Uhlie

z Wikipédie, slobodnej encyklopédie
Prejsť na: navigácia, hľadanie
Uhlie
usadené horniny, kaustobiolity
Uhlie
Čierne uhlie
Hlavné minerály bitumenózna zložka – (litotyp)
Akcesórie kremeň, kalcit, íly, sulfidy železa
Textúra masívna, páskovaná
Farba (y) hnedá až čierna
Pozri aj 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[upraviť | upraviť zdroj]

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 otiera[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
  • 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 rozonávali macerály základnej hmoty a častíc, ktoré sa v nej nachádzali. Dnešná klasifikácia rozlišuje tri typy macerálov[5]:

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

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[upraviť | upraviť zdroj]

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].

Odkryv uhlia v podloží fosílneho riečneho kanála, súvrstvie stellarton, vrchný karbón (pensylván), blízko mesta Thorburn, Nové Škótsko

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 jej 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 antracitugrafitu, teda čistého uhlíka.

Typy uhlia[upraviť | upraviť zdroj]

Antracit (vľavo) a koks (vpravo)
  • 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.
Briketa z hnedého uhlia.
  • 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[upraviť | upraviť zdroj]

Splyňovanie[upraviť | upraviť zdroj]

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. 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.

Skvapalňovanie[upraviť | upraviť zdroj]

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 južnej Afrike, 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.

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[upraviť | upraviť zdroj]

Koks je pevný uhlíkový zvyšok odvodený od nízkopopolového nízkosírneho čierneho uhlia, z ktorého sú odstránené prchavé zložky v peci s obmedzeným prístupom kyslíka pri teplotách 1 000 °C. Ďalšími produktmi koksovania je kamennouhoľný decht, amoniak, ľahké oleje a svietiplyn.

Petrolejový koks[upraviť | upraviť zdroj]

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 29,3 MJ/kg.

Škodlivé účinky spaľovania uhlia[upraviť | upraviť zdroj]

Pri spaľovaní uhlia vzniká oxid uhličitý spolu s premenlivých množstvom oxidu siričitého 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. Uhlie obsahuje aj mnoho toxických prvkov vrátane arzénu a ortuti, ktoré sú veľmi nebezpečné v prípade, že sa dostanú do ovzdušia. Uhlie obsahuje stopové množstvo uránu, tória a iných prirodzene sa vyskytujúcich rádioaktívnych nuklidov. Aj keď sú tieto prvky v uhlí len stopovými nečistotami, tak spôsobujú, že v okolí uhoľných elektrární je úroveň rádioaktívneho žiarenia často vyššia než v okolí atómových elektrární.

Požiare uhlia[upraviť | upraviť zdroj]

Vo svete existuje mnoho požiarov uhlia, ktoré nie je možné zahasiť, pretože uhlie horí pod zemským povrchom. Požiare uhlia môžu spôsobiť prepady pôdy a vznikajúce spaliny sú životunebezpečné. Okrem toho môžu požiare prestupovať prasklinami na povrch a vytvárať tak povrchové. 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[upraviť | upraviť zdroj]

Uhlie je najčastejšie používané tuhé palivo na výrobu tepla spaľovaním. Jeho výhrevnosť sa je priemerne 24 MJ na kg[12]. Svetová spotreba uhlia je 5 200 miliónov ton ročne, z toho je 75 % využívaných na výrobu elektrickej energie. V oblasti Číny a Indie sa ročne spotrebuje 1 600 miliónov ton uhlia a predpokladá sa, že v roku 2025 narastie táto spotreba na 2 700 miliónov ton ročne. V USA sa každoročne spotrebuje miliarda ton uhlia, z toho až 90 % na výrobu elektrickej energie.

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

Ložiská a zásoby uhlia[upraviť | upraviť zdroj]

Najväčší producenti uhlia v roku 2008[13]
Krajina množstvo v miliónoch ton
Čína 2 716
USA 993
India 484
Austrália 332
Južná Afrika 251
Rusko 246
Indonézia 229
Kazachstan 100
Poľsko 84
Kolumbia 74

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. Iné pravdepodobné použitie uhlia je extrahovať z neho ropu a tak nahradiť jej míňajúce sa zásoby. Kvôli tejto vízii prebieha vo svete mnoho experimentov a výskumov.

Náleziská na Slovensku[upraviť | upraviť zdroj]

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 (ložisko bolo 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, ťažba je však nerentabilná a preto sa čierne uhlie dováža z Česka. [14].

Vo svete[upraviť | upraviť zdroj]

Ťažba uhlia vo svete v roku 2005

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[15].

Referencie[upraviť | upraviť zdroj]

  1. a b Vladár, J. a kolektív, Encyklopédia Slovenska VI. zväzok T-Ž. Veda, Bratislava, s. 159
  2. a b c Rojkovič, I., Lintnerová, O., Uhlík, P., Kraus, I., 2006, Nerastné suroviny. Univerzita Komenského, Bratislava, 179 s.
  3. Pellant, Ch., 2005, Horniny a minerály. Ikar, Bratislava, s. 192
  4. a b Schenk, J., 1956, Uhlie, jeho vznik a vlastnosti z hľadiska upraviteľnosti. SVTL, Bratislava, 85 s.
  5. Crelling, J. C.. Coal Macerals [online]. mccoy.lib.siu.edu, [cit. 2011-07-16]. Dostupné online. (po anglicky)
  6. a b Lintnerová, O. 2009: Geológia kaustobiolitov. Uhlie a uhľovodíky. Univerzita Komenského, Bratislava, 118 s.
  7. Stočes, B, 1954, Přehled hornictví. Práce-Vydavatelstvo ROH, Praha, 307 s.
  8. a b Mišík, M., Chlupáč, I., Cicha, I., 1985, Historická a stratigrafická geológia. SPN, Bratislava, 541 s.
  9. Nichols, G., 2009, Sedimentology and stratigraphy. Willey-Blackwell, Chichester, 419 s.
  10. a b Tucker, M., 2003, Sedimentary Rocks in the Field. John Wiley & Sons, Chichester, 234 s.
  11. Petránek, J.. Uhlí, On-line geologická encyklopedie [online]. geology.cz, 2007, [cit. 2011-07-17]. Dostupné online.
  12. Fisher, J. Energy Density of Coal [online]. hypertextbook.com, 2003, [cit. 2011-06-17]. Dostupné online. (po anglicky)
  13. Gadonnei, P. a kolektív. World Energy Council - Survey of Energy Resources 2010 [online]. worldenergy.org, 2010, [cit. 2011-06-17]. Dostupné online. (po anglicky)
  14. Minerály a horniny Slovenska – Uhlie [online]. mineraly.sk, [cit. 2009-08-12]. Dostupné online.
  15. Babuška, V., Mužík, M., 1977, Mineralógia, petrografia a geológia. pre 1. a 2. ročník SPŠ baníckych. Alfa, Bratislava, s. 112 – 113

Iné projekty[upraviť | upraviť zdroj]