Уголь — это горючая черная или коричневато-черная осадочная порода , образованная в виде пластов горных пород , называемых угольными пластами . Уголь в основном состоит из углерода с переменным количеством других элементов , в основном водорода , серы , кислорода и азота . [1] Уголь — это тип ископаемого топлива , образующегося при разложении мертвого растительного материала в торф , который превращается в уголь под воздействием тепла и давления глубокого захоронения в течение миллионов лет. [2] Огромные залежи угля берут начало в бывших водно-болотных угодьях , называемых угольными лесами , которые покрывали большую часть тропических территорий Земли в позднекаменноугольный ( пенсильванский ) и пермский периоды. [3] [4]
Уголь используется в основном как топливо. Хотя уголь известен и используется уже тысячи лет, его использование было ограничено до промышленной революции . С изобретением парового двигателя потребление угля возросло. [5] В 2020 году уголь обеспечил около четверти первичной энергии в мире и более трети электроэнергии . [ 6] Некоторые процессы производства чугуна и стали , а также другие промышленные процессы сжигают уголь.
Добыча и сжигание угля наносят ущерб окружающей среде , вызывая преждевременную смерть и болезни, [7] и это крупнейший антропогенный источник углекислого газа, способствующий изменению климата . В 2020 году при сжигании угля было выброшено четырнадцать миллиардов тонн углекислого газа, [8] что составляет 40% от общего объема выбросов ископаемого топлива [9] и более 25% от общего объема выбросов парниковых газов в мире . [10] В рамках всемирного энергетического перехода многие страны сократили или прекратили использование угольной энергии . [11] [12] Генеральный секретарь Организации Объединенных Наций попросил правительства прекратить строительство новых угольных электростанций к 2020 году. [13]
Мировое потребление угля составило 8,3 млрд тонн в 2022 году [14] и, как ожидается, останется на рекордном уровне в 2023 году. [15] Для достижения цели Парижского соглашения по удержанию глобального потепления ниже 2 °C (3,6 °F) потребление угля должно сократиться вдвое в период с 2020 по 2030 год [16], а «поэтапное сокращение» потребления угля было согласовано в Климатическом пакте Глазго .
Крупнейшим потребителем и импортером угля в 2020 году был Китай , на долю которого приходится почти половина мировой годовой добычи угля, за ним следует Индия с примерно десятой частью. Больше всего экспортируют Индонезия и Австралия , за ними следует Россия . [17] [18]
Первоначально слово имело форму col в древнеанглийском языке , от реконструированного протогерманского * kula ( n ), от протоиндоевропейского корня * g ( e ) u-lo- «живой уголь». [19] Германские когнаты включают древнефризский kole , среднеголландский cole , голландский kool , древневерхненемецкий chol , немецкое Kohle и древнескандинавское kol . Ирландское gual также является когнатом через индоевропейский корень. [19]
Превращение мертвой растительности в уголь называется углефикацией. В разное время в геологическом прошлом на Земле были густые леса [20] в низинных районах. В этих водно-болотных угодьях процесс углефикации начинался, когда мертвое растительное вещество было защищено от окисления , обычно грязью или кислой водой, и превращалось в торф . Образовавшиеся торфяные болота , которые удерживали огромное количество углерода, в конечном итоге были глубоко погребены под отложениями. Затем, в течение миллионов лет, тепло и давление глубокого захоронения вызвали потерю воды, метана и углекислого газа и увеличили долю углерода. [21] Сорт добытого угля зависел от максимального давления и достигнутой температуры, при этом лигнит (также называемый «бурым углем») добывался в относительно мягких условиях, а полубитуминозный уголь , битуминозный уголь или антрацитовый уголь (также называемый «каменным углем» или «черным углем»), в свою очередь, добывались при повышении температуры и давления. [2] [22]
Из факторов, участвующих в углефикации, температура гораздо важнее давления или времени захоронения. [23] Суббитуминозный уголь может образовываться при температурах от 35 до 80 °C (от 95 до 176 °F), в то время как антрациту требуется температура не менее 180–245 °C (от 356 до 473 °F). [24]
Хотя уголь известен из большинства геологических периодов , 90% всех угольных пластов были отложены в каменноугольный и пермский периоды. [25] Как это ни парадоксально, это было во время позднепалеозойского ледникового периода , времени глобального оледенения . Однако падение уровня мирового океана, сопровождавшее оледенение, обнажило континентальные шельфы , которые ранее были затоплены, и к ним добавились широкие речные дельты, образованные повышенной эрозией из-за падения базового уровня . Эти широко распространенные области водно-болотных угодий обеспечивали идеальные условия для образования угля. [26] Быстрое образование угля закончилось с угольным разрывом в пермско-триасовом вымирании , где уголь встречается редко. [27]
Благоприятная география сама по себе не объясняет обширные угольные пласты каменноугольного периода. [28] Другими факторами, способствовавшими быстрому отложению угля, были высокий уровень кислорода , более 30%, что способствовало интенсивным лесным пожарам и образованию древесного угля , который был практически неперевариваемым разлагающимися организмами; высокий уровень углекислого газа , который способствовал росту растений; и природа лесов каменноугольного периода, включавшая ликофитовые деревья, чей детерминированный рост означал, что углерод не был связан в сердцевине живых деревьев в течение длительных периодов. [29]
Одна из теорий предполагала, что около 360 миллионов лет назад некоторые растения развили способность производить лигнин , сложный полимер, который сделал их целлюлозные стебли намного более твердыми и древесными. Способность производить лигнин привела к эволюции первых деревьев . Но бактерии и грибы не сразу развили способность разлагать лигнин, поэтому древесина не полностью разложилась, а оказалась погребенной под осадком, в конечном итоге превратившись в уголь. Около 300 миллионов лет назад грибы и другие грибы развили эту способность, завершив основной период углеобразования в истории Земли. [30] [31] [32] Хотя некоторые авторы указывали на некоторые свидетельства деградации лигнина во время каменноугольного периода и предполагали, что климатические и тектонические факторы были более правдоподобным объяснением, [33] реконструкция предковых ферментов с помощью филогенетического анализа подтвердила гипотезу о том, что ферменты, разрушающие лигнин, появились у грибов примерно 200 млн лет назад. [34]
Одним из вероятных тектонических факторов были горы Центральной Пангеи , огромный хребет, пролегающий вдоль экватора, который достиг наибольшей высоты около этого времени. Моделирование климата предполагает, что горы Центральной Пангеи способствовали отложению огромного количества угля в конце карбона. Горы создали область круглогодичных обильных осадков, без сухого сезона, типичного для муссонного климата. Это необходимо для сохранения торфа в угольных болотах. [35]
Уголь известен из докембрийских слоев, которые предшествовали наземным растениям. Предполагается, что этот уголь произошел из остатков водорослей. [36] [37]
Иногда угольные пласты (также известные как угольные пласты) переслаиваются с другими отложениями в циклотеме . Считается, что циклотемы берут свое начало в ледниковых циклах , которые вызывали колебания уровня моря , которые попеременно обнажали, а затем затапливали большие площади континентального шельфа. [38]
Древесная ткань растений в основном состоит из целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина. Современный торф в основном состоит из лигнина, с содержанием целлюлозы и гемицеллюлозы от 5% до 40%. Также присутствуют различные другие органические соединения, такие как воски и азот- и серосодержащие соединения. [39] Лигнин имеет весовой состав около 54% углерода, 6% водорода и 30% кислорода, в то время как целлюлоза имеет весовой состав около 44% углерода, 6% водорода и 49% кислорода. Битуминозный уголь имеет состав около 84,4% углерода, 5,4% водорода, 6,7% кислорода, 1,7% азота и 1,8% серы, по весу. [40] Низкое содержание кислорода в угле показывает, что углефикация удалила большую часть кислорода и большую часть водорода, процесс называется карбонизацией . [41]
Карбонизация происходит в основном путем дегидратации , декарбоксилирования и деметанации. Дегидратация удаляет молекулы воды из созревающего угля посредством таких реакций, как [42]
Декарбоксилирование удаляет углекислый газ из созревающего угля: [42]
в то время как деметанирование происходит по такой реакции, как
В этих формулах R представляет собой остаток молекулы целлюлозы или лигнина, к которому присоединены реагирующие группы.
Дегидратация и декарбоксилирование происходят на ранних стадиях углефикации, тогда как деметанизация начинается только после того, как уголь уже достигнет битуминозного ранга. [43] Эффект декарбоксилирования заключается в снижении процентного содержания кислорода, тогда как деметанизация снижает процентное содержание водорода. Дегидратация делает и то, и другое, и (вместе с деметанизацией) снижает насыщенность углеродного остова (увеличивая количество двойных связей между углеродом).
По мере карбонизации алифатические соединения преобразуются в ароматические соединения . Аналогично ароматические кольца сливаются в полиароматические соединения (связанные кольца атомов углерода). [44] Структура все больше напоминает графен , структурный элемент графита.
Химические изменения сопровождаются физическими изменениями, такими как уменьшение среднего размера пор. [45]
Мацералы — это углефицированные части растений, которые сохраняют морфологию и некоторые свойства исходного растения. Во многих углях отдельные мацералы можно идентифицировать визуально. Некоторые мацералы включают: [46]
При углефикации гуминит заменяется стекловидным (блестящим) витринитом . [47] Созревание битуминозного угля характеризуется битуминизацией , при которой часть угля преобразуется в битум , богатый углеводородами гель. [48] Созревание в антрацит характеризуется дебитуминизацией (из-за деметанизации) и возрастающей тенденцией антрацита к разрушению с раковистым изломом , подобно тому, как ломается толстое стекло. [49]
Поскольку геологические процессы с течением времени оказывают давление на мертвый биотический материал , при подходящих условиях его метаморфическая степень или ранг последовательно увеличивается до:
Существует несколько международных стандартов для угля. [50] Классификация угля, как правило, основана на содержании летучих веществ . Однако наиболее важное различие заключается в энергетическом угле (также известном как паровой уголь), который сжигается для выработки электроэнергии с помощью пара; и металлургическом угле (также известном как коксующийся уголь), который сжигается при высокой температуре для производства стали .
Закон Хилта — это геологическое наблюдение, согласно которому (в пределах небольшой области) чем глубже залегает уголь, тем выше его ранг (или сорт). Он применим, если температурный градиент полностью вертикальный; однако метаморфизм может вызывать боковые изменения ранга, независимо от глубины. Например, некоторые угольные пласты Мадридского угольного месторождения , Нью-Мексико, были частично преобразованы в антрацит контактным метаморфизмом из магматического силла, в то время как остальная часть пластов осталась в виде битуминозного угля. [51]
Самое раннее признанное использование относится к области Шэньян в Китае, где к 4000 г. до н. э. неолитические жители начали вырезать украшения из черного лигнита. [52] Уголь из шахты Фушунь на северо-востоке Китая использовался для выплавки меди еще в 1000 г. до н. э. [53] Марко Поло , итальянец, который путешествовал в Китай в 13 веке, описывал уголь как «черные камни ... которые горят как поленья», и говорил, что угля было так много, что люди могли принимать три горячие ванны в неделю. [54] В Европе самое раннее упоминание об использовании угля в качестве топлива содержится в геологическом трактате « О камнях » (Lap. 16) греческого ученого Теофраста (ок. 371–287 до н. э.): [55] [56]
Среди материалов, которые копают, потому что они полезны, те, которые известны как антраки [уголь], сделаны из земли, и, будучи подожжены, они горят как древесный уголь [антраки]. Их находят в Лигурии... и в Элиде, когда приближаешься к Олимпии по горной дороге; и их используют те, кто работает с металлами.
— Теофраст, О камнях (16) [57]
Уголь , добытый на поверхности, использовался в Британии в бронзовом веке (3000–2000 гг. до н. э.), где он был частью погребальных костров . [58] [59] В Римской Британии , за исключением двух современных месторождений, « римляне эксплуатировали уголь на всех основных угольных месторождениях Англии и Уэльса к концу второго века нашей эры». [60] Свидетельства торговли углем, датируемые примерно 200 годом нашей эры, были найдены в римском поселении в Херонбридже , недалеко от Честера ; и в Фенлендсе Восточной Англии , куда уголь из Мидлендса транспортировался через Кар-Дайк для использования при сушке зерна. [61] Угольные шлаки были найдены в очагах вилл и римских фортов , особенно в Нортумберленде , датируемые примерно 400 годом н. э. На западе Англии современные писатели описывали чудо постоянной жаровни с углем на алтаре Минервы в Аква Сулис (современный Бат ), хотя на самом деле легкодоступный поверхностный уголь из того, что стало угольным месторождением Сомерсет, широко использовался в довольно скромных жилищах поблизости. [62] Были найдены доказательства использования угля для обработки железа в городе во время римского периода. [63] В Эшвайлере , Рейнланд , месторождения битуминозного угля использовались римлянами для плавки железной руды . [60]
Нет никаких доказательств того, что уголь имел большое значение в Британии до примерно 1000 года нашей эры, эпохи Высокого Средневековья . [64] Уголь стали называть «морским углем» в XIII веке; пристань, куда материал прибывал в Лондон, была известна как Seacoal Lane, так было определено в хартии короля Генриха III, дарованной в 1253 году. [65] Первоначально название было дано потому, что на берегу было найдено много угля, упавшего с открытых угольных пластов на скалах выше или вымытого из подводных угольных выступов, [64] но ко времени Генриха VIII стало понятно, что оно произошло от способа, которым его доставляли в Лондон по морю. [66] В 1257–1259 годах уголь из Ньюкасла-апон-Тайн отправлялся в Лондон для кузнецов и обжигателей извести , строивших Вестминстерское аббатство . [64] Сикоул-Лейн и Ньюкасл-Лейн, где уголь выгружался на причалах вдоль реки Флит , все еще существуют. [67]
Эти легкодоступные источники в значительной степени исчерпались (или не могли удовлетворить растущий спрос) к XIII веку, когда была разработана подземная добыча с помощью шахт или штолен . [58] Альтернативное название — «уголь-шахта», потому что его добывали в шахтах.
Приготовление пищи и отопление домов углем (в дополнение к дровам или вместо них) осуществлялось в разное время и в разных местах на протяжении всей истории человечества, особенно в те времена и в разных местах, где был доступен уголь с поверхности земли и не хватало дров, но широко распространенной зависимости от угля для домашних очагов, вероятно, никогда не существовало, пока такая смена топлива не произошла в Лондоне в конце шестнадцатого и начале семнадцатого веков. [68] Историк Рут Гудман проследила социально-экономические последствия этой смены и ее дальнейшее распространение по всей Британии [68] и предположила, что ее важность в формировании промышленного использования угля ранее недооценивалась. [68] : xiv–xix
Развитие промышленной революции привело к широкомасштабному использованию угля, поскольку паровой двигатель заменил водяное колесо . В 1700 году пять шестых мирового угля добывалось в Великобритании. В Великобритании к 1830-м годам закончились бы подходящие места для водяных мельниц, если бы уголь не был доступен в качестве источника энергии. [69] В 1947 году в Великобритании было около 750 000 шахтеров, [70] но последняя глубокая угольная шахта в Великобритании закрылась в 2015 году. [71]
Сорт между битуминозным углем и антрацитом когда-то был известен как «паровой уголь», поскольку он широко использовался в качестве топлива для паровозов . В этом специализированном использовании в Соединенных Штатах его иногда называют «морским углем». [72] Мелкий «паровой уголь», также называемый сухими мелкими паровыми орехами (DSSN), использовался в качестве топлива для нагрева воды в домашних условиях .
Уголь играл важную роль в промышленности в 19 и 20 веках. Предшественник Европейского Союза , Европейское сообщество угля и стали , было основано на торговле этим товаром. [73]
Уголь продолжает поступать на пляжи по всему миру как из-за естественной эрозии открытых угольных пластов, так и из-за разливов с грузовых судов, вызванных ветром. Многие дома в таких районах собирают этот уголь как существенный, а иногда и основной источник топлива для отопления домов. [74]
Уголь в основном состоит из черной смеси различных органических соединений и полимеров. Конечно, существует несколько видов угля с различными темными цветами и различным составом. Молодые угли (бурый уголь, лигнит) не черные. Два основных черных угля — это битуминозный, который более распространен, и антрацит. Процент углерода в угле следует порядку антрацит > битуминозный > лигнит > бурый уголь. Топливная ценность угля изменяется в том же порядке. Некоторые месторождения антрацита содержат чистый углерод в форме графита .
Для битуминозного угля элементный состав на сухой, беззольной основе 84,4% углерода, 5,4% водорода, 6,7% кислорода, 1,7% азота и 1,8% серы, по весу. [40] Этот состав частично отражает состав растений-предшественников. Вторая основная фракция угля - зола, нежелательная, негорючая смесь неорганических минералов. Состав золы часто обсуждается с точки зрения оксидов, полученных после сгорания на воздухе:
Особый интерес представляет содержание серы в угле, которое может варьироваться от менее 1% до целых 4%. Большая часть серы и большая часть азота включены в органическую фракцию в форме сероорганических соединений и азоторганических соединений . Эта сера и азот прочно связаны в углеводородной матрице. Эти элементы выделяются в виде SO2 и NOx при сгорании. Их нельзя удалить, по крайней мере экономически, иным способом. Некоторые угли содержат неорганическую серу, в основном в форме железного колчедана (FeS2 ) . Будучи плотным минералом, его можно удалить из угля механическими способами, например, пенной флотацией . Некоторое количество сульфата встречается в угле, особенно в выветренных образцах. Он не улетучивается и может быть удален промывкой. [46]
Второстепенные компоненты включают в себя:
Как минералы, Hg, As и Se не представляют проблемы для окружающей среды, особенно потому, что они являются лишь следовыми компонентами. Однако они становятся подвижными (летучими или водорастворимыми), когда эти минералы сжигаются.
Хотя большую часть времени уголь используется в качестве топлива, существуют и другие масштабные области его применения.
Кокс — это твердый углеродистый остаток, полученный из коксующегося угля (малозольный, малосернистый битуминозный уголь, [79] также известный как металлургический уголь ), который используется в производстве стали и других железосодержащих продуктов. [79] Кокс производится, когда коксующийся уголь обжигается в печи без кислорода при температурах до 1000 °C, удаляя летучие компоненты и сплавляя вместе фиксированный углерод и остаточную золу. Металлургический кокс используется в качестве топлива и в качестве восстановителя при плавке железной руды в доменной печи . [80] Окись углерода, получаемая при его сгорании, восстанавливает гематит ( оксид железа ) до железа.
Также производится чугун , который слишком богат растворенным углеродом.
Кокс должен быть достаточно прочным, чтобы выдерживать вес вскрышных пород в доменной печи, поэтому коксующийся уголь так важен при производстве стали традиционным способом. Кокс из угля серый, твердый и пористый, его теплотворная способность составляет 29,6 МДж/кг. Некоторые процессы производства кокса производят побочные продукты, включая каменноугольную смолу , аммиак , легкие масла и угольный газ .
Нефтяной кокс (петкокс) — это твердый остаток, получаемый при переработке нефти , который напоминает кокс, но содержит слишком много примесей, чтобы быть полезным в металлургической промышленности.
Химикаты производятся из угля с 1950-х годов. Уголь может использоваться в качестве сырья для производства широкого спектра химических удобрений и других химических продуктов. Основным путем к этим продуктам была газификация угля для производства синтез-газа . Первичные химикаты, которые производятся непосредственно из синтез-газа, включают метанол , водород и оксид углерода , которые являются химическими строительными блоками, из которых производится целый спектр производных химикатов, включая олефины , уксусную кислоту , формальдегид , аммиак, мочевину и другие. Универсальность синтез-газа как предшественника первичных химикатов и высококачественных производных продуктов обеспечивает возможность использования угля для производства широкого спектра товаров. Однако в 21 веке использование угольного метана становится все более важным. [81]
Поскольку перечень химических продуктов, которые могут быть произведены путем газификации угля, в целом может также использовать сырье, полученное из природного газа и нефти , химическая промышленность стремится использовать любое сырье, которое является наиболее экономически эффективным. Поэтому интерес к использованию угля, как правило, увеличивался при более высоких ценах на нефть и природный газ и в периоды высокого мирового экономического роста, которые могли бы напрягать добычу нефти и газа.
Для химических процессов переработки угля требуется значительное количество воды. [82] Большая часть производства угля для химических процессов находится в Китае [83] [84] , где провинции, зависящие от угля, такие как Шаньси, изо всех сил пытаются контролировать свое загрязнение. [85]
Уголь может быть напрямую преобразован в синтетическое топливо, эквивалентное бензину или дизельному топливу, путем гидрогенизации или карбонизации . [86] Сжижение угля выделяет больше углекислого газа, чем производство жидкого топлива из сырой нефти . Смешивание с биомассой и использование CCS будет выделять немного меньше, чем процесс переработки нефти, но с более высокой стоимостью. [87] Государственная компания China Energy Investment управляет заводом по сжижению угля и планирует построить еще 2. [88]
Разжижение угля может также относиться к опасности груза при транспортировке угля. [89]
Газификация угля, как часть интегрированной газификации комбинированного цикла (IGCC) угольной электростанции, используется для производства синтетического газа , смеси оксида углерода (CO) и водорода (H 2 ) для сжигания газовых турбин для производства электроэнергии. Синтез-газ также может быть преобразован в транспортное топливо, такое как бензин и дизельное топливо , с помощью процесса Фишера-Тропша ; в качестве альтернативы, синтетический газ может быть преобразован в метанол , который может быть смешан с топливом напрямую или преобразован в бензин с помощью процесса метанола в бензин. [90] Газификация в сочетании с технологией Фишера-Тропша использовалась химической компанией Sasol из Южной Африки для производства химикатов и автомобильного топлива из угля. [91]
В процессе газификации уголь смешивается с кислородом и паром , при этом он также нагревается и находится под давлением. В ходе реакции молекулы кислорода и воды окисляют уголь до оксида углерода (CO), одновременно выделяя водород (H2 ) . Это раньше делалось в подземных угольных шахтах, а также для получения городского газа , который поставлялся по трубопроводу потребителям для сжигания в целях освещения, отопления и приготовления пищи.
Если нефтепереработчик хочет производить бензин, синтез-газ направляется в реакцию Фишера-Тропша. Это известно как непрямое сжижение угля. Однако, если желаемым конечным продуктом является водород, синтез-газ подается в реакцию конверсии водяного газа , где выделяется больше водорода:
Плотность энергии угля составляет примерно 24 мегаджоуля на килограмм [92] (примерно 6,7 киловатт-часов на кг). Для угольной электростанции с эффективностью 40% требуется примерно 325 кг (717 фунтов) угля для питания лампочки мощностью 100 Вт в течение одного года. [93]
В 2017 году 27,6% мировой энергии было получено за счет угля, и Азия использовала почти три четверти этого объема. [94]
Очищенный уголь является продуктом технологии обогащения угля, которая удаляет влагу и некоторые загрязняющие вещества из углей более низкого сорта, таких как полубитуминозные и лигнитовые (бурые) угли. Это одна из форм нескольких обработок и процессов предварительного сжигания угля, которые изменяют характеристики угля перед его сжиганием. Повышение тепловой эффективности достигается путем улучшенной предварительной сушки (особенно актуально для топлива с высоким содержанием влаги, такого как лигнит или биомасса). [95] Целями технологий предварительного сжигания угля являются повышение эффективности и сокращение выбросов при сжигании угля. Технология предварительного сжигания иногда может использоваться в качестве дополнения к технологиям дожигания для контроля выбросов из угольных котлов.
Уголь, сжигаемый в качестве твердого топлива на угольных электростанциях для выработки электроэнергии , называется энергетическим углем . Уголь также используется для получения очень высоких температур посредством сгорания. Ранние смерти из-за загрязнения воздуха оцениваются в 200 на ГВт-год, однако они могут быть выше вокруг электростанций, где не используются скрубберы, или ниже, если они находятся далеко от городов. [96] Усилия по всему миру по сокращению использования угля привели к тому, что некоторые регионы перешли на природный газ и электроэнергию из источников с низким содержанием углерода.
Когда уголь используется для выработки электроэнергии , его обычно измельчают, а затем сжигают в печи с котлом (см. также Котел, работающий на пылевидном угле ). [97] Тепло печи преобразует котельную воду в пар , который затем используется для вращения турбин, которые вращают генераторы и вырабатывают электроэнергию. [98] Термодинамическая эффективность этого процесса варьируется от 25% до 50% в зависимости от предварительной обработки, технологии турбины (например, сверхкритический парогенератор ) и возраста завода. [99] [100]
Было построено несколько электростанций с комбинированным циклом интегрированной газификации (IGCC), которые сжигают уголь более эффективно. Вместо того, чтобы измельчать уголь и сжигать его непосредственно в качестве топлива в парогенераторе, уголь газифицируется для создания синтез-газа , который сжигается в газовой турбине для производства электроэнергии (точно так же, как природный газ сжигается в турбине). Горячие выхлопные газы из турбины используются для повышения пара в парогенераторе с рекуперацией тепла, который питает дополнительную паровую турбину . Общая эффективность установки при использовании для обеспечения комбинированного производства тепла и электроэнергии может достигать 94%. [101] Электростанции IGCC выбрасывают меньше локальных загрязнений, чем обычные электростанции, работающие на пылевидном угле; однако технология улавливания и хранения углерода (CCS) после газификации и перед сжиганием до сих пор оказалась слишком дорогой для использования с углем. [102] [103] Другие способы использования угля - это в качестве угольного водошламового топлива (CWS), которое было разработано в Советском Союзе , или в цикле MHD-надстройки . Однако они не получили широкого распространения из-за отсутствия прибыли.
В 2017 году 38% электроэнергии в мире было произведено с использованием угля, что соответствует процентному соотношению 30 лет назад. [104] В 2018 году мировая установленная мощность составила 2 ТВт (из которых 1 ТВт находится в Китае), что составляет 30% от общей мощности по производству электроэнергии. [105] Наиболее зависимой крупной страной является Южная Африка, более 80% электроэнергии которой вырабатывается с помощью угля; [106] но только Китай вырабатывает более половины электроэнергии, вырабатываемой с помощью угля в мире. [107]
Максимальное использование угля было достигнуто в 2013 году. [108] В 2018 году средний коэффициент использования установленной мощности угольных электростанций составил 51%, то есть они работали около половины своих доступных часов работы. [109]
Ежегодно добывается около 8000 Мт угля, около 90% из которых — каменный уголь и 10% — лигнит. По состоянию на 2018 год [update]чуть более половины добывается подземными шахтами. [110] В угольной промышленности занято почти 2,7 миллиона рабочих. [111] Больше несчастных случаев происходит во время подземной добычи, чем при открытой. Не все страны публикуют статистику несчастных случаев на шахтах , поэтому мировые цифры неточны, но считается, что большинство смертей происходит в результате несчастных случаев на угольной шахте в Китае : в 2017 году в Китае было зарегистрировано 375 смертей, связанных с добычей угля. [112] Большая часть добываемого угля — это энергетический уголь (также называемый паровым углем, поскольку он используется для производства пара для выработки электроэнергии), но металлургический уголь (также называемый «метуголь» или «коксующийся уголь», поскольку он используется для производства кокса для производства железа) составляет от 10% до 15% мирового потребления угля. [113]
Китай добывает почти половину мирового угля, за ним следует Индия с примерно десятой частью. [114] На Австралию приходится около трети мирового экспорта угля, за ней следуют Индонезия и Россия , [18] в то время как крупнейшими импортерами являются Япония и Индия. Россия все больше ориентирует свой экспорт угля из Европы в Азию, поскольку Европа переходит на возобновляемые источники энергии и подвергает Россию санкциям из-за ее вторжения на Украину. [18]
Цена на металлургический уголь нестабильна [115] и намного выше цены на энергетический уголь, поскольку металлургический уголь должен содержать меньше серы и требует большей очистки. [116] Фьючерсные контракты на уголь предоставляют производителям угля и электроэнергетической отрасли важный инструмент хеджирования и управления рисками .
В некоторых странах новая наземная ветровая или солнечная генерация уже обходится дешевле, чем угольная энергия от существующих электростанций. [117] [118] Однако для Китая это прогнозируется на начало 2020-х годов [119] , а для Юго-Восточной Азии — не раньше конца 2020-х годов. [120] В Индии строительство новых электростанций нерентабельно, и, несмотря на субсидирование, существующие электростанции теряют долю рынка в пользу возобновляемых источников энергии. [121]
Во многих странах Глобального Севера наблюдается отказ от использования угля, а бывшие шахты используются в качестве туристических достопримечательностей. [122]
Of the countries which produce coal, China mines by far the most, almost half the world's coal, followed by less than 10% by India. China is also by far the largest consumer of coal. Therefore, international market trends depend on Chinese energy policy.[123] Although the government effort to reduce air pollution in China means that the global long-term trend is to burn less coal, the short and medium term trends may differ, in part due to Chinese financing of new coal-fired power plants in other countries.[105]
Countries with an annual production higher than 300 million tonnes are shown.
Countries with an annual consumption higher than 500 million tonnes are shown. Shares are based on data expressed in tonnes oil equivalent.
Exporters are at risk of a reduction in import demand from India and China.[130][18]
The use of coal as fuel causes health problems and deaths.[134] The mining and processing of coal causes air and water pollution.[135] Coal-powered plants emit nitrogen oxides, sulfur dioxide, particulate pollution, and heavy metals, which adversely affect human health.[135] Coal bed methane extraction is important to avoid mining accidents.
The deadly London smog was caused primarily by the heavy use of coal. Globally coal is estimated to cause 800,000 premature deaths every year,[136] mostly in India[137] and China.[138][139][140]
Burning coal is a major contributor to sulfur dioxide emissions, which creates PM2.5 particulates, the most dangerous form of air pollution.[141]
Coal smokestack emissions cause asthma, strokes, reduced intelligence, artery blockages, heart attacks, congestive heart failure, cardiac arrhythmias, mercury poisoning, arterial occlusion, and lung cancer.[142][143]
Annual health costs in Europe from use of coal to generate electricity are estimated at up to €43 billion.[144]
In China, improvements to air quality and human health would increase with more stringent climate policies, mainly because the country's energy is so heavily reliant on coal. And there would be a net economic benefit.[145]
A 2017 study in the Economic Journal found that for Britain during the period 1851–1860, "a one standard deviation increase in coal use raised infant mortality by 6–8% and that industrial coal use explains roughly one-third of the urban mortality penalty observed during this period."[146]
Breathing in coal dust causes coalworker's pneumoconiosis or "black lung", so called because the coal dust literally turns the lungs black.[147] In the US alone, it is estimated that 1,500 former employees of the coal industry die every year from the effects of breathing in coal mine dust.[148]
Huge amounts of coal ash and other waste is produced annually. Use of coal generates hundreds of millions of tons of ash and other waste products every year. These include fly ash, bottom ash, and flue-gas desulfurization sludge, that contain mercury, uranium, thorium, arsenic, and other heavy metals, along with non-metals such as selenium.[149]
Around 10% of coal is ash.[150] Coal ash is hazardous and toxic to human beings and some other living things.[151] Coal ash contains the radioactive elements uranium and thorium. Coal ash and other solid combustion byproducts are stored locally and escape in various ways that expose those living near coal plants to radiation and environmental toxics.[152]
Coal mining, coal combustion wastes, and flue gas are causing major environmental damage.[153][154]
Water systems are affected by coal mining.[155] For example, the mining of coal affects groundwater and water table levels and acidity. Spills of fly ash, such as the Kingston Fossil Plant coal fly ash slurry spill, can also contaminate land and waterways, and destroy homes. Power stations that burn coal also consume large quantities of water. This can affect the flows of rivers, and has consequential impacts on other land uses. In areas of water scarcity, such as the Thar Desert in Pakistan, coal mining and coal power plants contribute to the depletion of water resources.[156]
One of the earliest known impacts of coal on the water cycle was acid rain. In 2014, approximately 100 Tg/S of sulfur dioxide (SO2) was released, over half of which was from burning coal.[157] After release, the sulfur dioxide is oxidized to H2SO4 which scatters solar radiation, hence its increase in the atmosphere exerts a cooling effect on the climate. This beneficially masks some of the warming caused by increased greenhouse gases. However, the sulfur is precipitated out of the atmosphere as acid rain in a matter of weeks,[158] whereas carbon dioxide remains in the atmosphere for hundreds of years. Release of SO2 also contributes to the widespread acidification of ecosystems.[159]
Disused coal mines can also cause issues. Subsidence can occur above tunnels, causing damage to infrastructure or cropland. Coal mining can also cause long lasting fires, and it has been estimated that thousands of coal seam fires are burning at any given time.[160] For example, Brennender Berg has been burning since 1668, and is still burning in the 21st century.[161]
The production of coke from coal produces ammonia, coal tar, and gaseous compounds as byproducts which if discharged to land, air or waterways can pollute the environment.[162] The Whyalla steelworks is one example of a coke producing facility where liquid ammonia was discharged to the marine environment.[163]
Emission intensity is the greenhouse gas emitted over the life of a generator per unit of electricity generated. The emission intensity of coal power stations is high, as they emit around 1000 g of CO2eq for each kWh generated, while natural gas is medium-emission intensity at around 500 g CO2eq per kWh. The emission intensity of coal varies with type and generator technology and exceeds 1200 g per kWh in some countries.[164]
Thousands of coal fires are burning around the world.[165] Those burning underground can be difficult to locate and many cannot be extinguished. Fires can cause the ground above to subside, their combustion gases are dangerous to life, and breaking out to the surface can initiate surface wildfires. Coal seams can be set on fire by spontaneous combustion or contact with a mine fire or surface fire. Lightning strikes are an important source of ignition. The coal continues to burn slowly back into the seam until oxygen (air) can no longer reach the flame front. A grass fire in a coal area can set dozens of coal seams on fire.[166][167] Coal fires in China burn an estimated 120 million tons of coal a year, emitting 360 million metric tons of CO2, amounting to 2–3% of the annual worldwide production of CO2 from fossil fuels.[168][169] In Centralia, Pennsylvania (a borough located in the Coal Region of the U.S.), an exposed vein of anthracite ignited in 1962 due to a trash fire in the borough landfill, located in an abandoned anthracite strip mine pit. Attempts to extinguish the fire were unsuccessful, and it continues to burn underground to this day. The Australian Burning Mountain was originally believed to be a volcano, but the smoke and ash come from a coal fire that has been burning for some 6,000 years.[170]
At Kuh i Malik in Yagnob Valley, Tajikistan, coal deposits have been burning for thousands of years, creating vast underground labyrinths full of unique minerals, some of them very beautiful.
The reddish siltstone rock that caps many ridges and buttes in the Powder River Basin in Wyoming and in western North Dakota is called porcelanite, which resembles the coal burning waste "clinker" or volcanic "scoria".[171] Clinker is rock that has been fused by the natural burning of coal. In the Powder River Basin approximately 27 to 54 billion tons of coal burned within the past three million years.[172] Wild coal fires in the area were reported by the Lewis and Clark Expedition as well as explorers and settlers in the area.[173]
The largest and most long-term effect of coal use is the release of carbon dioxide, a greenhouse gas that causes climate change. Coal-fired power plants were the single largest contributor to the growth in global CO2 emissions in 2018,[175] 40% of the total fossil fuel emissions,[9] and more than a quarter of total emissions.[8][note 1] Coal mining can emit methane, another greenhouse gas.[176][177]
In 2016 world gross carbon dioxide emissions from coal usage were 14.5 gigatonnes.[178] For every megawatt-hour generated, coal-fired electric power generation emits around a tonne of carbon dioxide, which is double the approximately 500 kg of carbon dioxide released by a natural gas-fired electric plant.[179] In 2013, the head of the UN climate agency advised that most of the world's coal reserves should be left in the ground to avoid catastrophic global warming.[180] To keep global warming below 1.5 °C or 2 °C hundreds, or possibly thousands, of coal-fired power plants will need to be retired early.[181]
Coal pollution mitigation, sometimes labeled as clean coal, is a series of systems and technologies that seek to mitigate health and environmental impact of burning coal for energy. Burning coal releases harmful substances that contribute to air pollution, acid rain, and greenhouse gas emissions. Mitigation includes precombustion approaches, such as cleaning coal, and post combustion approaches, include flue-gas desulfurization, selective catalytic reduction, electrostatic precipitators, and fly ash reduction. These measures aim to reduce coal's impact on human health and the environment.
The combustion of coal releases diverse chemicals into the air. The main products are water and carbon dioxide, just like the combustion of petroleum. Also released are sulfur dioxide and nitrogen oxides, as well as some mercury. The residue remaining after combustion, coal ash often contains arsenic, mercury, and lead. Finally, the burning of coal, especially anthracite, can release radioactive materials.[182]In 2018 US$80 billion was invested in coal supply but almost all for sustaining production levels rather than opening new mines.[183]In the long term coal and oil could cost the world trillions of dollars per year.[184][185] Coal alone may cost Australia billions,[186] whereas costs to some smaller companies or cities could be on the scale of millions of dollars.[187] The economies most damaged by coal (via climate change) may be India and the US as they are the countries with the highest social cost of carbon.[188] Bank loans to finance coal are a risk to the Indian economy.[137]
China is the largest producer of coal in the world. It is the world's largest energy consumer, and coal in China supplies 60% of its primary energy. However two fifths of China's coal power stations are estimated to be loss-making.[119]
Air pollution from coal storage and handling costs the US almost 200 dollars for every extra ton stored, due to PM2.5.[189] Coal pollution costs the €43 billion each year.[190] Measures to cut air pollution benefit individuals financially and the economies of countries[191][192] such as China.[193]
Subsidies for coal in 2021 have been estimated at US$19 billion, not including electricity subsidies, and are expected to rise in 2022.[194] As of 2019[update] G20 countries provide at least US$63.9 billion[175] of government support per year for the production of coal, including coal-fired power: many subsidies are impossible to quantify[195] but they include US$27.6 billion in domestic and international public finance, US$15.4 billion in fiscal support, and US$20.9 billion in state-owned enterprise (SOE) investments per year.[175] In the EU state aid to new coal-fired plants is banned from 2020, and to existing coal-fired plants from 2025.[196] As of 2018, government funding for new coal power plants was supplied by Exim Bank of China,[197] the Japan Bank for International Cooperation and Indian public sector banks.[198] Coal in Kazakhstan was the main recipient of coal consumption subsidies totalling US$2 billion in 2017.[199] Coal in Turkey benefited from substantial subsidies in 2021.[200]
Some coal-fired power stations could become stranded assets, for example China Energy Investment, the world's largest power company, risks losing half its capital.[119] However, state-owned electricity utilities such as Eskom in South Africa, Perusahaan Listrik Negara in Indonesia, Sarawak Energy in Malaysia, Taipower in Taiwan, EGAT in Thailand, Vietnam Electricity and EÜAŞ in Turkey are building or planning new plants.[201] As of 2021 this may be helping to cause a carbon bubble which could cause financial instability if it bursts.[202][203][204]
Countries building or financing new coal-fired power stations, such as China, India, Indonesia, Vietnam, Turkey and Bangladesh, face mounting international criticism for obstructing the aims of the Paris Agreement.[105][205][206] In 2019, the Pacific Island nations (in particular Vanuatu and Fiji) criticized Australia for failing to cut their emissions at a faster rate than they were, citing concerns about coastal inundation and erosion.[207] In May 2021, the G7 members agreed to end new direct government support for international coal power generation.[208]
Coal is the official state mineral of Kentucky,[209] and the official state rock of Utah[210] and West Virginia.[211] These US states have a historic link to coal mining.
Some cultures hold that children who misbehave will receive only a lump of coal from Santa Claus for Christmas in their stockings instead of presents.
It is also customary and considered lucky in Scotland and the North of England to give coal as a gift on New Year's Day. This occurs as part of first-footing and represents warmth for the year to come.
China generated 53% of the world's total coal-fired power in 2020, nine percentage points more that five years earlier
peak production in 2013