Węgiel (pochodzenie, rodzaje, wykorzystywanie)
Węgiel jest jednym z najbardziej niezwykłych minerałów występujących na kuli ziemskiej.
Po pierwsze jest skałą pochodzenia organicznego, czyli powstałą ze szczątków organizmów żywych.
Po drugie, w przeciwieństwie do innych skał pali się, wydzielając dużo ciepła.
Węgiel, który był podstawowym paliwem w czasie rewolucji przemysłowej, przyczynił się do rozwoju wielu gałęzi przemysłu. W skład węgla kamiennego wchodzi węgiel pierwiastkowy, który nadaje mu czarne zabarwienie, oraz łatwopalne gazy, czyli wodór, azot oraz tlen.
Pochodzenie węgla
Większość złóż węgla formowała się od 360 do 286 milionów lat temu i właśnie z tego powodu ten okres w dziejach Ziemi został nazwany karbonem. Węgiel powstał na bagnistych obszarach, które w tamtych czasach porastały wilgotne lasy tropikalne. Drzewa z tamtego okresu w bardzo małym stopniu przypominały jednak te, które spotykamy współcześnie. Do największych należały gigantyczne paprocie, skrzypy i widłaki.
Szczątki obumarłych roślin opadały na dno bagnistych jeziorzysk lub lagun, gdzie z powodu małej ilości tlenu i odpowiednich bakterii, rozkładały się bardzo powoli. Zjawisko to można obserwować również współcześnie. W pierwszej fazie rozkładu gnijące rośliny zmieniają się w torf. Procesowi temu towarzyszy wydzielanie metanu, głównego składnika gazu ziemnego (90%), błotnego i kopalnego.
Torf nie jest w stanie samoistnie przekształcić się w węgiel. Jego pokłady muszą najpierw zostać poddane odpowiedniemu ciśnieniu. Pierwsze zgniatanie złóż torfu odbywa się pod ciężarem wciąż narastającej ilości obumarłych roślin. Z warstwy torfu o grubości od 10 do 15 metrów może powstać jednometrowa warstwa węgla. Po zapełnieniu bagna przez substancję roślinną, na złożach torfu osadzały się warstwy piasku i mułu. Następnie teren obniżał się, a wody morskie lub jeziorne ponownie go zalewały, dzięki czemu dochodziło do kolejnego etapu akumulacji roślinnej. Cykl ten powtarzał się wielokrotnie, dlatego mówimy, że węgiel kamienny powstał w procesie sedymentacji cyklicznej. Doprowadziła ona do powstania licznych, oddzielonych od siebie innymi skałami osadowymi, pokładów węgla. Ich grubość różni się znacznie i wynosi od kilku milimetrów do kilku metrów.
Rodzaje węgla
Wyróżnia się trzy podstawowe rodzaje węgla w zależności od stopnia uwęglenia, czyli zaawansowania metamorfozy torfu.
Najmniej, bo tylko trzydzieści procent węgla pierwiastkowego zawiera torf. Węgiel brunatny, zawdzięczający swą nazwę charakterystycznemu kolorowi, jest surowcem bardziej przetworzonym i zawiera od trzydziestu do siedemdziesięciu procent węgla pierwiastkowego. Przy spalaniu dymi, wydzielając stosunkowo mało ciepła.
Najwięcej energii uzyskać można z węgla kamiennego, stąd jego duża popularność. Nie jest to skała jednorodna- ułożone naprzemiennie warstwy błyszczące i matowe odpowiadają materiałowi, z jakiego powstały. Błyszczące- to skamieniałe drewno, matowe- drobne szczątki roślinne. W pokładach węgla kamiennego znajduje się również miękki, czarny pył, przypominający węgiel do rysowania. Najwięcej węgla pierwiastkowego- około 98%- zawiera antracyt. Jest to bardzo twarda odmiana węgla kamiennego i w porównaniu z pozostałymi rodzajami pozbawiona substancji brudzących. Podczas spalania emituje bardzo dużo ciepła i mało dymu, jednak rozpalenie antracytu jest bardzo trudne.
Wykorzystanie węgla
Węgiel jest przede wszystkim popularnym surowcem energetycznym. W niektórych domach do dziś używa się go do ogrzewania. Obecnie jednak większość węgla zużywana jest w przemyśle lub w elektrowniach. Zanim zaczęto wydobywać na szeroką skale gaz ziemny, uzyskiwano go z węgla. Dzieje się tak do dziś w krajach pozbawionych naturalnych złóż gazu.
Produktorem wysokotemperaturowego odgazowywania węgla kamiennego jest koks- paliwo niezbędne do wytapiania rud żelaza. Aby uzyskać koks, podgrzewa się węgiel w szczelnie zamkniętych piecach koksowniczych. Bez dostępu tlenu nie dochodzi do spalania, a jedynie do wytrącenia lekkich olejów, związków amoniaku, smoły węglowej i gazu. Pozostała substancja to koks.
Węgiel jest również wykorzystywany w przemyśle chemicznym. Związki amoniaku, smoła węglowa i lekkie oleje są niezbędne przy produkcji barwników do tkanin, materiałów antyseptycznych, lekarstw, detergentów, środków zapachowych, nawozów, substancji niszczących chwasty oraz lakierów do paznokci, a nawet słodzików zawierających sacharynę.
Gdzie go szukać?
Węgiel jest najczęściej występującym surowcem energetycznym pochodzenia organicznego. Specjaliści obliczyli, ze przy obecnym zużyciu, znane ludziom złoża powinny wystarczyć na ponad 200 lat. Jednocześnie szacuje się, iż nasza planeta kryje zasoby piętnastokrotnie większe od dotychczas poznanych. Spośród obecnie dostępnych, dwie trzecie światowych zasobów węgla znajduje się na obszarze trzech krajów- w Stanach Zjednoczonych (30%), w Rosji i byłych republikach radzieckich (25%), oraz w Chinach (10%). Wśród największych potentatów w wydobyciu węgla należy wymienić również Australię, Kanadę, Niemcy, Indie, Polskę, Republikę Południowej Afryki oraz Wielką Brytanię. W Ameryce Południowej węgiel wydobywa się jedynie w czterech krajach- w Argentynie, Brazylii, Chile i w Kolumbii. Eksploatacja tych złóż jest bardzo utrudniona, ponieważ większość z nich znajduje się głęboko pod ziemią, na obszarach porośniętych przez lasy tropikalne. Spośród 52 krajów afrykańskich, jedynie w ośmiu wydobywa się węgiel. Najwięcej w RPA i zimbabwę; resztę w Algierii, Maroku, Mozambiku, w Nigerii, Tanzanii i Zairze.
Jak go szukać?
Przed około trzema tysiącami lat Chińczycy jako pierwsi odkryli węgiel, który prawdopodobnie ukazał się ich oczom jako minerał zalegający bezpośrednio na powierzchni ziemi, na zboczach gór, lub w korycie rzeki. Eksploatując złoże, starożytni górnicy posuwali się wydrążonymi korytarzami coraz głębiej. Obecnie odkrywaniem nowych pokładów zajmują się geolodzy. Rejon poszukiwań zwęża się za pomocą zdjęć lotniczych i satelitarnych. Później, podobnie jak w przypadku gazu ziemnego, geolodzy wywołują sztuczne wstrząsy podziemne. Doprowadzają one do powstania drgań rejestrowanych na powierzchni ziemi przez sejsmografy, zwane w geofizyce poszukiwawczej geofonami. Wykres drgań dostarcza informacji na temat ułożenia warstw skorupy ziemskiej i ich budowy geologicznej.
Następnie, we wskazanym przez specjalistów miejscu, wykonuje się wiercenia głębinowe i po pobraniu próbek można z dużym prawdopodobieństwem określić czy w danym miejscu znajduje się węgiel, a jeśli tak to jakiej jakości i na jakiej głębokości.
Inną metodą, przydatną w pracach na bardzo dużych głębokościach, stosowaną pierwotnie przy poszukiwaniu ropy naftowej i gazu ziemnego są wiercenia. Do otworu wiertniczego wprowadza się wiele różnych przyrządów mierniczych, które mają wszechstronnie zbadać ułożenie oraz rodzaj warstw skorupy ziemskiej. Sonda, którą spuszcza się w głąb otworu wiertniczego, a następnie wyciąga na powierzchnię z określoną prędkością, wyposażona jest w instrumenty badające porowatość skał, ich radioaktywność, uskoki pomiędzy poszczególnymi warstwami oraz oporność czyli sposób w jaki skały przewodzą ładunki elektryczne.
Górnictwo odkrywkowe
Grubość poszczególnych pokładów węgla może być zróżnicowana i waha się od kilku centymetrów do kilku metrów. Jednak bez względu na grubość, eksploatuje się je w dwojaki sposób, w kopalniach odkrywkowych lub głębinowych. Jeżeli węgiel znajduje się blisko powierzchni ziemi, tak jak w wielu miejscach a w Australii czy w Stanach Zjednoczonych, wydobywa się do w kopalniach odkrywkowych. Metoda ta stosowana jest również przy eksploatacji złóż węgla brunatnego we wschodniej Europie. W wielkiej Brytanii kopalnie odkrywkowe mają średnio trzydzieści trzy metry głębokości. W najgłębszej tego typu kopalni w Niemczech eksploatuje się węgiel na głębokości 325 metrów.
Budowa kopalni odkrywkowej to poważna ingerencja w środowisko naturalne. Roboty górnicze rozpoczynają się od usunięcia wierzchnich warstw gleby i skał, które odrzucone na sąsiadujące tereny tworzą olbrzymie hałdy.
Węgiel wydobywa się przy pomocy gigantycznych koparek. Największe maszyny używane w Wielkiej Brytanii są w stanie pomieścić za jednym razem dwa samochody osobowe. Są również zdolne do udźwignięcia ładunku o łącznej masie 100 ton. Największa koparka na świecie pracuje w kopalni węgla brunatnego w niemieckim mieście Hambach. Jest ona w stanie udźwignąć 13 000 ton ładunku.
Gdy pokłady węgla w kopalni odkrywkowej zostaną wyczerpane, podejmuje się działania mające na celu przywrócenie zniszczonemu środowisku pierwotnego stanu.
Górnictwo głębinowe
W Europie podstawowym sposobem eksploatacji złóż węgla jest górnictwo głębinowe. W Stanach Zjednoczonych metoda ta wydobywa się około 40 %, natomiast w Australii około 50% węgla.
Zdarza się ze pokłady znajdują się na bardzo dużej głębokości. W Wielkiej Brytanii najgłębsze eksploatowane pokłady znajdują się na głębokości 1300 metrów. Aby umożliwić połączenie z dolnymi pokładami buduje się pionowe szyby którymi górnicy zjeżdżają w dół lub wracają na górę. Tą samą drogą transportuje się na powierzchnie wydobyty minerał. Sama podziemna kopalnia może zajmować wielki obszar, a specjalne kolejki wożą górników od szybu do ściany węgla, pokonując wielokilometrowe odległości.
W przypadku złóż położonych na mniejszej głębokości buduje się szyby pochyłe, tzw . sztolnie, którymi górnicy zjeżdżają w dół i z powrotem , węgiel zaś transportowany jest na taśmociągu.
Samo wydobycie odbywa się za pomocą dwóch podstawowych technologii. Pierwsza z nich, metoda filarowa, stosowana głównie w Stanach Zjednoczonych, polega na drążeniu złoża, przy jednoczesnym pozostawieniu części węgla w postaci filarów zabezpieczających strop. Przy zastosowaniu tej metody znaczna część pokładu pozostaje jednak pod ziemią.
O wiele efektywniejsza jest metoda stosowana w Europie i powoli wprowadzana w Stanach Zjednoczonych polegająca na kopaniu dwóch równoległych tuneli w odległości około 20 metrów. Specjalne maszyny górnicze wybierają węgiel między tunelami, z tym że w miarę przesuwania się w głąb pokładu, przekopane tunele, nie podparte filarami, zawalają się. Przy zastosowaniu tej metody, można wydobyć aż 90% istniejącego węgla.
Zagrożenia
Co roku przy wydobyciu węgla giną setki górników. Ryzyko z wykonywaniem tego zawodu jest bardzo wysokie i jak dotąd nie są znane środki, które zapewniły by bezpieczeństwo ludziom pracującym w kopalniach. Ponadto kontakt z węglem oraz jego pochodnymi stanowi duże zagrożenie dla zdrowia. Kontakt z węglowodorem, np., może spowodować raka skóry, natomiast dym oraz gazy emitowane podczas spalania węgla często prowadzą do schorzeń układu oddechowego, nie wyłączając raka płuc.
Dym taki zawiera również dwutlenek siarki, który po połączeniu z wodą tworzy kwas siarkowy - główny składnik kwaśnego deszczu. Kwaśny deszcz niszczy drzewa i inne rośliny, zabija wodną faunę, a także osłabia materiały budowlane.
Dwutlenek węgla, kolejny produkt uboczny spalania węgla, jest jednym z gazów odpowiedzialnych za efekt cieplarniany - zjawisko mogące doprowadzić do niebezpiecznego ocieplenia klimatu naszej planety.
Perspektywy na przyszłość
Pomimo wielu zagrożeń i nieustających poszukiwań czystszych źródeł energii, węgiel wciąż jest podstawowym surowcem energetycznym.
Znane metody wydobycia węgla są jednak bardzo kosztowne. Dlatego trwają badania nad bardziej efektywnym wykorzystaniem odkrytych zasobów tego surowca. Specjaliści pracują nad metodą spalania złóż węgla pod ziemią w celu uzyskania gazu. Nadzieje budzi też możliwość uzyskiwania z węgla płynnego paliwa, które mogłoby w przyszłości zastąpić topniejące zasoby ropy naftowej.