Uhlie

Uhlie usadené horniny, kaustobiolity
Čierne uhlie
Zloženie
Hlavné minerály	bitumenózna zložka – (litotyp)
Akcesórie	kremeň, kalcit, íly, sulfidy železa
Vlastnosti
Textúra	masívna, páskovaná
Farba	hnedá až čierna
Portál vedy o Zemi

Uhlie je čierna alebo hnedočierna horľavá hornina z radu kaustobiolitov, ktorá vznikla v uhoľných panvách procesmi preuhoľňovania z odumretých rastlinných tiel účinkom tlaku a teploty^[1]. Okrem uhľovodíkov obsahuje do 50 % minerálnych látok a vody. Získava sa z povrchových lomov alebo hlbinných baní a používa sa predovšetkým ako palivo. Od dôb priemyselnej revolúcie je uhlie veľmi dôležitou energetickou surovinou. Väčšina svetovej výroby elektrickej energie sa uskutočňuje práve v uhoľných (t. j. tepelných) elektrárňach (približne 40 % svetovej elektrickej energie). Uhlie je zložené predovšetkým z uhlíka, obsahuje však rozmanité zložky vrátane sírnych zlúčenín.

Zloženie

Uhlie je tvrdá ale krehká tmavosivá až čierna hornina s obsahom horľavej (bitumenóznej) zložky nad 50 %. V prípade, že hornina obsahuje menej bitumenóznej zložky nazýva sa uhoľná, bitumenózna alebo čierna bridlica^[2]. Uhlie je tvorené organickou (uhoľnou) hmotou, popolom (minerálnymi látkami) a vodou. Často možno pozorovať striedanie svetlejších a tmavších vrstiev, v ktorých môže byť pozorovateľný fosílny rastlinný materiál. Okrem vrstevnatosti možno pozorovať kockový rozpad spôsobený dvomi kolmými sústavami puklín (najmä u čierneho uhlia). Pri dotyku sa niektoré druhy uhlia otierajú^[3].

Uhoľnú hmotu možno makroskopicky (voľným okom) rozdeliť na zložky^[4] (litotypy), ktoré možno rozlíšiť podľa farby, lesku a textúry:

• vitrit – sklovitá lesklá zložka
• klarit – vrstevnatá lesklá zložka
• durit – matná zložka
• fuzit – vláknitá zložka

Niekedy sú rozlišované aj ďalšie zložky^[2]:

• detrit – úlomky rastlinného materiálu - rastlinný kal
• xylit – drevená hmota

Makroskopické zložky však nie sú homogénne a pri podrobnom mikroskopickom štúdiu v odrazenom svetle ich možno rozdeliť na mikroskopické zložky, tzv. macerály. V minulosti sa rozoznávali macerály základnej hmoty a častíc, ktoré sa v nej nachádzali. Dnešná klasifikácia rozlišuje tri typy macerálov^[5]:

• vitrinit – tvorený geochemicky a biochemicky alterovanými časťami rastlinných bunkových stien
• liptinit – tvorený živicami a voskom rastlín
• intertinit – tvorené drevitým zuhoľnateným tkanivom

Minerálne látky, tzv. popoloviny, v uhlí tvoria hlavne ílové minerály, kremeň, karbonáty a sulfidy železa (napr. pyrit). Íly tvoria asi 50 % všetkých anorganických látok v uhlí. Predstavuje ich hlavne illit, kaolinit, smektit a íly so zmiešanými vrstvami. Kremeň môže tvoriť až 20 % prítomných anorganických látok. Niekedy sa SiO₂ nachádza vo forme chalcedónu. Ďalšie aluminosilikáty zastupujú hlavne živce (alkalické aj vápenaté), turmalín, a zeolity ako analcím, klinoptylolit a heulandit. Karbonáty väčšinou predstavuje kalcit, dolomit, siderit aj ankerit; aragonit je menej častý. Bežné sú vo forme rôznych konkrécií. Môžu však byť prítomné aj rôzne zmiešané fázy s rôznym obsahom Ca, Mg, Fe a Mn a iných prvkov, napríklad strontianit alebo dawsonit. Sulfidy železa sú prítomné prevažne vo forme pyritu a markazitu. Spomedzi ostatných sulfidov je menej častý galenit a sfalerit. Sulfidy predstavujú novoutvorené – diagenetické minerály. Síra pochádza zo sulfátov z morskej vody, ale môže byť aj biogénna, alebo vulkanického pôvodu, čo možno rozlíšiť iba pomocou jej izotopového zloženia. Niekedy s uhlím asociujú aj sírany ako sadrovec, anhydrit, baryt a iné, ktoré môžu byť primárne alebo aj diagenetického pôvodu^[6].

Jednotlivé minerálne látky sa do uhlia dostali rôznymi cestami. Jednak ako súčasť rastlín (konštitučné popoloviny), ktoré tvoria asi 0,5 až 1,5 % obsahu súčasnej rastlinnej hmoty, ďalšie ako naplaveniny prinesené vodou a vetrom do uhoľnej panvy počas hromadenia uhlia. Časť minerálnych látok asociujúcich s uhlím tvoria jalové medzivrstvy iných usadených hornín (pieskovcov, ílovcov a podobne) medzi jednotlivými vrstvami uhlia. Časť minerálnych látok vznikla sekundárne vyzrážaním v uhlí v priebehu preuhoľňovania alebo ešte neskôr (tzv. infiltračné popoloviny)^[4].

Medzi základné fyzikálne vlastnosti uhlia patria farba, lesk, index lomu, tvrdosť a krehkosť. Pre technické spracovanie má veľký význam hustota, pórovitosť, nasiakavosť, pevnosť, pružnosť, stupeň elasticity, ale aj jeho elektrické a termické vlastnosti.

Vznik uhlia

Uhlie vzniklo z rastlinných a živočíšnych zvyškov, ktoré boli uložené v anaeróbnom vodnom prostredí, kde nízky obsah kyslíka zabraňoval ich úplnému rozkladu a oxidácii (t. j. hnitiu). Nedostatok kyslíka bol spôsobený najmä extrémnou akumuláciou odumretých častí rastlín, ktorých hnitie spotrebovávalo väčšinu kyslíka v plytkej, pomaly plynúcej alebo celkom stojatej vode uhoľných panví. Následný rozklad organickej hmoty preto nebol dokonalý, nedochádzalo k úplnému tleniu a spráchniveniu, ale bez prístupu kyslíka sa rastlinné zvyšky rozkladali iba veľmi pomaly. Rašelina sa preuhoľňovaním (karbonifikáciou) postupne menila na uhlie. Vytvára väčšinou vrstevnaté polohy označované v súvislosti s uhlím ako sloje^[7].

Najvhodnejšie podmienky na vznik uhlia sú panvách, ktoré sa nachádzajú v nížinách, pri brehoch plytkých morí alebo vo vnútrozemských panvách. Uhoľné panvy príbrežných oblastí boli často zaplavované morom pri periodických morských ingresiách, označujú sa ako paralické panvy. Kontinentálne (vnútrozemské) panvy predstavujú hlavne močiare obklopujúce veľké jazerá. Tvorili sa dlhodobo, často tiež pozdĺž zlomov v poklesávajúcich depresiách, medzi stabilnejšími oblasťami zemskej kôry. Tieto sa označujú ako limnické panvy. Aj v jazerných oblastiach často dochádzalo k zmenám podmienok sedimentácie a bežná je ich cyklicita, prejavujúca sa prínosom siliciklastík, ktoré prekrývali uhoľné sloje^[8]. Rašeliniská vnútrozemských panví majú len nízky prínos klastických sedimentov a ich uhoľné sloje môžu dosahovať značnú hrúbku, mávajú však zväčša pomerne malé plošné rozšírenie. Močiarne uhoľné sloje mávajú väčšie plošné rozšírenie, prúdiaca voda však do sedimentov priniesla väčšie množstvo ílu, siltu a piesku. V prípade, že išlo o príbrežné (paralické) prostredie, sedimenty obsahujú značnú prímes síranov a sulfidov, ktoré zvyšujú obsah síry v uhlí a tým znižujú jeho kvalitu^[9].

Striedanie podmienok sedimentácie sa v uhoľných panvách prejavovalo zmenami sedimentácie. V limnických panvách sú označované ako cykly, v paralických ako cyklotémy. Každý takýto cyklus zahŕňa postupne štádium transgresie, pokojnej sedimentácie a nakoniec regresie^[8].

Následnou akumuláciou týchto sedimentov v sedimentačných panvách, ich prekrytím ďalšími mladšími sedimentmi, narastajúcim tlakom a teplotou dochádza k postupným geochemickým zmenám a vytláčaniu vody.

Z hľadiska prostredia, v ktorom uhlie vznikalo sa rozlišujú^[1]:

• humolity – uhlie, ktoré vzniklo z pletív cievnatých rastlín, v močiaroch; je najrozšírenejšie, má vrstevnatú stavbu; nachádza sa in situ, na miestach kde rastliny pôvodne rástli; prevažná väčšina uhlia patrí do humolitového radu^[10], tieto uhlia môžu byť zdrojom zemného plynu
• liptobiolity – uhlie, ktoré je zložené z odolných častí rastlín (rastlinné vosky, živice), vznikalo v aeróbnych častiach rašelinísk
• sapropelity – uhlie, ktoré vzniklo hnitím organického hlienu v subakvatickom – morskom prostredí, organický hlien tvorili hlavne riasy, spóry, peľové zrná, kutikuly a úlomky rastlinných pletív; na rozdiel od predošlých je jemnozrnné, nemá vyvinutú vrstvovitosť; ide väčšinou o transportované sedimenty prinesené prúdmi v suspenzii^[10], tieto uhlia môžu byť zdrojom ropy

Pri vzniku uhlia (preuhoľňovaní) možno rozoznať dve základné štádiá – najprv biochemické a neskôr geochemické. Biochemické štádium alebo tiež humifikačný proces predstavuje tvorbu rašeliny a procesy prebiehajúce vo vrstvách rašeliny pri povrchu, ktoré sú ovplyvnené pôsobením mikroorganizmov. Dochádza tu k premene pôvodne biogénnych organických látok na iné organické látky, ktoré sa v rastlinách pôvodne nenachádzali. Geochemické štádium reprezentuje termickú premenu (biochemicky zmenenej) rašeliny na uhlie^[6], ktorý nastáva vo väčších hĺbkach. Významným faktorom je čas, tlak a teplota. Výsledkom preuhoľňovania je postupný nárast obsahu uhlíku (z 60 až cez 90%), dehydratácia a pokles obsahu prchavých látok^[11] (CO₂, CH₄, H₂O, klesá obsah O, H, N). Geochemické štádium môžu výrazne zrýchliť horotvorné procesy alebo zvýšený geotermický gradient. Pokračovanie horotvorných pohybov, alebo hlboké pochovanie uhlia môže mať za následok jeho metamorfózu, vznik antracitu až grafitu, teda čistého uhlíka.

Typy uhlia

• lignit – tiež označovaný ako hnedé uhlie je najmenej kvalitný druh uhlia. Používa sa len na parnú výrobu elektrickej energie. Leštený lignit sa od železnej doby používal ako ozdobný kameň.

• hnedo-čierne – jeho vlastnosti sú kombináciou vlastností čierneho a hnedého uhlia, použitie má rovnaké ako lignit
• čierne uhlie – je charakteristické vysokou hustotou, jeho farba je obvykle hnedočierna až čierna
• antracit – najkvalitnejšie uhlie, používa sa na vykurovanie

Spracovanie uhlia

Splyňovanie

Vysoké ceny vykurovacích olejov a zemného plynu vedú k zvýšenému záujmu o tzv. BTU konverziu – technológie ako splyňovanie, skvapalňovanie a tuhnutie. V minulosti bolo uhlie používané na výrobu svietiplynu, ktorý bol dopravovaný k spotrebiteľom potrubím a bol využívaný na svietenie, varenie a kúrenie. Dnes je namiesto svietiplynu používaný bezpečnejší zemný plyn. V južnej Afrike sa ešte stále využíva splyňovanie uhlia pre potreby petrochemického priemyslu, vyvinuté počas obchodného embarga. Splyňovanie je tiež možnosť výroby energie, ktorá je všeobecne čistejšia než energia získaná konvenčne z uhlia, môžu sa vyrábať nové plynové turbíny s vyššou účinnosťou než súčasné parné turbíny. Vznikajúci oxid uhličitý je možné v prípade potreby zachytávať. V praxi sa však zachytávanie oxidu uhličitého robí len v USA - v dvoch projektoch pri Mexickom zálive a dvoch projektoch na Great Plains pri hranici s Kanadou. Zachytený oxid uhličitý sa vtláča do ropných ložísk, čím zvyšuje výnosy ropy a zisk z nej zaplatí zvýšené náklady na procesy CCS.

Skvapalňovanie

Uhlie možno previesť na kvapalné palivá ako napríklad benzín či nafta niekoľkými rôznymi spôsobmi. Fischerov—Tropschov proces spočíva v syntéze kvapalných uhľovodíkov, bol použitý v nacistickom Nemecku a v Juhoafrickej republike, pretože tieto krajiny boli politicky izolované a nemali dostatočné zdroje surovej ropy. Uhlie môže byť skvapalňované na tzv. syngas (syntézny plyn) a syngas skvapalnený Fischerovou—Tropschovou metódou na ľahké uhľovodíky, ktoré sú ďalej spracúvané na benzín a naftu. Syngas môže byť tiež prevedený na metanol, ktorý sa používa ako palivo alebo ako aditívum do palív. Priame skvapalňovanie Bergiusovým procesom (hydrogenačné skvapalňovanie) je možné, ale nie je vo svete zaužívané, len v Nemecku za prvej a druhej svetovej vojny, keď bolo na Nemecko uvalené embargo na dovoz ropy .

Ďalším spôsobom používaným na skvapalňovanie uhlia je nízkoteplotná karbonizácia (LTC). Uhlie je pri LTC karbonizované pri teplotách 450 – 700 °C (pre porovnanie, pri kokse je to 800 – 1 000 °C). Tieto teploty sú optimálne na výrobu kamennouhoľných dechtov. Na rozdiel od klasického dechtu má väčší obsah ľahkých uhľovodíkov. Kamennouhoľný decht je potom ďalej spracúvaný na palivá. Tento proces vyvinul Lewis Karrick v roku 1920. Všetky tieto procesy uvoľňujú oxid uhličitý. Ak je potrebné ho zachytávať, je to pri použití týchto procesov jednoduchšie než jeho zachytávanie zo spalín produkovaných pri spaľovaní uhlia.

Koksovanie a použitie koksu

Koks je pevný uhlíkový zvyšok odvodený od nízkopopolnatého nízkosírneho čierneho uhlia, z ktorého sú odstránené prchavé zložky v koksárenskej batérii bez prístupu kyslíka pri teplotách 1 000 °C. Ďalšími produktmi koksovania je kamennouhoľný decht, amoniak, ľahké oleje a koksárenský plyn.

Petrolejový koks

Petrolejový koks je pevný zvyšok získaný rafináciou ropy, obsahuje však veľké množstvo nečistôt na to, aby mohol byť použitý v metalurgii. Koks sa používa ako palivo a redukčné činidlo, okrem iného aj vo vysokej peci. Koks pripravený z uhlia je sivý, tvrdý, pórovitý a jeho výhrevnosť je okolo 29,3 MJ/kg.

Škodlivé účinky spaľovania uhlia

Pri spaľovaní uhlia vzniká oxid uhličitý spolu s premenlivým množstvom oxidu siričitého a oxidov dusíka v závislosti od kvality spracovávaného uhlia. Oxid siričitý reaguje s vodou za vzniku kyseliny siričitej. Ak sa dostane do atmosféry, reaguje s vodnou parou a vznikajú kyslé dažde.

Emisie z uhoľných elektrární predstavujú najväčší umelý zdroj oxidu uhličitého, čím výrazne prispievajú ku globálnemu otepľovaniu. Moderné elektrárne využívajú mnohé techniky na obmedzenie škodlivosti odpadných látok. Napriek tomu, že sú tieto techniky v niektorých krajinách už široko využívané, sú stále pomerne drahé. Slovenské elektrárne ENO a EVO sú vybavené systémami zachytávania SOx a NOx, tiež filtráciou polietavého popolčeka zo spalín Uhlie obsahuje niekedy toxické prvky vrátane arzénu a ortuti, ktoré môžu byť nebezpečné v prípade, že sa dostanú do ovzdušia. Niektoré uhlie obsahuje stopové množstvo uránu, tória a iných prirodzene sa vyskytujúcich rádioaktívnych nuklidov Sú to napríklad niektoré čínske čierne uhlia, v Európe je mierne rádioaktívne uhlie z nedobývaného ložiska pri Drážďanoch. Aj keď sú tieto prvky v uhlí len stopovými nečistotami, tak niekedy spôsobujú, že v okolí niektorých uhoľných elektrární je úroveň rádioaktívneho žiarenia vyššia než v okolí atómových elektrární, čo je príklad niektorých čínskych elektrární, ktoré nemajú technológie zachytávania popolčeka.

Dopady na zdravie ľudí

Výroba 1 TWh elektriny z lignitu, má v Európe vo všeobecnosti za následok približne 32,6 (8,2–130) úmrtí, 298 (74,6–1193) závažných ochorení a 17 676 (4419–70 704) ľahkých ochorení kvôli efektom súvisiacim so znečistením ovzdušia.

Výroba 1 TWh elektriny z uhlia, má v Európe vo všeobecnosti za následok približne 24,5 (6,1–98) úmrtí, 225 (56,2–899) závažných ochorení a 13 288 (3322–53 150) ľahkých ochorení kvôli efektom súvisiacim so znečistením ovzdušia.^[12]

Ťažba uhlia a lignitu bola ekonomickou aktivitou s najvyšším počtom novopriznaných chorôb z povolania podľa divízií klasifikácie ekonomických činností na Slovensku za roky 2014 - 2016 spolu ako aj za jednotlivé roky 2015 (37 prípadov) a 2016 (38 prípadov).^[13]

Dopady na klímu

Žiadny iný zdroj energie neprodukuje toľko skleníkových plynov ako uhlie. V roku 2013 malo celosvetovo na svedomí 15,5 miliard ton emisií CO₂. To zodpovedá približne 43 percentám všetkého vypusteného oxidu uhličitého a viac ako štvrtine všetkých emisií skleníkových plynov.^[14]

Potenciálne emisie skleníkových plynov z ropy, plynu a uhlia na poliach a baniach, ktoré sú v súčasnosti prevádzkované vo svete, by ohriali Zem nad úroveň 2°C.^[15]

Požiare uhlia

Vo svete existuje mnoho požiarov uhoľných slojov, kde uhlie horí pod zemským povrchom. Požiare uhlia môžu spôsobiť prepady pôdy a vznikajúce spaliny sú životu nebezpečné. Okrem toho môžu požiare prestupovať prasklinami na povrch a vytvárať tak povrchové požiare.

Podzemné požiare je možné uhasiť, ale vyžaduje si to enormne vysoké náklady na vŕtanie mnohých vrtov a pumpovanie hasiva do slojov Požiare uhlia spália v Číne ročne 120 miliónov ton uhlia, z ktorého vznikne 360 miliónov ton oxidu uhličitého, čo predstavuje 2 – 3 % jeho ročnej svetovej produkcie z fosílnych palív.

V minulosti sa verilo, že austrálska Horiaca hora (Burning Mountain) je činná sopka, až neskôr sa zistilo, že ide o uhoľný požiar, ktorý horí už viac ako 5000 rokov.

Využitie

Uhlie je najčastejšie používané tuhé palivo na výrobu tepla spaľovaním. Jeho výhrevnosť je priemerne 24 MJ na kg^[16]. Svetová spotreba uhlia je 7 000 miliónov ton ročne, z toho je 75 % využívaných na výrobu elektrickej energie. V oblasti Číny a Indie sa ročne spotrebuje 4 600 miliónov ton uhlia a predpokladalo sa, že v roku 2025 narastie táto spotreba na 5 700 miliónov ton ročne, v súčasnosti sa ale trend rastu spotreby uhlia zastavil. V USA sa každoročne spotrebuje miliarda ton uhlia, z toho až 90 % na výrobu elektrickej energie.

Časť uhlia je významným zdrojom vstupných surovín pre chemický priemysel.

Pri výrobe elektrickej energie sa spaľuje uhlie rozomleté na prach v špeciálnom horáku, kotol ohrieva vodu na vodnú paru, ktorá roztáča turbíny a generátory. Pri udržaní súčasnej spotreby vystačia zásoby uhlia na približne 120 rokov, ale stále sa objavujú nové výdatné ložiská uhlia.

Ložiská a zásoby uhlia

Zásoby uhlia sú mnoho výdatnejšie než zásoby drahších palív ako je ropa a zemný plyn. Nové techniky pravdepodobne umožnia v budúcnosti dobývať uhlie aj tam, kde sa to dnes z ekonomických dôvodov neoplatí. Odborníci sa domnievajú, že súčasné metódy dovoľujú ekonomicky ťažiť iba približne 12 % známych svetových zásob.

Jedna z možných metód, ako využiť ostatné zásoby je spaľovať uhlie priamo v sloji a tak produkovať plyn. Táto technológia ale naráža na mnohé technické problémy pri udržiavaní rovnomerného spaľovania ako aj využívania syngasu, a tak je podzemné spaľovanie reálne dlhodobo prevádzkované len v Kazachstane. Iné možné použitie uhlia je extrahovať z neho uhľovodíky a tak nahradiť míňajúce sa zásoby ropy. Kvôli tejto vízii prebieha vo svete mnoho experimentov a výskumov, zatiaľ však nie sú zavedené do praxe vo väčšom meradle, najmä preto že ťažba ropy klasickým spôsobom je stále lacnejšia.

Náleziská na Slovensku

Na Slovensku sa najväčšie náleziská hnedého uhlia nachádzajú v hornonitrianskej a handlovskej kotline (Prievidza, Cigeľ, Lehota pod Vtáčnikom, Nováky a Handlová), v okolí Veľkého Krtíša (baňa Dolina) a pri Obyciach a Badíne (ložiská boli ťažené v minulosti). Hnedé uhlie s najnižšou výhrevnosťou, lignit, sa ťaží na Záhorí v okolí obce Čáry. Malé ložiská čierneho uhlia, konkrétne antracitu, sú v Zemplínskych vrchoch pri Veľkej Tŕni, ťažba by však bola nerentabilná a preto sa čierne uhlie dováža z Česka a Poľska.^[18]. Lokálne (mineralogické) nálezy pochádzajú aj z ďalších lokalít. Napr. z oblasti Uhrovského Podhradia (z lunzských vrstiev hronika)^[19].

Vo svete

Významnými producentmi uhlia sú Čína, USA, India, Austrália, Južná Afrika, Rusko, Indonézia, Kazachstan, Poľsko, Kolumbia. Z toho 3 krajiny sveta USA, Rusko a Čína majú približne 2/3 svetových zásob uhlia. Rozsah odhadovaných zásob (v závislosti od predpokladanej spotreby) sa pohybuje od 177 do 527 rokov^[2].

V Česku sú najvýznamnejšie ložiská čierneho uhlia v ostravsko-karvinskej, kladniansko-slánsko-rakovnickej, žaléřsko-svatoňovickej a rosicko-oslavanskej panve. Hnedé uhlie je hojné v severočeskej, sokolovskej, chebskej, juhočeskej a juhomoravskej panve^[20].

Postupný útlm ťažby a spaľovania uhlia

Utlmenie ťažby hnedého uhlia na Slovensku by prinieslo:^[21]

• zníženie emisií skleníkových plynov (meraných v CO2) o 5%;
• zdravotné benefity vo výške 500 miliónov eur ročne;
• úsporu približne 100 miliónov eur ročne, ktorými spotrebitelia elektrickej energie dotujú ťažbu uhlia.

OECD vo svojom hodnotení Slovenska z roku 2017^[22] opätovne odporúča zastavenie tejto podpory za účelom zvýšenia kvality ovzdušia.

Kľúčové bude postupné preškolenie a integrácia pracovnej sily späť na trh práce cez aktívne politiky či špeciálne programy na vzdelávanie.^[21]

Referencie

Iné projekty

• Wikicitáty ponúkajú citáty od alebo o Uhlie
• Commons ponúka multimediálne súbory na tému Uhlie
• Wikislovník ponúka heslo Uhlie

Chemický portál