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| 堆積岩 | |
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| 構成 | |
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| 主要な | 炭素 |
| 二次 | |
石炭は、石炭層と呼ばれる岩層として形成された、黒色または黒褐色の可燃性の堆積岩です。石炭は主に炭素で、他の元素、主に水素、硫黄、酸素、窒素がさまざまな量含まれています。[1]石炭は化石燃料 の一種で、死んだ植物質が泥炭に分解され、数百万年かけて深く埋もれた熱と圧力によって石炭に変化します。[2]石炭の広大な鉱床は、石炭紀後期（ペンシルベニア紀）とペルム紀に地球の熱帯陸地の大部分を覆っていた石炭林と呼ばれるかつての湿地帯に由来しています。[3] [4]
石炭は主に燃料として使用されます。石炭は数千年にわたって知られ、使用されてきましたが、産業革命までその使用は限られていました。蒸気機関の発明により、石炭の消費量が増加しました。[5] 2020年には、石炭は世界の一次エネルギーの約4分の1と電力の3分の1以上を供給しました。[6]一部の鉄鋼製造やその他の工業プロセスでは石炭が燃焼され ます。
石炭の採掘と燃焼は環境にダメージを与え、早死や病気を引き起こします。[7]また、気候変動に寄与する最大の人為的二酸化炭素排出源でもあります。2020年には石炭の燃焼によって140億トンの二酸化炭素が排出されました。[8]これは化石燃料の総排出量の40%に相当し、 [9]世界の温室効果ガス総排出量の25%以上です。[10]世界的なエネルギー転換の一環として、多くの国が石炭火力発電の使用を削減または廃止しました。[11] [12]国連事務総長は、 2020年までに新しい石炭火力発電所の建設を停止するよう各国政府に要請しました。 [13]
世界の石炭使用量は2022年に83億トンとなり[14] 、 2023年も過去最高レベルを維持すると予想されています[15]。地球温暖化を2℃（3.6℉）未満に抑えるというパリ協定の目標を達成するには、石炭使用量を2020年から2030年までに半減させる必要があり[16] 、グラスゴー気候協定では石炭の「段階的削減」が合意されました。
2020年の石炭の最大の消費国と輸入国は中国で、世界の年間石炭生産量のほぼ半分を占め、インドが約10分の1を占めています。インドネシアとオーストラリアが最も多く輸出しており、ロシアがそれに続いています。[17] [18]
語源
この単語はもともと古英語でcolという形をとっており、これは再構成されたゲルマン祖語の* kula ( n )から来ており、これはインド・ヨーロッパ祖語の語根* g ( e ) u-lo-「生きた石炭」から来ている。[19]ゲルマン語の同源語には、古フリジア語のkole、中期オランダ語のcole、オランダ語のkool、古高ドイツ語のchol、ドイツ語のKohle、古ノルド語のkolがある。アイルランド語のgualもインド・ヨーロッパ語の語源による同源語である。[19]
石炭の形成
枯れた植物が石炭に変わることを石炭化といいます。地質学上の過去のさまざまな時期に、地球の低地には密林[20]がありました。これらの湿地帯では、枯れた植物が泥や酸性水によって酸化から保護され、泥炭に変わることで石炭化のプロセスが始まりました。その結果生じた泥炭地は大量の炭素を閉じ込めていましたが、最終的には堆積物によって深く埋もれました。その後、何百万年もかけて、深く埋もれた熱と圧力によって水、メタン、二酸化炭素が失われ、炭素の割合が増加しました。[21]生産される石炭の等級は、到達した最大圧力と温度に依存し、比較的穏やかな条件下では亜炭(「褐炭」とも呼ばれる) が生産され、温度と圧力が上昇するにつれて亜瀝青炭、瀝青炭、または無煙炭(「硬質石炭」または「黒炭」とも呼ばれる) が生産されました。[2] [22]
石炭化に関わる要因のうち、温度は圧力や埋設時間よりもはるかに重要です。[23]亜瀝青炭は35～80℃（95～176℉）の低温で形成されますが、無煙炭は少なくとも180～245℃（356～473℉）の温度が必要です。[24]
石炭はほとんどの地質時代から知られているが、石炭層の90％は石炭紀とペルム紀に堆積した。[25]逆説的に、これは古生代後期の氷河期、つまり地球規模の氷河期の時期であった。しかし、氷河期に伴う地球規模の海面低下により、それまで水没していた大陸棚が露出し、さらに基底レベルの低下による侵食の増加によって広い河川デルタが形成された。これらの広範囲に広がる湿地帯は、石炭の形成に理想的な条件を提供した。[26]石炭の急速な形成は、石炭が希少となるペルム紀-三畳紀絶滅イベントの石炭ギャップで終了した。 [27]
石炭紀の石炭層が広大であったことは、地形の条件が良かっただけでは説明できません。[28]石炭の急速な堆積に寄与した他の要因としては、30%を超える高酸素レベルが激しい山火事や分解生物がほとんど消化できない木炭の形成を促進したこと、植物の成長を促進した高二酸化炭素レベル、そして、一定した成長のため長期間にわたって生きている樹木の心材に炭素が固定されないリコファイド属の木々を含む石炭紀の森林の性質が挙げられます。[29]
一説によると、約3億6000万年前、一部の植物がリグニンを生成する能力を発達させたという。リグニンは複雑なポリマーで、セルロースの茎をより硬く木質化する。リグニンを生成する能力が最初の樹木の進化につながった。しかし、細菌や菌類はすぐにはリグニンを分解する能力を発達させなかったため、木は完全には腐らずに堆積物の下に埋もれ、最終的に石炭に変わった。約3億年前、キノコやその他の菌類がこの能力を発達させ、地球史上の主要な石炭形成期は終焉を迎えた。[30] [31] [32]一部の著者は石炭紀にリグニンが分解された証拠を指摘し、気候や地殻変動の要因の方がより妥当な説明であると主張したが、[33]系統解析による祖先酵素の再構築により、リグニン分解酵素が菌類に約2億年前に出現したという仮説が裏付けられた。[34]
考えられる地殻変動の要因の1つは、中央パンゲア山脈である。これは赤道に沿って走る巨大な山脈で、この頃に最高標高に達した。気候モデルは、中央パンゲア山脈が石炭紀後期の大量の石炭の堆積に貢献したことを示唆している。この山脈は、モンスーン気候に典型的な乾季がなく、年間を通じて雨量の多い地域を作り出した。これは、石炭湿地の泥炭の保存に必要である。[35]
石炭は陸上植物よりも古い先カンブリア時代の地層から発見されている。この石炭は藻類の残渣から生まれたと推定されている。[36] [37]
炭層（炭層とも呼ばれる）は、サイクロセムと呼ばれる堆積層で他の堆積物と重なり合うことがあります。サイクロセムは、海面の変動を引き起こし、大陸棚の広い範囲が露出したり浸水したりした氷河サイクルに起源があると考えられています。 [38]
石炭化の化学
植物の木質組織は、主にセルロース、ヘミセルロース、リグニンで構成されています。現代の泥炭は主にリグニンで構成されており、セルロースとヘミセルロースの含有量は5％から40％です。ワックス、窒素および硫黄含有化合物などのさまざまな他の有機化合物も存在します。[39]リグニンの重量構成は、約54％の炭素、6％の水素、30％の酸素ですが、セルロースの重量構成は、約44％の炭素、6％の水素、49％の酸素です。瀝青炭の重量構成は、約84.4％の炭素、5.4％の水素、6.7％の酸素、1.7％の窒素、1.8％の硫黄です。[40]石炭の酸素含有量が低いことは、石炭化によって酸素のほとんどと水素の多くが除去されたことを示し、このプロセスは炭化と呼ばれます。[41]
炭化は主に脱水、脱炭酸、脱メタン化によって進行する。脱水は、次のような反応によって成熟した石炭から水分子を除去する。[42]
- 2 R–OH → R–O–R + H 2 O
脱炭酸反応は成熟した石炭から二酸化炭素を除去する。[42]
- RCOOH → RH + CO 2
一方、脱メタン化は次のような反応によって進行する。
- 2 R-CH 3 → R-CH 2 -R + CH 4
- R-CH 2 -CH 2 -CH 2 -R → R-CH=CH-R + CH 4
これらの式において、R は反応基が結合しているセルロースまたはリグニン分子の残りの部分を表します。
脱水と脱炭酸は石炭化の初期段階で起こるが、脱メタン化は石炭がすでに瀝青質化した後にのみ始まる。[43]脱炭酸の効果は酸素の割合を減らすことであり、脱メタン化は水素の割合を減らすことである。脱水は両方の効果をもたらし、（脱メタン化とともに）炭素骨格の飽和度を低下させる（炭素間の二重結合の数を増やす）。
炭化が進むにつれて、脂肪族化合物は芳香族化合物に変換されます。同様に、芳香族環は多環芳香族化合物（炭素原子の結合した環）に融合します。[44]その構造は、黒鉛の構造要素である グラフェンにますます似てきます。
化学変化は平均細孔径の減少などの物理的変化を伴う。[45]
マセラル
マセラルは、元の植物の形態といくつかの特性を保持した石炭化した植物の一部です。多くの石炭では、個々のマセラルを視覚的に識別できます。マセラルには次のものがあります。[46]
- ビトリニット、木質部分から得られる
- リピナイト、胞子と藻類から得られる
- 不活性物質、先史時代に燃やされた木質部分から得られる
- ヒューミニイト、ビトリナイトの前駆体。
石炭化の過程では、ヒューミニットはガラス質（光沢のある）ビトリニットに置き換わります。[47]瀝青炭の熟成は瀝青化を特徴とし、石炭の一部が炭化水素を豊富に含むゲルであるビチューメンに変化します。 [ 48]無煙炭への熟成は脱瀝青化（脱メタン化から）と、厚いガラスが割れるのと同じように無煙炭が貝殻状の破砕を起こしやすくなることを特徴とします。 [49]
種類
地質学的プロセスが、適切な条件下で、時間の経過とともに死んだ生物物質に圧力をかけると、その変成度または変成ランクは次のように連続的に増加します。
- 石炭の原料である泥炭
- 褐炭は石炭の中で最もランクが低く、燃焼すると健康に最も有害であり、[7]ほぼ発電用の燃料としてのみ使用される。
- 亜瀝青炭は、その性質が亜炭と瀝青炭の中間であり、主に蒸気発電の燃料として使用されます。
- 瀝青炭は、密度の高い堆積岩で、通常は黒色ですが、時には暗褐色で、明るい色と鈍い色の物質がはっきりとした帯状に混ざっていることが多いです。主に蒸気発電の燃料として、またコークスの製造に使用されます。英国では蒸気炭として知られ、歴史的には蒸気機関車や船の蒸気を発生させるために使用されていました。
- 最高ランクの石炭である無煙炭は、より硬く光沢のある黒い石炭で、主に住宅や商業施設の暖房に使用されます。
- グラファイトは、燃えにくい石炭で、主に鉛筆に使われたり、粉末にして潤滑剤として使われたりします。
- キャネル炭（「キャンドル炭」と呼ばれることもある）は、主にリプチナイトから成り、水素含有量の多い細粒の高級石炭の一種です。ボグヘッド炭と関連があります。
石炭にはいくつかの国際基準がある。[50]石炭の分類は一般的に揮発性物質の含有量に基づいて行われる。しかし、最も重要な区別は、蒸気で発電するために燃やされる一般炭（一般炭とも呼ばれる）と、高温で燃やして鉄鋼を製造するために使われる冶金用炭（コークス炭とも呼ばれる）との区別である。
ヒルトの法則は、（狭い範囲で）石炭が深く見つかるほど、石炭の等級（または品位）が高くなるという地質学的観察である。この法則は、温度勾配が完全に垂直である場合に適用されるが、変成作用により、深さに関係なく、横方向の等級変化が生じる可能性がある。例えば、ニューメキシコ州マドリッド炭田の炭層の一部は、火成岩シルからの接触変成作用によって部分的に無煙炭に変化したが、残りの炭層は瀝青炭のままであった。[51]
歴史
最も古い石炭の使用は中国の瀋陽地域で確認されており、同地域では紀元前4000年までに新石器時代の住民が黒褐炭から装飾品を彫り始めていた。[52]中国北東部の撫順鉱山の石炭は、紀元前1000年にはすでに銅の精錬に使用されていた。 [53] 13世紀に中国を訪れたイタリア人の マルコ・ポーロは、石炭を「丸太のように燃える黒い石」と表現し、石炭は非常に豊富で、人々は週に3回熱い風呂に入ることができると述べた。[54]ヨーロッパで石炭を燃料として使用することに関する最も古い言及は、ギリシャの科学者テオプラストス（紀元前371年頃-287年）による地質学論文『石について』（第16巻）である。 [55] [56]
有用であるために採掘される物質の中には、炭鉱（アンスレイク）と呼ばれる土からできたものがあり、火をつけると木炭のように燃える。これらはリグリアや、山道を通ってオリンピアに近づくエリスで発見され、金属加工に従事する人々によって使用されている。
— テオプラストス『石について』（16）[57]
露頭石炭は青銅器時代（紀元前3000～2000年）の英国で使用され、葬儀の 火葬台の一部を形成しました。[58] [59]ローマ帝国のブリテンでは、2つの現代の炭田を除いて、「ローマ人は西暦2世紀末までにイングランドとウェールズのすべての主要な炭田で石炭を採掘していました。」 [60]西暦200年頃の石炭貿易の証拠が、チェスター近郊のヘロンブリッジのローマ人居住地と、イースト・アングリアのフェンランドで発見されています。フェンランドでは、ミッドランドの石炭がカー・ダイクを経由して穀物の乾燥に使用されました。[61]石炭の灰は、特にノーサンバーランドの別荘やローマの砦の炉床で発見されており、紀元400年頃のものである。イングランド西部では、同時代の作家が、アクア・スリス（現在のバース）のミネルヴァの祭壇にある石炭の常設火鉢の素晴らしさについて記述しているが、実際には、サマセット炭田となった場所から容易に採取できる地表の石炭が、地元の非常に質素な住居で一般的に使用されていた。[62]ローマ時代の都市で、鉄の加工に石炭が使用されていた証拠が見つかっている。[63]ラインラントのエシュバイラーでは、ローマ人が瀝青炭の鉱床を鉄鉱石の製錬に使用していた。[60]
紀元後1000年頃、つまり中世盛期 以前に、石炭が英国で非常に重要であったという証拠は存在しない。[64]石炭は13世紀に「シーコール」と呼ばれるようになった。石炭がロンドンに到着した埠頭はシーコール・レーンと呼ばれ、1253年にヘンリー3世が授けた勅許状にそのように記されている。 [65]当初、この名前は、崖の上にある露出した石炭層から落ちたり、海中の石炭露頭から洗い流されたりした石炭が海岸で多く見つかったために付けられたが、[64]ヘンリー8世の時代には、石炭が海路でロンドンに運ばれた方法に由来すると理解された。[66] 1257年から1259年にかけて、ニューカッスル・アポン・タインからの石炭は、ウェストミンスター寺院を建設する鍛冶屋や石灰焼き職人のためにロンドンに出荷された。[64]フリート川沿いの埠頭で石炭が荷降ろしされていたシーコール・レーンとニューキャッスル・レーンは今も残っている。[67]
これらの容易に入手できる資源は、13世紀までにほとんど枯渇した（または増大する需要を満たせなくなった）が、その頃、坑道採掘や横坑による地下採掘が開発された。[58]別名は「ピットコール」で、鉱山から採掘されたためである。
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石炭（薪に加えて、あるいは薪の代わりに）を使った調理や家庭暖房は、人類の歴史を通じてさまざまな時代や場所で行われてきました。特に、地表の石炭が利用可能で薪が不足していた時代や場所ではそうでした。しかし、家庭の暖炉に石炭が広く使用されるようになったのは、16世紀後半から17世紀初頭にロンドンで燃料の切り替えが起こるまでなかったでしょう。[68]歴史家のルース・グッドマンは、その切り替えとその後の英国全土への広がりの社会経済的影響を追跡し、 [68]石炭の産業的採用を形作る上でのその重要性はこれまで過小評価されていたと示唆しています。[68] : xiv–xix
産業革命の発展により、蒸気機関が水車に取って代わり、石炭が大規模に利用されるようになった。1700年には、世界の石炭の6分の5が英国で採掘された。石炭がエネルギー源として利用できなかった場合、英国では1830年代までに水車に適した場所が不足していただろう。[69] 1947年には英国に約75万人の炭鉱労働者がいたが、[70]英国最後の深部炭鉱は2015年に閉鎖された。[71]
瀝青炭と無煙炭の中間のグレードは、蒸気機関車の燃料として広く使用されていたため、かつては「蒸気炭」と呼ばれていました。この特殊な用途では、米国では「海炭」と呼ばれることもあります。[72]小型の「蒸気炭」は、乾燥小型蒸気ナッツ（DSSN）とも呼ばれ、家庭用給湯器の燃料として使用されていました。
石炭は19世紀から20世紀にかけて産業において重要な役割を果たした。欧州連合の前身である欧州石炭鉄鋼共同体は、この商品の取引を基盤としていた。[73]
石炭は、露出した石炭層の自然浸食と貨物船からの風による流出の両方によって、世界中の海岸に流れ着き続けています。そのような地域の多くの家庭では、この石炭を重要な、時には主な家庭用暖房燃料として収集しています。[74]
構成
石炭は主に、多様な有機化合物とポリマーの黒色の混合物で構成されています。もちろん、さまざまな色の濃い石炭やさまざまな組成を持つ数種類の石炭があります。若い石炭 (褐炭、亜炭) は黒くありません。2 つの主な黒い石炭は、より豊富な瀝青炭と無煙炭です。石炭中の炭素の割合は、無煙炭 > 瀝青炭 > 亜炭 > 褐炭の順になります。石炭の燃料価値も同じ順で変化します。一部の無煙炭鉱床には、グラファイトの形で純粋な炭素が含まれています。
瀝青炭の場合、乾燥、灰分を含まない重量基準での元素組成は、炭素 84.4%、水素 5.4%、酸素 6.7%、窒素 1.7%、硫黄 1.8% です。[40]この組成は、前駆植物の組成を部分的に反映しています。石炭の 2 番目に多い成分は灰で、これは無機鉱物の望ましくない不燃性の混合物です。灰の組成は、空気中で燃焼した後に得られる酸化物の観点から議論されることが多いです。
特に興味深いのは石炭の硫黄含有量で、1%未満から4%まで変化する。硫黄の大部分と窒素の大部分は、有機硫黄化合物と有機窒素化合物の形で有機分画に組み込まれる。この硫黄と窒素は炭化水素マトリックス内で強く結合している。これらの元素は燃焼時にSO 2とNO xとして放出される。少なくとも経済的には、他の方法では除去できない。一部の石炭には、主に黄鉄鉱（FeS 2 ）の形で無機硫黄が含まれている。これは密度の高い鉱物であるため、機械的手段、たとえばフロス浮選によって石炭から除去できる。石炭、特に風化したサンプルには硫酸塩が含まれる。これは揮発せず、洗浄によって除去できる。[46]
マイナーコンポーネントには以下が含まれます。
鉱物としての Hg、As、Se は、特に微量成分にすぎないため、環境に対して問題となることはありません。ただし、これらの鉱物が燃焼すると、移動性 (揮発性または水溶性) になります。
用途
石炭のほとんどは燃料として使用されますが、他の大規模な用途も存在します。
コーラ
コークスは、コークス炭（灰分、硫黄分の少ない瀝青炭、[ 79]とも呼ばれる）から得られる固体の炭素質残留物であり、鉄鋼やその他の鉄含有製品の製造に使用されます。[79]コークスは、コークス炭を酸素のない炉で1,000℃もの高温で焼くことで生成され、揮発性成分が飛ばされ、固定炭素と残留灰が融合します。 冶金コークスは、燃料として、また高炉で鉄鉱石を製錬する際の還元剤として使用されます。[80]燃焼によって生成された一酸化炭素は、ヘマタイト（酸化鉄）を鉄に還元します。
- 2Fe 2 O 3 + 6 CO → 4Fe + 6 CO 2 )
溶存炭素が過剰に含まれた銑鉄も生産されます。
コークスは高炉内の表土の重量に耐えられるほどの強度がなければなりません。そのため、従来の方法で鉄鋼を製造する場合、コークス炭が非常に重要です。石炭から作られるコークスは灰色で硬く、多孔質で、発熱量は 29.6 MJ/kg です。一部のコークス製造プロセスでは、コールタール、アンモニア、軽質油、石炭ガスなどの副産物が生成されます。
石油コークス（ペトコークス）は石油精製で得られる固体残留物であり、コークスに似ていますが、冶金用途には役に立たないほど多くの不純物を含んでいます。
化学薬品の製造
1950年代から石炭から化学物質が生産されている。石炭は、幅広い化学肥料やその他の化学製品の生産における原料として使用できる。これらの製品への主なルートは、石炭をガス化して合成ガスを生成することだった。合成ガスから直接生成される一次化学物質には、メタノール、水素、一酸化炭素があり、これらは、オレフィン、酢酸、ホルムアルデヒド、アンモニア、尿素など、さまざまな派生化学物質を製造するための化学構成要素である。一次化学物質や高価値の派生製品の前駆物質としての合成ガスの汎用性により、石炭を使用して幅広い商品を生産するという選択肢が提供される。しかし、21世紀には、炭層メタンの使用がますます重要になってきている。[81]
石炭ガス化によって製造できる一連の化学製品は、一般に天然ガスや石油由来の原料も使用できるため、化学業界では最も費用対効果の高い原料を使用する傾向があります。そのため、石油や天然ガスの価格が高騰し、世界経済が急成長して石油やガスの生産が圧迫される可能性がある時期には、石炭の使用に対する関心が高まる傾向がありました。
石炭から化学品を製造するプロセスには、大量の水が必要です。[82]石炭から化学品を製造する生産の多くは中国で行われています。 [83] [84]山西省などの石炭に依存する省では、汚染の抑制に苦労しています。[85]
液化
石炭は水素化または炭化によってガソリンやディーゼルと同等の合成燃料に直接変換できます。[86]石炭液化は、原油からの液体燃料生産よりも多くの二酸化炭素を排出します。バイオマスを混ぜてCCSを使用すると、石油プロセスよりもわずかに排出量が少なくなりますが、コストが高くなります。[87]国有の中国エネルギー投資は石炭液化工場を運営しており、さらに2つの工場を建設する予定です。[88]
石炭の液化は石炭を輸送する際の貨物の危険性を指すこともある。[89]
ガス化
石炭ガス化は、石炭ガス化複合発電（IGCC）石炭火力発電所の一部として、一酸化炭素（CO）と水素（H 2 ）ガスの混合物である合成ガスを生産するために使用され、ガスタービンを燃焼させて発電します。合成ガスは、フィッシャー・トロプシュ法によってガソリンやディーゼルなどの輸送燃料に変換することもできます。また、合成ガスはメタノールに変換され、直接燃料に混合するか、メタノールからガソリンへのプロセスによってガソリンに変換できます。[90]フィッシャー・トロプシュ技術と組み合わせたガス化は、南アフリカのサソル化学会社によって石炭から化学薬品と自動車燃料を製造するために使用されました。 [91]
ガス化の過程では、石炭は酸素と蒸気と混合され、加熱され、加圧されます。反応中、酸素と水分子が石炭を一酸化炭素 (CO) に酸化し、同時に水素ガス (H 2 ) を放出します。これはかつて地下炭鉱で行われ、また都市ガスの製造にも使用されていました。都市ガスは、照明、暖房、調理用に顧客に配管されて燃やされていました。
- 3C (石炭として) + O 2 + H 2 O → H 2 + 3CO
精製業者がガソリンを生産したい場合、合成ガスはフィッシャー・トロプシュ反応に送られます。これは間接石炭液化として知られています。ただし、水素が最終製品として必要な場合は、合成ガスは水性ガスシフト反応に送られ、そこでさらに水素が放出されます。
- CO + H 2 O → CO 2 + H 2
発電
エネルギー密度
石炭のエネルギー密度は1キログラムあたり約24メガジュール[92]（1キログラムあたり約6.7キロワット時）である。効率40％の石炭火力発電所の場合、100ワットの電球を1年間点灯させるには、推定325キログラム（717ポンド）の石炭が必要である。[93]
2017年、世界のエネルギーの27.6%は石炭によって供給され、そのうちのほぼ4分の3がアジアで消費されました。[94]
燃焼前処理
精製石炭は、亜瀝青炭や褐炭などの低品位石炭から水分と特定の汚染物質を除去する石炭改質技術の産物です。これは、石炭を燃焼させる前に石炭の特性を変えるいくつかの燃焼前処理およびプロセスの1つです。熱効率の改善は、前乾燥を改善することで達成できます（特に、褐炭やバイオマスなどの高水分燃料に関連します）。[95]燃焼前石炭技術の目的は、石炭を燃焼させる際の効率を高め、排出量を削減することです。燃焼前技術は、石炭燃料ボイラーからの排出量を制御するための燃焼後技術の補足として使用されることがあります。
発電所の燃焼
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石炭火力発電所で発電のために固形燃料として燃やされる石炭は、一般炭と呼ばれます。石炭は燃焼によって非常に高い温度を生み出すためにも使用されます。大気汚染による早期死亡者数は1GW年あたり200人と推定されていますが、スクラバーが使用されていない発電所周辺ではそれより多く、都市部から遠い場合はそれより少なくなる可能性があります。[96]世界中で石炭の使用を削減する取り組みにより、一部の地域では天然ガスや低炭素源からの電力への切り替えが行われています。
石炭を発電に使用する場合、通常は粉砕してからボイラー付きの炉で燃焼させます（微粉炭ボイラーも参照）。[97]炉の熱でボイラーの水を蒸気に変換し、その蒸気でタービンを回転させ、発電機を回して電気を作ります。[98]このプロセスの熱力学的効率は、燃焼前処理、タービン技術（超臨界蒸気発生器など）、および発電所の年数に応じて、約25％から50％の間で変化します。[99] [100]
石炭をより効率的に燃焼する石炭ガス化複合発電（IGCC）発電所がいくつか建設されている。石炭を粉砕して蒸気発生ボイラーで燃料として直接燃焼させる代わりに、石炭をガス化して合成ガスを作り、それをガスタービンで燃焼させて電気を生み出す（天然ガスをタービンで燃焼させるのと同じように）。タービンからの高温の排気ガスは、補助蒸気タービンを駆動する熱回収ボイラーで蒸気を発生させるのに使われる。熱電併給に使用する場合の全体的な発電所効率は、94％にも達する。[101] IGCC発電所は、従来の微粉炭燃料の発電所よりも地域の汚染物質の排出が少ないが、ガス化後燃焼前の炭素回収・貯留（CCS）技術は、これまでのところ石炭に使用するには高価すぎることが判明している。 [102] [103]石炭の他の利用法には、ソ連で開発された石炭水スラリー燃料（CWS）や、MHDトッピングサイクルがある。しかし、利益が出ないため、これらは広く使用されていません。
2017年、世界の電力の38%は石炭から供給され、30年前と同じ割合でした。[104] 2018年の世界全体の設備容量は2TW （そのうち1TWは中国）で、総発電容量の30%を占めました。[105]最も依存度が高い主要国は南アフリカで、同国の電力の80%以上は石炭で発電されています。[106]しかし、中国だけで世界の石炭発電の半分以上を発電しています。[107]
石炭の使用量は2013年に最大に達した。[108] 2018年の石炭火力発電所の稼働率は平均51％で、稼働時間の約半分が稼働していたことになる。[109]
石炭産業
鉱業
毎年約8,000 Mtの石炭が生産されており、そのうち約90%が無煙炭、10%が亜炭です。2018年現在、[update]半分強が地下鉱山からのものです。[110]石炭鉱業では約270万人の労働者が働いています。[111]地下採掘では露天掘りよりも多くの事故が発生しています。すべての国が鉱山事故統計を公表しているわけではないため、世界全体の数字は不確かですが、ほとんどの死亡事故は中国の石炭採掘事故で発生していると考えられています。2017年には、中国で375人の石炭採掘関連の死亡者が出ました。[112]採掘される石炭のほとんどは火力炭（発電用の蒸気を作るのに使用されるため、蒸気炭とも呼ばれます）ですが、冶金用石炭（鉄を作るためのコークスを作るのに使用されるため、「メトコール」または「コークス炭」とも呼ばれます）は世界の石炭使用量の10%から15%を占めています。[113]
取引商品として
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中国は世界の石炭のほぼ半分を採掘しており、インドが約10分の1を占めている。[114] オーストラリアは世界の石炭輸出の約3分の1を占め、インドネシアとロシアがそれに続いている。 [ 18 ]一方、最大の輸入国は日本とインドである。ロシアは、欧州が再生可能エネルギーに移行し、ウクライナ侵攻に対する制裁を受けているため、石炭輸出を欧州からアジアに向ける傾向が強まっている。[18]
冶金用石炭の価格は変動が激しく[115]、一般炭の価格よりもはるかに高い。これは、冶金用石炭は硫黄分を低く抑える必要があり、より多くの洗浄が必要であるためである[116] 。石炭先物契約は、石炭生産者と電力業界にヘッジとリスク管理のための重要なツールを提供している。
一部の国では、陸上風力発電や太陽光発電の新規導入コストは、既存の石炭火力発電所のコストよりもすでに安くなっています。[117] [118] しかし、中国では2020年代初頭までには実現すると予測されており[119]、東南アジアでは2020年代後半まで実現しないと予測されています。[120]インドでは、新規発電所の建設は経済的ではなく、補助金を受けているにもかかわらず、既存の発電所は再生可能エネルギーに市場シェアを奪われています。[121]
北半球の多くの国では石炭の利用をやめる動きがあり、かつての鉱山跡地は観光地として利用されている。[122]
市場動向
石炭を生産する国の中では、中国が圧倒的に多く、世界の石炭のほぼ半分を採掘しており、インドが10%未満でそれに続いている。中国はまた、圧倒的に最大の石炭消費国でもある。そのため、国際市場の動向は中国のエネルギー政策に左右される。[123]中国政府の大気汚染削減努力により、世界の長期的な傾向は石炭の燃焼量減少であるが、短期および中期的な傾向は、中国が他国で新しい石炭火力発電所に資金を提供していることなどにより、異なる可能性がある。[105]
主要生産者
年間生産量が3億トンを超える国が表示されます。
主要消費者
年間消費量が 5 億トンを超える国が表示されます。シェアは石油換算トン数で表されたデータに基づいています。
主要輸出国
輸出業者はインドと中国からの輸入需要の減少のリスクにさらされている。[130] [18]
主要輸入国
人間の健康への被害
石炭を燃料として使用すると、健康上の問題や死亡が発生します。[134]石炭の採掘と加工は、大気汚染と水質汚染を引き起こします。[135]石炭火力発電所は、窒素酸化物、二酸化硫黄、粒子状汚染物質、重金属を排出し、人体への悪影響を及ぼします。[135] 炭層メタンの抽出は、鉱山事故を避けるために重要です。
致命的なロンドンのスモッグは、主に石炭の大量使用によって引き起こされました。世界的に石炭は毎年80万人の早期死亡を引き起こしていると推定されており、[136]主にインド[137]と中国で発生しています。[138] [139] [140]
石炭の燃焼は二酸化硫黄の排出の主な原因であり、最も危険な大気汚染物質であるPM2.5粒子を生成します。 [141]
石炭の煙突からの排出物は、喘息、脳卒中、知能低下、動脈閉塞、心臓発作、うっ血性心不全、不整脈、水銀中毒、動脈閉塞、肺がんなどを引き起こします。[142] [143]
ヨーロッパでは、石炭を使った発電による年間医療費は最大430億ユーロと推定されている。[144]
中国では、より厳しい気候政策により、大気質と人間の健康の改善が進むだろう。これは主に、同国のエネルギーが石炭に大きく依存しているためである。そして、純経済的利益も得られるだろう。[145]
2017年にエコノミック・ジャーナルに掲載された研究によると、1851年から1860年にかけてのイギリスでは、「石炭使用量が1標準偏差増加すると乳児死亡率が6～8%上昇し、この期間に観察された都市部の死亡率のペナルティのおよそ3分の1は工業用石炭の使用によって説明できる」ことがわかった。[146]
石炭の粉塵を吸い込むと、炭鉱労働者塵肺症、または「黒肺」と呼ばれる病気を引き起こします。これは、石炭の粉塵が文字通り肺を黒くするからです。 [147]米国だけでも、石炭産業の元従業員1,500人が炭鉱の粉塵を吸い込んだ影響で毎年亡くなっていると推定されています。[148]
毎年、膨大な量の石炭灰やその他の廃棄物が発生しています。石炭の使用により、毎年何億トンもの灰やその他の廃棄物が発生します。これらには、フライアッシュ、ボトムアッシュ、排ガス脱硫スラッジが含まれ、水銀、ウラン、トリウム、ヒ素などの重金属や、セレンなどの非金属が含まれています。[149]
石炭の約10％は灰です。[150] 石炭灰は人間や他の生物にとって有害で有毒です。[151]石炭灰には放射性元素のウランとトリウムが含まれています。石炭灰やその他の固体燃焼副産物は地元に保管され、さまざまな方法で漏れ出し、石炭火力発電所の近くに住む人々を放射線や環境有毒物質にさらします。[152]
環境へのダメージ
石炭採掘、石炭燃焼廃棄物、排気ガスは大きな環境被害を引き起こしている。[153] [154]
水道システムは石炭採掘の影響を受ける。[155]例えば、石炭の採掘は地下水や地下水位、酸性度に影響を与える。キングストン化石発電所の石炭フライアッシュスラリー流出のようなフライアッシュの流出は、土地や水路を汚染し、家屋を破壊することもある。石炭を燃やす発電所も大量の水を消費する。これは河川の流れに影響を与え、他の土地利用にも結果的に影響を及ぼす。パキスタンのタール砂漠のような水不足の地域では、石炭採掘や石炭火力発電所が水資源の枯渇の一因となっている。[156]
石炭が水循環に及ぼす最も古い影響として知られているものの一つは酸性雨である。2014年には約100 Tg /Sの二酸化硫黄（SO 2）が放出され、その半分以上は石炭の燃焼によるものであった。[157]放出後、二酸化硫黄はH 2 SO 4に酸化され、これが太陽放射を散乱させるため、大気中での増加は気候に冷却効果をもたらす。これにより、温室効果ガスの増加による温暖化の一部が有利に隠される。しかし、硫黄は数週間のうちに酸性雨として大気から沈殿するが、[158]二酸化炭素は数百年も大気中に残る。SO 2の放出は、生態系の広範囲にわたる酸性化にも寄与している。[159]
使われなくなった炭鉱も問題を引き起こす可能性があります。トンネルの上で地盤沈下が発生し、インフラや耕作地に損害を与える可能性があります。石炭採掘は長期にわたる火災を引き起こす可能性があり、常に数千の炭層火災が発生していると推定されています。 [160]たとえば、ブレンネンダーベルクは1668年から燃え続けており、21世紀でもまだ燃えています。[161]
石炭からコークスを製造すると、副産物としてアンモニア、コールタール、ガス化合物が生成され、これが陸地、大気、水路に排出されると環境を汚染する可能性があります。[162]ワイアラ製鉄所は、液体アンモニアが海洋環境に排出されたコークス製造施設の一例です。[163]
排出強度
排出強度とは、発電機の寿命を通じて発電量1単位あたりに排出される温室効果ガスのことです。石炭火力発電所の排出強度は高く、発電量1kWhあたり約1000g CO2相当を排出します。一方、天然ガス発電所の排出強度は中程度で、発電量1kWhあたり約500g CO2相当です。石炭の排出強度は種類や発電機の技術によって異なり、国によっては1kWhあたり1200gを超えます。[164]
地下火災
世界中で何千もの石炭火災が発生している。[165]地中で燃えている火災は発見が難しく、消火できないものも多い。火災によって地上の火事が鎮火したり、燃焼ガスが生命に危険を及ぼしたり、地表に燃え広がると地表の山火事を引き起こす可能性がある。石炭層は自然発火や鉱山火災や地表火災との接触によって燃えることがある。落雷は重要な発火源である。石炭はゆっくりと層に戻って燃え続け、ついには酸素（空気）が炎の前面に到達できなくなる。石炭地帯の草火災によって、数十の石炭層が火災に見舞われる可能性がある。[166] [167]中国の石炭火災では、年間推定1億2千万トンの石炭が燃やされ、3億6千万トンのCO2が排出されている。これは、化石燃料から排出されるCO2の年間世界全体の2～3%に相当する。[168] [169]ペンシルバニア州セントラリア（米国の石炭地帯にある自治区）では、1962年に自治区の埋立地で発生したゴミ火災により、無煙炭の露出鉱脈が発火した。この埋立地は、放棄された無煙炭露天掘りの坑道であった。消火の試みは失敗に終わり、現在も地下で燃え続けている。オーストラリアのバーニングマウンテンはもともと火山であると考えられていたが、煙と灰は約6,000年も燃え続けている石炭火事から発生している。[170]
タジキスタンのヤグノブ渓谷にあるクー・イ・マリクでは、石炭鉱床が何千年も燃え続け、ユニークな鉱物で満たされた広大な地下迷宮が形成されており、その中には非常に美しいものもあります。
ワイオミング州とノースダコタ州西部のパウダー川流域の多くの尾根やビュートを覆う赤みがかったシルト岩はポーセラナイトと呼ばれ、石炭燃焼廃棄物の「クリンカー」または火山の「スコリア」に似ています。[171]クリンカーは石炭の自然燃焼によって溶融した岩です。パウダー川流域では、過去300万年の間に約270億〜540億トンの石炭が燃焼しました。[172 ]この地域での野生の石炭火災は、ルイス・クラーク探検隊だけでなく、この地域の探検家や開拓者によっても報告されています。[173]
気候変動
石炭の使用による最大かつ最も長期的な影響は、気候変動を引き起こす温室効果ガスである二酸化炭素の排出である。石炭火力発電所は、2018年の世界全体のCO2排出量の増加に最も大きく寄与しており、 [ 175]化石燃料の総排出量の40％、[9]総排出量の4分の1以上を占めている。[8] [注1]石炭採掘は、別の温室効果ガスであるメタンを排出する可能性がある。[176] [177]
2016年、石炭の使用による世界の二酸化炭素総排出量は14.5ギガトンでした。[178]石炭火力発電は、発電量1メガワット時あたり約1トンの二酸化炭素を排出しており、これは天然ガス火力発電所が排出する約500kgの二酸化炭素の2倍です。[179] 2013年、国連気候変動枠組条約事務局長は、壊滅的な地球温暖化を避けるために、世界の石炭埋蔵量のほとんどを地中に残しておくべきだと勧告しました。[180]地球温暖化を1.5℃または2℃未満に抑えるには、数百、あるいは数千の石炭火力発電所を早期に廃止する必要があるでしょう。[181]
汚染緩和
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石炭による汚染緩和は、クリーンコールと呼ばれることもあり、エネルギー源として石炭を燃焼させることによる健康と環境への影響を緩和することを目的とした一連のシステムと技術です。石炭を燃焼させると、大気汚染、酸性雨、温室効果ガス排出の原因となる有害物質が放出されます。緩和には、石炭の洗浄などの燃焼前アプローチと、排ガス脱硫、選択接触還元、電気集塵機、フライアッシュ削減などの燃焼後アプローチが含まれます。これらの対策は、石炭が人間の健康と環境に与える影響を軽減することを目的としています。
石炭の燃焼により、さまざまな化学物質が空気中に放出されます。主な生成物は、石油の燃焼と同様に、水と二酸化炭素です。また、二酸化硫黄、窒素酸化物、および少量の水銀も放出されます。燃焼後に残る残留物である石炭灰には、ヒ素、水銀、鉛が含まれていることがよくあります。最後に、石炭、特に無煙炭の燃焼により、放射性物質が放出される可能性があります。[182]経済
2018年には800億ドルが石炭供給に投資されたが、そのほとんどが新しい鉱山を開設するためではなく、生産レベルを維持するために投資された。[183] 長期的には、石炭と石油は世界に年間数兆ドルのコストをもたらす可能性がある。[184] [185]石炭だけでもオーストラリアに数十億ドルのコストがかかる可能性があるが、[186]小規模な企業や都市へのコストは数百万ドルの規模になる可能性がある。[187]石炭（気候変動による）によって最も損害を受ける経済は、炭素の社会的コストが最も高い国であるインドと米国である可能性がある。[188]石炭を融資するための銀行融資はインド経済にとってリスクである。[137]
中国は世界最大の石炭生産国である。世界最大のエネルギー消費国であり、中国の石炭は一次エネルギーの60％を供給している。しかし、中国の石炭火力発電所の5分の2は赤字であると推定されている。[119]
石炭の貯蔵と取り扱いによる大気汚染は、PM2.5のせいで、貯蔵量1トン増えるごとに米国に約200ドルの損害を与えている。[189]石炭による汚染は毎年430億ユーロの損害を与えている。 [190]大気汚染を削減する対策は、個人に経済的利益をもたらし、中国などの国の経済にも利益をもたらす。 [191] [192] [193]
補助金
2021年の石炭に対する補助金は、電力補助金を除いて190億米ドルと推定されており、2022年には増加すると予想されています。 [194] 2019年現在、G20諸国は石炭火力発電を含む石炭生産に対して少なくとも年間639億米ドル[175]の政府支援を行っています。多くの補助金は定量化が不可能ですが[195] 、これには国内および国際公的資金276億米ドル、財政支援154億米ドル、国有企業（SOE）投資209億米ドルが含まれます。 [175] EUでは、新規石炭火力発電所への政府補助は2020年から禁止され、既存の石炭火力発電所への政府補助は2025年から禁止される。 [196] 2018年現在、新規石炭火力発電所への政府資金は、中国輸出入銀行、[197]国際協力銀行、インドの公的銀行によって供給されている。[198]カザフスタンの石炭は、 2017年に合計20億米ドルの石炭消費補助金の主な受領国であった。[199]トルコの石炭は、 2021年に多額の補助金の恩恵を受けた。[200][update]
座礁資産
一部の石炭火力発電所は座礁資産になる可能性があり、例えば世界最大の電力会社である中国能源投資は資本の半分を失うリスクを負っている。 [119]しかし、南アフリカのエスコム、インドネシアのペルー電力公社、マレーシアのサラワクエネルギー、台湾の台湾電力、タイのEGAT、ベトナム電力、トルコのEÜAŞなどの国営電力会社は、新しい発電所を建設中または計画中である。[201] 2021年現在、これが炭素バブルを引き起こす一因となっている可能性があり、それが崩壊すると金融不安を引き起こす可能性がある。[202] [203] [204]
政治
中国、インド、インドネシア、ベトナム、トルコ、バングラデシュなど、新たな石炭火力発電所を建設または資金提供している国々は、パリ協定の目的を妨害しているとして国際的な批判に直面している。[105] [205] [206] 2019年には、太平洋島嶼国（特にバヌアツとフィジー）が、沿岸部の浸水や浸食への懸念を挙げ、オーストラリアが自国よりも速いペースで排出量を削減していないと批判した。[207] 2021年5月、G7メンバーは国際的な石炭火力発電に対する新たな政府の直接支援を終了することで合意した。[208]
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文化的な使用
石炭はケンタッキー州の公式州の鉱物資源であり[209] 、ユタ州[210]とウェストバージニア州[211]の公式州の岩石です。これらの米国の州は歴史的に石炭採掘と結びついています。
一部の文化では、クリスマスに行儀の悪い子供にはプレゼントの代わりに サンタクロースから靴下の中に石炭の塊だけが渡されると信じられています。
スコットランドやイングランド北部では、元旦に石炭を贈るのが習慣で、幸運のしるしとされています。これは新年の始まりを祝う儀式の一環であり、来たる年の暖かさを表しています。
参照
- バイオチャー – バイオマスの熱分解後に炭素と灰からできた軽量の黒い残留物
- 炭素化学 – 化学の分野
- 石炭分析 – 石炭の特性の測定
- 石炭混合 – 採掘された石炭の混合
- 石炭の均質化 – 石炭を混合してばらつきを減らすプロセス
- 石炭層（地層単位）
- 石炭産業の健康と環境への影響
- 流動床燃焼 – 固体燃料を燃焼させる技術
- 化石燃料の段階的廃止 – 化石燃料の使用と生産の段階的な削減
- ギッタ – 細粒堆積泥の一種
- 石炭採掘地域 – 石炭鉱床のある盆地
- 山頂採掘 – 露天掘りの種類
- サブコール – リサイクル廃棄物から作られた石炭代替品
- 石炭問題 – ウィリアム・スタンレー・ジェヴォンズ著
- トンシュタイン – 堆積岩の種類
- 世界石炭協会 – 世界の石炭産業を代表するロンドンに拠点を置く国際的な非営利非政府団体
注記
- ^ 石炭 14.4 ギガトン/合計 50 ギガトン
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出典
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さらに読む
- フリーズ、バーバラ（2003年）。石炭：人類の歴史。ペンギンブックス。ISBN 978-0-7382-0400-0. OCLC 51449422.
- サーバー、マーク（2019）。石炭。ポリティ・プレス。ISBN 978-1509514014。
- パクスマン、ジェレミー（2022年）。『ブラックゴールド：石炭が英国を作った歴史』ウィリアム・コリンズ。ISBN 9780008128364。
外部リンク
ウィキブック歴史地質学には、泥炭と石炭に関するページがあります。
ウィキブックの高校地球科学には、石炭に関するページがあります。
ウィキメディア・コモンズには、石炭に関連するメディアがあります。
無料辞書『ウィクショナリー』で石炭を調べてみましょう。
- 石炭の移行
- 世界石炭協会
- 石炭 – 国際エネルギー機関
- Coal Online – 国際エネルギー機関 2008年1月19日アーカイブ、Wayback Machine
- コールエグジット
- 欧州石炭・亜炭協会
- 石炭ニュースと業界雑誌
- 世界の石炭火力発電所トラッカー
- エネルギーとクリーンエア研究センター
- ブリタニカ百科事典第6巻（第11版）。1911年。574～593ページ。
- 。新国際百科事典。1905年。
- 。コリアーの新百科事典。1921年。