Węgle kopalne

Węgle kopalne to skały osadowe powstałe w wyniku nagromadzenia i przeobrażenia materii roślinnej. Stanowią mieszaninę różnorodnych związków organicznych, w których skład wchodzą głównie: węgiel, wodór, tlen, siarka i azot, a także substancje mineralne (np. krzemiany, siarczki i inne) oraz pierwiastki rzadkie (m.in. arsen, uran, gal, german).

W zależności od zawartości pierwiastka węgla wyróżnia się następujące gatunki węgli kopalnych, tworzących tzw. szereg węglowy:
- torf
- węgiel brunatny,
- węgiel kamienny,
- antracyt
- szungit.

Złoża węgli kopalnych powstały w różnych epokach geologicznych, głównie w paleozoiku (karbon, perm) oraz trzeciorzędzie. Większość złóż węgla formowała się od 360 do 28 mln lat temu. Węgiel powstał na bagnistych obszarach, które w tamtych czasach porastały wilgotne lasy tropikalne. Szczątki obumarłych roślin opadły na dno bagnistych jeziorzysk lub lagun, gdzie z powodu małej ilości tlenu i odpowiednich bakterii rozkładały się bardzo powoli. W pierwszej fazie rozkładu gnijące rośliny zmieniły się w torf. Procesowi temu towarzyszyło wydzielanie metanu (stąd duże jego ilości znajdują się przy pokładach węgla kamiennego). Torf nie jest w stanie samoistnie przekształcić się w węgiel. Jego pokłady muszą najpierw zostać poddane odpowiedniemu ciśnieniu. Pierwsze zgniatanie złóż torfu odbywa się pod ciężarem wciąż narastającej ilości obumarłych roślin. Z warstwy torfu o grubości od 10 do 15 m może powstać jednometrowa warstwa węgla. Po zapełnieniu bagna przez substancję roślinną, na złoża torfu osadzały się warstwy piasku i mułu. Następnie teren obniżał się, a wody morskie lub jeziorne ponownie go zalewały, dzięki czemu dochodziło do kolejnego etapu akumulacji roślinnej. Cykl ten powtarzał się wielokrotnie, dlatego mówimy, że węgiel kamienny powstał w procesie sedymentacji cyklicznej. Doprowadziła ona do powstania licznych, oddzielonych od siebie innymi skałami osadowymi, pokładów węgla. Ich grubość różni się znacznie i wynosi od kilku mm do kilku metrów. W okresie karbonu składnikiem tworzącym złoża węgla były głównie olbrzymie widłaki (lepidodendrony, sygilarie), skrzypy (kalamity), ponadto paprocie nasienne i nagozalążkowe (kordaity). W permie były to rośliny nagozalążkowe (miłorzębowe, benetyty, iglaste). Natomiast w trzeciorzędzie rośliny okrytozalążkowe. W zależności od rodzaju pierwotnej materii roślinnej wyróżnia się trzy podstawowe grupy węgli kopalnych:
1) węgle humusowe (humolity) - powstałe na torfowiskach ze szczątków flory lądowej, najbardziej w przyrodzie rozpowszechnione i najważniejsze pod względem gospodarczym,
2) węgle sapropelowe (sapropelity) - powstałe ze szczątków flory wodnej (głównie glonów), występujące zwykle jako przewarstwienia i soczewki wśród węgli humusowych,
3) węgle liptobiolitowe (liptobiolity) - powstałe przez akumulację żywiczno-woskowych składników roślin.

Przy powstawaniu węgli kopalnych wydziela się dwie fazy:
- biochemiczną - polegającą na rozkładzie substancji roślinnej w procesach hydrolizy i utleniania, przy udziale organizmów żywych (bakterie, grzyby), dzięki której dochodzi do wzbogacenia się materiału roślinnego w pierwiastek węgiel
- geochemiczną - kiedy na przeobrażoną materię przykrytą skałami osadowymi zaczynają oddziaływać wysokie ciśnienie i temperatura oraz rozpoczynają się procesy prowadzące do usunięcia składników lotnych (gazów) i koncentracji pierwiastka węgla.

Opisany proces uwęglania, odbywający się z różną intensywnością i w odmiennych warunkach geologicznych, doprowadza do powstawania różnych rodzajów węgli kopalnych. Na intensywność procesu uwęglania duży wpływ miały: wysoka temperatura (zależnie od głębokości, na jaką została pogrążona nagromadzona materia roślinna lub od sąsiedztwa intruzji magmowej), czas trwania procesu oraz ciśnienie wywierane przez nadległe masy skalne. Powstawanie węgla było procesem długotrwałym. Obliczono teoretycznie, że na powstanie pokładu węgla o grubości 1 m potrzeba 1200 lat akumulacji materiału roślinnego. Obecnie węgle kopalne stanowią ważne źródło energii oraz surowca dla przemysłu chemicznego.

Węgiel znany był od czasów prehistorycznych. Węgle kopalne zaczęto stosować jako paliwo od IX w. Diament i grafit znane były w starożytności, choć wówczas nie zdawano sobie sprawy, że są to odmiany alotropowe węgla. Dopiero Lavoisier w 1773 r. spalił diament w tlenie i otrzymał dwutlenek węgla. W 1779 r. Scheele stwierdził to samo w odniesieniu do grafitu. Zawartość węgla w zewnętrznych strefach Ziemi wynosi 5,5*10-2 %. Jeden atom węgla przypada na 1000 innych atomów. Węgiel jest podstawowym składnikiem każdej substancji pochodzenia organicznego. W stanie wolnym występuje w niewielkich ilościach jako grafit i diament.

W stanie związanym węgiel znajduje się w:
- tkankach roślin i zwierząt,
- węglowodorach (ropa naftowa i gaz ziemny),
- węglanach (CaCO3, FeCO3 i inne),
- dwutlenku węgla stanowiącym składnik powietrza (0,046% wag.; 0,03% obj.) i wód naturalnych,
- węglach kopalnych (antracyt, węgiel kamienny i brunatny, torf) stanowiących krystaliczne mieszaniny organiczne związków węgla.

Nie wiemy dokładnie, gdzie i kiedy wykryto węgiel i nauczono się go używać. Odkrycie różnych zagłębi węglowych przypisują stare legendy pasterzom, którzy paląc ogniska zauważyli zapalające się od nich czarne kamienie, lub kowalom, którzy tychże kamieni mieli używać do podtrzymywania ognia w kuźniach. W Polsce istnieje podanie o jakimś kowalu w Murckach, który w swej kuźni palił węglem wykopanym w ogrodzie, budząc podziw i lęk mieszkańców.

Węgiel kamienny

Węgiel kamienny to jeden z węgli kopalnych zawierający 78-92% pierwiastka węgla (do węgla kamiennego zalicza się też antracyt zawierający do 97% węgla). Barwa czarna. Zwarty, kruchy. Przy spalaniu daje długi, błyszczący płomień. Węgiel kamienny należy do węgli humusowych, niejednorodnych w swej strukturze, stanowiących mieszaninę kilku odmian petrograficznych (różniących się twardością i połyskiem), tworzących pojedyncze pasma.

Należą do nich:
1) fuzyn - węgiel włóknisty,
2) duryn - węgiel matowy,
3) klaryn - węgiel półbłyszczący,
4) witryn - węgiel błyszczący.

Ze względu na zastosowanie rozróżnia się kilka typów technologicznych węgla kamiennego, określanych poprzez takie właściwości jak: spiekalność, zawartość składników lotnych, ciśnienie rozprężania i ciepło spalania.

Węgiel kamienny jest na świecie szeroko rozpowszechniony. Występuje głównie w utworach paleozoicznych (karbon, perm) i mezozoicznych.

Największe złoża: Rosja (Zagłębia: Peczorskie, Kuźnieckie, Tunguskie, Leńskie), Ukraina (Zagłębie Donieckie), Wielka Brytania (Zagłębia: Yorkshire, Durham, Derbyshire), Niemcy (Zagłębia Ruhry i Saary), USA, Kanada, Chiny, Australia, Indie i RPA. Wydobywany jest obecnie w 58 krajach.

W Polsce najbardziej zasobne złoża występują w utworach karbonu na Górnym Śląsku (Górnośląskie Zagłębie Węglowe) i Lubelszczyźnie (Lubelskie Zagłębie Węglowe), a także na Dolnym Śląsku (okolice Wałbrzycha i Nowej Rudy).

Węgiel kamienny wykorzystuje się głównie jako surowiec energetyczny w elektrowniach węglowych, elektrociepłowniach i systemach ogrzewania. Duże ilości węgla są zużywane w przemyśle do opalania pieców hutniczych. Do niedawna stanowił on podstawowy surowiec energetyczny, w chwili obecnej jego znacznie maleje na rzecz gazu ziemnego i energii jądrowej. Stosowany jest przede wszystkim jako opał. Stanowi także surowiec wykorzystywany w procesach chemicznych: wytlewania, uwodorniania i zgazowania węgla, w wyniku których otrzymuje się różnego rodzaju paliwa oraz produkty dla innych dziedzin przemysłu chemicznego (m.in. koks, gazy opałowe, paliwa silnikowe, benzol, smołę węglową i inne).

Węgiel brunatny

Węgiel brunatny, jeden z węgli kopalnych, zawierający 65-78% pierwiastka węgla. Barwa jasnobrunatna, brązowa do czarnej.

Rozróżnia się kilka odmian węgla brunatnego:
1) węgle twarde (subbitumiczne), charakteryzujące się dużą zwięzłością i kalorycznością (4165-5700 kcal/kg), wśród nich wyróżnia się węgle błyszczące (podobne do węgli kamiennych) oraz matowe,
2) węgle miękkie - mniej zwięzłe, po wysuszeniu łatwo rozsypujące się na małe kawałki, o niższej kaloryczności (poniżej 4165 kcal/kg), obejmujące węgle ziemiste i łupkowe,
3) węgle ksylitowe (węgle lignitowe, lignity),odznaczające się wyraźnie zachowaną strukturą drewna.
Ze względu na zastosowanie rozróżnia się także kilka typów technologicznych węgla brunatnego:
a) węgiel energetyczny - wykorzystywany w elektrowniach cieplnych, o wartości opałowej powyżej 1500 kcal/kg i zawartości popiołu poniżej 40%,
b) węgiel brykietowy, używany do produkcji brykietów, o wartości opałowej ponad 2000 kcal/kg i zawartości popiołu poniżej 15%,
c) węgiel wytlewny, stosowany do produkcji prasmoły i paliw płynnych, zawierający w stanie suchym poniżej 20% popiołu,
d) węgiel ekstrakcyjny, służący do otrzymywania wosku ekstrakcyjnego i bituminów, o zawartości w stanie suchym ponad 12% bituminów.

Węgiel brunatny jest szeroko rozpowszechniony na świecie. Występuje przede wszystkim w utworach trzeciorzędowych, niekiedy też w utworach kredy, jury i triasu, a także sporadycznie karbonu.

Światowe złoża szacuje się na 524 mld t (1994), największe z nich występują na obszarach: Niemiec (Nadreńskie Zagłębie Węgla Brunatnego, Saskie Zagłębie Węglowe, Łużyckie Zagłębie Węglowe), Rosji (Zagłębie Kańsko-Aczyńskie, Podmoskiewskie Zagłębie Węglowe), Rumunii, Czech (Północnoczeskie Zagłębie Węglowe), USA, Kanady, Australii i Indii.
W Polsce najbardziej zasobne złoża węgla brunatnego występują w utworach trzeciorzędowych (miocen) w rejonie Turoszowa (Turoszowskie Zagłębie Węgla Brunatnego), Bełchatowa (Bełchatowskie Zagłębie Węgla Brunatnego) i Konina (Konińskie Zagłębie Węgla Brunatnego), ponadto na Dolnym Śląsku (okolice Legnicy).

Węgiel brunatny stosowany jest głównie jako opał (ze względu na dużą zawartość siarki - 3-4%, i wysoką popielność, do 40%, jego spalanie ma ujemny wpływ na środowisko). Stanowi także surowiec do chemicznych procesów wytlewania, uwodorniania i zgazowania węgla, stosowany także w ogrodnictwie (jako podłoże).

Węgiel i jego związki mają ogromne znaczenie jako surowce energetyczne i chemiczne. Jest jednym z najbardziej niezwykłych minerałów występujących na świecie, jest jedyną skałą, która pali się wydzielając dużo energii. Zdecydowana jej większość powstaje w wyniku przerobu węgla kamiennego i brunatnego, przy okazji czego zatruwa się powietrze. Diamenty mają zastosowanie w przyrządach szlifierskich i jako kamienie ozdobne. Z grafitu wyrabia się tygle ogniotrwałe, elektrody czy np. ołówki. Wykorzystywane są w technice do obróbki innych materiałów, w chirurgii jako narzędzia do cięcia. Po oszlifowaniu diamenty zwane są brylantami, rautami lub rozetami w zależności od rodzaju szlifu. Sadza natomiast znajduje zastosowanie do produkcji farb, lakierów i tuszów, a koks jest paliwem przy wytapianiu żelaza z rud; służy do otrzymywania gazu wodnego i generatorowego i do ogrzewania pomieszczeń. Izotop promieniotwórczy węgiel-14 służy jako wskaźnik izotopowy, szczególnie w badaniach biochemicznych. Związki organiczne węgla również odgrywają we współczesnej gospodarce ogromną rolę. Stosowane są np. w tworzywach sztucznych, włóknach syntetycznych, barwnikach, antybiotykach, kauczuku syntetycznym, kosmetykach, środkach pędnych, chłodniczych itp. Ze smoły węglowej wytwarza się materiały wybuchowe, rozpuszczalniki, leki, aromaty do ciast, tłuszcze i środki pielęgnacyjne. Tlenek węgla CO jest substancją wyjściową w wielu syntezach organicznych, dwutlenek węgla CO2 w stanie stałym jest środkiem chłodzącym (suchy lód).
Węgiel jest niezastąpiony głównie w przemyśle energetycznym oraz w starych, ogrzewanych nim gospodarstwach. Nim zaczęto wydobywać gaz ziemny, otrzymywano go właśnie z węgla. Przemysłowi chemicznemu również oddaje nieocenione usługi, służąc do produkcji kosmetyków i pestycydów. Wykorzystuje się również odzyskany z węgla amoniak.
Energia była, jest i będzie potrzebna ludziom w ich życiu. Jej postać, forma czy wykorzystanie może być różne, ale przede wszystkim potrzebujemy jej przy produkcji przemysłowej, transporcie, ogrzewaniu domostw czy oświetleniu. Początkowo tej energii dostarczało nam środowisko w postaci zasobów naturalnych nieprzetworzonych opału i paliw np. drewna, węgla brunatnego, kamiennego, ropy naftowej czy gazu. Również dawniej przetwarzano energię w wiatrakach czy młynach wodnych. Jednak ciągły wzrost zapotrzebowania na energię i to w różnych postaciach, zalety energii elektrycznej, kurczenie się zasobów kopalnianych, względy ekologiczne i ekonomiczne stawiają przed ludźmi nowe zadania i wyzwania w tej dziedzinie.

Kryzys energetyczny, który spowodował skokowy wzrost najpierw ceny ropy naftowej, a następnie wszystkich innych paliw oraz względy ochrony środowiska zwiększyły zainteresowanie nowymi, niekonwencjonalnymi źródłami i technologiami wytwarzania energii.

Te niekonwencjonalne źródła energii można podzielić na: źródła nieodnawialne i odnawialne :

Źródła nieodnawialne:
- węgiel 39,3%
- ropa naftowa 11,7%
- gaz ziemny 13,3%
- energia jądrowa 17,0%
- energia geotermiczna 0,1%

Źródła odnawialne:
- energia wodna 18,1%
- energia słoneczna
- energia wiatrowa
- biomasa
- energia pływów i fal morskich
- energia cieplna oceanów

Udział odnawialnych źródeł, bez energii wodnej, w produkcji energii elektrycznej na świecie wynosi 0,5%.

LEGENDA
1 - węgiel
2 - ropa naftowa
3 - gaz ziemny
4 - energia jądrowa
5 - energia geotermiczna
6 - energia wodna
7 - inne

Wykorzystanie prawie wszystkich niekonwencjonalnych źródeł energii elektrycznej jest związane z minimalnym, bądź nawet żadnym wpływem na środowisko. Z tego względu stanowią bardzo atrakcyjną alternatywę w stosunku do konwencjonalnych źródeł
Zalety i wady różnych źródeł energii.

Rodzaj źródła:
Węgiel
Ropa naftowa
Gaz ziemny

Zalety:
Wykorzystują szeroko dostępne źródła energii.

Wady:
Do atmosfery usuwane są zanieczyszczenia, które zatruwają środowisko, zwiększają efekt cieplarniany, powodują kwaśne deszcze i stwarzają problemy zdrowotne.Środowisko zostaje zanieczyszczone popiołami i żużlem. W razie katastrofy podczas transportu morskiego ropy naftowej następuje zanieczyszczenie wód oraz zniszczenie flory i fauny. Spośród wszystkich paliw kopalnych , najmniejsze zagrożenie dla środowiska stwarza gaz ziemny Źródła energii są nieodnawialne, więc w końcu ulegną wyczerpaniu.

Rodzaj źródła:
Elektrownie jądrowe

Zalety:
Otrzymujemy dużą ilość energii z małej ilości paliwa- 1 kg uranu równoważy 3000 ton węgla.Podczas normalnej eksploatacji są niemal zupełnie nieszkodliwe.Niskie koszty eksploatacji po uruchomieniu.

Wady:
Groźba skażeń w razie awarii, jeśli elektrownia nie ma właściwych układów bezpieczeństwa.Problemy ze składowaniem wypalonego paliwa.Wysokie koszty budowy i rozbiórki elektrowni gdy zakończy już swoją działalność.

Źródło energii:
Energia geotermiczna

Zalety:
Czyste źródło energii.

Wady:
Drogie instalacje. Problemy techniczne przy utrzymaniu urządzeń.Odpowiednie skały występują w niewielu miejscach na świecie.Uwalnia się radon i siarkowodór.

Źr.en.:
Elektrownie wodne

Zalety:
Czyste odnawialne źródło energii.Możliwość szybkiego zatrzymywania i uruchamiania elektrowni.Małe problemy przy ich utrzymywaniu i eksploatacji.Sztuczne zbiorniki wodne gromadzą wodę, zmniejszając ryzyko powodzi.

Wady:
Zależność od opadów deszczu.Konieczność zalania dużych obszarów i przesiedlenia ludzi. Niszczenie naturalnych siedlisk lądowych dla roślin i zwierząt.Lokalne zmiany klimatyczne.

Źr.en.:
Energia wiatru

Zalety:
Czyste źródło odnawialnej energii.

Wady:
Wysokie koszty budowy i utrzymania.Ingerencja w krajobraz, instalacja wiatraków zajmuje rozległe obszary stracone dla rolnictwa..Hałas turbin.Zależność od wiatru.Zakłócają odbiór fal radiowych i telewizyjnych.

Źr.En.:
Energia słoneczna

Zalety:
Czyste źródło odnawialnej energii.Ogniwa słoneczne nie wymagają szczególnej konserwacji poza czyszczeniem, są niezawodne.

Wady:
Do budowy ogniw fotowoltaicznych używa się pierwiastków toksycznych (kadm, arsen, selen, tellur).Instalacja ogniw zajmuje rozległe obszary.

Źr.en.:
Energia fal morskich

Zalety:
Czyste źródło odnawialnej energii.

Wady:
Wysokie koszty instalacji i eksploatacji. Problemy środowiskowe - zajęcie dużych obszarów wybrzeża morskiego.

Źr.en.:
Energia pływów

Zalety:
Czyste źródło odnawialnej energii. Niezawodne, ponieważ woda z przypływami podnosi się i opada regularnie dwa razy w ciągu doby.

Wady:
Wysokie koszty budowy zapory. Wpływ na środowisko - mogą ulec zniszczeniu naturalne siedliska mieszkańców wód. Ograniczenia w ruchu statków.

Energia jest niezbędna w życiu człowieka. Pozwala zaspokoić podstawowe potrzeby, osiągać coraz wyższy poziom życia, realizować nasze pragnienia. Produkcja energii i jej wykorzystanie wpływa na podniesienie poziomu naszego życia, ale jednocześnie powoduje degradację i niszczenie środowiska naturalnego. Pogodzenie sprzeczności jest możliwe tylko wówczas, gdy zostaną podjęte wszechstronne działania obejmujące podwyższenie efektywności wykorzystania energii, aby w przyszłości produkować wystarczającą ilość energii elektrycznej, trzeba rozsądnie gospodarować zasobami paliw kopalnych. Zmniejszając ich zużycie, zapobiegamy negatywnym skutkom takich zjawisk jak globalne ocieplenie, kwaśne deszcze i zanieczyszczenie atmosfery. Najlepszą alternatywą dla paliw kopalnych byłyby odnawialne źródła energii.