Kohle

Kohle

Definition Kohle ist die zusammenfassende Bezeichnung für alle kohlenstoffreichen festen Brennstoffe, die durch (thermische) Zersetzung  (Verkohlung) organischer Stoffe entstanden sind (z.B. Holz - Kohle). Im eigentlichen Sinne bezeichnet man als Kohle die brennbaren Überreste von Pflanzen und anderen organischen Substanzen, die über das Stadium des Torfs in langen geologischen Zeiträumen durch den Vorgang der Inkohlung in braune bis schwarze Sedimentgesteine verwandelt wurden. Von Kohle spricht man, wenn die brennbare Substanz mehr als 50% ausmacht; einen geringeren Gehalt haben die Brandschiefer, mit Kohle - Substanz durchsetzte Schiefertone.

Entstehung und Einteilung: Nach Art der organischen Ausgangsstoffe unterscheidet man Humus - und Sapropel - Kohlen, zwischen denen aber Übergänge bestehen. Humus - Kohlen sind aus dem Lignin und der Cellulose von Pflanzen hervorgegangen, Sapropel - Kohlen (Bitumen - Kohlen) aus den Eiweiß- und Fettstoffen des Faulschlamms. Die Humus - Kohlen machen über 80% aller Kohlen aus. Nach dem Inkohlungsgrad und anderen damit in Zusammenhang stehenden Merkmalen teilt man die Kohlen in zwei Gruppen ein, Braunkohle und Steinkohle, diese wiederum in verschieden Arten. Bei der Weichbraun - Kohle (von Baumstümpfen und Baumstämmen durchsetzt) unterscheidet man erdige (weiche) und stückige Sorten, bei der Hartbraun - Kohle die schwarzbraune, dichte Mattbraun - Kohle und die schwarze, harte, durch muscheligen und glänzenden Querbruch charakterisierte Glanzbraun - Kohle (letztere wird in Bayern Pech - Kohle genannt). Die einzelnen Arten der Steinkohle (mit zunehmenden Inkohlungsgrad) sind: Flamm - Kohle, Gasflamm - Kohle, Gas - Kohle, Fett - Kohle, Eß - Kohle, Mager - Kohle und Anthrazit. Im englischen Sprachgebrauch (ähnlich auch im französischen) werden Weich - und (z.T.) Mattbraun - Kohlen als Lignit (im dt. Sprachgebrauch frühere Bezeichnung für den Xylit, die Holzsubstanz der Weichbraun - Kohle) bezeichnet, Glanzbraun - Kohle als subbituminöse Kohle, Steinkohle (außer Anthrazit) als bituminöse Kohle.

Die Sapropel - Kohlen entwickelten sich aus Faulschlamm (Sapropel) und faulschlammähnlichen Schlammablagerungen (Gyttja) nährstoffreicher Seen. Sie entstanden unter ständigem oder zeitweisem Sauerstoffabschluß und bilden meist nur flözförmige Einlagerungen in der Braun - oder Steinkohle. Zu diesen Sapropel - Kohlen gehören die blättrig - schiefrig ausgebildeten Blätter - oder Papier - Kohlen (Dysodil), die derbe, mattglänzende Kerzen - oder Kännelkohle, die aus reinen Algenablagerungen entstandene Bogheadkohle und der tiefschwarze, dichte, polierfähige Jet oder Gagat. Aus Wachs, Harz, Blatthäuten und Pollen, also schwer verweslichen Pflanzenbestandteilen, gingen die Liptolithe hervor. Ihr wichtigster Vertreter ist die Schwefel - Kohle; sie tritt in der Form von Bänken oder Streifen in der Braunkohle auf. Die reinste Form der Liptolithe stellt die Wachs - Kohle (Pyropissit) dar; sie bildet knollen- und nesterförmige Einlagerungen in Schwefelkohlenflözen. Auch der Bernstein, ein fossiles Harz, kann hierzu gerechnet werden.

Bei mikroskopischer Untersuchung lassen sich unterschiedliche Gefügebestandteile unterscheiden, die Hinweise auf die Materialien geben, aus denen die Kohlen entstanden sind, und auch Rückschlüsse auf die chemische Zusammensetzung (und damit die Eignung der Kohle zur technischen Verwendung) zulassen. Derartige Gefügebestandteile, die Mazerale, treten meist vergesellschaftet, in streifenförmigen Lagen angeordnet auf und bilden in unterschiedlicher Zusammensetzung die Streifenarten oder Mikrolithotypen.

Kohle tritt in Form von mehr oder weniger dicken Schichten, den Flözen auf, die in Sedimentgesteinsschichten eingelagert sind; sie können bis über 50m, bei Braun - Kohle bis über 100m mächtig sein.

Flöze, die für den Abbau von zu geringer Mächtigkeit sind, nennt man Schmitze. Die durch tektonische Beanspruchung in der Stein - Kohle entstandenen Klüfte nennt man Schlechten.

Die Struktur der Kohle, eingelagerte Baumstümpfe und Wurzeln unter anderem lassen erkennen, daß die meisten Kohle - Vorkommen aus waldreichen Flachmooren oder Sumpfwäldern sowie Riedmooren durch Vermoderung (Zersetzung der Pflanzenstoffe unter teilweisem Sauerstoffzutritt) und vor allem Vertorfung (Zersetzung unter anfänglichem Sauerstoffzutritt und späterem völlige Luftabschluß) hervorgegangen sind. Die Mächtigkeit der Kohle - Lager läßt auf eine üppige Vegetation, d.h. auch auf ein warmfeuchtes Klima (tropisch, subtropisch, seltener auch gemäßigt) schließen. Da unter der Einwirkung der Luft (Sauerstoff) Pflanzen verwesen, können so mächtige Torfschichten, wie sie in den großen Kohle - Vorkommen zugrunde liegen, nur entstanden sein, wenn die Moore über lange Zeit hinweg bei gleichem Grundwasserstand höher gewachsen sind; also muß sich der Untergrund ständig, rhythmisch oder zyklisch, gesenkt haben. Solche Senkungen sind typisch für die Vortiefen von Geosynklinalen; daher sind die Kohle - Becken oft gürtelartig ausgebildet. Man rechnet, daß die Bildung einer 1m mächtigen Schicht Braunkohle etwa 2500 - 5000 Jahre beanspruchte, einer 1m mächtigen Schicht Steinkohle etwa 10000 Jahre (wegen stärkeren Kompression).

Zusammensetzung von Kohle (deutsche Einteilung)

Erläuterungen:

A = Wassergehalt (frisch gefördert) in %                    I = Weichbraunkohle

B = flüchtige Bestandteile in % II = Hartbraunkohle

C = Kohlenstoff *) in % III = Flammkohle

D = Wasserstoff *) in % IV = Gasflammkohle

E = Sauerstoff *) in % V = Gaskohle

F = Heizwert in kJ/kg VI = Fettkohle

VII = Eßkohle

VIII = Magerkohle

IX = Anthrazit

*) In wasser- und aschefreier Substanz

Viele Kohle - Vorkommen (z.B. die des Ruhrgebiets) zeigen einen Wechsel von einzelnen Kohle - Flözen und marinen Sedimenten (Sande, Tone). Diese paralischen Kohlen sind in Küstennähe entstanden; zeitweise war die Senkung des Landes so stark, daß das Meer die Moore überflutete; limnische Kohlen nennt man dagegen die Kohlen, die in Becken innerhalb eines Festlandes, ohne Einfluß des Meeres, gebildet wurden (z.B. die Steinkohle des Saarlandes). In tektonischen Gräben und Becken, wie im Rheinischen Braunkohlenrevier und im französischen Zentralmassiv (paläozoische Stein - Kohle), können, manchmal auch durch unterirdische Salzauslaugung bedingt, besonders mächtige Kohle - Vorkommen gebildet werden.

Alle Humus - Kohlen sind praktisch unter völligem Luftabschluß durch Vertorfung entstanden; man nennt sie auch autochthon, da die Moorpflanzen am Bildungsort der Kohlen gewachsen sind, wie Wurzelböden und aufrechtstehende Baumstümpfe zeigen. Die Sapropel - Kohlen dagegen sind allochthone Bildungen; sie sind aus zusammengeschwemmtem Pflanzenmaterial entstanden (wirre Lagerung, viele Gerölle und Sandkörner). Da dieses lange Zeit der Luft ausgesetzt war, besteht es nur aus den widerstandsfähigeren Bestandteilen wie Sporen, Blatthäuten, Harzen und Wachs.

Kohle - Vorkommen sind über die ganze Erde verbreitet; sie entstanden vor allem im Jungpaläozoikum (Karbon, Perm) und im Tertiär, aber auch im Mesozoikum (z.B. Kreide). Die ältesten Kohle - Bildungen stammen bereits aus dem Präkambrium, so der aus Algen gebildete "anthrazitische" Schungit, die ältesten Kohle - Flöze aus dem Oberdevon (Bäreninsel). Voraussetzung war die Entwicklung höherer Sporenpflanzen: in den oberkarbonischen Waldmooren vor allem baumförmige Farnpflanzen (Sigillarien u.a. Bärlappengewächse, Calamiten und Farne) sowie Samenfarne und Cordaites. Die Steinkohlenwälder der Südhalbkugel (Gondwana) zeigen den Einfluß der permokarbonischen Vereisung (Glossopterisflora). Wichtigste Torfbildner der tertiären Braun - Kohlen waren Angiospermen - Koniferen - Mischwälder; an den feuchtesten Standorten u.a. Wasserfichten, Erlen und Farne. Da die jungpaläozoische Kohlen eine längere Bildungsperiode durchlaufen haben und meist von mächtigen Deckschichten überlagert wurden, handelt es sich bei ihnen meist um Stein - Kohle, bei den tertiären Kohlen dagegen meist um Braun - Kohle; es gibt aber auch karbonische Braun - Kohle (z.B. im Moskauer Becken) und tertiäre Steinkohle (z.B. in Japan, vulkanischer Einfluß). Die geringe Mächtigkeit der Deckschichten bei Braunkohle läßt meist den Tagebau zu, deren große Mächtigkeit bei Stein - Kohle erfordert in der Regel den Tiefbau (Ausnahme z.B. in Simbabwe). Mit den heute verfügbaren Verfahren ist Kohle (Steinkohle) bis zu einer Tiefe von etwa 1500m abbaubar (z.B. in Ibbenbüren; mittlere Tiefe im Ruhrgebiet heute etwa 900m). Um noch tiefer liegende Kohle (in der Bundesrepublik Deutschland über 300 Mrd. t Steinkohle)nutzen zu können, wird eine Untertagevergasung erprobt. Die gesamten geologischen Kohle - Vorkommen der Erde werden auf 6914 Mrd. t (1988) Steinkohle und 5082 Mrd. t Braunkohle geschätzt, die wirtschaftlich gewinnbaren Vorräte auf 566 Mrd. t Steinkohle und 426 Mrd. t Braunkohle (auf Steinkohleeinheit umgerechnet: insgesamt 782 Mrd. t). Von den wirtschaftlich gewinnbaren fossilen Brennstoffen macht Steinkohle 52%, Braunkohle 21% aus. 1987 wurden auf der Erde insgesamt 3,42 Mrd. t Steinkohle (davon gelangten 345 Mio. t in den Welthandel) und 1,24 Mrd. t Braunkohle gefördert.

Chemische Zusammensetzung Die chemische Zusammensetzung der Kohle ist äußerst kompliziert. Bei der Steinkohle liegen nur 10% des Kohlenstoffs frei vor; der Rest ist in einem Verbindungsgemisch enthalten, das vor allem aus aliphatischen und aromatischen Kohlenwasserstoffen besteht, in denen außer Sauerstoff zum Teil auch Schwefel und Stickstoff chemisch gebunden sind. Bei Braunkohle bestehen die organischen Bestandteile aus dem Bitumenanteil (vor allem Harze und Wachse) sowie aus Huminstoffen. Daneben enthält jede Kohle anorganische, unverbrennbare Ballaststoffe (Aschebestandteile, >Berge<): außer Tonmineralen und Quarzkörnern unter anderem diagenetisch ausgeschiedene Carbonat - und Pyritkristalle (der Schwefelgehalt stammt zum Teil aus dem Eiweiß der Pflanzen, zum Teil von Schwefelbakterien) sowie Flözknollen ("Coalballs") von Torfdolomit, Calcit und Kohleneisenstein (Siderit, in limn. Kohlen).                     

Gelegentlich sind Anteile von Metallen (Kupfer, Uran) vorhanden, von wirtschaftlicher Bedeutung kann Germanium sein. Das in den Kohle - Flözen enthaltene Grubengas (hauptsächlich Methan) ist bei der Inkohlung frei geworden, die Kohlensäure größtenteils zugewandert (vulkanischen Ursprungs).

Wirtschaftliche Bedeutung

Braunkohleförderung und -vorräte der bedeutendsten Förderländer

Wirtschaftlich gewinnbar

Braunkohle: Wesentliche Bedeutung hat die Braunkohle als Brennstoff in der Elektrizitätserzeugung, zum Teil auch als Hausbrand; als Rohstoff spielt sie ansonsten kaum eine Rolle. Wegen ihrer bröseligen Beschaffenheit sowie des hohen Wassergehalts (45 - 60%) und aufgrund des immer ungünstiger werdenden Verhältnisses von Abraum zu Braunkohle fallen die Transportkosten immer stärker ins Gewicht, so daß rohe Braunkohle nur in ortsnahen Kraftwerken verfeuert wird. Für Hausbrand, Versand, Verschwefelung und Vergasung wird Braunkohle getrocknet (bis 15% Wassergehalt) und in schweren Stahlpressen zu Briketts geformt. In der Bundesrepublik Deutschland ist die Brikettproduktion in den letzten Jahrzehnten deutlich zurückgegangen. Rund 95% der Braunkohle werden im Rheinischen Braunkohlerevier abgebaut, weitere 3 bis 4% im Helmstedter Revier. 1985 waren rund 20000 Personen im Braunkohle - Bergbau beschäftigt, davon allein rund 17000 bei den >Rheinischen Braunkohlenwerke AG< - einer Tochtergesellschaft der von der öffentlichen Hand kontrollierten >Rheinisch - Westfälischen Elektrizitätswerk AG< - deren Braunkohle Förderung (1985) 114 Mio. t betrug.

Für die ehemalige DDR war die Braunkohle der wichtigste Energieträger. Über vier Fünftel der Elektrizität wurden durch Braunkohle erzeugt. 1985 (1960) wurden 50,1 (60,0) Mio. t Braunkohle - Briketts (vor allem für Hausfeuerung) produziert. In Österreich wurden 1985 (1970) in den sieben (15) Betrieben des Braunkohle Bergbaus mit rund 3200 (6200) Beschäftigten zusammen 3,1 (3,7) Mio. t Braunkohle gefördert.

Steinkohle: Steinkohle wurde schon in der Antike erwähnt und vereinzelt für Schmiede- und Gießarbeiten verwendet; die Römer benutzten in Deutschland und England Steinkohle zum Heizen. In England stammt der erste schriftliche Nachweis von Steinkohle von 833 (seit dem 12. Jh. wichtigstes Handelsgut), in Belgien von 1195. Im Ruhrgebiet wird Steinkohle mindestens seit dem 13. Jh. abgebaut (Erstnennung 1298), im Saarland seit dem 15. Jh., in Schlesien (Waldenburger Gebiet) seit dem 16. Jh. Anfangs wurde im Ruhrgebiet nur zutagetretende Steinkohle in Löchern (Pingen) und Gräbern gewonnen, seit Mitte des 15. Jh. in kleinen Schächten (Pütten), seit Mitte des 16. Jh. durch Stollenbau, seit Mitte des 19. Jh. durch Tiefbau. Die rasche Entwicklung hing sowohl von der Bergbautechnik (unter anderem Einführung der Dampfmaschine für die Förderung und Wasserhaltung Ende des 18. Jh.) wie von der Verwendung der Steinkohle als Hausbrand und vor allem für gewerbliche Zwecke ab: unter anderem Verkokung (1640 erfunden), Massenproduktion von Eisen und Stahl, Kohlevergasung (seit Mitte 19. Jh.), Kohleverflüssigung (seit 1913), Kohlechemie.

Vor allem infolge der Nachfrage nach Steinkohle in den Entwicklungs- und den Schwellenländern steigt die weltweite Förderung stetig. Wegen der Regionalisierung der Märkte werden nur knapp 10% der jährlichen Förderung von 3000 Mio. t international gehandelt. Die größten Exporteure und potentielle Anbieter sind Australien, die USA, die Republik Südafrika, die Nachfolgestaaten der UdSSR, Kanada, Polen und China. Aufgrund der sozioökonomischen Umbruchsituation in den ehemaligen Staatshandelsländern ist das mittelfristige Angebot dieser potentiell kohlereichen Staaten nur schwer einzuschätzen. Der Weltkohlepreis wird vor allem durch die Transportkosten sowie die Grenzkosten der Förderung der USA bestimmt, die bei steigendem Preis kurzfristig 120 bis 200 Mio. t Steinkohle für den Export bereitstellen können. In Deutschland betrug die Förderung (1991) 66,1 Mio. t (davon 78%  aus dem Ruhrgebiet, 14% aus dem Saarland). Eingeführt wurden (1991, alte und neue Bundesländer) 16,8 Mio. t, vor allem aus der Republik Südafrika (5,5 Mio. t), Polen 84,4 Mio. t), den USA (1,4 Mio. t) und Australien (1,35 Mio. t). Die Verdrängung von Steinkohle durch Erdöl und Erdgas führte seit Ende der 1950er Jahre zu einem >Zechensterben<. Die Zahl der Schachtanlagen sank von (1957) 153 auf (1991)26, die der Bergleute unter Tage von 384000 auf 65000. Aufgrund der geologischen Bedingungen ist deutsche Steinkohle trotz Rationalisierung (1957 bis 1991 Verdreifachung der Förderung pro Schachtanlage) gegenüber Importkohle etwa um das Zweieinhalbfache teurer. Seit den 60er Jahren wird der deutsche Steinkohle - Bergbau aus regional- und energiepolitischen Gründen durch verschiedene Instrumente (Importkohlekontingentierung sowie Jahrhundertvertrag und Hüttenvertrag, Kohlepfennig) unterstützt. Im November 1991 wurden von der >Kohlerunde< (Bundesregierung, NRW- und saarländische Regierungen, Tarifparteien) weitere Beihilfen und Anpassungsmaßnahmen beschlossen: Zechenstillegung, Beschäftigungsreduzierung um 40000 Stellen, Fortführung des Jahrhundertvertrages bis Ende 1995 mit 40,9 Mio. t SKE (SteinKohleEinheit) pro Jahr, Verlängerung von Steinkohle - Verstromung und Steinkohle - Verhüttung bis zum Jahr 2005. Nach der ersten Erdölpreiskrise von 1973/74 schien die Steinkohle, die auch als Rohstoff in der chemischen Industrie Erdöl vollständig ersetzen kann, wieder an Bedeutung zu gewinnen. Das Scheitern der OPEC - Hochpreispolitik Mitte der 80er Jahre aber beendete in der damaligen EG (im Gegensatz zur Republik Südafrika) kostspielige Projekte wie z.B. die Kohleverflüssigung. Die Größe der Reserven (in Deutschland geschätzt 24 Mrd. t) legt für die Energieerzeugung eine vermehrte Nutzung auch gerade in den ölabhängigen Industrieländern nahe. Allerdings hat Steinkohle nach Braunkohle bei den fossilen Energieträgern bezüglich des Schwefel- und Kohlendioxidgehaltes die höchsten Emissionswerte, was gegen den verstärkten Einsatz von Kohle spricht. Daneben ergeben sich besonders für den deutschen Steinkohle - Bergbau durch den EU - Binnenmarkt neue Bedingungen, da das bisherige Subventionssystem durch die EU in Frage gestellt wird.

Kohlechemie: Die Kohlechemie ist das Teilgebiet der Chemie, das sich mit der chemischen Struktur von Kohlen oder mit der chemischen Umwandlung von Kohlen und der Weiterverarbeitung der dabei entstehenden Produkte (z.B. Teer, Rohbenzol)  beschäftigt. Als erster Bestandteil des Steinkohlenteers wurde 1819 Naphthalin von dem britischen Chemiker Alexander Garden (gest. 1829) entdeckt. Mit der systematischen Isolierung aromatischer Verbindungen (z.B. Anilin) aus Steinkohlenteer beschäftigte sich in der Mitte des 19. Jh. A. W. Hofmann. W. H. Perkin stellte 1856 den ersten synthetischen Farbstoff (Mauvein) aus Kohleanilin her. Nach 1910 entwickelte sich in Deutschland die Acetylenchemie auf Kohlebasis (Herstellung von Acetaldehyd 1916 bis 18, von Butadien ab 1925, Reppe - Synthese ab 1928). Durch Kohlevergasung läßt sich Synthesegas erzeugen, das zu Ammoniak, Methanol, Oxoprodukten und Kohlenwasserstoffen (Fischer - Tropsch - Synthese) umgesetzt werden kann. Die Gewinnung chemischer Produkte aus Kohle ist auch über die Kohlehydrierung möglich (siehe im Folgenden). Mit dem Aufstieg der Petrochemie nach dem zweiten Weltkrieg verlor die Kohlechemie an Bedeutung. Der Rohstoff Kohle hat gegenüber dem Rohstoff Erdöl den Nachteil, daß die Verfahren zur Herstellung chemischer Produkte im allgemeinen komplizierter und umweltbelastender sind und mit geringeren Ausbeuten ablaufen. Bedeutung hat die Kohlechemie heute vor allem für die Herstellung von wasserstoffarmen Grundchemikalien aus Kokereibenzol und Steinkohlenteer. Etwa 15% des Benzols, 90% des Naphthalins, 25% des Rußes und nahezu die gesamte Produktion an Anthracen, Chinolin, und Elektrodenpech werden aus Kohle hergestellt. Seit 1973 werden Verfahren der Kohlechemie neu - und weiterentwickelt, die Wirtschaftlichkeit ist bei ihnen aber derzeit in den meisten Fällen nicht gegeben.

Kohlehydrierung: Dies ist ein Verfahren zur Herstellung flüssiger Kohlenwasserstoffe (Benzin, Heizöle) aus Kohle und Wasserstoff. Die Kohlehydrierung wurde von F. Bergius 1913 erstmals durchgeführt und von M. Pier bei der I. G. Farbindustrie unter Verwendung von Katalysatoren zur technischen Reife entwickelt (Bergius - Pier - Verfahren, IG - Verfahren). Dabei wurden Kohlen (und Kohleprodukte) bei bis zu 460°C und 700 bar mit Wasserstoff umgesetzt; der technische Prozeß verlief dabei in zwei Stufen (>Sumpfphasenhydrierung<, >Gasphasenhydrierung<). Zwischen 1927 und 1945 wurden in Deutschland zwölf Hydrierwerke betrieben. Nach 1945 war die Kohlehydrierung wegen der niedrigen Rohölpreise unwirtschaftlich.

Erste Neuentwicklungen gab es in den USA bereits in den 60er Jahren. Die in der Bundesrepublik Deutschland Anfang der 80er Jahre in Demonstrationsanlagen betriebene Kohlehydrierung erwies sich als nicht wirtschaftlich. Bei diesem DT - Verfahren (DT = Abk. für Deutsche Technologie) wird gemahlene Kohle nach Zusatz von Rotschlamm als >verlorener< Katalysator mit Ölen aus dem Prozeß angemaischt und bei 475°C und 300 bar mit Wasserstoff behandelt. Nichtflüchtige Öle und Feststoffe (Katalysator, Kohlereste) werden im Heißabscheider abgetrennt und durch Vergasung in den für die Hydrierung erforderlichen Wasserstoff umgewandelt (Kohlevergasung). Die im Kaltabscheider gewonnenen Öle (Syncrude) werden einer hydrierenden Raffination (Hydrotreating) unterworfen. Dabei werden Sauerstoff-, Schwefel- und Stickstoffverbindungen abgebaut und aromatische Verbindungen weitgehend hydriert.

Durch Integration der Raffination in die Kohlehydrierung läßt sich die Ölausbeute verbessern (IGOR - Verfahren; IGOR Abk. für Integrierte Gesamt - Oel - Raffination). Als Coprocessing wird die gemeinsame hydrierende Verflüssigung mit schweren Erdölfraktionen bezeichnet.

Auch aus weiteren Ländern (unter anderem Australien, Japan, Südafrika) wurden in den letzten Jahren Versuche zur Neuentwicklung der Kohlehydrierung bekannt.

Kohleentschwefelung: Kohleentschwefelung ist die zusammenfassende Bezeichnung für technische Verfahren, die den Schwefelgehalt von Kohlen und damit die Emission von Schwefeldioxid bei der Verbrennung vermindern. Kohle enthält Schwefel organisch gebunden und in Form von Pyrit (FeS₂). In der Entwicklung sind vor allem Verfahren zur Entfernung des Pyritschwefels. Die mechanische Kohleentschwefelung basiert auf der größeren Absetzgeschwindigkeit der Pyritpartikel, wenn feingemahlene Kohle mit Wasser aufgeschlämmt oder mit Luft verwirbelt wird. Eine chemische Kohleentschwefelung ist z.B. das Herauslösen des Pyrits mit Eisensulfatlösung. Bei der mikrobiellen Kohleentschwefelung wird Pyrit durch geeignete Mikroorganismen (z.B. Thiobaccilus ferrooxidans) im löslichen Eisensulfat umgewandelt, so daß ein Auswaschen möglich wird.

Kohlekraftwerk

Kurzdefinition: In der Energietechnik bezeichnet man ein Kohlekraftwerk als ein Wärmekraftwerk zur Elektrizitäts- und gegebenenfalls Wärmeerzeugung, bei dem die zur Dampferzeugung notwendige thermische Energie durch Verbrennen von Stein- und Braunkohle gewonnen wird.

Konventionelle Kohlekraftwerke bestehen im wesentlichen aus Dampferzeuger, Kohlemahlanlage und Maschinenhaus mit Turbine und Generator, den Rauchgasreinigungsanlagen (Entschwefelungs -, Entstickungs -, und Entstaubungsanlagen, Schornstein), meist einem Kühlturm sowie den Rohstofflagern (z.B. Kohlebunker). Die Art der Verbrennung ist sehr unterschiedlich, sie hängt insbesondere stark von der Kohleart und -qualität ab. Man unterscheidet im wesentlichen Rostfeuerung und die in Großkraftwerken ausschließlich eingesetzte Staubfeuerung (Trockenfeuerung, Schmelzfeuerung). Bei letzterer wird der Kohlenstaub mit der Verbrennungsluft in den Brennraum eingeblasen und bei Temperaturen zwischen 1100 und 1500 verbrannt. Bei der Trockenfeuerung fällt die Asche staubförmig an und wird durch Elektrofilter aus dem Rauchgas entfernt. Bei der Schmelzfeuerung wird durch die sehr hohen Temperaturen die Asche verflüssigt und durch Abkühlung als granulierte Schlacke unter dem Dampfkessel abgezogen. Die gewonnene thermische Energie wird von den heißen Rauchgasen an den Wasser - Dampf - Kreislauf übertragen. Zunehmendes Interesse hat in den letzten Jahren die Wirbelschichtfeuerung gefunden. Dabei wird gebrochene Kohle durch aufwärtsgerichtete starke Luftströme über einem Düsenboden (Wirbelbett) in einen Schwebezustand versetzt und wallt so ähnlich wie kochendes Wasser. Durch die ständige Bewegung der Kohlepartikel und deren lange Verweildauer im Feuerraum erfolgt die Verbrennung bereits bei Temperaturen um 850°C. Dadurch ergibt sich eine Senkung der Stickoxidbildung unterhalb der vorgeschriebenen Grenzwerte, so daß Kohlekraftwerke mit Wirbelschichtfeuerung keine Entstickungsanlagen benötigen. Da außerdem durch Zugabe von Kalk zur Kohle eine direkte Entschwefelung der Rauchgase möglich ist, entfallen auch zusätzliche Entschwefelungsanlagen. Hauptnachteil der Wirbelschichtfeuerung ist jedoch deren begrenzte Brennraumgrundfläche; herkömmliche Kohlekraftwerke mit >stationärer< Wirbelschichtfeuerung haben daher eine auf einige zehn MW beschränkte Leistung und eignen sich nur für kleinere Kraftwerke. Eine Weiterentwicklung ist die zirkulierende Wirbelschichtfeuerung: Die mit Rauchgas mitgerissenen noch brennbaren Kohlepartikel werden über Zyklone ausgetragen und wieder der Verbrennung zugeführt. Mit der Wirbelschichtfeuerung unter Druck (druckaufgeladene Wirbelschichtfeuerung) erhofft man sich weitere Fortschritte.

Derzeit (1989) sind in der Bundesrepublik Deutschland bereits etwa 15 Anlagen (mit einer gesamten thermischen Leistung von etwa 2000 MJ/s) in Betrieb, die meist als zirkulierende Wirbelschichtanlagen ausgeführt sind und in der Regel als Kraft - Wärme - Kopplungsanlagen arbeiten. Die größten Anlagen erreichten etwa die Wärmeleistung von 300 MJ/s.

Kohlekraftwerke decken weltweit etwa 40% des Stromverbrauchs. Konventionelle Kohlekraftwerke mit Wasser - Dampf - Kreislauf und einfacher Zwischenüberhitzung können unter Berücksichtigung der Aufwendungen für Entschwefelungs - und Entstickungsanlagen Nettowirkungsgrade von rund 40% erreichen. Einen auf 46% verbesserten Wirkungsgrad erwartet man von dem Gas - und - Dampf - Kraftwerk (GUD) mit integrierter Kohlevergasung, bei dem die heißen Abgase einer mit zuvor gereinigtem Kohlegas betriebenen Gasturbine zur Erzeugung von Frischdampf für eine nachgeschaltete Dampfturbine dienen; Wirkungsgrade von über 50% ergaben theoretische Untersuchungen für Kohlekraftwerke mit Mehrstoffprozessen, bei denen die besonderen Eigenschaften anderer Stoffe (außer Wasser; z.B. Kalium oder Biphenyl) in Verbindung mit dem Wasser - Dampf - Kreislauf genutzt werden. Ein wirtschaftlicher Einsatz dieser Kohlekraftwerke, der auch durch Handhabungsprobleme dieser Arbeitsmedien erschwert wird, ist jedoch zur Zeit noch nicht gegeben. Dagegen sind bereits heute bei der (allerdings zeitlich beschränkten) gleichzeitigen Erzeugung von Elektrizität und Fernwärme bzw. industrieller Prozeßwärme Nutzungsgrade von 80 bis 85% der eingesetzten Primärenergie möglich (Kraft - Wärme - Kopplung).

Während die Rauchgasreinigungsanlagen eine Entstaubung, Enstickung und Entschwefelung der Rauchgase erlauben, gibt es bisher noch keine großtechnische Möglichkeit, das bei der Verbrennung der Kohle entstandene Kohlendioxid (CO₂) abzuscheiden, das als Hauptursache für den Treibhauseffekt angesehen wird. Die Erzeugung einer Kilowattstunde Elektrizität in Kohlekraftwerken führt zu einer Emission von etwa 1kg CO₂.

Steinkohlekraftwerke sind teilweise auch mit Verbrennungseinrichtungen für Erdöl und Erdgas ausgerüstet. Man spricht dann von bi - oder trivalenten Feuerungen bzw. von Steinkohle - Mischfeuerungs - Kraftwerken.

Die gesamte installierte Bruttoengpaßleistung aller Steinkohlenkraftwerke (in Klammern aller Steinkohle - Mischfeuerungs - Kraftwerke) in der Bundesrepublik Deutschland belief sich 1988 auf: Kraftwerke der öffentlichen Elektrizitätsversorgung 16212 MW (10183 MW), des Bergbaus und verarbeitenden Gewerbes 4778 MW (1875 MW), der Deutschen Bundesbahn 470 MW (190 MW). Die entsprechenden Werte für die Braunkohlekraftwerke sind: Werke der öffentlichen Elektrizitätsversorgung 11551 MW, des Bergbaus und des verarbeitenden Gewerbes 742 MW.

Insgesamt wurden 1988 etwa 43,3 Mio. t SKE (Steinkohleeinheiten) Steinkohle eingesetzt, davon 39,2 Mio. t SKE einheimische Steinkohle. Der Braunkohleeinsatz betrug etwa 27,3 Mio. t SKE. Die Elektrizitätserzeugung durch Steinkohle betrug 1988 insgesamt etwa 130,7 TWh (Terrawattstunden), durch Braunkohle etwa 80,1 TWh, bei einer gesamten Bruttoerzeugung von 431,2 TWh. Die Wärmenennleistung der Heizkraftwerke betrug 1988 etwa 18715 KJ/s, die zugehörige elektrische Leistung etwa 7091 MW. Mit dieser Leistung wurden 12,9 TWh Elektrizität erzeugt. Für die Fernwärme wurden etwa 2,4 Mio. t SKE Steinkohle in Kraftwerken eingesetzt. Zur Erzeugung von 1 kWh Strom werden 0,35 bis 0,6 kg Steinkohle oder 1,2 bis 2,5 kg Braunkohle benötigt.