Уголь — горючая черная или коричневато-черная осадочная порода , образованная в виде пластов породы, называемых угольными пластами . Уголь состоит в основном из углерода с переменным количеством других элементов , главным образом водорода , серы , кислорода и азота . [1] Уголь — это вид ископаемого топлива , образующийся при разложении мертвых растительных веществ в торф и превращающийся в уголь под воздействием тепла и давления глубоких захоронений в течение миллионов лет. [2] Обширные залежи угля берут свое начало в бывших водно-болотных угодьях, называемых угольными лесами , которые покрывали большую часть тропических территорий Земли в позднем каменноугольном ( пенсильванском ) и пермском периодах. [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. [ нужна цитата ] В 2020 году уголь обеспечил около четверти мировой первичной энергии и более трети электроэнергии . [5] Некоторые процессы производства железа и стали , а также другие промышленные процессы используют уголь.
Добыча и использование угля вызывают преждевременную смерть и болезни. [6] Использование угля наносит ущерб окружающей среде , и это крупнейший антропогенный источник углекислого газа , способствующий изменению климата . В 2020 году при сжигании угля было выброшено четырнадцать миллиардов тонн углекислого газа [7] , что составляет 40% от общих выбросов ископаемого топлива [8] и более 25% от общих мировых выбросов парниковых газов . [9] В рамках мирового энергетического перехода многие страны сократили или прекратили использование угольной энергетики . [10] [11] Генеральный секретарь ООН попросил правительства прекратить строительство новых угольных электростанций к 2020 году. [12] В 2022 году мировое использование угля составило 8,3 миллиарда тонн. [13] В 2023 году мировой спрос на уголь останется на рекордном уровне. [14] Для достижения цели Парижского соглашения по удержанию глобального потепления ниже 2 °C (3,6 °F) использование угля необходимо сократить вдвое с 2020 по 2030 год, [15] и «поэтапное сокращение» угля было согласовано в Климатическом пакте Глазго . .
Крупнейшим потребителем и импортером угля в 2020 году был Китай , на долю которого приходится почти половина годовой добычи угля в мире, за ним следует Индия с примерно десятой частью. Больше всего экспортируют Индонезия и Австралия , за ними следует Россия . [16] [17]
Слово первоначально приняло форму col в древнеанглийском языке от протогерманского * kula ( n ), который, в свою очередь, предположительно произошел от протоиндоевропейского корня * g ( e ) u-lo- «живой уголь». [18] Германские родственные слова включают древнефризское kole , среднеголландское cole , голландское kool , древневерхненемецкое chol , немецкое Kohle и древнескандинавское kol , а ирландское слово gual также является родственным через индоевропейский корень. [18]
Уголь состоит из мацералов , минералов и воды. [19] Окаменелости и янтарь можно найти в угле. [20]
Превращение мертвой растительности в уголь называется углефикацией. В разное время в геологическом прошлом на Земле были густые леса [21] в низинных водно-болотных угодьях. На этих водно-болотных угодьях процесс углефикации начался, когда мертвые растительные вещества были защищены от биоразложения и окисления , обычно с помощью грязи или кислой воды, и преобразованы в торф . Это удерживало углерод в огромных торфяных болотах , которые в конечном итоге были глубоко погребены под отложениями. Затем, в течение миллионов лет, жара и давление глубоких захоронений привели к потере воды, метана и углекислого газа и увеличению доли углерода. [19] Марка добываемого угля зависела от максимального достигнутого давления и температуры: бурый уголь (также называемый «бурым углем») добывался в относительно мягких условиях, а полубитуминозный уголь , битуминозный уголь или антрацитовый уголь (также называемый «твердым углем»). уголь» или «черный уголь»), получаемый поочередно с повышением температуры и давления. [2] [22]
Из факторов, участвующих в углефикации, температура гораздо важнее, чем давление или время захоронения. [23] Суббитуминозный уголь может образовываться при температуре от 35 до 80 ° C (от 95 до 176 ° F), тогда как для антрацита 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, что составляет всего 2% геологической истории Земли. [25] Как ни парадоксально, это произошло во время позднепалеозойского ледника , времени глобального оледенения . Однако падение глобального уровня моря, сопровождавшее оледенение, обнажило континентальные шельфы , которые ранее были затоплены, и к ним добавились широкие речные дельты , образовавшиеся в результате усиленной эрозии из-за падения нижнего уровня . Эти обширные заболоченные территории создавали идеальные условия для образования угля. [26] Быстрое образование угля закончилось угольным разрывом во время пермско-триасового вымирания , где уголь встречается редко. [27]
Наличие обширных угольных пластов каменноугольного периода не может быть объяснено одной лишь благоприятной географией. [28] Другими факторами, способствующими быстрому отложению угля, были высокий уровень кислорода , превышающий 30%, что способствовало интенсивным лесным пожарам и образованию древесного угля , который практически не переваривался разлагающимися организмами; высокий уровень углекислого газа , способствующий росту растений; и природа каменноугольных лесов, которые включали деревья -ликофиты , чей определенный рост означал, что углерод не связывался в сердцевине живых деревьев в течение длительного времени. [29]
Одна теория 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 разложилась полностью, а погреблась под осадком, в конечном итоге превратившись в уголь. Около 300 миллионов лет назад грибы и другие грибы развили эту способность, положив конец основному периоду углеобразования в истории Земли. [30] [31] [32] Хотя некоторые авторы указали на некоторые свидетельства деградации лигнина во время каменноугольного периода и предположили, 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 Центрально-Пангейские горы , огромный хребет, протянувшийся вдоль экватора и достигший в это время своей наибольшей высоты. Моделирование климата показывает, что Центральная Пангея способствовала отложению огромного количества угля в позднем карбоне. В горах круглый год выпадают обильные осадки, без засушливого сезона, типичного для муссонного климата. Это необходимо для сохранения торфа в угольных болотах. [35]
Уголь известен из пластов докембрия , предшествующих наземным растениям. Предполагается, что этот уголь образовался из остатков водорослей. [36] [37]
Иногда угольные пласты (также известные как угольные пласты) переслаиваются с другими отложениями в циклотеме . Считается, что циклотемы возникли в результате ледниковых циклов , которые вызвали колебания уровня моря , которые поочередно обнажали, а затем затопляли большие площади континентального шельфа. [38]
Древесная ткань растений состоит преимущественно из целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина. Современный торф представляет собой преимущественно лигнин с содержанием целлюлозы и гемицеллюлозы от 5% до 40%. Также присутствуют различные другие органические соединения, такие как воски, азотсодержащие и серосодержащие соединения. [39] Весовой состав лигнина составляет около 54% углерода, 6% водорода и 30% кислорода, тогда как весовой состав целлюлозы составляет 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] Это означает, что химические процессы во время углефикации должны удалять большую часть кислорода и большую часть водорода, оставляя углерод, этот процесс называется карбонизацией . [41]
Карбонизация протекает преимущественно путем дегидратации , декарбоксилирования и деметанирования. Обезвоживание удаляет молекулы воды из созревающего угля посредством таких реакций, как [42]
Декарбоксилирование удаляет углекислый газ из созревающего угля и протекает по реакции типа [42]
в то время как деметанирование протекает по реакции типа
В каждой из этих формул R представляет собой остаток молекулы целлюлозы или лигнина, к которому присоединены реагирующие группы.
Дегидратация и декарбоксилирование происходят на ранних стадиях углефикации, а деметанация начинается только после того, как уголь уже достиг битуминозного состояния. [43] Эффект декарбоксилирования заключается в уменьшении процентного содержания кислорода, тогда как деметанирование снижает процентное содержание водорода. Дегидратация выполняет и то, и другое, а также (вместе с деметанированием) уменьшает насыщение углеродной цепи (увеличивая количество двойных связей между атомами углерода).
По мере карбонизации алифатические соединения (углеродные соединения, характеризующиеся цепочками атомов углерода) заменяются ароматическими соединениями (углеродными соединениями, характеризующимися кольцами атомов углерода), и ароматические кольца начинают сливаться 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 (органические частицы) бурого угля состоят из гуминита , который имеет землистый вид. По мере созревания угля до полубитуминозного угля гуминит начинает замещаться стекловидным (блестящим) витринитом . [46] Созревание битуминозного угля характеризуется битумизацией , при которой часть угля превращается в битум , богатый углеводородами гель. [47] Созревание до антрацита характеризуется дебитумизацией (в результате деметанации) и возрастающей тенденцией антрацита к разрушению с раковистым изломом , подобно тому, как разбивается толстое стекло. [48]
Поскольку геологические процессы с течением времени оказывают давление на мертвый биотический материал , при подходящих условиях его степень или ранг метаморфизма последовательно увеличивается до:
Существует несколько международных стандартов на уголь. [49] Классификация угля обычно основана на содержании летучих веществ . Однако наиболее важное различие существует между энергетическим углем (также известным как энергетический уголь), который сжигается для выработки электроэнергии с помощью пара; и металлургический уголь (также известный как коксующийся уголь), который сжигают при высокой температуре для производства стали .
Закон Хилта — это геологическое наблюдение, согласно которому (на небольшой территории) чем глубже залегает уголь, тем выше его ранг (или сорт). Это применимо, если температурный градиент полностью вертикальный; однако метаморфизм может вызывать латеральные изменения ранга независимо от глубины. Например, некоторые угольные пласты угольного месторождения Мадрид, штат Нью-Мексико, были частично преобразованы в антрацит в результате контактного метаморфизма магматического порога , в то время как остальная часть пластов осталась в виде битуминозного угля. [50]
Самое раннее признанное использование происходит в районе Шэньяна в Китае, где к 4000 году до нашей эры жители эпохи неолита начали вырезать украшения из черного бурого угля. [51] Уголь из шахты Фушунь на северо-востоке Китая использовался для выплавки меди еще в 1000 году до нашей эры. [52] Марко Поло , итальянец, посетивший Китай в 13 веке, описал уголь как «черные камни... которые горят, как поленья», и сказал, что угля было так много, что люди могли принимать три горячие ванны в неделю. [53] В Европе самое раннее упоминание об использовании угля в качестве топлива содержится в геологическом трактате « О камнях» (л. 16) греческого учёного Теофраста (ок. 371–287 до н. э.): [54] [55]
Среди материалов, которые выкапывают, потому что они полезны, те, которые известны как антраки [угли], состоят из земли и, будучи подожжены, горят, как древесный уголь [антраки]. Их можно найти в Лигурии... и в Элиде, когда приближаешься к Олимпии по горной дороге; и их используют те, кто работает с металлами.
- Теофраст, О камнях (16) [56]
Уголь из обнажений использовался в Британии в эпоху бронзы (3000–2000 гг. до н.э.), где он входил в состав погребальных костров . [57] [58] В Римской Британии , за исключением двух современных месторождений, « к концу второго века нашей эры римляне разрабатывали уголь на всех основных угольных месторождениях Англии и Уэльса ». [59] Свидетельства торговли углем, датированные примерно 200 годом нашей эры, были найдены в римском поселении в Херонбридже , недалеко от Честера ; и в Фенландсах Восточной Англии , куда уголь из Мидлендса транспортировался по автомобильной дамбе для использования при сушке зерна. [60] Угольные угли были найдены в очагах вилл и римских фортов , особенно в Нортумберленде , и датируются примерно 400 годом нашей эры. На западе Англии современные писатели описывали чудо постоянной жаровни с углем на алтаре Минервы в Aquae Sulis (современный Бат ), хотя на самом деле легкодоступный уголь с поверхности того, что впоследствии стало угольным месторождением Сомерсета , широко использовался в довольно скромных местных жилищах. [61] Были найдены доказательства использования угля для обработки железа в городе в римский период. [62] В Эшвайлере , Рейнская область , залежи битуминозного угля использовались римлянами для выплавки железной руды . [59]
Не существует никаких свидетельств того, что уголь имел большое значение в Британии примерно до 1000 года нашей эры, в эпоху высокого средневековья . [63] Уголь стал называться «морским углем» в 13 веке; пристань, куда прибыл материал в Лондон, была известна как Сикоул-лейн, обозначенная так в хартии короля Генриха III , выданной в 1253 году. [64] Первоначально это название было дано потому, что на берегу было обнаружено много угля, упавшего с обнаженной поверхности. угольные пласты на скалах выше или вымытые из подводных обнажений угля, [63] но ко времени Генриха VIII стало понятно, что это произошло из-за того, как его доставляли в Лондон по морю. [65] В 1257–1259 годах уголь из Ньюкасла-апон-Тайна был отправлен в Лондон для кузнецов и обжигателей извести , строящих Вестминстерское аббатство . [63] Сикоул-лейн и Ньюкасл-лейн, где уголь разгружался на причалах вдоль реки Флит , все еще существуют. [66]
Эти легкодоступные источники в значительной степени истощились (или не могли удовлетворить растущий спрос) к 13 веку, когда была развита подземная добыча путем шахт или штолен . [57] Альтернативное название было «угольный», потому что он пришел из шахт.
Приготовление пищи и отопление дома углем (в дополнение к дровам или вместо них) осуществлялось в разные времена и в разных местах на протяжении всей истории человечества, особенно во времена и в местах, где был доступен наземный уголь, а дров было мало, но широко распространено использование угля. угля для домашних очагов, вероятно, никогда не существовало до тех пор, пока в Лондоне в конце шестнадцатого и начале семнадцатого веков не произошла такая замена топлива. [67] Историк Рут Гудман проследила социально-экономические последствия этого перехода и его последующего распространения по всей Британии [67] и предположила, что его важность в формировании промышленного внедрения угля ранее недооценивалась. [67] : xiv – xix
Развитие промышленной революции привело к масштабному использованию угля, поскольку паровая машина пришла на смену водяному колесу . В 1700 году пять шестых мирового угля добывалось в Великобритании. К 1830-м годам в Британии закончились бы подходящие места для водяных мельниц, если бы уголь не был доступен в качестве источника энергии. [68] В 1947 году в Великобритании насчитывалось около 750 000 шахтеров, [69] но последняя глубокая угольная шахта в Великобритании закрылась в 2015 году. [70]
Сорт между битуминозным углем и антрацитом когда-то был известен как «энергетический уголь», поскольку он широко использовался в качестве топлива для паровозов . В этом специализированном использовании в Соединенных Штатах его иногда называют «морским углем». [71] Мелкий «энергетический уголь», также называемый сухими мелкими паровыми орехами (DSSN), использовался в качестве топлива для нагрева воды в бытовых целях .
Уголь играл важную роль в промышленности в 19 и 20 веках. Предшественник Европейского Союза , Европейское сообщество угля и стали , был основан на торговле этим товаром. [72]
Уголь продолжает поступать на пляжи по всему миру как в результате естественной эрозии обнаженных угольных пластов, так и в результате разливов угля с грузовых судов. Во многих домах в таких районах этот уголь используется как важный, а иногда и основной источник топлива для отопления домов. [73]
Состав угля указывается либо в виде экспресс-анализа (влага, летучие вещества, связанный углерод и зола), либо в виде окончательного анализа (зола, углерод, водород, азот, кислород и сера). «Летучее вещество» не существует само по себе (за исключением некоторого количества адсорбированного метана), а обозначает летучие соединения, которые образуются и удаляются при нагревании угля. Типичный битуминозный уголь может иметь окончательный анализ в сухом, беззольном пересчете на 84,4% углерода, 5,4% водорода, 6,7% кислорода, 1,7% азота и 1,8% серы по весу. [40]
Состав золы, выраженный в пересчете на оксиды, варьируется: [40]
Другие второстепенные компоненты включают:
Кокс — это твердый углеродистый остаток, полученный из коксующегося угля (малозольный битуминозный уголь с низким содержанием серы, также известный как металлургический уголь ), который используется при производстве стали и других изделий из железа. [78] Кокс изготавливается из коксующегося угля путем обжига в печи без кислорода при температуре до 1000 °C, удаления летучих компонентов и сплавления связанного углерода и остаточной золы. Металлургический кокс применяется как топливо и как восстановитель при выплавке железной руды в доменной печи . [79] Оксид углерода, образующийся при его сгорании, восстанавливает гематит ( оксид железа ) до железа.
Отходы углекислого газа также производятся ( ) вместе с чугуном , который слишком богат растворенным углеродом, поэтому его необходимо дополнительно обрабатывать для производства стали.
Коксующийся уголь должен содержать мало золы, серы и фосфора , чтобы они не мигрировали в металл. [78] Кокс должен быть достаточно прочным , чтобы выдерживать вес вскрышных пород в доменной печи, поэтому коксующийся уголь так важен при производстве стали традиционным способом. Угольный кокс серый, твердый и пористый, его теплота сгорания составляет 29,6 МДж/кг. Некоторые процессы производства кокса производят побочные продукты, в том числе каменноугольную смолу , аммиак , легкие масла и угольный газ .
Нефтяной кокс (нефтяной кокс) — это твердый остаток, полученный при переработке нефти , который напоминает кокс, но содержит слишком много примесей, чтобы его можно было использовать в металлургии.
Мелкоизмельченный битуминозный уголь, известный в данной заявке как морской уголь, является составной частью формовочного песка . Пока расплавленный металл находится в форме , уголь горит медленно, выделяя под давлением восстановительные газы и тем самым препятствуя проникновению металла в поры песка. Он также содержится в «промывке формы», пасте или жидкости с той же функцией, которую наносят на форму перед отливкой. [80] Морской уголь можно смешать с глиняной облицовкой («телом»), используемой для дна вагранки . При нагревании уголь разлагается и корпус становится слегка рыхлым, что облегчает процесс пробивки отверстий для выпуска расплавленного металла. [81]
Стальной лом можно переработать в электродуговой печи ; Альтернативой производству железа путем плавки является железо прямого восстановления , при котором любое углеродистое топливо можно использовать для производства губчатого или гранулированного железа. Для уменьшения выбросов углекислого газа в качестве восстановителя можно использовать водород [82] , а в качестве источника углерода — биомассу или отходы. [83] Исторически древесный уголь использовался в качестве альтернативы коксу в доменной печи, при этом полученное железо было известно как древесноугольное железо .
Газификация угля, как часть угольной электростанции с комбинированным циклом комплексной газификации (IGCC), используется для производства синтез-газа , смеси угарного газа (CO) и водорода (H 2 ) для сжигания газовых турбин для производства электроэнергии. Сингаз также может быть преобразован в транспортное топливо, такое как бензин и дизельное топливо , с помощью процесса Фишера-Тропша ; альтернативно, синтез-газ может быть преобразован в метанол , который может быть непосредственно смешан с топливом или преобразован в бензин посредством процесса получения метанола в бензин. [84] Газификация в сочетании с технологией Фишера-Тропша использовалась южноафриканской химической компанией Sasol для производства химикатов и автомобильного топлива из угля. [85]
Во время газификации уголь смешивается с кислородом и паром , а также нагревается и находится под давлением. В ходе реакции молекулы кислорода и воды окисляют уголь до монооксида углерода (CO), одновременно выделяя газообразный водород (H 2 ). Раньше это делалось в подземных угольных шахтах, а также для производства городского газа , который подавался по трубам потребителям для освещения, отопления и приготовления пищи.
Если нефтеперерабатывающий завод хочет производить бензин, синтез-газ направляется в реакцию Фишера-Тропша. Это известно как непрямое сжижение угля. Однако, если водород является желаемым конечным продуктом, синтез-газ подается в реакцию конверсии водяного газа , где высвобождается больше водорода:
Уголь можно перерабатывать непосредственно в синтетическое топливо, эквивалентное бензину или дизельному топливу, путем гидрогенизации или карбонизации . [86] При сжижении угля выделяется больше углекислого газа, чем при производстве жидкого топлива из сырой нефти . Смешивание биомассы и использование технологии CCS приведет к выбросам немного меньше, чем при нефтепереработке, но с высокими затратами. [87] Государственная компания China Energy Investment управляет заводом по сжижению угля и планирует построить еще два. [88]
Сжижение угля также может относиться к опасности груза при транспортировке угля. [89]
Химические вещества производятся из угля с 1950-х годов. Уголь может быть использован в качестве сырья при производстве широкого спектра химических удобрений и другой химической продукции. Основным путем получения этой продукции была газификация угля для производства синтез-газа . Первичные химические вещества, которые производятся непосредственно из синтез-газа, включают метанол , водород и окись углерода , которые являются химическими строительными блоками, из которых производится целый спектр производных химических веществ, включая олефины , уксусную кислоту , формальдегид , аммиак, мочевину и другие. Универсальность синтез-газа в качестве прекурсора первичных химикатов и дорогостоящих производных продуктов дает возможность использовать уголь для производства широкого спектра товаров. Однако в 21 веке использование метана угольных пластов становится все более важным. [90]
Поскольку в ряде химических продуктов, которые могут быть произведены путем газификации угля, обычно также может использоваться сырье, полученное из природного газа и нефти , химическая промышленность склонна использовать то сырье, которое является наиболее рентабельным. Таким образом, интерес к использованию угля имел тенденцию возрастать по мере роста цен на нефть и природный газ, а также в периоды высоких темпов глобального экономического роста, которые могли затруднять добычу нефти и газа.
Уголь для химических процессов требует значительных количеств воды. [91] Большая часть угля для химического производства находится в Китае [92] [93] , где зависящие от угля провинции, такие как Шаньси , изо всех сил пытаются контролировать загрязнение окружающей среды. [94]
Энергетическая плотность угля составляет примерно 24 мегаджоуля на килограмм [95] (приблизительно 6,7 киловатт-часа на кг). Для угольной электростанции с КПД 40% требуется примерно 325 кг (717 фунтов) угля для питания лампочки мощностью 100 Вт в течение одного года. [96]
В 2017 году 27,6% мировой энергии было получено с помощью угля, а Азия использовала почти три четверти этого количества. [97]
Рафинированный уголь является продуктом технологии обогащения угля, которая удаляет влагу и некоторые загрязняющие вещества из углей более низкого качества, таких как полубитуминозные и бурые (бурые) угли. Это одна из форм нескольких обработок и процессов перед сжиганием угля, которые изменяют характеристики угля перед его сжиганием. Повышение термической эффективности достигается за счет улучшенной предварительной сушки (особенно актуально для топлива с высоким содержанием влаги, такого как бурый уголь или биомасса). [98] Целями технологий предварительного сжигания угля являются повышение эффективности и сокращение выбросов при сжигании угля. Технологию предварительного сжигания иногда можно использовать 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 за счет сгорания. Ранняя смертность из-за загрязнения воздуха оценивается в 200 на ГВт-год, однако она может быть выше вокруг электростанций, где не используются скрубберы, или ниже, если они находятся вдали от городов. [99] Усилия по сокращению использования угля во всем мире привели к тому, что некоторые регионы перешли на природный газ и электроэнергию из источников с низким содержанием углерода.
Когда уголь используется для производства электроэнергии , его обычно измельчают, а затем сжигают в печи с котлом (см. также Котел, работающий на пылеугольном угле ). [100] Тепло печи преобразует котловую воду в пар , который затем используется для вращения турбин , которые вращают генераторы и вырабатывают электричество. [101] Термодинамический КПД этого процесса варьируется примерно от 25% до 50% в зависимости от обработки перед сжиганием, турбинной технологии (например, сверхкритического парогенератора ) и возраста установки. [102] [103]
Было построено несколько электростанций с комбинированным циклом комплексной газификации (IGCC), которые более эффективно сжигают уголь. Вместо того, чтобы измельчать уголь и сжигать его непосредственно в качестве топлива в парогенерирующем котле, уголь газифицируется для получения синтез-газа , который сжигается в газовой турбине для производства электроэнергии (точно так же, как природный газ сжигается в турбине). Горячие выхлопные газы турбины используются для поднятия пара в парогенераторе-утилизаторе , который приводит в действие дополнительную паровую турбину . Общий КПД установки при использовании для комбинированного производства тепла и электроэнергии может достигать 94%. [104] Электростанции IGCC выбрасывают меньше местных загрязнений, чем обычные электростанции, работающие на пылеугольном топливе; однако технология улавливания и хранения углерода (CCS) после газификации и перед сжиганием пока оказалась слишком дорогой для использования с углем. [105] [106] Другие способы использования угля — это водно-угольное шламовое топливо (CWS), которое было разработано в Советском Союзе , или в MHD-цикле отбензинивания . Однако они не получили широкого распространения из-за отсутствия прибыли.
В 2017 году 38% мировой электроэнергии было получено из угля, такой же процент, как и 30 лет назад. [107] В 2018 году мировая установленная мощность составляла 2 ТВт (из которых 1 ТВт находится в Китае), что составляло 30% от общей мощности по производству электроэнергии. [108] Наиболее зависимой крупной страной является Южная Африка, более 80% электроэнергии которой вырабатывается за счет угля; [109] но только Китай производит более половины мировой электроэнергии, вырабатываемой из угля. [110]
Максимальное использование угля было достигнуто в 2013 году. [111] В 2018 году коэффициент использования мощности угольных электростанций составил в среднем 51%, то есть они проработали около половины располагаемого рабочего времени. [112]
Ежегодно добывается около 8000 тонн угля, около 90% из которых каменный уголь и 10% бурый уголь. По состоянию на 2018 год [update]чуть более половины приходится на подземные шахты. [113] При подземных горных работах происходит больше несчастных случаев, чем при открытых. Не все страны публикуют статистику несчастных случаев на шахтах , поэтому мировые данные неопределенны, но считается, что большинство смертей происходит в результате несчастных случаев на шахтах в Китае : в 2017 году в Китае произошло 375 смертей, связанных с добычей угля. [114] Большая часть добываемого угля — это энергетический уголь (также называемый энергетическим 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). На долю угля приходится от 10% до 15% мирового потребления угля. [115]
Китай добывает почти половину мирового угля, за ним следует Индия с примерно десятой частью. [116] На долю Австралии приходится около трети мирового экспорта угля, за ней следуют Индонезия и Россия , [117] [17] , а 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 вторжения на Украину. [118]
Цена на металлургический уголь непостоянна [119] и намного выше, чем цена на энергетический уголь, поскольку металлургический уголь должен содержать меньше серы и требует большей очистки. [120] Фьючерсные контракты на уголь предоставляют производителям угля и электроэнергетике важный инструмент хеджирования и управления рисками .
В некоторых странах новые наземные ветровые или солнечные электростанции уже стоят дешевле, чем угольная энергия существующих электростанций. [121] [122] Однако для Китая это прогнозируется на начало 2020-х годов [123], а для Юго-Восточной Азии — не раньше конца 2020-х годов. [124] В Индии строительство новых электростанций нерентабельно, и, несмотря на субсидирование, существующие электростанции теряют долю рынка в пользу возобновляемых источников энергии. [125]
Из стран-производителей угля Китай добывает большую часть, почти половину мирового угля, за ним следует Индия (менее 10%). Китай также является крупнейшим потребителем угля. Таким образом, тенденции международного рынка зависят от энергетической политики Китая . [126] Хотя усилия правительства по сокращению загрязнения воздуха в Китае означают, что глобальная долгосрочная тенденция заключается в сжигании меньшего количества угля, краткосрочные и среднесрочные тенденции могут различаться, отчасти из-за финансирования Китаем новых угольных электростанций в Китае. другие страны. [108]
Показаны страны с годовым объемом производства более 300 миллионов тонн.
Показаны страны с годовым потреблением более 500 миллионов тонн. Доли основаны на данных, выраженных в тоннах нефтяного эквивалента.
Экспортерам грозит сокращение спроса на импорт со стороны Индии и Китая. [133] [117]
Использование угля в качестве топлива приводит к ухудшению здоровья и смерти. [136] Добыча и переработка угля вызывают загрязнение воздуха и воды. [137] Угольные электростанции выбрасывают в атмосферу оксиды азота, диоксид серы, твердые частицы и тяжелые металлы, которые отрицательно влияют на здоровье человека. [137] Добыча метана из угольных пластов важна для предотвращения аварий на шахтах.
Смертоносный лондонский смог был вызван прежде всего интенсивным использованием угля. По оценкам, во всем мире уголь является причиной 800 000 преждевременных смертей каждый год, [138] в основном в Индии [139] и Китае. [140] [141] [142]
Сжигание угля является основным источником выбросов диоксида серы , который создает частицы PM2,5 , наиболее опасную форму загрязнения воздуха. [143]
Выбросы угольных дымовых труб вызывают астму , инсульты , снижение интеллекта , закупорку артерий , сердечные приступы , застойную сердечную недостаточность , сердечные аритмии , отравление ртутью , артериальную окклюзию и рак легких . [144] [145]
Ежегодные затраты на здравоохранение в Европе от использования угля для производства электроэнергии оцениваются в 43 миллиарда евро. [146]
В Китае улучшение качества воздуха и здоровья человека будет увеличиваться благодаря более жесткой климатической политике, главным образом потому, что энергетика страны очень сильно зависит от угля. И это будет чистая экономическая выгода. [147]
Исследование 2017 года, опубликованное в журнале Economic Journal , показало, что в Британии в период 1851–1860 годов «увеличение использования угля на одно стандартное отклонение повысило детскую смертность на 6–8%, и что промышленное использование угля объясняет примерно одну треть штрафа за смертность в городах». наблюдалось в этот период». [148]
Вдыхание угольной пыли вызывает у угольщиков пневмокониоз или «черные легкие», названные так потому, что угольная пыль буквально окрашивает легкие в черный цвет. [149] По оценкам, только в США ежегодно 1500 бывших работников угольной промышленности умирают от последствий вдыхания пыли угольных шахт. [150]
Ежегодно образуется огромное количество угольной золы и других отходов. При использовании угля ежегодно образуются сотни миллионов тонн золы и других отходов. К ним относятся летучая зола , зольный остаток и осадок десульфурации дымовых газов , которые содержат ртуть , уран , торий , мышьяк и другие тяжелые металлы , а также неметаллы, такие как селен . [151]
Около 10% угля представляет собой золу. [152] Угольная зола опасна и токсична для человека и некоторых других живых существ. [153] Угольная зола содержит радиоактивные элементы уран и торий . Угольная зола и другие твердые побочные продукты сгорания хранятся локально и улетучиваются различными способами, что подвергает жителей, живущих вблизи угольных электростанций , воздействию радиации и токсичных веществ из окружающей среды. [154]
Добыча угля , отходы сжигания угля и дымовые газы наносят серьезный ущерб окружающей среде. [155] [156]
На водные системы влияет добыча угля. [157] Например, горнодобывающая промышленность влияет на уровень грунтовых вод , уровень грунтовых вод и кислотность. Разливы летучей золы, такие как разлив суспензии угольной золы на заводе по производству ископаемых в Кингстоне , также могут загрязнять землю и водные пути и разрушать дома. Электростанции, сжигающие уголь, также потребляют большое количество воды. Это может повлиять на сток рек и иметь косвенные последствия для других видов землепользования. В районах с нехваткой воды , таких как пустыня Тар в Пакистане , добыча угля и угольные электростанции способствуют истощению водных ресурсов. [158]
Одним из самых ранних известных воздействий угля на круговорот воды были кислотные дожди . В 2014 году было выброшено около 100 Тг /с диоксида серы (SO 2 ), более половины из которых пришлось на сжигание угля. [159] После выброса диоксид серы окисляется до H 2 SO 4 , который рассеивает солнечную радиацию, поэтому его увеличение в атмосфере оказывает охлаждающее воздействие на климат. Это выгодно маскирует часть потепления, вызванного увеличением выбросов парниковых газов. Однако сера выпадает из атмосферы в виде кислотных дождей в течение нескольких недель, [160] тогда как углекислый газ остается в атмосфере на сотни лет. Выбросы SO 2 также способствуют повсеместному закислению экосистем. [161]
Заброшенные угольные шахты также могут вызывать проблемы. Проседание грунта может произойти над туннелями, что приведет к повреждению инфраструктуры или пахотных земель. Добыча угля также может стать причиной длительных пожаров: по оценкам, в любой момент времени горят тысячи угольных пластов . [162] Например, Бреннендер Берг горит с 1668 года и горит до сих пор в 21 веке. [163]
При производстве кокса из угля образуются аммиак, каменноугольная смола и газообразные соединения в качестве побочных продуктов, которые при попадании в почву, воздух или водные пути могут загрязнять окружающую среду. [164] Сталелитейный завод Уайалла является одним из примеров предприятия по производству кокса, где жидкий аммиак сбрасывался в морскую среду. [165]
Интенсивность выбросов – это количество парниковых газов, выбрасываемых в течение срока службы генератора на единицу произведенной электроэнергии. Интенсивность выбросов угольных электростанций высока, поскольку они выбрасывают около 1000 г экв. CO 2 на каждый произведенный кВтч, тогда как интенсивность выбросов природного газа является средней – около 500 г экв. CO 2 на кВтч. Интенсивность выбросов угля варьируется в зависимости от типа и технологии генератора и в некоторых странах превышает 1200 г на кВтч. [166]
По всему миру горят тысячи угольных пожаров. [167] Те, кто горит под землей, трудно обнаружить, и многие из них невозможно потушить. Пожары могут привести к проседанию земли над ними, их дымовые газы опасны для жизни, а вырыв на поверхность может вызвать поверхностные лесные пожары . Угольные пласты могут загореться в результате самовозгорания или контакта с шахтным или поверхностным пожаром. Удары молний являются важным источником возгорания. Уголь продолжает медленно сгорать обратно в пласт до тех пор, пока кислород (воздух) не перестанет достигать фронта пламени. Пожар травы в угольной зоне может привести к возгоранию десятков угольных пластов. [168] [169] Угольные пожары в Китае сжигают около 120 миллионов тонн угля в год, выбрасывая в атмосферу 360 миллионов метрических тонн CO 2 , что составляет 2–3% годового мирового производства CO 2 из ископаемого топлива . [170] [171] В Централии, штат Пенсильвания ( район , расположенный в угольном регионе США), обнаженная жила антрацита загорелась в 1962 году из-за пожара на городской свалке, расположенной в заброшенном карьере антрацитовой шахты . Попытки потушить огонь не увенчались успехом, и он продолжает гореть под землей по сей день . Первоначально считалось, что австралийская Пылающая гора является вулканом, но дым и пепел исходят от угольного пожара, который горит уже около 6000 лет. [172]
В Кух-и-Малик в Ягнобской долине ( Таджикистан) залежи угля горят уже тысячи лет, создавая обширные подземные лабиринты, полные уникальных минералов, некоторые из которых очень красивы.
Красноватая алевролитовая порода, покрывающая многие хребты и холмы в бассейне реки Паудер в Вайоминге и на западе Северной Дакоты , называется порцеланитом , который напоминает «клинкер» отходов сжигания угля или вулканический « шлак ». [173] Клинкер — это порода, сплавленная в результате естественного сжигания угля. В бассейне реки Паудер за последние три миллиона лет сгорело от 27 до 54 миллиардов тонн угля. [174] О диких угольных пожарах в этом районе сообщили экспедиция Льюиса и Кларка , а также исследователи и поселенцы в этом районе. [175]
Самым большим и долгосрочным эффектом использования угля является выброс углекислого газа, парникового газа , вызывающего изменение климата . Угольные электростанции внесли наибольший вклад в рост глобальных выбросов CO 2 в 2018 году: [177] 40% от общего объема выбросов ископаемого топлива [8] и более четверти от общего объема выбросов. [7] [примечание 1] Добыча угля может привести к выбросам метана, еще одного парникового газа. [178] [179]
В 2016 году валовые выбросы углекислого газа в результате использования угля составили 14,5 гигатонн. [180] На каждый произведенный мегаватт-час угольная электростанция выбрасывает около тонны углекислого газа, что вдвое превышает примерно 500 кг углекислого газа, выбрасываемого электростанцией, работающей на природном газе . [181] В 2013 году глава климатического агентства ООН посоветовал оставить большую часть мировых запасов угля в земле, чтобы избежать катастрофического глобального потепления. [182] Чтобы удержать глобальное потепление на уровне ниже 1,5 °C или 2 °C, сотни, а возможно, и тысячи угольных электростанций должны быть выведены из эксплуатации досрочно. [183]
К местным стандартам загрязнения относятся GB13223-2011 (Китай), Индия, [184] Директива о промышленных выбросах (ЕС) и Закон о чистом воздухе (США) .
Спутниковый мониторинг теперь используется для перекрестной проверки национальных данных, например, прекурсор Sentinel-5 показал, что китайский контроль над SO 2 оказался лишь частично успешным. [185] Также выяснилось, что недостаточное использование таких технологий, как SCR, привело к высоким выбросам NO 2 в Южной Африке и Индии. [186]
Несколько угольных электростанций с комбинированным циклом комплексной газификации (IGCC) были построены с газификацией угля . Хотя они сжигают уголь более эффективно и, следовательно, выделяют меньше загрязнений, эта технология в целом не оказалась экономически жизнеспособной для угля, за исключением, возможно, Японии, хотя это спорно. [187] [188]
Хотя он все еще интенсивно исследуется и считается экономически целесообразным для некоторых видов использования, кроме угля; Улавливание и хранение углерода было протестировано на угольных электростанциях Петра-Нова и Баундэри-Дэм и было признано технически осуществимым, но экономически нецелесообразным для использования угля из-за снижения стоимости солнечной фотоэлектрической технологии. [189]
В 2018 году в поставки угля было инвестировано 80 миллиардов долларов США , но почти все средства направлены на поддержание уровня добычи, а не на открытие новых шахт. [190] В долгосрочной перспективе уголь и нефть могут стоить миру триллионы долларов в год. [191] [192] Один только уголь может стоить Австралии миллиарды, [193] тогда как затраты некоторых небольших компаний или городов могут достигать миллионов долларов. [194] Экономика, наиболее пострадавшая от угля (из-за изменения климата), возможно, является Индией и США, поскольку они являются странами с самыми высокими социальными издержками от углерода . [195] Банковские кредиты на финансирование угля представляют собой риск для индийской экономики. [139]
Китай является крупнейшим производителем угля в мире. Это крупнейший в мире потребитель энергии, а уголь в Китае обеспечивает 60% первичной энергии. Однако две пятых угольных электростанций Китая, по оценкам, являются убыточными. [123]
Загрязнение воздуха в результате хранения и обработки угля обходится США почти в 200 долларов за каждую дополнительную тонну хранимого угля из-за PM2,5. [196] Загрязнение углем обходится в 43 миллиарда евро каждый год. [197] Меры по сокращению загрязнения воздуха приносят пользу отдельным лицам в финансовом отношении и экономике таких стран, [198] [199] , таких как Китай. [200]
Субсидии на уголь в 2021 году оцениваются в 19 миллиардов долларов США , не считая субсидий на электроэнергию , и , как ожидается, вырастут в 2022 году . производство угля, включая угольную электроэнергетику: многие субсидии невозможно определить количественно [202] , но они включают 27,6 млрд долларов США в виде внутренних и международных государственных финансов, 15,4 млрд долларов США в виде финансовой поддержки и 20,9 млрд долларов США в государственных предприятиях (ГП). ) инвестиций в год. [177] В ЕС государственная помощь новым угольным электростанциям запрещена с 2020 года, а существующим угольным электростанциям — с 2025 года. [203] По состоянию на 2018 год государственное финансирование новых угольных электростанций предоставлялось Эксимбанком Китая. , [204] Японский банк международного сотрудничества и индийские банки государственного сектора. [205] Уголь в Казахстане был основным получателем субсидий на потребление угля на общую сумму 2 млрд долларов США в 2017 году. [206] Уголь в Турции получил значительные субсидии в 2021 году. [207][update]
Некоторые угольные электростанции могут стать бесполезными активами , например, China Energy Investment , крупнейшая в мире энергетическая компания, рискует потерять половину своего капитала. [123] Однако государственные электроэнергетические компании, такие как Eskom в Южной Африке, Perusahaan Listrik Negara в Индонезии, Sarawak Energy в Малайзии, Taipower на Тайване, EGAT в Таиланде, Vietnam Electricity и EÜAŞ в Турции, строят или планируют новые электростанции. [208] По состоянию на 2021 год это может способствовать возникновению углеродного пузыря , который может вызвать финансовую нестабильность, если он лопнет. [209] [210] [211]
Страны, строящие или финансирующие новые угольные электростанции, такие как Китай, Индия, Индонезия, Вьетнам, Турция и Бангладеш, сталкиваются с растущей международной критикой за препятствование достижению целей Парижского соглашения . [108] [212] [213] В 2019 году островные государства Тихого океана (в частности, Вануату и Фиджи ) раскритиковали Австралию за неспособность сократить выбросы более быстрыми темпами, чем они, сославшись на опасения по поводу затопления и эрозии прибрежных территорий. [214] В мае 2021 года члены «Большой семерки» договорились прекратить новую прямую государственную поддержку международной угольной энергетики. [215]
Противодействие загрязнению углем было одной из главных причин современного экологического движения , возникшего в 19 веке. [ нужна цитата ]
Для достижения глобальных климатических целей и обеспечения электроэнергией тех, кто в настоящее время ее не имеет, к 2040 году потребление угольной энергии должно быть сокращено с почти 10 000 ТВт-ч до менее 2 000 ТВт-ч. [219] Поэтапный отказ от угля имеет краткосрочные преимущества для здоровья и окружающей среды, которые превышают затраты, [220] но некоторые страны по-прежнему предпочитают уголь, [221] и существуют большие разногласия по поводу того, как быстро следует отказаться от него. [222] [223] Однако многие страны, такие как Powering Past Coal Alliance , уже перешли или перешли от угля; [224] Крупнейшим переходным периодом, объявленным на данный момент, является Германия, которая должна закрыть свою последнюю угольную электростанцию в период с 2035 по 2038 год. [225] Некоторые страны используют идеи « справедливого перехода », например, для использования некоторых о преимуществах перехода к досрочному пенсионному обеспечению угольщиков. [226] Однако низменные тихоокеанские острова обеспокоены тем, что переход происходит недостаточно быстро и что они будут затоплены повышением уровня моря , поэтому они призвали страны ОЭСР полностью отказаться от угля к 2030 году, а другие страны - к 2040 году. [ 226] 214] В 2020 году, хотя Китай построил несколько электростанций, во всем мире больше угольной энергетики было выведено из эксплуатации, чем построено: Генеральный секретарь ООН также заявил, что страны ОЭСР должны прекратить производство электроэнергии из угля к 2030 году, а остальной мир - к 2040 году. [227] Сокращение потребления угля было согласовано на COP26 в рамках Пакта о климате Глазго . Вьетнам входит в число немногих развивающихся стран, зависящих от угля, которые обязались постепенно отказаться от угольной энергетики к 2040-м годам или как можно раньше после этого [228].
Пик угля — это пик потребления или производства угля человеческим сообществом. Пик доли угля в мировом энергетическом балансе пришелся на 2008 год, когда на долю угля приходилось 30% мирового производства энергии. [229] Потребление угля снижается в США и Европе, а также в развитых странах Азии. [229] Однако потребление по-прежнему растет в Индии и Юго-Восточной Азии, [230] что компенсирует падение в других регионах. [231] Мировое потребление угля достигло рекордного уровня в 2023 году и составило 8,5 млрд тонн. [232]
Пик добычи угля может быть вызван пиковым спросом или пиковым предложением. Исторически сложилось широко распространенное мнение, что сторона предложения в конечном итоге приведет к пику добычи угля из-за истощения запасов угля . Однако, поскольку глобальные усилия по ограничению изменения климата усиливаются , пик потребления угля во многих странах обусловлен спросом. [229] Во многом это связано с быстрым распространением природного газа и возобновляемых источников энергии. [229] Многие страны обязались поэтапно отказаться от угля , несмотря на оценки, согласно которым запасы угля могут хватить на столетия при нынешнем уровне потребления.Угольная генерация выбрасывает примерно в два раза больше углекислого газа (около тонны на каждый произведенный мегаватт-час), чем электроэнергия, вырабатываемая при сжигании природного газа с 500 кг парниковых газов на мегаватт-час. [233] Помимо производства электроэнергии, природный газ также популярен в некоторых странах для отопления и в качестве автомобильного топлива .
Использование угля в Соединенном Королевстве сократилось в результате разработки месторождений нефти в Северном море и последующего стремления к газу в 1990-х годах. В Канаде некоторые угольные электростанции , такие как электростанция Хирн , перешли с угля на природный газ. В 2017 году угольная энергетика в США обеспечивала 30% электроэнергии по сравнению с примерно 49% в 2008 году, [234] [235] [236] из-за обильных поставок дешевого природного газа, полученного путем гидроразрыва плотных сланцевых пластов. [237]
Некоторые угледобывающие регионы сильно зависят от угля. [238]
Некоторые шахтеры обеспокоены тем, что в переходный период их рабочие места могут быть потеряны. [239] Справедливый переход от угля поддерживается Европейским банком реконструкции и развития . [240]
Гриб белой гнили Trametes versicolor может расти на природном угле и метаболизировать его. [241] Было обнаружено, что бактерии Diplococcus разлагают уголь, повышая его температуру. [242]
Уголь является официальным минералом штата Кентукки [ 243] и официальным камнем штата Юта [244] и Западной Вирджинии . [245] Эти штаты США имеют историческую связь с добычей угля.
В некоторых культурах считается, что дети, которые плохо себя ведут , вместо подарков получат от Санта-Клауса на Рождество только кусок угля в чулках .
В Шотландии и на севере Англии также принято и считается удачей дарить уголь в подарок на Новый год . Это происходит как часть первого шага и символизирует тепло в наступающем году.
{{cite book}}
: |work=
игнорируется ( помощь )В 2020 году Китай произвел 53% всей мировой угольной электроэнергии, что на девять процентных пунктов больше, чем пятью годами ранее.
пик добычи в 2013 году