Kohle
On Januar 16, 2022 by admin
Kohle, ein natürlich vorkommender brennbarer Feststoff, ist eine der wichtigsten und reichlich vorhandenen Energiequellen der Welt. Von ihrer Einführung vor 4.000 Jahren als Brennstoff zum Heizen und Kochen bis zu ihrer Verwendung im 19. und 20. Jahrhundert zur Stromerzeugung und als chemischer Rohstoff ist Kohle neben Erdöl und Erdgas eine wichtige Energiequelle geblieben. Allein die Vereinigten Staaten verfügen über 1,7 Billionen Tonnen an nachgewiesenen Kohleressourcen (natürliche Vorkommen) und genügend förderbare Reserven (Kohle, die für die Nutzung erschlossen werden kann), um ihren Energiebedarf bis zum Jahr 2225 zu decken. Die nachgewiesenen Reserven umfassen 274 Milliarden kurze Tonnen, die mit bestehenden Technologien abgebaut werden können, was 25 % der weltweit vorhandenen 1,08 Billionen kurzen Tonnen abbaubarer Kohle entspricht, sowie 508 Milliarden kurze Tonnen Kohle, die mit bestehenden Technologien potenziell wirtschaftlich abgebaut werden können. Die förderbaren Reserven enthalten mehr als doppelt so viel Energie wie die nachgewiesenen Ölreserven des Nahen Ostens. Etwa 100 Länder verfügen über förderbare Reserven; 12 Länder – darunter Kanada, die Volksrepublik China, Russland, Polen, Australien, Großbritannien, Südafrika, Deutschland, Indien, Brasilien und Kolumbien – besitzen die größten Reserven.
Ursprung, Zusammensetzung und Struktur der Kohle
Geologen gehen davon aus, dass sich die unterirdischen Kohlevorkommen vor etwa 250-300 Millionen Jahren bildeten, als ein Großteil der Erde mit dichten Wäldern und Pflanzen bedeckt war. Als die Pflanzen und Bäume abstarben, sanken sie unter die feuchte Erdoberfläche, wo Sauerstoffmangel ihren Zerfall verlangsamte und zur Bildung von Torf führte. Neue Wälder und Pflanzen ersetzten die abgestorbene Vegetation, und als die neuen Wälder und Pflanzen abstarben, versanken auch sie im sumpfigen Boden. Mit der Zeit und der damit verbundenen Wärmeentwicklung bildeten sich unterirdische Schichten
der abgestorbenen Vegetation begannen sich anzusammeln, wurden dicht gepackt und komprimiert und ließen verschiedene Arten von Kohle mit unterschiedlichem Kohlenstoffgehalt entstehen: Anthrazit, bituminöse Kohle, subbituminöse Kohle und Braunkohle. Der englische Geologe William Hutton (1798-1860) kam 1833 zu diesem Schluss, als er durch mikroskopische Untersuchungen feststellte, dass alle Kohlesorten pflanzliche Zellen enthielten und pflanzlichen Ursprungs waren, wobei sie sich nur durch die Vegetation unterschieden, aus der sie bestanden. Aufgrund ihres Ursprungs aus alter lebendiger Materie wird Kohle, wie auch Öl und Gas, als fossiler Brennstoff bezeichnet. Sie kommt in Flözen oder Adern in Sedimentgestein vor; die Formationen sind unterschiedlich dick, in unterirdischen Bergwerken 0,7 bis 2,4 m und in Tagebauen, wie im Westen der USA, manchmal bis zu 30,5 m.
Bis ins zwanzigste Jahrhundert wussten Chemiker nur sehr wenig über die Zusammensetzung und die Molekularstruktur der verschiedenen Kohlearten, und noch in den 1920er Jahren glaubten sie, dass Kohle aus Kohlenstoff gemischt mit wasserstoffhaltigen Verunreinigungen besteht. Ihre beiden Methoden zur Analyse oder Auftrennung der Kohle in ihre Bestandteile, die destruktive Destillation (Erhitzung unter Luftabschluss) und die Lösungsmittelextraktion (Reaktion mit verschiedenen organischen Lösungsmitteln wie Tetralin), zeigten nur, dass Kohle einen erheblichen Anteil an Kohlenstoff und kleinere Anteile der Elemente Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Schwefel enthielt. Anorganische Verbindungen wie Aluminium- und Siliziumoxide bilden die Asche. Bei der Destillation entstanden Teer, Wasser und Gase. Wasserstoff war der Hauptbestandteil der freigesetzten Gase, obwohl auch Ammoniak, Kohlenmonoxid- und Kohlendioxidgase, Benzol und andere Kohlenwasserstoffdämpfe vorhanden waren. (Die prozentuale Zusammensetzung einer Steinkohle ist ungefähr: Kohlenstoff, 75-90; Wasserstoff, 4,5-5,5; Stickstoff, 1-1,5; Schwefel, 1-2; Sauerstoff, 5-20; Asche, 2-10; und Feuchtigkeit, 1-10.) Ab 1910 leisteten Forschungsteams unter der Leitung von Richard Wheeler am Imperial College of Science and Technology in London, Friedrich Bergius (1884-1949) in Mannheim und Franz Fischer (1877-1938) in Mülheim wichtige Beiträge, die auf das Vorhandensein von benzolähnlichen Verbindungen in der Kohle hinwiesen. Die Bestätigung der Benzolstruktur der Kohle erfolgte jedoch erst 1925 durch die Kohleextraktions- und Oxidationsstudien von William Bone (1890-1938) und seinem Forschungsteam am Imperial College. Die als Oxidationsprodukte gewonnenen Benzol-Tri-, -Tetra- und andere höhere Carbonsäuren wiesen überwiegend aromatische Strukturen mit drei-, vier- und fünfkondensierten Benzolringen und andere Strukturen mit einem einzigen Benzolring auf. Die einfachsten Strukturen bestanden aus acht oder zehn Kohlenstoffatomen, die Strukturen mit kondensierten Ringen enthielten fünfzehn oder zwanzig Kohlenstoffatome.
Klassifizierung und Verwendung von Kohle
Europäische und amerikanische Forscher schlugen im neunzehnten und frühen zwanzigsten Jahrhundert mehrere Klassifizierungssysteme für Kohle vor. Das älteste, 1837 von Henri-Victor Regnault (1810-1878) in Paris veröffentlichte System klassifiziert die Kohlesorten nach ihrer Primäranalyse (prozentuale Bestimmung der Bestandteile), d. h. nach ihrem Anteil an Feuchtigkeit, brennbaren Stoffen, festem Kohlenstoff und Asche. Dieses System wird in abgewandelter Form immer noch von vielen amerikanischen Kohleforschern bevorzugt. Ein anderes, weit verbreitetes System, das 1919 von der britischen Wissenschaftlerin Marie Stopes (1880-1958) eingeführt wurde, klassifiziert die Kohlearten nach ihren makroskopischen Bestandteilen: clarain (gewöhnliche helle Kohle), vitrain (glänzende schwarze Kohle), durain (stumpfe raue Kohle) und fusain, auch Mineralkohle genannt (weiche pulverförmige Kohle). Ein weiteres System basiert auf der Endanalyse (Bestimmung der chemischen Elemente in Prozent), bei der die Kohlesorten nach ihrem prozentualen Anteil an gebundenem Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff (ohne Trockenasche und Schwefel) klassifiziert werden. (Der britische Kohleforscher Clarence A. Seyler entwickelte dieses System in den Jahren 1899-1900 und erweiterte es erheblich, um eine große Anzahl britischer und europäischer Kohlen zu erfassen. Da es kein universelles Klassifizierungssystem gab, entwickelte schließlich 1929 eine Gruppe von sechzig amerikanischen und kanadischen Kohleforschern, die nach den von der American Standards Association (ASA) und der American Society for Testing Materials (ASTM) aufgestellten Richtlinien arbeiteten, eine Klassifizierung, die 1936 zum Standard wurde. Sie wurde seit 1938 nicht mehr revidiert.
Das ASA-ASTM-System legte vier Kohleklassen oder -klassen fest – Anthrazit, bituminös, subbituminös und Braunkohle – basierend auf dem Gehalt an festem Kohlenstoff und dem Heizwert, gemessen in britischen Wärmeeinheiten pro Pfund (Btu/lb). Anthrazit, eine schwarze Steinkohle, die flammen- und raucharm verbrennt, hat mit 86-98 Prozent den höchsten Gehalt an gebundenem Kohlenstoff und einen Heizwert von 13.500-15.600 Btu/lb (entspricht 14,2-16,5 Millionen Joule/lb). Es dient als Brennstoff für gewerbliche und private Heizungen, für die Stromerzeugung sowie für die Eisen-, Stahl- und andere Industrien. Bituminöse (leicht-, mittel- und schwerflüchtige) Kohle, eine Weichkohle, die bei der Verbrennung Rauch und Asche erzeugt, hat einen festen Kohlenstoffgehalt von 46-86 Prozent und einen Heizwert von 11.000-15.000 Btu/lb (11,6-15,8 Millionen Joule/lb). Sie ist die weltweit am häufigsten vorkommende, wirtschaftlich abbaubare Kohle und der Hauptbrennstoff, der in mit Dampfturbinen betriebenen Stromerzeugungsanlagen verbrannt wird. Einige bituminöse Kohlen, die so genannten metallurgischen oder Kokskohlen, eignen sich aufgrund ihrer Eigenschaften für die Umwandlung in Koks, der bei der Stahlherstellung verwendet wird. Subbituminöse Kohle hat einen 46-60
Prozent fester Kohlenstoffgehalt und ein Heizwert von 8.300-13.000 Btu/lb (8,8-13,7 Millionen Joule/lb). Die vierte Klasse, die Braunkohle, eine weiche, bräunlich-schwarze Kohle, hat ebenfalls einen festen Kohlenstoffgehalt von 46-60 %, aber den niedrigsten Heizwert von 5.500-8.300 Btu/lb (5,8-8,8 Mio. Joule/lb). Beide Klassen werden hauptsächlich zur Stromerzeugung eingesetzt. Neben der Wärme- und Stromerzeugung ist Kohle auch eine wichtige Rohstoffquelle für die verarbeitende Industrie. Bei der destruktiven Destillation (Verkohlung) entstehen Kohlenwasserstoffgase und Kohlenteer, aus denen Chemiker Medikamente, Farbstoffe, Kunststoffe, Lösungsmittel und zahlreiche andere organische Chemikalien synthetisiert haben. Die Hydrierung oder Verflüssigung von Kohle unter hohem Druck und die indirekte Verflüssigung von Kohle durch Fischer-Tropsch-Synthesen sind ebenfalls potenzielle Quellen für sauber verbrennende flüssige Brennstoffe und Schmiermittel.
Umweltaspekte
Der größte Nachteil der Verwendung von Kohle als Brennstoff oder Rohmaterial ist die potenzielle Umweltverschmutzung sowohl bei der Produktion als auch beim Verbrauch. Aus diesem Grund gibt es in vielen kohleproduzierenden Ländern wie den Vereinigten Staaten seit langem Gesetze, die den Kohleabbau regeln und Mindeststandards sowohl für den Tagebau als auch für den Untertagebau festlegen. Die Kohleförderung erfolgt entweder im Tagebau oder im Untertagebau. Um Bodenerosion und eine unansehnliche Umwelt zu vermeiden, müssen die Betreiber das Land sanieren, d. h. die Gruben auffüllen und den Boden neu bepflanzen. Saures Grubenwasser ist das Umweltproblem im Zusammenhang mit dem Untertagebau. Wasser, das in die Gruben eindringt und sie manchmal überflutet, und Luftsauerstoff reagieren mit Pyrit (Eisensulfid) in der Kohle und erzeugen saures Grubenwasser. Wenn das Grubenwasser aus dem Bergwerk in nahe gelegene Flüsse, Bäche oder Seen gepumpt wird, versauert es diese. Wenn man das Grubenwasser mit Kalk neutralisiert und es sich absetzen lässt, wodurch das Vorhandensein von Eisenpyrit vor seiner Freisetzung reduziert wird, wird die saure Entwässerung kontrolliert.
Bei der Verbrennung von Kohle werden Schwefeldioxid und Stickoxide freigesetzt, die beide sauren Regen verursachen. Mit verschiedenen Methoden lässt sich die in vielen Kohlen vorhandene Schwefelmenge entfernen oder verringern oder ihre Freisetzung in die Atmosphäre verhindern. Durch Waschen der Kohle vor der Verbrennung wird pyritischer Schwefel (Schwefel in Verbindung mit Eisen oder anderen Elementen) entfernt. Die Verbrennung der Kohle in einem hochmodernen Brenner, dem so genannten Wirbelschichtbrenner, in dem sich der der Kohle zugesetzte Kalkstein während des Verbrennungsprozesses mit dem Schwefel verbindet, verhindert die Bildung von Schwefeldioxid. Durch die Wäsche des bei der Verbrennung entstehenden Rauchs wird das Schwefeldioxid entfernt, bevor es in die Atmosphäre gelangt. In einem Wäscher werden Kalkstein und Wasser in den Rauch gesprüht, damit der Kalkstein das Schwefeldioxid absorbieren und in Form eines nassen Schlamms entfernen kann. Bei verbesserten Technologien für saubere Kohle wird trockener Kalkstein in die Rohre eingespritzt, die aus dem Kessel des Kraftwerks führen, und das Schwefeldioxid wird als trockenes Pulver (CaSO 3 ) und nicht als nasser Schlamm entfernt. Durch die Wäsche werden die Stickoxide nicht entfernt, aber die Kohlenwäsche und die Wirbelschichtfeuerung, die mit einer niedrigeren Temperatur als die Kessel älterer Anlagen arbeiten, verringern die Menge der erzeugten Stickoxide und damit auch die emittierte Menge.
Saubere Kohletechnologien und Verfahren zur Umwandlung von Kohle in flüssige Brennstoffe haben zu einer saubereren Verbrennung von Kohle und synthetischen flüssigen Brennstoffen geführt, aber der saure Regen bleibt ein ernstes Problem, obwohl die Gesellschaft seine schädlichen Auswirkungen seit 1852 erkannt hat. Die globale Erwärmung durch die Emission der Treibhausgase Kohlendioxid, Methan und Fluorchlorkohlenwasserstoffe ist ein weiteres Problem der Kohleverbrennung, das Industrie und Regierung seit 1896 weitgehend ignoriert haben, das sich aber nicht mehr ohne schwerwiegende langfristige Folgen vermeiden lässt.
Schlussfolgerung
Kohle ist nach wie vor der weltweit am häufigsten vorkommende fossile Brennstoff, und zusammen mit Erdöl und Erdgas wird sie auch weiterhin den größten Teil der weltweiten Energieversorgung sicherstellen. Aber alle drei sind endliche Ressourcen, und die Gesellschaft sollte sie mit Bedacht und nicht verschwenderisch nutzen, um ihre Lebensdauer zu verlängern und ihre schädlichen Emissionen zu verringern. Die Einsparung fossiler Brennstoffe und die Entwicklung alternativer Energien wie Sonnen- und Windenergie sind der Weg zu einer saubereren Energiezukunft der Weltgesellschaft.
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