekraftwerks mit integriertem Vergasungskombikreislauf (IGCC) zur Erzeugung von Synthesegas , einer Mischung aus Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H 2 ) -Gas zur Erzeugung von Strom zur Erzeugung von Elektrizität verwendet. Synthesegas kann nach dem Fischer-Tropsch-Verfahren auch in Transportkraftstoffe wie Benzin und Diesel umgewandelt werden . Alternativ kann Synthesegas in Methanol umgewandelt werden , das direkt in Kraftstoff eingemischt oder über das Methanol-Benzin-Verfahren in Benzin umgewandelt werden kann. [82] Die Sasol verwendete eine Vergasung in Kombination mit der Fischer-Tropsch-TechnologieChemieunternehmen aus Südafrika zur Herstellung von Chemikalien und Kraftstoffen für Kraftfahrzeuge aus Kohle. [83]

Während der Vergasung wird die Kohle mit Sauerstoff und Dampf gemischt, während sie gleichzeitig erhitzt und unter Druck gesetzt wird. Während der Reaktion oxidieren Sauerstoff- und Wassermoleküle die Kohle zu Kohlenmonoxid (CO) und setzen gleichzeitig Wasserstoffgas (H 2 ) frei. Dies geschah früher in unterirdischen Kohlengruben und auch zur Herstellung von Stadtgas, das an Kunden geleitet wurde, um es zum Beleuchten, Heizen und Kochen zu verbrennen.

3C ( als Kohle ) + O 2 + H 2 O → H 2 + 3CO

Wenn der Raffinierer Benzin produzieren möchte, wird das Synthesegas in eine Fischer-Tropsch-Reaktion geleitet. Dies ist als indirekte Kohleverflüssigung bekannt. Wenn jedoch Wasserstoff das gewünschte Endprodukt ist, wird das Synthesegas in die Wassergas-Shift-Reaktion eingespeist , wo mehr Wasserstoff freigesetzt wird:

CO + H 2 O → CO 2 + H 2

Verflüssigung

Kohle kann durch Hydrierung oder Karbonisierung direkt in synthetische Kraftstoffe umgewandelt werden , die Benzin oder Diesel entsprechen . [84] Bei der Kohleverflüssigung wird mehr Kohlendioxid freigesetzt als bei der Produktion von Flüssigbrennstoffen aus Rohöl . Das Einmischen von Biomasse und die Verwendung von CCS würden etwas weniger als der Ölprozess emittieren, jedoch zu hohen Kosten. [85] Die staatliche China Energy Investment betreibt eine Kohleverflüssigungsanlage und plant den Bau von zwei weiteren. [86]

Die Kohleverflüssigung kann sich auch auf die Ladungsgefahr beim Versand von Kohle beziehen. [87]

Herstellung von Chemikalien

Herstellung von Chemikalien aus Kohle

Chemikalien werden seit den 1950er Jahren aus Kohle hergestellt. Kohle kann als Ausgangsmaterial für die Herstellung einer Vielzahl chemischer Düngemittel und anderer chemischer Produkte verwendet werden. Der Hauptweg zu diesen Produkten war die Kohlevergasung zur Erzeugung von Synthesegas . Zu den Primärchemikalien, die direkt aus dem Synthesegas hergestellt werden, gehören Methanol , Wasserstoff und Kohlenmonoxid. Dies sind die chemischen Bausteine, aus denen ein ganzes Spektrum derivativer Chemikalien hergestellt wird, darunter Olefine , Essigsäure , Formaldehyd , Ammoniak , Harnstoff und andere. Die Vielseitigkeit von SynthesegasAls Vorstufe für Primärchemikalien und hochwertige Derivate bietet sich die Möglichkeit, mit Kohle eine breite Palette von Rohstoffen zu produzieren. Im 21. Jahrhundert wird jedoch die Verwendung von Kohleflözmethan immer wichtiger. [88]

Da der Schiefer chemischer Produkte, der durch Kohlevergasung hergestellt werden kann, im Allgemeinen auch Rohstoffe aus Erdgas und Erdöl verwenden kann , tendiert die chemische Industrie dazu, die Rohstoffe zu verwenden, die am kostengünstigsten sind. Daher stieg das Interesse an der Verwendung von Kohle tendenziell aufgrund höherer Öl- und Erdgaspreise und in Zeiten hohen globalen Wirtschaftswachstums, die die Öl- und Gasproduktion belastet haben könnten.

Kohle zu chemischen Prozessen erfordert erhebliche Mengen Wasser. [89] Ein Großteil der Kohle für die chemische Produktion befindet sich in China [90] [91], wo kohleabhängige Provinzen wie Shanxi Schwierigkeiten haben, ihre Umweltverschmutzung zu kontrollieren. [92]

Stromerzeugung

Vorverbrennungsbehandlung

Raffinierte Kohle ist das Produkt einer Technologie zur Aufbereitung von Kohle, mit der Feuchtigkeit und bestimmte Schadstoffe aus niederrangigen Kohlen wie subbituminösen und Braunkohle (Braunkohle) entfernt werden. Es ist eine Form von mehreren Vorverbrennungsbehandlungen und -verfahren für Kohle, die die Eigenschaften der Kohle verändern, bevor sie verbrannt wird. Verbesserungen des thermischen Wirkungsgrads können durch eine verbesserte Vortrocknung erreicht werden (insbesondere relevant für Kraftstoff mit hoher Feuchtigkeit wie Braunkohle oder Biomasse). [93] Ziel der Kohleverbrennungstechnologien ist es, die Effizienz zu steigern und die Emissionen beim Verbrennen der Kohle zu senken. Die Vorverbrennungstechnologie kann manchmal als Ergänzung zu Nachverbrennungstechnologien zur Kontrolle der Emissionen von Kohlekesseln verwendet werden.

Kraftwerksverbrennung

Kohlewagen

Kohle, die als fester Brennstoff in Kohlekraftwerken zur Stromerzeugung verbrannt wird, wird als thermische Kohle bezeichnet. Kohle wird auch verwendet, um durch Verbrennung sehr hohe Temperaturen zu erzeugen. Frühe Todesfälle aufgrund von Luftverschmutzung wurden auf 200 pro GW-Jahr geschätzt, sie können jedoch in Kraftwerken, in denen keine Gaswäscher verwendet werden, höher oder niedriger sein, wenn sie weit von Städten entfernt sind. [94] Die weltweiten Bemühungen, den Einsatz von Kohle zu reduzieren, haben einige Regionen dazu veranlasst, auf Erdgas und Strom aus kohlenstoffärmeren Quellen umzusteigen.

Wenn Kohle zur Stromerzeugung verwendet wird , wird sie normalerweise pulverisiert und dann in einem Ofen mit Kessel verbrannt . [95] Die Ofenwärme wandelt Kesselwasser in Dampf um , der dann zum Drehen von Turbinen verwendet wird, die Generatoren drehen und Strom erzeugen. [96] Der thermodynamische Wirkungsgrad dieses Prozesses variiert zwischen etwa 25% und 50%, abhängig von der Vorverbrennungsbehandlung, der Turbinentechnologie (z. B. überkritischem Dampferzeuger ) und dem Alter der Anlage. [97] [98]

Es wurden einige IGCC-Kraftwerke ( Integrated Gasification Combined Cycle ) gebaut, die Kohle effizienter verbrennen. Anstatt die Kohle zu pulverisieren und direkt als Brennstoff im Dampferzeugungskessel zu verbrennen, wird die Kohle zu Synthesegas vergast , das in einer Gasturbine zur Stromerzeugung verbrannt wird (genau wie Erdgas in einer Turbine verbrannt wird). Heiße Abgase aus der Turbine werden verwendet, um Dampf in einem Wärmerückgewinnungsdampferzeuger zu erzeugen, der eine zusätzliche Dampfturbine antreibt . Der Gesamtwirkungsgrad der Anlage bei Bereitstellung von Kraft-Wärme-Kopplung kann bis zu 94% erreichen. [99]IGCC-Kraftwerke verursachen weniger lokale Umweltverschmutzung als herkömmliche Kohlenstaubkraftwerke. Die Technologie zur Kohlenstoffabscheidung und -speicherung nach der Vergasung und vor der Verbrennung hat sich jedoch bisher als zu teuer für die Verwendung mit Kohle erwiesen. [100] Andere Möglichkeiten zur Verwendung von Kohle sind Kohle-Wasser-Güllebrennstoffe (CWS), die in der Sowjetunion entwickelt wurden , oder ein MHD-Nachfüllzyklus . Diese sind jedoch aufgrund mangelnden Gewinns nicht weit verbreitet.

Im Jahr 2017 stammten 38% des weltweiten Stroms aus Kohle, der gleiche Prozentsatz wie vor 30 Jahren. [101] Im Jahr 2018 betrug die weltweit installierte Kapazität 2 TW (davon 1 TW in China), was 30% der gesamten Stromerzeugungskapazität entspricht. [102] Das am stärksten abhängige Großland ist Südafrika, wo über 80% seines Stroms durch Kohle erzeugt wird. [103]

Der maximale Kohleverbrauch wurde 2013 erreicht. [104] Im Jahr 2018 lag der durchschnittliche Kapazitätsfaktor des Kohlekraftwerks bei 51%, dh sie wurden für etwa die Hälfte ihrer verfügbaren Betriebsstunden betrieben. [105]

Kohleindustrie

Bergbau

Jährlich werden ca. 8000 Mio. t Kohle gefördert, davon ca. 90% Steinkohle und 10% Braunkohle. Ab 2018 stammt etwas mehr als die Hälfte aus unterirdischen Minen. [106] Während des Untertagebaus ereignen sich mehr Unfälle als beim Tagebau. Nicht alle Länder veröffentlichen Statistiken zu Bergbauunfällen, so dass die weltweiten Zahlen ungewiss sind. Es wird jedoch angenommen, dass die meisten Todesfälle bei Unfällen im Kohlebergbau in China auftreten : 2017 gab es in China 375 Todesfälle im Zusammenhang mit dem Kohlebergbau. [107] Die meiste abgebaute Kohle ist thermische Kohle (auch Dampfkohle genannt, da sie zur Erzeugung von Dampf zur Stromerzeugung verwendet wird), aber metallurgische Kohle (auch "Metcoal" oder "Kokskohle" genannt, da sie zur Herstellung von Koks zur Herstellung von Eisen verwendet wird) macht 10% bis 15% des weltweiten Kohleverbrauchs aus. [108]

Als Handelsware

Ausgedehnte Kohledocks in Toledo, Ohio , 1895

China fördert fast die Hälfte der weltweiten Kohle, gefolgt von Indien mit etwa einem Zehntel. [109] Australien macht etwa ein Drittel der weltweiten Kohleexporte aus, gefolgt von Indonesien und Russland . Die größten Importeure sind Japan und Indien.

Der Preis für metallurgische Kohle ist volatil [110] und viel höher als der Preis für thermische Kohle, da metallurgische Kohle einen geringeren Schwefelgehalt aufweisen muss und mehr Reinigung erfordert. [111] Kohle-Futures-Kontrakte bieten Kohleproduzenten und der Elektrizitätswirtschaft ein wichtiges Instrument zur Absicherung und zum Risikomanagement .

In einigen Ländern kostet die neue Onshore- Wind- oder Solarenergieerzeugung bereits weniger als Kohlekraft aus bestehenden Anlagen (siehe Stromkosten nach Quelle ). [112] [113] Für China wird dies jedoch für die frühen 2020er Jahre [114] und für Südostasien erst Ende der 2020er Jahre prognostiziert . [115] In Indien ist der Bau neuer Anlagen unwirtschaftlich, und trotz der Subventionierung verlieren bestehende Anlagen Marktanteile an erneuerbare Energien. [116]

Markt-Trends

Von den Ländern, die bei weitem die meisten chinesischen Kohlebergwerke produzieren , fast die Hälfte der weltweiten Kohle, gefolgt von weniger als 10% von Indien. China ist auch bei weitem der größte Verbraucher. Daher hängen die Markttrends von der chinesischen Energiepolitik ab . [117] Obwohl die Bemühungen zur Verringerung der Umweltverschmutzung dazu führen, dass der weltweite langfristige Trend darin besteht, weniger Kohle zu verbrennen, können sich die kurz- und mittelfristigen Trends unterscheiden, was teilweise auf die chinesische Finanzierung neuer Kohlekraftwerke in anderen Ländern zurückzuführen ist. [102]

Hauptproduzenten

Kohleproduktion nach Regionen

Länder mit einer Jahresproduktion von mehr als 300 Millionen Tonnen werden angezeigt.

Kohleförderung nach Land und Jahr (Millionen Tonnen) [118] [109] [119] [13]
Land20002005201020152017Teilen (2017)
China1.38423503,2353,7473,52346%
Indien3354295746787169%
Vereinigte Staaten9741.0279848137029%
Australien3143754244854816%
Indonesien771522753924616%
Russland2622983223734115%
Rest der Welt1380140414411374143319%
Weltsumme4,7266,0357,2557,8627,727100%

Hauptverbraucher

Länder mit einem Jahresverbrauch von mehr als 500 Millionen Tonnen werden angezeigt. Die Anteile basieren auf Daten in Tonnen Öläquivalent.

Kohleverbrauch nach Land und Jahr (Millionen Tonnen) [120] [121]
Land200820092010201120122013201420152016Teilen
China2.6912,8923,3523,6774,5384,6784,5393.970 Kohle + 441 Met Koks = 4.4113.784 Kohle + 430 Met Koks = 4.21451%
Indien582640655715841837880890 Kohle + 33 Met Koks = 923877 Kohle + 37 Met Koks = 91411%
Vereinigte Staaten1.017904951910889924918724 Kohle + 12 Met Koks = 736663 Kohle + 10 Met Koks = 6739%
World Total7,6367,6998,1378,6408,9019.0138,9077.893 Kohle + 668 Met Koks = 85617.606 Kohle + 655 Met Koks = 8261100%

Hauptexporteure

Kohleexporte nach Land und Jahr (Millionen Tonnen) [122]
Land2018
Indonesien472
Australien426
Russland231
Vereinigte Staaten115
Kolumbien92
Südafrika88
Mongolei39
Kanada37
Mosambik16

Exporteure laufen Gefahr, die Importnachfrage aus Indien und China zu verringern. [123]

Hauptimporteure

Kohleimporte nach Land und Jahr (Millionen Tonnen) [124] [125]
Land2018
China281
Indien223
Japan189
Südkorea149
Taiwan76
Deutschland44
Niederlande44
Truthahn38
Malaysia34
Thailand25

Schädigung der menschlichen Gesundheit

Die Verwendung von Kohle als Brennstoff führt zu Krankheit und Todesfällen. [126] Der Abbau und die Verarbeitung von Kohle verursachen Luft- und Wasserverschmutzung. [127] Kohlekraftwerke emittieren Stickoxide, Schwefeldioxid, Partikelverschmutzung und Schwermetalle, die sich nachteilig auf die menschliche Gesundheit auswirken. [127] Die Gewinnung von Kohleflözmethan ist wichtig, um Bergbauunfälle zu vermeiden.

Der tödliche Londoner Smog wurde hauptsächlich durch den starken Einsatz von Kohle verursacht. Weltweit wird geschätzt, dass Kohle jedes Jahr 800.000 vorzeitige Todesfälle verursacht [128], hauptsächlich in Indien [129] und China. [130] [131] [132]

Die Verbrennung von Kohle ist ein Hauptemittent von Schwefeldioxid , das PM2,5- Partikel erzeugt , die gefährlichste Form der Luftverschmutzung. [133]

Kohlenschornsteinemissionen verursachen Asthma , Schlaganfälle , verminderte Intelligenz , Arterienblockaden , Herzinfarkte , Herzinsuffizienz , Herzrhythmusstörungen , Quecksilbervergiftung , arterielle Okklusion und Lungenkrebs . [134] [135]

Die jährlichen Gesundheitskosten in Europa durch die Nutzung von Kohle zur Stromerzeugung werden auf bis zu 43 Mrd. EUR geschätzt. [136]

In China würden Verbesserungen der Luftqualität und der menschlichen Gesundheit mit einer strengeren Klimapolitik zunehmen, hauptsächlich weil die Energie des Landes so stark von Kohle abhängig ist. Und es würde einen wirtschaftlichen Nettonutzen geben. [137]

Eine Studie aus dem Jahr 2017 im Economic Journal ergab, dass für Großbritannien im Zeitraum von 1851 bis 1860 "ein Anstieg des Kohleverbrauchs um eine Standardabweichung die Kindersterblichkeit um 6 bis 8% erhöhte und dass der industrielle Kohleverbrauch etwa ein Drittel der städtischen Sterblichkeitsstrafe erklärt." während dieser Zeit beobachtet. " [138]

Das Einatmen von Kohlenstaub verursacht eine Pneumokoniose des Kohlenarbeiters, die umgangssprachlich als "schwarze Lunge" bezeichnet wird, so genannt, weil der Kohlenstaub die Lunge buchstäblich von ihrer üblichen rosa Farbe schwarz färbt. [139] Allein in den Vereinigten Staaten sterben jedes Jahr schätzungsweise 1.500 ehemalige Mitarbeiter des Steinkohlenbergbaus an den Folgen des Einatmens von Kohlengrubenstaub. [140]

Jährlich werden große Mengen an Kohlenasche und anderen Abfällen produziert. Durch die Verwendung von Kohle entstehen jedes Jahr Hunderte Millionen Tonnen Asche und andere Abfallprodukte. Diese umfassen Flugasche , Bodenasche und Rauchgasentschwefelung Schlamms, die enthalten Quecksilber , Uran , Thorium , Arsen und andere Schwermetalle sowie Nichtmetalle wie zum Beispiel Selen . [141]

Rund 10% der Kohle sind Asche: [142] Kohleasche ist gefährlich und giftig für Menschen und einige andere Lebewesen. [143] Kohlenasche enthält die radioaktiven Elemente Uran und Thorium . Kohlenasche und andere Nebenprodukte der festen Verbrennung werden lokal gelagert und entweichen auf verschiedene Weise, wodurch diejenigen, die in der Nähe von Kohlekraftwerken leben, Strahlung und Umweltgiften ausgesetzt sind. [144]

Schaden für die Umwelt

Luftaufnahme des Standorts der Kingston Fossil Plant, die am Tag nach dem Ereignis aufgenommen wurde

Kohlebergbau und Kohleverbrennung von Kraftwerken und industriellen Prozessen können erhebliche Umweltschäden verursachen. [145]

Wassersysteme sind vom Kohlebergbau betroffen. [146] Zum Beispiel beeinflusst Bergbau Grundwasser und Grundwasserspiegel Ebene und Säure. Verschüttetes Flugasche, wie das Verschütten von Flugasche aus der Kingston Fossil Plant-Kohle , kann auch Land und Wasserwege kontaminieren und Häuser zerstören. Kraftwerke, die Kohle verbrennen, verbrauchen ebenfalls große Mengen Wasser. Dies kann die Flüsse beeinflussen und hat Auswirkungen auf andere Landnutzungen. In Gebieten mit Wasserknappheit wie der Thar-Wüste in Pakistan würden Kohlebergbau und Kohlekraftwerke erhebliche Mengen Wasser verbrauchen. [147]

Einer der frühesten bekannten Auswirkungen von Kohle auf den Wasserkreislauf war saurer Regen . Im Jahr 2014 wurden ungefähr 100 Tg / S Schwefeldioxid (SO 2 ) freigesetzt, von denen mehr als die Hälfte aus der Verbrennung von Kohle stammte. [148] Nach der Freisetzung wird das Schwefeldioxid zu H 2 SO 4 oxidiert, wodurch die Sonnenstrahlung gestreut wird. Daher wirkt sich die Zunahme der Atmosphäre kühlend auf das Klima aus. Dies maskiert vorteilhafterweise einen Teil der Erwärmung, die durch erhöhte Treibhausgase verursacht wird. Der Schwefel wird jedoch innerhalb weniger Wochen als saurer Regen aus der Atmosphäre ausgefällt [149].Während Kohlendioxid Hunderte von Jahren in der Atmosphäre verbleibt. Die Freisetzung von SO 2 trägt auch zur weit verbreiteten Versauerung von Ökosystemen bei. [150]

Stillgelegte Kohlengruben können ebenfalls Probleme verursachen. Über Tunneln kann es zu Senkungen kommen, die die Infrastruktur oder das Ackerland beschädigen. Der Kohlebergbau kann auch lang anhaltende Brände verursachen, und es wurde geschätzt, dass zu einem bestimmten Zeitpunkt Tausende von Kohleflözbränden brennen. [151] Zum Beispiel brennt Brennender Berg seit 1668 und brennt noch im 21. Jahrhundert. [152]

Bei der Herstellung von Koks aus Kohle entstehen Ammoniak , Kohlenteer und gasförmige Verbindungen als Nebenprodukte, die bei Einleitung in Land, Luft oder Wasser die Umwelt verschmutzen können. [153] Das Whyalla-Stahlwerk ist ein Beispiel für eine Koksproduktionsanlage, in der flüssiges Ammoniak in die Meeresumwelt eingeleitet wurde. [154]

Unterirdische Brände

Tausende Kohlebrände brennen auf der ganzen Welt. [155] Diejenigen, die unter der Erde brennen, können schwer zu lokalisieren sein und viele können nicht gelöscht werden. Brände können dazu führen, dass der Boden oben nachlässt, ihre Verbrennungsgase lebensgefährlich sind und ein Ausbruch an die Oberfläche Waldbrände auslösen kann . Kohleflöze können durch Selbstentzündung oder Kontakt mit einem Minen- oder Oberflächenbrand in Brand gesetzt werden. Blitzeinschläge sind eine wichtige Zündquelle. Die Kohle brennt weiterhin langsam in die Naht zurück, bis Sauerstoff (Luft) die Flammenfront nicht mehr erreichen kann. Ein Grasbrand in einem Kohlegebiet kann Dutzende von Kohleflözen in Brand setzen. [156] [157]Bei Kohlebränden in China werden jährlich schätzungsweise 120 Millionen Tonnen Kohle verbrannt, wobei 360 Millionen Tonnen CO 2 freigesetzt werden, was 2–3% der jährlichen weltweiten CO 2 -Produktion aus fossilen Brennstoffen entspricht . [158] [159] In Centralia, Pennsylvania (eine Gemeinde befindet sich in der Kohleregion der Vereinigten Staaten), eine Vene von Anthrazit 1962 aufgrund eines Müllfeuer in der Stadt Mülldeponie entzündet ausgesetzt, in einem verlassenen befindet Anthrazit Tagebau Grube . Versuche, das Feuer zu löschen, waren erfolglos und es brennt bis heute unter der Erde . Der australische brennende BergEs wurde ursprünglich angenommen, dass es sich um einen Vulkan handelt, aber der Rauch und die Asche stammen von einem Kohlenfeuer, das seit etwa 6.000 Jahren brennt. [160]

In Kuh i Malik im Yagnob-Tal in Tadschikistan brennen seit Tausenden von Jahren Kohlevorkommen, wodurch riesige unterirdische Labyrinthe voller einzigartiger Mineralien entstehen, von denen einige sehr schön sind.

Das rötliche Schlicksteingestein, das viele Grate und Buttes im Powder River Basin in Wyoming und im Westen von North Dakota bedeckt , wird Porzellanit genannt , das dem "Klinker" oder der vulkanischen " Schlacke " ähnelt . [161] Klinker ist Gestein, das durch die natürliche Verbrennung von Kohle verschmolzen wurde. Im Powder River Basin wurden in den letzten drei Millionen Jahren etwa 27 bis 54 Milliarden Tonnen Kohle verbrannt. [162] Wilde Kohlebrände in der Region wurden von der Lewis and Clark Expedition sowie von Forschern und Siedlern in der Region gemeldet . [163]

Klimawandel

Der größte und langfristigste Effekt des Kohleverbrauchs ist die Freisetzung von Kohlendioxid, einem Treibhausgas , das den Klimawandel verursacht . Kohlekraftwerke trugen 2018 am stärksten zum Wachstum der globalen CO 2 -Emissionen bei [164], 40% der gesamten Emissionen fossiler Brennstoffe [8] und mehr als ein Viertel der Gesamtemissionen. [165] [Anmerkung 1] Beim Kohlebergbau kann Methan, ein weiteres Treibhausgas, freigesetzt werden. [166] [167]

Im Jahr 2016 Welt - Brutto Kohlendioxid - Emissionen aus der Kohlenutzung waren 14,5 Gigatonnen. [168] Für jede erzeugte Megawattstunde stößt die mit Kohle befeuerte Stromerzeugung etwa eine Tonne Kohlendioxid aus, was doppelt so viel ist wie etwa 500 kg Kohlendioxid, das von einem mit Erdgas befeuerten Elektrizitätswerk freigesetzt wird . [169] 2013 riet der Leiter der UN-Klimabehörde, die meisten Kohlenreserven der Welt im Boden zu belassen, um eine katastrophale globale Erwärmung zu vermeiden. [170] Um die globale Erwärmung unter 1,5 ° C oder 2 ° C zu halten, müssen Hunderte oder möglicherweise Tausende von Kohlekraftwerken vorzeitig stillgelegt werden. [171]

Verschmutzungsminderung

Emissionskontrolle in einem Kohlekraftwerk

Die Verringerung der Kohleverschmutzung , manchmal auch als saubere Kohle bezeichnet, ist eine Reihe von Systemen und Technologien, mit denen die gesundheitlichen und ökologischen Auswirkungen von Kohle gemindert werden sollen . [172] insbesondere Luftverschmutzung durch Kohlekraftwerke und durch von der Schwerindustrie verbrannte Kohle .

Das Hauptaugenmerk liegt auf Schwefeldioxid (SO 2) und Stickoxiden (NO x) , den wichtigsten Gasen, die sauren Regen verursachten . und Partikel, die sichtbare Luftverschmutzung, Krankheit und vorzeitige Todesfälle verursachen. SO 2 kann durch Rauchgasentschwefelung und NO 2 durch selektive katalytische Reduktion (SCR) entfernt werden. Partikel können mit Elektrofiltern entfernt werden . Nasswäscher sind zwar möglicherweise weniger effizient, können jedoch sowohl Gase als auch Partikel entfernen. Die Reduzierung der Flugasche reduziert die Emissionen vonradioaktive Materialien . Die Quecksilberemissionen können um bis zu 95% reduziert werden. [173] Die Erfassung der Kohlendioxidemissionen aus Kohle ist jedoch im Allgemeinen wirtschaftlich nicht rentabel.

Standards

Zu den lokalen Verschmutzungsnormen gehören GB13223-2011 (China), Indien [174], die Richtlinie über Industrieemissionen (EU) und das Gesetz über saubere Luft (USA) .

Satellitenüberwachung

Die Satellitenüberwachung wird jetzt verwendet, um nationale Daten zu überprüfen. Beispielsweise hat Sentinel-5 Precursor gezeigt, dass die chinesische Kontrolle von SO 2 nur teilweise erfolgreich war. [175] Es hat sich auch gezeigt, dass ein geringer Einsatz von Technologien wie SCR in Südafrika und Indien zu hohen NO 2 -Emissionen geführt hat . [176]

Kombikraftwerke

Einige Kohlekraftwerke mit integriertem Vergasungskombikreislauf (IGCC) wurden mit Kohlevergasung gebaut . Obwohl sie Kohle effizienter verbrennen und daher weniger Umweltverschmutzung verursachen, hat sich die Technologie für Kohle im Allgemeinen nicht als wirtschaftlich erwiesen, außer möglicherweise in Japan, obwohl dies umstritten ist. [177] [178]

Kohlenstoffabscheidung und -speicherung

Obwohl immer noch intensiv erforscht und für andere Zwecke als für Kohle als wirtschaftlich rentabel angesehen wird; Die Kohlenstoffabscheidung und -speicherung wurde in den Kohlekraftwerken Petra Nova und Boundary Dam getestet und als technisch machbar, aber für die Verwendung mit Kohle wirtschaftlich nicht rentabel befunden, da die Kosten für die Solar-PV-Technologie gesenkt wurden. [179]

Wirtschaft

Im Jahr 2018 wurden 80 Mrd. USD in die Kohleversorgung investiert, jedoch fast ausschließlich zur Aufrechterhaltung des Produktionsniveaus, anstatt neue Minen zu eröffnen. [180] Langfristig könnten Kohle und Öl die Welt Billionen Dollar pro Jahr kosten. [181] [182] Kohle allein kann Australien Milliarden kosten, [183] während die Kosten für einige kleinere Unternehmen oder Städte Millionen von Dollar betragen könnten. [184] Die durch Kohle am stärksten geschädigten Volkswirtschaften (durch den Klimawandel) sind möglicherweise Indien und die USA, da sie die Länder mit den höchsten sozialen Kohlenstoffkosten sind . [185] Bankdarlehen zur Finanzierung von Kohle sind ein Risiko für die indische Wirtschaft. [129]

China ist der größte Kohleproduzent der Welt. Es ist der weltweit größte Energieverbraucher und Kohle in China liefert 60% seiner Primärenergie. Es wird jedoch geschätzt, dass zwei Fünftel der chinesischen Kohlekraftwerke Verluste machen. [114]

Die Luftverschmutzung durch die Lagerung und Handhabung von Kohle kostet die USA aufgrund von PM2.5 fast 200 Dollar für jede zusätzliche gelagerte Tonne. [186] Die Kohleverschmutzung kostet die EU jedes Jahr 43 Mrd. EUR. [187] Maßnahmen zur Verringerung der Luftverschmutzung kommen dem Einzelnen finanziell und der Wirtschaft von Ländern [188] [189] wie China zugute . [190]

Subventionen

Die allgemein definierten Gesamtsubventionen für Kohle im Jahr 2015 wurden auf rund 2,5 Billionen US-Dollar geschätzt, was etwa 3% des globalen BIP entspricht . [191] Ab 2019 gewähren die G20- Länder mindestens 63,9 Milliarden US-Dollar [164] staatliche Unterstützung pro Jahr für die Produktion von Kohle, einschließlich Kohlekraft: Viele Subventionen sind nicht quantifizierbar [192] , umfassen jedoch 27,6 Milliarden US-Dollar Inländische und internationale öffentliche Finanzen, steuerliche Unterstützung in Höhe von 15,4 Mrd. USD und Investitionen in staatliche Unternehmen (SOE) in Höhe von 20,9 Mrd. USD pro Jahr. [164] In der EU sind staatliche Beihilfen für neue Kohlekraftwerke ab 2020 und für bestehende Kohlekraftwerke ab 2025 verboten. [193] Allerdings staatliche Förderung für neue Kohlekraftwerke wird über mitgeliefertes Exim Bank of China , [194] die Japan Bank for International Cooperation und indischen öffentlichen Banken. [195] Kohle in Kasachstan war 2017 der Hauptempfänger von Subventionen für den Kohleverbrauch in Höhe von insgesamt 2 Mrd. USD. [196] Kohle in der Türkei profitierte von erheblichen Subventionen.

Gestrandete Vermögenswerte

Einige Kohlekraftwerke könnten zu gestrandeten Vermögenswerten werden , beispielsweise riskiert China Energy Investment , das weltweit größte Energieunternehmen, die Hälfte seines Kapitals zu verlieren. [114] Staatliche Elektrizitätsversorger wie Eskom in Südafrika, Perusahaan Listrik Negara in Indonesien, Sarawak Energy in Malaysia, Taipower in Taiwan, EGAT in Thailand, Vietnam Electricity und EÜAŞ in der Türkei bauen oder planen neue Anlagen. [194] Ab 2019 kann dies dazu beitragen, eine Kohlenstoffblase zu verursachenDies könnte zu finanzieller Instabilität führen, wenn es platzt. [197]

Politik

Länder wie China, Indien und Japan, die neue Kohlekraftwerke bauen oder finanzieren, werden zunehmend international kritisiert, weil sie die Ziele des Pariser Abkommens behindern . [102] Im Jahr 2019 kritisierten die pazifischen Inselnationen (insbesondere Vanuatu und Fidschi ) Australien dafür, dass es seine Emissionen nicht schneller als bisher gesenkt habe, und führten Bedenken hinsichtlich der Überschwemmung und Erosion der Küste an. [198]

Korruption

Korruptionsvorwürfe werden in Indien [199] und China untersucht. [200]

Opposition gegen Kohle

Protest gegen Schäden am Great Barrier Reef durch den Klimawandel in Australien
Baumhäuser für den Protest gegen das Fällen eines Teils des Hambacher Waldes für die Hambach-Oberflächenmine in Deutschland: Danach wurde das Fällen 2018 ausgesetzt

Die Ablehnung der Kohleverschmutzung war einer der Hauptgründe, warum die moderne Umweltbewegung im 19. Jahrhundert begann.

Übergang von der Kohle weg

Um die globalen Klimaziele zu erreichen und diejenigen mit Strom zu versorgen, die derzeit nicht über Kohle verfügen, muss die Kohlekraft bis 2040 von fast 10.000 TWh auf weniger als 2.000 TWh reduziert werden. [201] Das Auslaufen von Kohle hat kurzfristige gesundheitliche und ökologische Vorteile die die Kosten übersteigen, [202] aber einige Länder bevorzugen immer noch Kohle [203], und es gibt viele Meinungsverschiedenheiten darüber, wie schnell sie auslaufen sollte. [204] [205] Viele Länder, wie die Powering Past Coal Alliance , haben jedoch bereits oder werden von Kohle abgewichen. [206] Der bislang größte angekündigte Übergang war Deutschland, das sein letztes Kohlekraftwerk zwischen 2035 und 2038 stilllegen soll. [207]Einige Länder nutzen die Ideen eines " gerechten Übergangs ", um beispielsweise einige der Vorteile des Übergangs zu nutzen, um Bergarbeitern vorzeitige Renten zu gewähren. [208] Allerdings tiefliegenden Pazifik - Inseln sind betroffen wird der Übergang nicht schnell genug ist und dass sie durch überschwemmt werden Anstieg des Meeresspiegels ; Deshalb forderten sie die OECD- Länder auf, die Kohle bis 2030 und andere Länder bis 2040 vollständig aus dem Verkehr zu ziehen. [198] Obwohl China einige Anlagen baute, wurde 2020 weltweit mehr Kohlekraft als gebaut - der UN-Generalsekretär sagte auch, dass die OECD Die Länder sollten bis 2030 die Stromerzeugung aus Kohle und der Rest der Welt bis 2040 einstellen.[209]

Spitzenkohle

Eine Kohlenmine in Wyoming , USA. Die Vereinigten Staaten haben die weltweit größten Kohlenreserven.

Peak Kohle ist der Spitzenverbrauch oder die Produktion von Kohle durch eine menschliche Gemeinschaft. Der weltweite Kohleverbrauch erreichte 2013 seinen Höhepunkt und war bis Ende der 2010er Jahre leicht gesunken. [210] [211] Der Höhepunkt des Anteils der Kohle am globalen Energiemix war 2008, als Kohle 30% der weltweiten Energieerzeugung ausmachte. [210] Der Rückgang des Kohleverbrauchs ist hauptsächlich auf Verbrauchsrückgänge in den USA und in Europa sowie auf Industrieländer in Asien zurückzuführen. [210] 2019 steigt die Produktion in den Ländern. wie China, Indonesien, Indien, Russland und Australien; entsprach den Rückgängen in den Vereinigten Staaten und in Europa [211], aber der strukturelle Niedergang der Kohle setzte sich in den 2020er Jahren fort. [212]

Spitzenkohle kann durch Spitzennachfrage oder Spitzenangebot angetrieben werden. In der Vergangenheit wurde allgemein angenommen, dass die Angebotsseite aufgrund der Erschöpfung der Kohlenreserven letztendlich Spitzenkohle treiben würde . Seit den zunehmenden globalen Bemühungen zur Begrenzung des Klimawandels wurde die Spitzenkohle jedoch von der Nachfrage getrieben, die unter dem Spitzenverbrauch von 2013 blieb. [210] Dies ist zum großen Teil auf den raschen Ausbau von Erdgas und erneuerbaren Energien zurückzuführen. [210] Viele Länder haben sich verpflichtet, die Kohle aus dem Verkehr zu ziehen , obwohl Schätzungen zufolge die Kohlevorkommen des Projekts die Kapazität haben, bei dem derzeitigen Verbrauchsniveau Jahrhunderte lang zu halten. In einigen Ländern [ welche? ]]Der Kohleverbrauch könnte Anfang der 2020er Jahre noch steigen. [213]

Wechseln Sie zu saubereren Kraftstoffen und einer geringeren CO2-Stromerzeugung

Bei der Kohleverbrennung wird etwa doppelt so viel Kohlendioxid freigesetzt - etwa eine Tonne pro erzeugter Megawattstunde - wie bei der Verbrennung von Erdgas mit 500 kg Treibhausgas pro Megawattstunde. [214] Neben der Stromerzeugung ist Erdgas in einigen Ländern auch zum Heizen und als Kraftstoff für Kraftfahrzeuge beliebt .

Der Einsatz von Kohle im Vereinigten Königreich ging aufgrund der Entwicklung des Nordseeöls und des anschließenden Gasdrucks in den neunziger Jahren zurück. In Kanada haben einige Kohlekraftwerke wie das Hearn- Kraftwerk von Kohle auf Erdgas umgestellt. Im Jahr 2017 lieferte Kohlekraft in den USA 30% des Stroms, verglichen mit etwa 49% im Jahr 2008 [215] [216] [217], da reichlich kostengünstiges Erdgas durch hydraulisches Brechen dichter Schieferformationen gewonnen wurde . [218]

Kohlenregionen im Übergang

Einige Kohlebergbauregionen sind stark von Kohle abhängig. [219]

Beschäftigung

Einige Bergleute befürchten, dass ihre Arbeitsplätze während des Übergangs verloren gehen könnten. [220] Ein gerechter Übergang von Kohle wird von der Europäischen Bank für Wiederaufbau und Entwicklung unterstützt . [221]

Bioremediation

Der Weißfäulepilz Trametes versicolor kann auf natürlich vorkommender Kohle wachsen und diese metabolisieren. [222] Es wurde festgestellt, dass das Bakterium Diplococcus Kohle abbaut und seine Temperatur erhöht. [223]

Kulturelle Nutzung

Kohle ist das offizielle Staatsmineral von Kentucky [224] und das offizielle Staatsgestein von Utah ; [225] Beide US-Bundesstaaten haben eine historische Verbindung zum Kohlebergbau.

Einige Kulturen halten , dass Kinder , die misbehave nur ein Stück Kohle aus erhalten Weihnachtsmann für Weihnachten in ihren Weihnachtsstrümpfe statt Geschenke.

In Schottland und im Norden Englands ist es auch üblich und glücklich, am Neujahrstag Kohle zu verschenken . Dies geschieht im Rahmen von First-Footing und steht für Wärme für das kommende Jahr.

Siehe auch

Verweise

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