Основное применение каменного угля заключается в сжигании для выработки электроэнергии.
Это использование обеспечивает около 40% мировой электроэнергии. Такие страны, как Южная Африка, использует уголь для выработки 94% своей электроэнергии, а Китай и Индия используют это полезное ископаемое для восполнения до 70-75% своих потребностей в электроэнергии.
Применение угля обеспечивает доступ к электричеству тем, кто раньше его не имел, что способствует повышению качества жизни и сокращению бедности в этих регионах. Однако эти виды энергии производят большое количество различных загрязнителей, что снижает качество воздуха и способствует изменению климата.
Уголь является самым распространенным ископаемым топливом на Земле, его месторождения широко распространены. Он состоит из разных растительных материалов и в процессе углефикации, который происходит в течение длительного периода времени.
Существует способ классификации угля, который делится на различные категории соответственно различным значениям нагрева: бурый, суббитуминозный, битуминозный и, наконец, антрацитовый.
Сжигание огромного количества каменного угля
Угольные электростанции требуют огромных объемов этого ископаемого.
Шокирующе: на угольной электростанции мощностью 1000 МВт в сутки используется 9000 тонн, что эквивалентно всей нагрузке поезда (90 вагонов по 100 тонн в каждом!). Количество ископаемого, используемого в течение всего года, потребовало бы 365 поездов, и если длина каждого из них составляет 1 км, то один поезд, перевозящий весь этот уголь, должен был бы составлять около 365 км; примерно такое же расстояние, как от Москвы до Смоленска. Если этот поезд проходил бы мимо вашего дома со скоростью 40 километров в час, потребуется почти 10 часов!
Переработка этого угля в конечную цель электричество является многогранным процессом:
- Уголь должен быть выгружен из поезда. Традиционный способ для этого требует использования кранов, собирающих материал из вагонов, однако новые заводы имеют пол под железнодорожными путями, позволяя быть сброшенным в подземное хранилище. Делая это, даже не требуется останавливать движение! Многие угольные электростанции строят там где добывают уголь, так чтобы его не нужно было перевозить поездом.
- После выгрузки полезное ископаемое затем измельчают в мелкий порошок с помощью большой дробилки. Это обеспечивает почти полное сжигание, чтобы максимизировать отдачу тепла и минимизировать загрязняющие вещества.
- Затем пылеугольный уголь вводится в котел, где происходит сжигание и обеспечивается теплом электростанция. Это тепло передается трубам, содержащим воду высокого давления, которая кипит выделяя пар.
- Затем пар проходит через турбину, в результате чего она быстро вращается, которая в свою очередь вращает генератор, производя электричество. Электричество может затем быть введено в электрическую сеть для использования обществом.
Для завершения этого процесса угольные электростанции следуют по циклу Ренкина (цикл преобразования тепла в работу за счет водяного пара- в честь шотландского инженера). Поскольку этот процесс требует много воды, чтобы участвовать в этом цикле, электростанции должны быть расположены недалеко от воды.
Экологические последствия применения угля
Угольные электростанции имеют много связанных с этим экологических последствий для местной экосистемы.
Загрязнение воздуха
При сжигании каменного угля выделяется много загрязняющих веществ — оксидов азота (NOx) и серы (SOx) — и твердых частиц. Они также выбрасывают парниковые газы, такие как углекислый газ (CO2) и метан (CH4), которые, как известно, способствуют глобальному потеплению и изменению климата. Для того уменьшить выброс, электростанции требуют технологии для уменьшения выхода этих вредных молекул.
Использование воды
Использование воды влечет загрязнение.
Большое количество воды часто необходимы для удаления примесей из угля. Например, в Китае для этого процесса используется около одной пятой воды, используемой в угольной промышленности. Этот процесс помогает уменьшить загрязнение воздуха, так как он исключает около 50% золы в угле. Это приводит к уменьшению производства диоксида серы (SOx), а также к уменьшению выбросов двуокиси углерода (CO2) из-за более высокой тепловой эффективности.
Когда электростанции удаляют воду из окружающей среды, рыба и другая водная жизнь могут быть затронуты, наряду с животными, полагающимися на эти источники. Загрязняющие вещества также накапливаются в воде, используемой электростанциями, поэтому, если эта вода будет сброшена обратно в окружающую среду, она может нанести вред дикой природе.
Сброс воды с электростанций и промывка угля требует мониторинга и регулирования.
Мировое производство электроэнергии
Доля мирового производства электроэнергии в большей степени зависит от применения угляи его энергоемкости.
Энергоемкость
Начальным источником энергии угля является солнечная энергия, потому что именно она сохранилась в мертвой растительной материи. Каменный уголь сжигается в присутствии атмосферного кислорода. Такая повышенная температура позволяет осуществлять химическую реакцию между топливом и кислородом в атмосфере, образующим углекислый газ (CO2). Поскольку каменный уголь также содержит атомы водорода, сжигание образует некоторый водяной пар в качестве продукта (H2O). Производство CO2 ведет к изменению климата, однако именно производство CO2 делает его таким полезным топливом. CO2 представляет собой наименьшее энергетическое состояние атома углерода в атмосфере, содержащей кислород, поэтому переход от топлива (углерода в угле) и атмосферного кислорода к CO2 позволяет получить максимальное количество энергии из топлива. Энергетическое содержание ископаемого варьируется вместе с его зрелостью (старее лучше), как видно из таблицы ниже, антрацит имеет наибольшее энергетическое содержание из всех типов.
Тип угля Энергетическое содержание (МДж/кг)
Антрацит 31.38-36.261
Битумный 25.569-34.867
Полубитуминозный 19.293 — 30.218
Лигнит 12.784 — 19.293
Способы добычи угля
Существуют способы добычи угля которые разработала горнодобывающая промышленность.
Если ископаемое находится на глубине до 100 метров применяется карьерный способ — самый дешевый способ добычи угля. Этот способ позволяет добывать 60% мирового применения в настоящее время. Тонкий верхний слой породы (обычно всего несколько метров) убирается, чтобы был доступ к угольным пластам толщиной 50-100 метров.
Если глубоко, то роются шахты и добывается подземным способом.
Лучшим считается каменный уголь, добытый подземным способом.
Однако, добыча подземным способом представляет собой серьезную угрозу для здоровья непосредственно вовлеченных горняков. Эти риски включают заболевание пневмокониоза легких рабочих, вызванное долгосрочным воздействием угольной пыли.
Кроме карьерного и шахтного способа добычи существуют и другие.
Это гидравлический способ с помощью давления воды или с помощью сжатого воздуха.
Виброимпульсный — путем удара специальным оборудованием. Однако эти способы не нашли широкого применения ввиду дороговизны.
Объем эмиссии вреда окружающей среде
Помимо воздействия на здоровье человека применение каменного угля представляет собой серьезные последствия для окружающей среды и для экологии в целом. Исчезновение ручьев, изменение естественных водостоков, загрязнение воды, дополнительная эрозия и кислотные стоки в поверхностные воды являются лишь некоторыми из потенциальных последствий. 
В мире вводится в действие Закон о контроле над поверхностной добычей полезных ископаемых и мелиорации, в соответствии с которым полоса добытых земель должна быть возвращена к первоначальной биотической продуктивности.
Как и все ископаемое топливо, уголь испускает углекислый газ при его сжигании. Фактически, ископаемое является ответственным за выброс большой части углекислого газа. Кроме того, большинство этого полезного ископаемого также содержит определенное количество других элементов, таких как сера, ртуть, а иногда и литий. Горение приводит к образованию NOx и SOx.
