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褐炭（ラテン語のlignum「木」に由来）は、しばしば褐炭とも呼ばれ、[ 1 ]自然に圧縮された泥炭から形成された、柔らかく、褐色で、可燃性の堆積岩です。炭素含有量は約25～35%で[ 1 ] [ 2 ] 、発熱量が比較的低いため、石炭の中で最も低級とみなされています。地中から掘り出された褐炭には非常に多くの水分が含まれており、これが炭素含有量が低い理由の一つとなっています。褐炭は世界中で採掘され、ほぼ専ら蒸気発電の燃料として使用されています。
褐炭の燃焼は、他の種類の石炭に比べて、放出される二酸化炭素と硫黄の量に対して発生する熱量が少ない。そのため、褐炭は人間の健康にとって最も有害な石炭である。[ 3 ]供給源によっては、褐炭には天然の放射性物質を含むさまざまな有毒な重金属が含まれている可能性があり、燃焼によって生成される石炭灰にも残留するため、健康リスクがさらに高まる。 [ 4 ]
褐炭は茶色がかった黒色で、乾燥灰分除去基準で炭素含有量が60～70パーセントです。しかし、その固有の水分含有量は75パーセントにも達することがあり[ 1 ]、灰分含有量は6～19パーセントで、瀝青炭の6～12パーセントと比較すると高くなっています[ 5 ]。その結果、受け入れ基準（つまり、固有の水分と鉱物質の両方を含む）での炭素含有量は通常25～35パーセントに過ぎません[ 2 ] 。
褐炭のエネルギー含有量は、湿潤で鉱物質を含まない基準で10～20 MJ/kg（9～17百万BTU/ショートトン）です。米国で消費される褐炭のエネルギー含有量は、受け入れ基準で平均15 MJ/kg（13百万BTU/ショートトン）です。 [ 6 ]オーストラリアのビクトリア州で消費される褐炭のエネルギー含有量は、正味湿潤基準で平均8.6 MJ/kg（740万BTU/ショートトン）です。[ 7 ]
褐炭は揮発性物質の含有量が高いため、高品位炭よりもガスや液体の石油製品に変換しやすい。しかし、水分含有量が高く、自然発火しやすい性質があるため、輸送や保管に問題が生じる可能性がある。褐炭から水分を除去するプロセスにより、自然発火のリスクは瀝青炭と同レベルまで低減され、褐炭の発熱量は瀝青炭と同等の燃料にまで増加し、「高密度化」された褐炭の排出プロファイルは、ほとんどの瀝青炭と同等かそれ以上のレベルまで大幅に低減される。[ 8 ] [ 9 ]ただし、水分を除去すると、最終的な褐炭燃料のコストが増加する。
褐炭は空気に触れると急速に劣化し、その過程はスラックニング（またはスラックニング）と呼ばれる。[ 10 ]
褐炭の大部分は発電に使用されます。[ 2 ]しかし、少量は農業、工業、さらにはジェットとして宝飾品にも使用されます。家庭用暖房燃料としての歴史的な使用は継続的に減少しており、現在では発電での使用よりも重要度が低くなっています。
褐炭は地表近くの厚い層で見つかることが多く、採掘コストが安い。しかし、エネルギー密度が低く、崩れやすく、一般的に水分含有量が高いため、褐炭は輸送効率が悪く、より高品位の石炭に比べて世界市場で広く取引されていない。[ 1 ] [ 7 ]褐炭は、ポーランドのベウハトゥフ発電所やトゥルフ発電所、オーストラリアのラトローブバレー発電所、テキサス州のルミナント社のモンティチェロ発電所やマーティンレイク発電所など、鉱山近くの発電所でよく燃やされている。褐炭は潜在的に水分含有量が高くエネルギー密度が低いため、従来の褐炭火力発電所からの二酸化炭素排出量は、同等の黒炭火力発電所に比べて発電量1メガワット時あたり一般的にかなり高く、世界で最も排出量の多い発電所は、2017年3月に閉鎖されるまでオーストラリアのヘーゼルウッド発電所でした[ 11 ] [ 12 ]。従来の褐炭火力発電所の操業、特に露天掘りとの組み合わせは、環境問題への懸念から政治的に論争の的となっています[ 13 ] [ 14 ]。
東ドイツはエネルギー自給自足を目指して褐炭に大きく依存し、最終的にはエネルギー需要の70%を褐炭から得ていた。[ 15 ]褐炭は、石油の代わりにベルギウス法やフィッシャー・トロプシュ合成によって重要な化学工業原料でもあった。 [ 16 ]石油は、1970年代にソ連が政策を変更したことで、それまで市場価格を下回る価格で供給していたが、外貨を得るために輸入しなければならなかった。[ 17 ]東ドイツの科学者は褐炭を冶金用途に適したコークス（高温褐炭コークス）に変換することさえでき、鉄道網の大部分は蒸気機関車や褐炭由来の電力で主に供給される電化路線によって褐炭に依存していた。[ 17 ]東ドイツは独立国家として存在していた期間の大半において最大の褐炭生産国であった。
2014年、ドイツのエネルギーの約12% 、特に電力の27%は褐炭火力発電所から供給されていました[ 18 ]。一方、2014年のギリシャでは、褐炭が電力需要の約50%を供給していました。ドイツは遅くとも2038年までに褐炭を段階的に廃止する計画を発表しました[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]。ギリシャは、欧州連合からの圧力を受けて、最後の石炭火力発電所が2025年に閉鎖されることを確認し[ 23 ] 、再生可能エネルギーに多額の投資を計画しています[ 24 ]。
褐炭は、家庭暖房用の薪の代替品として、または薪と組み合わせて使用されてきた。通常、その用途のためにブリケットに圧縮される。[ 25 ] [ 26 ]燃焼時に発生する臭いのため、褐炭は高価な硬炭に比べて貧しい人々のための燃料と見なされることが多かった。ドイツでは、ブリケットは今でもホームセンターやスーパーマーケットで一般消費者が容易に入手できる。[ 27 ] [ 28 ] [ 29 ] [ 30 ]
褐炭の環境に有益な利用法の一つは農業である。褐炭は環境に優しい土壌改良材として価値があり、土壌中の陽イオン交換とリンの利用可能性を高め、重金属の利用可能性を低下させる可能性がある[ 31 ] [ 32 ]。また、市販のKフミン酸塩よりも優れている可能性がある[ 33 ] 。発電所で褐炭を燃焼させて生成される褐炭フライアッシュも、土壌改良材や肥料として価値がある可能性がある[ 34 ] 。しかし、農業における褐炭製品の長期的な利点に関する厳密な研究は不足している[ 35 ] 。
褐炭は、植物害虫を抑制する生物防除微生物の栽培と配布にも使用できる。炭素は土壌中の有機物を増加させ、生物防除微生物は化学農薬の代替となる。[ 36 ]
レオナルダイトは、亜炭が空気と接触した際に自然酸化によって生成される腐植酸を豊富に含む土壌改良剤です。 [ 37 ]このプロセスは大規模に人工的に再現できます。 [ 38 ]未熟な木質亜炭（木状亜炭）にも、多量の腐植酸が含まれています。 [ 39 ]
第四級アミンとの反応により、アミン処理褐炭（ATL）と呼ばれる生成物が生成され、これは掘削泥水に使用され、掘削中の流体損失を低減する。[ 40 ]
褐炭は工業用吸着剤としての潜在的な用途があるかもしれない。実験によると、褐炭のメチレンブルーの吸着は、現在産業界で使用されている活性炭の範囲内にある。[ 41 ]
ジェットは褐炭の一種で、宝石として使われてきました。[ 42 ]最古のジェットの遺物は紀元前1万年に遡り[ 43 ] 、ジェットは新石器時代からローマ時代のブリテンの終わりまで、ブリテンでネックレスやその他の装飾品に広く使われていました。[ 44 ]ジェットはヴィクトリア朝時代のブリテンで一時的に復活しました。[ 45 ]
褐炭は部分的に腐敗した植物性物質、すなわち泥炭から始まります。泥炭は、湿度が高く、地盤沈下が遅く、河川や海洋による攪乱がない地域に蓄積する傾向があります。このような条件下では、その地域は水で飽和状態になり、水が枯れた植物を覆い、大気中の酸素から保護します。泥炭湿地は、さまざまな気候や地理的環境で見られます。嫌気性細菌が泥炭の分解に寄与する可能性がありますが、このプロセスは、特に酸性水では長い時間がかかります。他の堆積物による埋没は生物学的分解をさらに遅らせ、その後の変化は地下の温度と圧力の上昇の結果です。[ 46 ]
褐炭は、深く埋没して加熱されていない泥炭から形成されます。褐炭は、100 °C (212 °F) 未満の温度で、主に生化学的分解によって形成されます。これには、微生物が泥炭から炭化水素を抽出し、細菌による分解速度を低下させる腐植化のプロセスが含まれます。褐炭では、腐植化は部分的であり、石炭が亜瀝青炭のランクに達したときにのみ完了します。[ 47 ]褐炭の形成中に有機物に起こる最も特徴的な化学変化は、C=O および COR 官能基の数の急激な減少です。[ 48 ]
褐炭は地表近くに厚い層として存在することが多い。[ 1 ] [ 7 ]様々な露天掘りの方法を用いれば安価に採掘できるが、深刻な環境被害を引き起こす可能性がある。[ 49 ]米国やその他の国の規制では、露天掘りされた土地は採掘完了後に元の生産性に回復させなければならないと定められている。[ 50 ]
アメリカ合衆国における褐炭の露天掘りは、まず掘削を行い、地下の鉱床の範囲を確定することから始まります。表土と下層土は適切に除去され、以前に採掘された区域の復旧に使用されるか、将来の復旧のために保管されます。掘削機とトラックによる表土除去により、ドラグラインによる表土除去の準備が整い、褐炭層が露出します。これらの褐炭層は、特別装備のトラクター（石炭破砕機）を使用して破砕され、フロントローダーを使用して底部ダンプトラックに積み込まれます。[ 51 ]
褐炭が除去された後、復旧作業には、鉱山残土を可能な限り元の地表面（近似元の等高線またはAOC）に近づけるように整地することが含まれます。下層土と表土が復元され、土地にはさまざまな草が植えられます。ノースダコタ州では、土地が完全に生産性を取り戻したことを保証するために、鉱山会社に対して、採掘作業終了後少なくとも10年間、履行保証金が保持されます。 [ 50 ]米国では、1977年の地表採掘規制および復旧法により、鉱山復旧のための保証金（この形式は必須ではない）が義務付けられています。[ 52 ]
オーストラリアのビクトリア州にあるラトローブ渓谷には、推定約650億トンの褐炭が埋蔵されている。[ 53 ]この埋蔵量は、世界の既知の埋蔵量の25パーセントに相当する。炭層の厚さは最大98メートル（322フィート）で、複数の炭層が重なり、最大230メートル（755フィート）のほぼ連続した褐炭層を形成していることが多い。炭層を覆う表土はごくわずか（10～20メートル[33～66フィート]）である。[ 53 ]
川崎重工業が主導し、日本政府とオーストラリア政府が支援するパートナーシップにより、褐炭から水素を抽出する事業が開始された。液化水素は輸送船「翠そフロンティア」で日本へ輸送される予定である。[ 54 ]
北米最大の褐炭鉱床は、メキシコ湾岸褐炭とフォートユニオン褐炭田である。メキシコ湾岸褐炭は、テキサス州からアラバマ州にかけて、メキシコ湾岸にほぼ平行に伸びる帯状地域に位置している。フォートユニオン褐炭田は、ノースダコタ州からサスカチュワン州にかけて広がっている。どちらも重要な商業用褐炭供給源である。[ 10 ]
褐炭は、木質褐炭（化石木）と緻密褐炭（完全褐炭）の2種類に分類できる。
木質褐炭は、通常の木材のような粘り強さや外観を持つ場合もあるが、可燃性の木質組織が大きく変化していることがわかる。粉砕によって微粉末にすることができ、弱い炭酸カリウム溶液に作用させると、かなりの量のフミン酸が得られる。[ 39 ]レオナルダイトは褐炭の酸化形態であり、これも高濃度のフミン酸を含んでいる。[ 55 ]
ドイツは褐炭の最大の生産国であり[ 56 ] 、中国、ロシア、米国がそれに続く[ 57 ]。褐炭は2019年の米国の石炭生産全体の8%を占めた[ 2 ]。
ドイツは、褐炭の工業的採掘が始まって以来、世界最大の褐炭生産国である。現在もそうであり、中国、ロシア、米国がそれに続く。より柔らかく水分を多く含む褐炭（褐炭または軟炭とも呼ばれる）は、硬炭よりも発熱量が低く、露天掘りでしか採掘できない。燃焼時には、硬炭よりも CO2 の排出量が多い。
