Węgiel kamienny i ropa naftowa

• powstawanie złóż węgla kamiennego i ropy naftowej:

Znaczna część pokładów węgla kamiennego powstała od 360 do 28 milionów lat temu. Węgiel tworzył się na terenach bagnistych, które w tamtym czasie były porośnięte przez wilgotne lasy tropikalne. Szczątki martwych roślin, które opadły na dno bagien powoli ulegały rozkładowi. Było to związane z małą ilością tlenu i obecnością odpowiednich bakterii. W pierwszym etapie rozkładu ten przeobrażający się materiał roślinny zamienił się w torf. Podczas tego procesu wydzielał się metan, dlatego duże ilości tego gazu towarzyszą złożom węgla kamiennego. Torf może ulec przekształceniu w węgiel tylko wtedy, gdy na jego pokłady będzie działać odpowiednie ciśnienie. Warstwa węgla o grubości jednego metra powstaje z 10-15 metrowej warstwy torfu. Jeśli bagno zapełniło się substancją roślinną, na pokłady torfu osadzały się warstwy mułu i piasku. Potem teren uległ obniżeniu i został ponownie zalany przez wodę i zachodził kolejny etap akumulacji roślinnej. Taki cykl powtarzał się kilkakrotnie, dlatego mówi się, że pokłady węgla kamiennego powstawały na skutek sedymentacji cyklicznej. Sedymentacja ta spowodowała powstanie wielu warstw węgla, które były oddzielone od siebie różnymi skałami osadowymi.

Jedna z teorii, dotycząca powstania ropy naftowej, mówi że pochodzi ona ze związków nieorganicznych i tworzyła się na skutek przemian zachodzących w jądrze Ziemi. Teorie o nieorganicznym pochodzeniu ropy naftowej nie znalazły jednak wielu zwolenników i większość naukowców przyjmuje, że ropa naftowa ma pochodzenie organiczne. Uważają oni, że procesy prowadzące do powstania ropy naftowej zachodziły wiele milionów lat temu. Przeważająca część złóż, znajdujących się w środkowej i północnej części Morza Północnego tworzyła się z bakterii i glonów około 144 do 213 milionów lat temu (w okresie jury). Materiał organiczny, który był przykryty warstwą mułu ulegał stopniowemu rozkładowi i zmieniał się w ropę naftową. Proces ten zachodził na skutek działania dużego ciśnienia i wysokiej temperatury i spowodował zamianę iłu w skałę litą. Złoża ropy naftowej przeważnie występują wspólnie z gazem ziemnym i spotykane są przede wszystkim w piaskowcach, których szczeliny i porowatości są nasycone gazem i ropą. Do powstania złoża ropy naftowej lub gazu ziemnego niezbędne jest istnienie skały przepuszczalnej, która jest przykryta warstwą skał nieprzepuszczalnych. Powstają wówczas struktury zwane pułapkami, w których możliwe jest gromadzenie się ropy naftowej.

• skład:

W skład węgla kamiennego wchodzi przede wszystkim pierwiastkowy węgiel oraz tlen, azot i wodór. Węgiel kamienny jest czarny, kruchy i pali się długim płomieniem. Torf przekształca się w trzy rodzaje węgla, różniące się zawartością węgla pierwiastkowego. Najwcześniej powstaje torf, który zawiera do 60% węgla. Ma on małą wartość opałową. W późniejszym etapie tworzy się węgiel brunatny, zawierający ok. 65- 78% węgla pierwiastkowego. Podczas spalania węgla brunatnego powstaje dużo dymu i mało ciepła. Najwięcej ciepła powstaje podczas spalania daje węgiel kamienny. Jego odmianą jest antracyt, który zawiera nawet do 96% węgla pierwiastkowego.

Ropa naftowa stanowi mieszaninę różnorodnych związków chemicznych, przede wszystkim węglowodorów (węglowodorów aromatycznych, cykloalkanów i alkanów). Zawiera ona również organiczne związki tlenu, siarki, azotu, związki metaloorganiczne oraz mineralne (połączenia krzemu, sodu, niklu, wanadu i innych metali). Skład ropy jest różny i zależy od miejsca, z którego została wydobyta. Barwa ropy naftowej może być zielonkawa, żółtobrunatna oraz czarna. Naukowcy wyodrębnili z ropy naftowej już ponad 600 związków chemicznych, ale ich szacowana ilość jest znacznie wyższa.

• wydobycie oraz przetwarzanie:

Przeważająca część złóż węgla kamiennego znajduje się w Chinach, USA i krajach byłego Związku Radzieckiego. W Polsce węgiel kamienny wydobywa się w zagłębiu Dolnośląskim, Górnośląski oraz Lubelskim. Przewiduje się, że zapasy węgla kamiennego wystarczą na około 300-400 lat. Ze względu na to, że nie ma on poważniejszej konkurencji oraz jest tanim surowcem energetycznym jego zasoby niedługo się wyczerpią. Wydobywany jest metodą głębinową, ponieważ jego złoża występują na dużych głębokościach. Metoda ta polega na budowaniu szybów i zwożeniu górników wraz z odpowiednim sprzętem na dół.

Metodą przetwarzania węgla kamiennego jest sucha destylacja (piroliza, pirogenizacja). Polega ona na prażeniu węgla w wysokiej temperaturze bez dostępu powietrza. Proces ten powoduje uwolnienie lekkich olejów, szkodliwych metali, związków amoniaku i wody. Na skutek pirolizy otrzymuje się koks, który jest bardzo dobrym materiałem energetycznym, a produkty uboczne (smoła pogazowa, woda pogazowa, gaz świetlny) znalazły zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu.

Złoża ropy naftowej występują przeważnie pod dnem morskim, na znacznych głębokościach i często niedaleko wybrzeży. Nie odkryto jeszcze wszystkich złóż i nie wszystkie pokłady ropy są jeszcze eksploatowane. Do największych producentów ropy naftowej na świecie zaliczane są kraje Zatoki Perskiej, gdzie występują największe zasoby tego surowca. W Polsce ropa naftowa jest wydobywana na Podkarpaciu i w pobliżu Karpat, oraz z dna morskiego w okolicach przylądka Rozewie. Ropę naftową wydobywa się za pomocą ogromnych pomp, a niekiedy wypływa ona na powierzchnię sama, pod wpływem działania podziemnego ciśnienia. W celu wydobycia ropy znajdującej się pod dnem morskim używa się platform wiertniczych, które są podpierane filarami pomiędzy którymi biegnie aż do złoża ropy trzpień wiertniczy. Ropę naftową spotyka się także w piaskach bitumicznych, ale eksploatacja takich zasobów jest mało opłacalna.

Ropa naftowa po wydobyciu poddawana jest rektyfikacji, powszechnie znanej jako destylacja frakcyjna. Ropa naftowa wprowadzana jest do pieca destylacyjnego i podgrzewana tam do temperatury około 350°C. Na skutek ogrzewania wyodrębniają się poszczególne składniki (frakcje) ropy, co jest związane z tym, że mają one różne temperatury wrzenia. Składniki lżejsze wędrują do górnej części pieca, natomiast cięższe skraplane są w kolejnym zbiorniku, a następnie spływają do magazynów. Za odkrywcę metody destylacji frakcyjnej uważa się polskiego chemika Ignacego Łukasiewicza. W celu zwiększenia wydajności procesu przetwarzania ropy naftowej, oleje i nafta poddawane są krakingowi (polega na rozszczepieniu cząsteczek węglowodorów na mniejsze cząsteczki pod wpływem wysokiej temperatury, bardzo często zwiększonego ciśnienia i działania katalizatorów). W wyniku krakingu otrzymywane są lekkie oleje oraz benzyna.

• zastosowanie ropy  i węgla kamiennego:

Węgiel kamienny stanowi przede wszystkim surowiec energetyczny, stosowany zarówno w przemyśle jak i gospodarstwach domowych. Był również surowcem, z którego otrzymywany gaz ziemny, zanim zaczęto go wydobywać.  Węgiel kamienny znalazł również zastosowanie w przemyśle chemicznym, gdzie wykorzystywany jest np. do produkcji kosmetyków i pestycydów.  Produkty przetwarzania węgla stosowane są np. do wytwarzania materiałów wybuchowych, leków, rozpuszczalników, tłuszczy, środków pielęgnacyjnych oraz aromatów do ciast. Wykorzystywany jest również amoniak, który odzyskano z węgla kamiennego.

Ropa naftowa była wykorzystywana już w czasach starożytnych. Stosowano ją wówczas do balsamowania ciał, do wytwarzania lekarstw, pochodni, płonących strzał i machin wojennych. Obecnie bardzo duże ilości ropy naftowej zużywa przemysł motoryzacyjny (produkcja smarów, olejów). Produkty otrzymane w wyniku destylacji ropy znalazły zastosowanie w produkcji środków dezynfekujących, tworzyw sztucznych, kosmetyków, gumy, leków, barwników, farb i tkanin syntetycznych.

Uczeni nie mają wątpliwości, że złoża paliw kopalnych niedługo się skończą. Gdyby sytuacja taka miała miejsce już dzisiaj człowiek cofnąłby się prawdopodobnie do epoki węgla gładzonego. Dlatego poszukiwane są inne alternatywne źródła energii, które są odnawialne.

Przykładem odnawialnego źródła energii jest energia słoneczna, którą można przekształcić w energię elektryczną używając ogniw fotoelektrycznych. Jednak kolektory energii i baterie słoneczne są bardzo drogie. Zaletami innego alternatywnego źródła – energii wiatru – jest odnawialność oraz brak zanieczyszczeń. Wadą natomiast jest konieczność ustawiania turbin wirnikowych w określonych miejscach, gdzie wiatr wieje zawsze i jest silny. Energia pływów morskich wymaga odpowiedniego ukształtowania dna (cieśnin). Pierwszą na świecie elektrownią tego typu uruchomiono u ujścia rzeki Rance we Francji. Jej moc wynosi 240 MW. Warto wspomnieć również o elektrowni zainstalowanej w cieśninie Sammelsunder (Norwegia) - ponad 20 podwodnych turbin dostarcza energii dla tysięcznego miasteczka Kvalsund.

Poza szukaniem innych źródeł energii, naukowcy wciąż szukają lepszych i ekonomiczniejszych sposobów wykorzystania paliw kopalnych.