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石炭は、石炭層と呼ばれる層状に形成された、黒色または黒褐色の可燃性堆積岩です。石炭は主に炭素で、水素、硫黄、酸素、窒素などの他の元素が様々な量で含まれています。[ 1 ]これは化石燃料であり、植物が泥炭に分解され、数百万年にわたる深い埋没の熱と圧力によって石炭に変化したときに形成されます。[ 2 ]石炭紀後期からペルム紀前期にかけて熱帯の大部分を覆っていた石炭林と呼ばれる湿地から、広大な堆積物が形成されました。[ 3 ]
石炭は主に燃料として使用されます。石炭は何千年もの間知られ、使用されてきましたが、その使用は産業革命まで限られていました。蒸気機関の発明により、石炭の消費量が増加しました。[ 4 ] 2020年には、石炭は世界の一次エネルギーの約4分の1 、電力の3分の1以上を供給しました。[ 5 ]鉄鋼製造やその他の工業プロセスの一部では石炭が燃焼されます。
石炭の採掘と燃焼は環境と人間の健康を損ない、早死や病気を引き起こし、[ 6 ]気候変動の原因となる二酸化炭素の最大の発生源です。2024年には石炭燃焼によって150億トン以上の二酸化炭素が排出され、[ 7 ]これは世界の温室効果ガス総排出量の4分の1以上でした。[ 8 ] [ a ]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。[ 9 ] [ 10 ]国連事務総長は、各国政府に対し、 2020年までに新たな石炭火力発電所の建設を停止するよう求めました。[ 11 ]
2024年には記録的な量の石炭が燃焼されましたが[ 12 ]、消費量は2030年より前にピークに達すると予想されています[ 13 ]。地球温暖化を2 ℃（3.6 °F）未満に抑えるというパリ協定の目標を達成するには、石炭の使用量を2020年から2030年までに半減させる必要があり[ 14 ] 、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。
石炭の最大の消費国および輸入国は中国で、世界の石炭のほぼ半分を採掘しており、次いでインドが約1割を占めている。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、次いでロシアである。[ 15 ] [ 16 ]
この単語はもともと古英語でcolという形を取り、再構築されたゲルマン祖語* kula ( n ) から来ており、さらに遡るとインド・ヨーロッパ祖語の語根 * g ( e ) u-lo- "live coal" に由来する。[ 17 ]ゲルマン語の同源語には、古フリジア語kole、中期オランダ語cole、オランダ語kool、古高ドイツ語chol、ドイツ語Kohle、古ノルド語kolがある。アイルランド語のgualもインド・ヨーロッパ祖語の語根を介して同源語である。[ 17 ]
枯れた植物が石炭に変化する過程を石炭化と呼びます。地質時代のさまざまな時期に、地球の低地には密林がありました[ 18 ] 。これらの湿地では、枯れた植物が通常は泥や酸性の水によって酸化から保護され、泥炭に変化したときに石炭化のプロセスが始まりました。結果としてできた泥炭湿原は膨大な量の炭素を閉じ込め、最終的には堆積物によって深く埋没しました。その後、数百万年かけて、深い埋没による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。[ 19 ]生成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）が生成され、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（「硬炭」または「黒炭」とも呼ばれる）が生成されました。[ 2 ] [ 20 ]
石炭化に関わる要因の中で、温度は圧力や埋没時間よりもはるかに重要である。[ 21 ]亜瀝青炭は35～80 ℃（95～176 °F）という低温で形成されるが、無煙炭は少なくとも180～245 ℃（356～473 °F）の温度を必要とする。[ 22 ]
石炭はほとんどの地質時代に存在していたが、石炭層の 90% は石炭紀とペルム紀に堆積した。[ 23 ]逆説的ではあるが、これは地球規模の氷河期である古生代後期の氷河期にあたる。しかし、氷河期に伴う世界的な海面低下により、以前は水没していた大陸棚が露出し、さらに基準面の低下による侵食の増加によって広大な河川デルタが形成された。これらの広範囲にわたる湿地帯は、石炭形成に理想的な条件を提供した。[ 24 ]石炭の急速な形成は、ペルム紀-三畳紀絶滅イベントにおける石炭ギャップで終わり、この時期には石炭は稀である。[ 25 ]
地理的に有利な条件だけでは、石炭紀の広大な石炭層を説明することはできません。[ 26 ]石炭の急速な堆積に寄与した他の要因としては、30%を超える高酸素濃度が激しい山火事と分解生物によってほとんど消化されない木炭の形成を促進したこと、高二酸化炭素濃度が植物の成長を促進したこと、そして石炭紀の森林の性質、すなわち成長が限定的であるため炭素が生きている木の心材に長期間固定されないヒカゲノカズラ類が含まれていたことなどが挙げられます。 [ 27 ]
ある説では、約3億6000万年前に、一部の植物がリグニンを生成する能力を進化させ、セルロースの茎をはるかに硬く木質化させた複雑なポリマーができたとされています。リグニンを生成する能力が最初の樹木の進化につながりました。しかし、細菌や菌類はすぐにリグニンを分解する能力を進化させなかったため、木材は完全に腐敗せず、堆積物の下に埋もれ、最終的に石炭に変わりました。約3億年前に、キノコやその他の菌類がこの能力を発達させ、地球の歴史における主要な石炭形成期を終わらせました。[ 28 ] [ 29 ] [ 30 ]一部の著者は石炭紀中のリグニン分解の証拠をいくつか指摘し、気候や地殻変動要因の方がもっともらしい説明であると示唆しましたが、[ 31 ]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約2億年前に菌類に現れたという仮説が裏付けられました。[ 32 ]
考えられる地殻変動要因の一つは、赤道に沿って走る巨大な山脈である中央パンゲア山脈で、この時期に最高標高に達した。気候モデルによると、中央パンゲア山脈は石炭紀後期に大量の石炭の堆積に寄与したと考えられる。この山脈は、モンスーン気候に典型的な乾季がなく、年間を通して降水量が多い地域を作り出した。これは、石炭湿地における泥炭の保存に必要である。[ 33 ]
石炭は先カンブリア時代の地層から発見されており、これは陸上植物よりも古い時代のものである。この石炭は藻類の残骸から生じたと考えられている。[ 34 ] [ 35 ]
石炭層（石炭層とも呼ばれる）は、サイクロセムと呼ばれる他の堆積物と互層をなすことがある。サイクロセムは、海面変動を引き起こした氷河サイクルに由来すると考えられており、これにより大陸棚の広範囲が交互に露出したり水没したりした。[ 36 ]
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、セルロースとヘミセルロースの含有量は5%から40%です。ワックスや窒素および硫黄を含む化合物など、他のさまざまな有機化合物も存在します。[ 37 ]リグニンの重量組成は、炭素約54%、水素約6%、酸素約30%であり、セルロースの重量組成は、炭素約44%、水素約6%、酸素約49%です。瀝青炭の組成は、重量ベースで炭素約84.4%、水素約5.4%、酸素約6.7%、窒素約1.7%、硫黄約1.8%です。[ 38 ]石炭の酸素含有量が低いことは、石炭化によって酸素の大部分と水素の大部分が除去されたことを示しています。このプロセスは炭化と呼ばれます。[ 39 ]
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中の石炭から水分子を除去する[ 40 ]
脱炭酸は、熟成中の石炭から二酸化炭素を除去します。[ 40 ]
脱メタン化は、次のような反応によって進行する。
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す。
脱水と脱炭酸は石炭化の初期に起こるが、脱メタンは石炭が瀝青炭の段階に達した後にのみ始まる。[ 41 ]脱炭酸の効果は酸素の割合を減らすことであり、脱メタンは水素の割合を減らすことである。脱水は両方を行い、（脱メタンとともに）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化する。同様に、芳香環は融合して多環芳香族化合物（炭素原子の連結環）になる。[ 42 ]この構造は、グラファイトの構造要素であるグラフェンにますます似てくる。
化学変化には、平均孔径の減少などの物理的変化が伴う。[ 43 ]
マセラルとは、元の植物の形態といくつかの特性を保持している石炭化した植物の部分です。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。マセラルには次のようなものがあります。[ 44 ]
石炭化では、ヒューミニットはガラス質（光沢のある）ビトリナイトに置き換わります。[ 45 ]瀝青炭の成熟は、瀝青化によって特徴付けられ、石炭の一部が炭化水素に富むゲルである瀝青に変化します。[ 46 ]無煙炭への成熟は、脱メタン化による脱瀝青化と、厚いガラスが割れるのと同様に、無煙炭が貝殻状断口で割れる傾向が増すことによって特徴付けられます。 [ 47 ]
地質学的プロセスが時間の経過とともに死んだ生物物質に圧力を加えると、適切な条件下では、その変成度または変成ランクは順次上昇し、次のようになります。
石炭にはいくつかの国際規格があります。[ 48 ]石炭の分類は一般的に揮発性物質の含有量に基づいています。しかし、最も重要な区別は、蒸気によって発電するために燃焼される一般炭（蒸気炭とも呼ばれる）と、鋼鉄を作るために高温で燃焼される冶金用石炭（コークス用石炭とも呼ばれる）との違いです。
ヒルトの法則は、（狭い範囲内では）石炭が深く埋まるほど、その等級（またはグレード）が高くなるという地質学的観察である。これは、温度勾配が完全に垂直である場合に適用されるが、変成作用は深さに関係なく等級の横方向の変化を引き起こす可能性がある。たとえば、ニューメキシコ州マドリード炭田の石炭層の一部は、火成岩岩床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、残りの層は瀝青炭のままであった。[ 49 ]
黒炭の最も古い意図的な使用は、オストラヴァのペトルコヴィツェにあるランデク丘の頂上にある旧石器時代の集落で記録されている。放射性炭素年代測定によると、この遺跡は紀元前25,000～23,000年の間に位置している。[ 50 ] [ 51 ] [ 52 ]
中国では、石炭の使用が認められる最古の例は瀋陽で、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。[ 53 ]中国東北部の撫順炭鉱の石炭は、紀元前1000年頃にはすでに銅の精錬に使われていた。 [ 54 ] 13世紀に中国を旅し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回も熱いお風呂に入ることができたと述べている。[ 55 ]ヨーロッパでは、石炭を燃料として使用したことに関する最古の記述は、地質学論文『石について』（紀元前371～287年頃）にある。 [ 56 ] [ 57 ]
青銅器時代（紀元前3000～2000年）には、ブリテン島で露頭炭が葬儀用の薪の一部として使われていました。[ 58 ] [ 59 ]ローマ時代のブリテン島では、「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主要な炭田すべてで石炭を採掘していた」とされています。 [ 60 ]ミッドランズ地方の石炭は、穀物の乾燥に使うためにカー・ダイクを経由して運ばれました。 [ 61 ]特にノーサンバーランドでは、西暦400年頃のものとされるローマ時代の別荘や砦の炉から石炭の燃え殻が見つかっています。イングランド西部では、同時代の著述家がアクアエ・スリス（現在のバース）のミネルヴァの祭壇にある常設の石炭の火鉢の素晴らしさを描写していますが、実際には、後にサマセット炭田となる場所から容易に入手できる地表の石炭が、地元のかなり低い住居で一般的に使われていました。[ 62 ]ローマ時代にこの都市で鉄の加工に石炭が使わ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ヴァイラーでは、ローマ人が鉄鉱石の製錬に瀝青炭の鉱床を使用していた。[ 60 ]
西暦1000年頃、盛期中世 以前のイギリスで石炭が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「海石炭」と呼ばれるようになった。ロンドンに石炭が到着した埠頭はシーコール・レーンとして知られており、1253年にヘンリー3世が与えた勅許状で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石炭や、海底の石炭露頭から洗い流された石炭が海岸にたくさん見つかったことから付けられた。[ 64 ] 1257年から1259年にかけて、ニューカッスル・アポン・タインからロンドンに石炭が出荷され、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に供給された。[ 64 ]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、世界中の海岸に今も到着し続けている。このような地域では、多くの家庭が石炭を重要な、時には主要な暖房燃料源として集めている。[ 66 ]
これらの容易に入手できる資源は、13世紀までにほぼ枯渇し（あるいは増大する需要を満たせなくなり）、その頃には竪坑や横坑による地下採掘が開発された。[ 58 ]別名「ピットコール」は、鉱山から採掘されたことに由来する。[ 67 ]
石炭（薪に加えて、あるいは薪の代わりに）を使った調理や暖房は、人類の歴史を通じて様々な時代や場所で行われてきた。特に、地表に石炭が豊富にあり、薪が不足していた時代や場所ではそうであったが、家庭の暖炉に石炭を広く利用するようになったのは、16世紀後半から17世紀初頭にかけてロンドンで燃料の転換が起こるまで、おそらくなかっただろう。[ 68 ]歴史家のルース・グッドマンは、この転換とその後のイギリス全土への普及がもたらした社会経済的影響をたどり[ 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きたと指摘している。[ 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ったため、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がイギリスで採掘された。石炭がエネルギー源として利用できなかったら、イギリスは1830年代までに水車に適した場所がなくなっていただろう。[ 69 ] 1947年にはイギリスには約75万人の炭鉱労働者がいたが、[ 70 ]イギリス最後の深部炭鉱は2015年に閉鎖された。[ 71 ]
瀝青炭と無煙炭の中間の等級は、かつて蒸気機関車の燃料として広く使われていたため、「蒸気炭」として知られていました。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 ]小さな「蒸気炭」は、乾燥小蒸気ナッツ（DSSN）とも呼ばれ、家庭用温水暖房の燃料として使用されていました。
石炭は19世紀と20世紀の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、この商品の取引に基づいていた。[ 73 ]
石炭は、さまざまな有機化合物とポリマーの混合物です。さまざまな暗色と組成を持つ、いくつかの種類が存在します。若い石炭（褐炭、亜炭）は完全に黒色ではありません。主な黒色石炭は、より豊富に存在する瀝青炭と無煙炭です。化学組成中の炭素の割合が最も高い石炭の種類は無煙炭[ 74 ]で、次に瀝青炭、亜炭、最後に褐炭となります。石炭の燃料価値は同じ順序で変化します。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。
瀝青炭の元素組成は、乾燥灰分除去基準で重量比で炭素84.4%、水素5.4%、酸素6.7%、窒素1.7%、硫黄1.8%である。[ 38 ]この組成は、前駆植物の組成を部分的に反映している。石炭の2番目に主要な成分は灰分であり、これは望ましくない不燃性の無機鉱物の混合物である。灰分の組成は、空気中での燃焼後に得られる酸化物の観点から議論されることが多い。
特に注目すべきは石炭の硫黄含有量で、1%未満から4%まで変動する。硫黄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成分に組み込まれている。この硫黄と窒素は炭化水素マトリックス内に強く結合している。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、それ以外の方法では除去できない。一部の石炭には無機硫黄が含まれており、主に黄鉄鉱（FeS 2 ）の形で存在する。黄鉄鉱は密度の高い鉱物であるため、泡浮選などの機械的手段で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ている。これは揮発しないため、洗浄によって除去できる。[ 44 ]
マイナーコンポーネントには以下が含まれます。
水銀、ヒ素、セレンは鉱物としては、特に微量成分であるため、環境にとって問題となることはありません。しかし、これらの鉱物が燃焼すると、揮発性または水溶性となり、移動性を持つようになります。
石炭のほとんどは燃料として使用されています。2017年には世界のエネルギーの27.6%が石炭によって供給され、そのうちアジアがほぼ4分の3を消費しました。[ 79 ]他の大規模な用途も存在します。石炭のエネルギー密度は、 1キログラムあたり約24メガジュールです[ 80 ]（1キログラムあたり約6.7キロワット時）。効率40%の石炭火力発電所では、 100Wの電球を1年間点灯させるのに推定325kg （717ポンド）の石炭が必要です。 [ 81 ]
2022年には、世界の石炭使用量の68%が発電に使用されました。[ 82 ] : 11 国際エネルギー機関（IEA）は、世界の石炭需要を2024年には5,946メガトン、2025年には5,964メガトンと推定しています。[ 83 ]
石炭火力発電所で発電するために燃やされる石炭は、火力発電用石炭と呼ばれます。通常、石炭は粉砕され、ボイラーを備えた炉で燃焼されます。[ 84 ] 炉の熱によってボイラーの水が蒸気に変換され、その蒸気がタービンを回転させて発電機を回し、発電します。[ 85 ]このプロセスの熱力学的効率は、前燃焼処理、タービン技術（例えば、超臨界蒸気発生器）、および発電所の年数によって、約25%から50%の間で変化します。[ 86 ] [ 87 ]
石炭をより効率的に燃焼させる統合ガス化複合サイクル（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生成し、それをガスタービンで燃焼させて発電する（天然ガスをタービンで燃焼させるのと同様）。タービンからの高温の排ガスは、補助蒸気タービンを駆動する熱回収蒸気発生器で蒸気を発生させるために使用される。熱と電力の複合供給に使用した場合のプラント全体の効率は最大94%に達する可能性がある。[ 88 ] IGCC発電所は、従来の微粉炭火力発電所よりも局所的な汚染物質の排出量が少ない。石炭を使用する他の方法としては、ソビエト連邦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などがある。しかし、これらは利益がないため広く使用されていない。
2017年には世界の電力の38%が石炭から供給され、これは30年前と同じ割合でした。[ 89 ] 2018年の世界の設備容量は2 TW（うち1 TWは中国）で、総発電容量の30%を占めていました。[ 90 ] 最も石炭に依存している主要国は南アフリカで、電力の80%以上が石炭で発電されていました。[ 91 ]しかし、2020年には中国だけで世界の石炭火力発電電力の半分以上を発電しました。[ 92 ]世界中で石炭の使用を削減する取り組みが行われ、多くの地域が天然ガスや再生可能エネルギーに切り替えています。2018年の石炭火力発電所の設備利用率は平均51%で、これは利用可能な運転時間の約半分で稼働していたことを意味します。[ 93 ]
コークスは、鉄鋼やその他の鉄含有製品の製造に使用される固体の炭素質残留物です。[ 94 ]コークスは、冶金用石炭（コークス用石炭とも呼ばれる）を酸素のないオーブンで1,000℃もの高温で焼成し、揮発性成分を飛ばし、固定炭素と残留灰を融合させることで作られます。冶金用コークスは、高炉で鉄鉱石を製錬する際の燃料および還元剤 として使用されます。[ 95 ]コークスの燃焼によって生成される一酸化炭素は、赤鉄鉱（酸化鉄）を鉄に還元します。
溶存炭素を過剰に含む銑鉄も生産される。
コークスは高炉内の上載物の重量に耐えられるだけの強度が必要であり、そのため従来の製鉄法ではコークス用石炭が非常に重要となる。石炭から作られるコークスは灰色で硬く、多孔質であり、発熱量は29.6 MJ/kgである。コークス製造工程によっては、コールタール、アンモニア、軽油、石炭ガスなどの副産物が生成される。
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渣であり、コークスに似ているが、不純物が多すぎるため冶金用途には適さない。
1940年代から石炭から化学物質が生産されてきた。[ 96 ] 石炭は、幅広い化学肥料やその他の化学製品の製造における原料として使用できる。これらの製品への主な経路は、石炭ガス化による合成ガスの製造である。合成ガスから直接生産される主要な化学物質には、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、あらゆる誘導体化学物質を製造するための化学的構成要素である。合成ガスは、主要な化学物質や高付加価値の誘導体製品の前駆体として汎用性が高く、石炭を使用して幅広い商品を生産する選択肢を提供する。21世紀には、炭層メタンの使用がより重要になっている。[ 97 ]
石炭ガス化によって製造できる化学製品は、一般的に天然ガスや石油由来の原料も使用できるため、化学業界は最もコスト効率の良い原料を使用する傾向がある。したがって、石油や天然ガスの価格が高騰した時期や、石油・ガス生産に負担がかかる可能性のある世界経済の高成長期には、石炭の利用への関心が高まる傾向があった。
石炭から化学製品へのプロセスには大量の水が必要です。[ 98 ]石炭から化学製品への生産の多くは中国で行われており[ 99 ] [ 100 ] 、山西省などの石炭依存の省では汚染対策に苦慮しています。[ 101 ]
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。[ 102 ]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。バイオマスを混合し、二酸化炭素回収・貯留（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。[ 103 ]国有企業の中国能源投資は石炭液化プラントを運営しており、さらに2基建設する予定です。[ 104 ]
石炭液化は、石炭輸送時の貨物の危険性を指す場合もある。[ 105 ]
石炭ガス化は、統合ガス化複合サイクル（IGCC）石炭火力発電所の一部として、ガスタービンを燃焼させて発電するための、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成するために使用されます。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。あるいは、合成ガスをメタノールに変換して、燃料に直接混合したり、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したりすることもできます。[ 106 ]南アフリカの化学会社Sasolは、ガス化とフィッシャー・トロプシュ技術を組み合わせて、石炭から化学製品や自動車燃料を製造しました。[ 107 ]
ガス化の過程では、石炭は酸素と水蒸気と混合され、同時に加熱・加圧されます。反応中に、酸素と水分子が石炭を酸化して一酸化炭素（CO）を生成すると同時に、水素ガス（H₂ ）も放出されます。これはかつて地下炭鉱で行われていたほか、都市ガスを製造するためにも用いられていました。都市ガスはパイプを通して消費者に供給され、照明、暖房、調理などに利用されていました。
製油所がガソリンを生産する場合、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。しかし、水素が最終生成物として望ましい場合は、合成ガスは水性ガスシフト反応に供給され、そこでより多くの水素が生成されます。
年間約8,000メガトンの石炭が生産されており、その約90%が瀝青炭、10%が褐炭である。2018年現在半分強は地下炭鉱からのものです。[ 108 ]石炭採掘産業では約270万人の労働者が働いています。[ 109 ]地下採掘では露天掘りよりも事故が多く発生しています。すべての国が鉱山事故の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、死亡事故のほとんどは中国の炭鉱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人の炭鉱関連の死亡者が出ています。[ 110 ]採掘される石炭のほとんどは火力発電用の石炭（発電用の蒸気を作るのに使われるため、蒸気用石炭とも呼ばれる）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われるため、「冶金用石炭」または「コークス用石炭」とも呼ばれる）は世界の石炭使用量の10～15%を占めています。[ 111 ]
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1割を占めている。[ 112 ] インドネシアは2022年に4億7100万トンで世界輸出の34%を占め、数量ベースで最大の輸出国であり、オーストラリアが3億4400万トン、ロシアが2億2400万トンでそれに続いた。[ 113 ]その他の主要な石炭輸出国は、米国、南アフリカ、コロンビア、カナダである。[ 82 ] : 118 2022年には、中国、インド、日本がそれぞれ3億100万トン、2億2800万トン、1億8400万トンを輸入し、最大の石炭輸入国となった。[ 82 ] : 117 ロシアは、欧州が再生可能エネルギーに移行し、ウクライナ侵攻をめぐってロシアに制裁を課すにつれて、石炭輸出を欧州からアジアへとますますシフトさせている。[ 16 ]
冶金用石炭の価格は変動が激しく[ 114 ]、硫黄分が少なく、より多くの精製が必要なため、一般炭の価格よりもはるかに高い[ 115 ] 。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する。
一部の国では、陸上の新規風力発電や太陽光発電のコストが、既存の発電所からの石炭火力発電よりも既に低くなっています。[ 116 ] [ 117 ] しかし、中国では2020年代初頭に、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。[ 118 ] [ 119 ]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。[ 120 ]
北半球の多くの国では、石炭の使用から脱却する動きがあり、かつての鉱山跡地は観光名所として利用されている。[ 121 ]
2022年、中国は4520メガトンの石炭を使用し、世界の石炭消費量の半分以上を占めた。インド、欧州連合、米国は、それぞれ1162メガトン、461メガトン、455メガトンを使用し、次に石炭消費量が多かった。[ 82 ]： 114 過去10年間、世界の石炭需要の増加の大部分はほぼ常に中国が占めてきた。[ 122 ]したがって、国際市場の動向は中国のエネルギー政策に依存している。[ 123 ]
中国政府が大気汚染削減に取り組んでいるため、世界の長期的な傾向としては石炭の燃焼量が減少することになるが、中国が他国で新たな石炭火力発電所に資金提供していることなどから、短期および中期的な傾向は異なる可能性がある。[ 90 ]
国際エネルギー機関（IEA）の予備分析によると、世界の石炭輸出は2023年に過去最高を記録した。IEAは、中国やインドなどの石炭集約型経済における国内生産の増加と、ヨーロッパなどの他の地域での石炭段階的廃止計画により、2026年までに世界の石炭貿易は約12%減少すると予測している。 [ 113 ] インドの石炭消費量は、ヨーロッパと北米を合わせた量よりも多い。[ 124 ] 2026年までに一般炭の輸出は約16%減少すると予想される一方、冶金用石炭の輸出は2%近くわずかに増加すると予想されている。[ 113 ]
石炭を燃料として使用すると、健康問題や死亡事故が発生します。[ 126 ]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。[ 127 ]石炭火力発電所は、窒素酸化物、二酸化硫黄、粒子状物質、重金属を排出し、これらは人間の健康に悪影響を及ぼします。[ 127 ]炭層メタン抽出は、採掘事故を回避するために重要です。
ロンドンの致命的なスモッグは、主に石炭の大量使用によって引き起こされた。世界的に、石炭は毎年80万人の早死にの原因となっていると推定されており[ 128 ] 、そのほとんどはインド[ 129 ]と中国[ 130 ] [ 131 ] [ 132 ]である。
石炭の燃焼は二酸化硫黄排出の主な原因であり、PM2.5粒子状物質、つまり最も危険な大気汚染物質を生成します。[ 133 ]
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、肺がんを引き起こします。[ 134 ] [ 135 ]
石炭火力発電によるヨーロッパの年間医療費は最大430億ユーロと推定されている。[ 136 ]
中国では、石炭火力発電所の大気汚染による早期死亡者数は、1 GW 年あたり 200 人であると推定されているが、排煙脱硫装置が使用されていない発電所周辺ではその数が多く、都市から遠い発電所では少なくなる可能性がある。[ 137 ] 中国の大気質と人々の健康の改善は、より厳格な気候変動対策によって進むだろう。これは主に、中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、経済的な純利益も得られるだろう。[ 138 ]
2017年のエコノミック・ジャーナル誌の研究では、1851年から1860年の期間のイギリスでは、「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、産業用石炭の使用がこの期間に観察された都市部の死亡率低下の約3分の1を説明する」ことがわかった。[ 139 ]
石炭粉塵を吸い込むと、炭鉱労働者塵肺症、いわゆる「黒肺」と呼ばれる病気になります。これは、石炭粉塵によって肺が文字通り黒くなることからそう呼ばれています。[ 140 ]米国だけでも、毎年1,500人の元炭鉱労働者が炭鉱粉塵の吸入の影響で死亡していると推定されています。[ 141 ]
毎年、膨大な量の石炭灰やその他の廃棄物が生産されています。石炭の使用により、毎年数億トンの灰やその他の廃棄物が発生します。これらには、飛灰、底灰、排煙脱硫スラッジが含まれ、水銀、ウラン、トリウム、ヒ素、その他の重金属、およびセレンなどの非金属が含まれています。[ 142 ]
石炭の約10%は灰です。[ 143 ]石炭灰は人間や他の生物にとって有害で有毒です。[ 144 ]石炭灰には放射性元素である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局所的に保管され、さまざまな方法で漏洩し、石炭火力発電所の近くに住む人々を放射線や環境毒素にさらします。[ 145 ]そのため、国連原子放射線影響科学委員会は、石炭火力発電所は原子力発電所よりもはるかに多くの放射能を放出すると推定しています。[ 146 ]
石炭採掘、石炭燃焼廃棄物、排ガスは深刻な環境被害を引き起こしている。[ 147 ] [ 148 ]
水系は石炭採掘の影響を受けます。[ 149 ]例えば、石炭採掘は地下水や地下水位、酸性度に影響を与えます。キングストン火力発電所の石炭フライアッシュスラリー流出事故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ります。石炭を燃焼する発電所は大量の水を消費します。これは河川の流れに影響を与え、他の土地利用にも影響を及ぼします。パキスタンのタール砂漠のような水不足の地域では、石炭採掘と石炭火力発電所が水資源の枯渇の一因となっています。[ 150 ]
石炭が水循環に及ぼす最も初期の影響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、その半分以上が石炭の燃焼によるものであった。[ 151 ]放出された二酸化硫黄は酸化されて H 2 SO 4となり、太陽放射を散乱させるため、大気中の二酸化硫黄の増加は気候に冷却効果をもたらす。これは、温室効果ガスの増加によって引き起こされる温暖化の一部を効果的に覆い隠す。しかし、硫黄は数週間で酸性雨として大気から降下するが、[ 152 ]二酸化炭素は何百年も大気中に残る。SO 2の放出は、広範囲にわたる生態系の酸性化にも寄与している。[ 153 ]
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。トンネルの上部で地盤沈下が発生し、インフラや農地に被害を与えることがあります。石炭採掘は長期にわたる火災を引き起こすこともあり、常に数千もの炭層火災が発生していると推定されています。 [ 154 ]例えば、ブレネンダー・ベルクは1668年から燃え続けており、21世紀になってもまだ燃えています。[ 155 ]
石炭からコークスを製造すると、アンモニア、コールタール、ガス状化合物が副産物として生成され、これらが陸地、大気、水路に排出されると環境を汚染する可能性がある。[ 156 ]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例である。[ 157 ]
石炭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放出です。石炭火力発電所は、 2018年の世界のCO2排出量増加に最も大きく寄与しており、[ 159 ]化石燃料排出量全体の40%、[ 160 ]および総排出量の4分の1以上を占めています。[ 161 ] [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ります。[ 162 ] [ 163 ]
2016年の世界の石炭使用による二酸化炭素総排出量は14.5ギガトンでした。[ 164 ]石炭火力発電では、発電量1メガワット時あたり約1トンの二酸化炭素が排出されますが、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。 [ 165 ]石炭の排出強度は種類や発電技術によって異なり、一部の国では1kWhあたり1200gを超えています。[ 166 ] 2013年、国連気候変動機関の責任者は、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大部分を地中に残しておくべきだと助言しました。[ 167 ]地球温暖化を1.5 ℃または2 ℃未満に抑えるためには、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ります。[ 168 ]
世界中で数千もの石炭火災が発生している。[ 169 ]地下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。火災によって地盤沈下が発生し、燃焼ガスは生命に危険を及ぼし、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、鉱山火災、地表火災との接触によって燃え上がることがある。落雷は重要な発火源である。石炭は酸素（空気）が炎の先端に届かなくなるまで、ゆっくりと炭層に燃え続ける。炭鉱地帯での草火災は、数十の石炭層に火をつける可能性がある。[ 170 ] [ 171 ]中国の石炭火災は、年間推定1億2000万トンの石炭を燃焼させ、3億6000万トンのCO2を排出しており、これは化石燃料からの年間世界生産量の2～3%に相当する。[ 172 ] [ 173 ]
石炭をエネルギー源として燃焼させることによる健康や環境への影響を軽減するためのシステムや技術は既に存在する。
精製石炭は、亜瀝青炭や褐炭などの低品位石炭から水分や特定の汚染物質を除去する石炭高度化技術の産物です。これは、石炭が燃焼される前にその特性を変化させる、石炭に対するいくつかの燃焼前処理およびプロセスの1つです。熱効率の向上は、予備乾燥の改善によって達成できます（特に褐炭やバイオマスなどの高水分燃料に関係します）。[ 174 ]燃焼前石炭技術の目標は、石炭が燃焼されるときの効率を高め、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に、燃焼後技術の補完として使用されることがあります。
二酸化炭素回収・貯留（CCS）は、石炭火力発電所の排ガスから二酸化炭素を回収し、地下貯留層に安全に貯留するために利用できる技術である。1972年から2017年の間に、1億6100万トンのCO2を隔離するために、十分な数の石炭火力発電所とガス火力発電所にCCSを導入する計画が立てられた。年間2件の計画が立案されたが、2021年までにこれらの計画の98%が失敗に終わった。 [ 175 ]コスト、貯蔵されたCO2 の長期的な責任に対処するための措置の欠如、社会的受容性の低さなどが、プロジェクトの中止につながっている。 [ 176 ] : 1332024年現在、CCSは世界中で4つの石炭火力発電所と1つのガス火力発電所でのみ稼働している。 [ 177 ]
1980年代半ば以降、「クリーンコール」という用語はさまざまな意味で広く使われるようになった。[ 179 ]当初、「クリーンコール技術」とは、酸性雨の原因となる汚染物質を削減するスクラバーや触媒コンバーターを指していた。その後、その範囲は水銀などの他の汚染物質の削減を含むように拡大した。[ 179 ]最近では、この用語は温室効果ガスの排出量を削減するための炭素回収・貯留技術の使用を包含するようになった。[ 179 ]
政治的な議論において、この用語は石炭自体がクリーンであるかのように誤って使用されてきた。[ 179 ]例えば、「クリーンコール」を生産して輸出できると示唆されてきた。[ 179 ] スクラバーや一部のCCSを使用しても、石炭は依然としてかなり高い環境負荷を持っている。[ 179 ]
温室効果ガスの排出に関する議論では、石炭使用の「削減」という用語もよく使われます。2023年の国連気候変動会議では、削減されていない石炭の使用を段階的に減らすという合意がなされました。[ 180 ]削減という用語が定義されていなかったため、この合意は悪用される可能性があると批判されました。[ 180 ]明確な定義がないため、化石燃料の使用は、発電所からの排出量の30%だけを回収するなど、最小限の方法でCCSを使用する場合でも「削減」されたとみなされる可能性があります。[ 180 ]
気候変動に関する政府間パネル（IPCC）は、化石燃料が「ライフサイクル全体を通して排出される温室効果ガスの量を大幅に削減する介入なしに生産および使用される場合、例えば発電所から90％以上を回収する場合」に、未処理であるとみなしている。[ 181 ] [ 182 ]
2018年には石炭供給に800億米ドルが投資されたが、そのほとんどは新規鉱山の開設ではなく生産水準の維持のためであった。[ 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 ]小規模企業や都市のコストは数百万ドル規模になる可能性がある。[ 187 ]石炭（気候変動を通じて）によって最も大きな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。[ 129 ]
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。[ 118 ]
石炭の貯蔵と取り扱いによる大気汚染は、PM2.5 が原因で、貯蔵される石炭 1 トンあたり約 200 ドルの費用が米国にかかります。[ 189 ]石炭による汚染は、欧州連合に毎年430 億ユーロの費用がかかります。 [ 190 ]大気汚染を削減するための対策は、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します。 [ 191 ] [ 192 ] [ 193 ]
2021年の石炭補助金は、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る。 [ 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年間少なくとも639億米ドル[ 159 ]の政府支援を提供している。多くの補助金は定量化不可能である[ 195 ]が、これには年間276億米ドルの国内および国際的な公的資金、154億米ドルの財政支援、209億米ドルの国有企業（SOE）投資が含まれる[ 159 ] 。インドネシアでは、石炭生産者が国内消費者に請求できる価格の上限によって石炭火力発電が補助されている。同時に、生産者は国内消費者に特定の量の石炭を供給する義務を負っている。これにより、国内消費者は割引価格で石炭を入手でき、生産者は国際市場で石炭を販売することで得られたはずの利益を失うことになる[ 196 ] [ 197 ] 。
EUでは、2020年から新規石炭火力発電所への国家補助が禁止され、2025年から既存の石炭火力発電所への国家補助も禁止されている。 [ 198 ] 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[ 199 ]、国際協力銀行、インドの公的銀行によって提供されている。[ 200 ]カザフスタンの石炭は、2017年に総額20億米ドルの石炭消費補助金の主な受給者であった。[ 201 ]トルコの石炭は、 2021年に多額の補助金の恩恵を受けた。[ 202 ]
石炭火力発電所の中には、座礁資産となるものもある。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抱えている。 [ 118 ]しかし、南アフリカのエスコム、インドネシアのペルサハーン・リストリク・ネガラ[ 196 ] 、マレーシアのサラワク・エナジー、台湾のタイパワー、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または計画している。[ 203 ] 2021年現在、これは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、それが崩壊すれば金融不安を引き起こす可能性がある。[ 204 ] [ 205 ] [ 206 ] [ 196 ]
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、パリ協定の目的を阻害しているとして、国際社会からますます強い批判を受けている。[ 90 ] [ 207 ] [ 208 ] [ 196 ] 2019年には、太平洋諸島諸国（特にバヌアツとフィジー）が、沿岸部の浸水や侵食への懸念を挙げ、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。[ 209 ] 2021年5月、G7加盟国は、国際的な石炭火力発電に対する新たな直接的な政府支援を終了することに合意した。[ 210 ]
石炭はケンタッキー州の公式州鉱物であり[ 211 ] 、ユタ州[ 212 ]とウェストバージニア州[ 213 ]の公式州岩石である。これらの米国の州は石炭採掘と歴史的につながりがある。
一部の文化圏では、行儀の悪い子供はクリスマスにサンタクロースからプレゼントの代わりに石炭の塊を靴下に入れられると信じている。
スコットランドでは、元旦に石炭を贈り物として贈るのも慣習であり、縁起が良いとされている。これはファースト・フッティングの一環として行われ、来る一年間の暖かさを象徴している。[ 214 ]
中国は2020年に世界の石炭火力発電量の53％を発電し、5年前より9パーセントポイント増加した。