Entstehung und Verwendung von Braunkohle und Steinkohle

Kohle ist neben den beiden anderen fossilen Brennstoffen Erdgas und Erdöl auch heutzutage ein wichtiger Energieträger. Zudem wird hauptsächlich Steinkohle noch durch verschiedene Verfahren veredelt und als Rohstoff für die chemische Industrie genutzt.

Entstehung von Kohle

Besonders in der Zeit vor 345 bis 280 Millionen Jahren bedeckte eine reiche Sumpfvegetation einen Großteil der Erde. Die meisten dieser Pflanzen waren Farne, von denen einige Arten so groß wie Bäume wurden. Man geht davon aus, dass ganze Urwälder aus solchen Farnbäumen existierten, die große Flächen bedeckten.

Aus diesen Farnen, Bärlappen und Schachtelhalmen entstand dann über Millionen von Jahren die heutige Steinkohle. Da die entscheidenden Vorgänge für die Kohleentstehung in diesem Erdzeitalter erfolgten, wird es als Kohlezeit und mit Fachbegriff als Karbon bezeichnet (vom Lateinischen für Kohle = carbo).

Aufgrund eines Klimaumschwungs starben die Pflanzen ab und stürzten in die Sümpfe, wo sie vollständig von Wasser bedeckt wurden.
Weil aus diesem Grund kein Sauerstoff mehr an das abgelagerte pflanzliche Material gelangte, war eine vollständige Zersetzung nicht möglich. Im Lauf der Zeit lagerten sich Schichten aus Sand und Schlamm auf dem organischen Material ab.
Im Laufe von Jahrmillionen gerieten die pflanzlichen Ablagerungen in immer tiefere Schichten der Erdkruste, wodurch sich der Druck und die Temperatur erhöhten.
Dies führte dazu, dass chemische Reaktionen abliefen, bei denen Sauerstoff und Wasserstoff abgespalten wurden und somit der Anteil des Kohlenstoffes im Verhältnis zu anderen Elementen zunahm. Dieser Prozess wird als Inkohlung bezeichnet.
Je länger die Inkohlung fortschreitet, desto weniger Sauerstoff und Wasserstoff enthält die Kohle. Je nach Dauer der Inkohlung entsteht zunächst Torf, dann Braunkohle, Steinkohle und schließlich Grafit.

Braunkohle

Braunkohle ist ein relativ junges Produkt der Inkohlung, sie entstand in der Kreidezeit und im Tertiär vor 20 bis 40 Mio. Jahren. Aufgrund dessen ist sie nur von wenigen weiteren Sedimentschichten bedeckt und kann meist im Tagebau abgebaut werden.
Ihre Farbe ist meist braunschwarz, sie hat eine deutlich faserige, holzartige Struktur und enthält bis 50 % Wasser. Ihr Heizwert beträgt ungefähr ein Drittel von dem der Steinkohle.

Die wichtigsten Braunkohlevorkommen in Deutschland liegen in der Kölner Bucht (= Rheinisches Revier), bei Helmstedt und Halle-Leipzig (= Mitteldeutsches Revier), in der Niederlausitz (= Lausitzer Revier), in der niederhessischen Senke und in der Oberpfalz.
In vielen Ländern der Erde gibt es weitere große Vorkommen: zum Beispiel in Ost- und Südosteuropa, in Russland (Moskauer Becken, Ural, Sibirien), in den USA, in China und Australien.

Chemische Zusammensetzung

Die chemische Zusammensetzung der Braunkohle ist von Lagerstätte zu Lagerstätte unterschiedlich (Bild 4).

Auch der Schwefelgehalt der Braunkohle unterscheidet sich in den einzelnen Lagerstätten. Er hängt vor allem davon ab, in welcher Zeit die Braunkohle entstand. So ist der Schwefelgehalt von Rheinischer Braunkohle (0,3 %) und Lausitzer Braunkohle (0,3 bis 1,0 %) ähnlich, weil diese beiden Braunkohlegebiete etwa in der selben Zeit entstanden.
Die mitteldeutsche Braunkohle dagegen ist in einer älteren geologischen Epoche entstanden und weist einen anderen Schwefelgehalt auf, nämlich 1,5 bis 2,1 %.

Braunkohle wird in Kraftwerken verbrannt und so zur Energieerzeugung genutzt. Aufgrund des Schwefelgehaltes entsteht dabei Schwefeldioxid, das die Umwelt schädigt, weshalb eine Rauchgasentschwefelung durchgeführt werden muss, um das Schwefeldioxid aus den Abgasen zu entfernen.

Heizwert

Der Heizwert der Kohle wird durch ihre Zusammensetzung bestimmt. Unter dem Heizwert versteht man die Wärmemenge, die bei der Verbrennung des Stoffes freigesetzt wird.
Der Heizwert von Braunkohle beträgt je nach Wassergehalt zwischen 7 300 und 12 000 Kilojoule pro Kilogramm.

Verwendung

Die Verwendung der Braunkohle hat sich im Laufe der Zeit stark gewandelt. Etwa bis zu Beginn der sechziger Jahre wurde sie in West-Deutschland zum Heizen als Hausbrand (Brennstoff für Öfen) verwendet, in Ostdeutschland bis in die 90er Jahre.
Zeitweise wurde mehr als die Hälfte der gesamten geförderten Braunkohle zu Briketts verarbeitet.

Durch die effektiveren Brennstoffe Erdöl und Erdgas wurde die Braunkohle immer weiter verdrängt. Heutzutage liegt ihr Haupteinsatz in Kraftwerken, vor allem in Stromkraftwerken. Im Jahr 2008 wurden rund 93 % der in Deutschland geförderten Braunkohle zur Verstromung verwendet. Damit stellten die Braunkohlekraftwerke ungefähr ein Viertel der gesamten Stromerzeugung in Deutschland.

Der restliche Teil wird in der Braunkohleveredlung weiterverarbeitet. In den Veredelungsbetrieben werden aus der Rohkohle Kohlestaub, Briketts, Wirbelschichtkohle und Braunkohlenkoks sowie Wachse für Schuhcreme und Bohnerwachs hergestellt.
Die Verwendungen der Produkte sind ganz unterschiedlich und liegen nicht nur in der Verbrennung, wozu Wirbelschichtkohle eingesetzt wird. Der Kohlestaub wird zum Beispiel in der Zementindustrie als Brennstoff verwendet, und der Braunkohlenkoks dient als Adsorptionsmittel für Schadstoffe bei der Müllverbrennung oder der Wasseraufbereitung. Briketts werden nur noch in geringem Maße zum Heizen verwendet.

Steinkohle

Bei der Steinkohle fand eine längere Inkohlung statt als bei der Braunkohle, sie ist also älter und liegt in der Regel tiefer in der Erde. Daher muss sie in den meisten Fällen im Untertagebau gewonnen werden.

Das größte Abbaugebiet für Steinkohle in Deutschland ist das Ruhrgebiet. Die weltweiten Vorräte an Steinkohle werden zur Zeit auf 5 000 Milliarden Tonnen geschätzt. Hiervon werden aber nur etwa 400 Milliarden Tonnen als abbauwürdig eingeschätzt. Man geht davon aus, dass die Steinkohlevorräte noch für einige hundert Jahre ausreichen und damit deutlich länger als die Reserven an Erdöl und Erdgas.

Chemische Zusammensetzung und Heizwert

Steinkohle enthält im Vergleich zu Braunkohle mehr Kohlenstoff und weniger Wasser. Trotzdem handelt es sich nicht um reinen Kohlenstoff, sondern um einen „hochmolekularen Kohlenwasserstoff“. Eine hypothetische Struktur eines „Kohlemoleküls“ mit den enthaltenen funktionellen Gruppen ist in Bild 7 dargestellt. Weiterhin enthält Kohle auch 5-8 % mineralische Bestandteile (Asche).

Steinkohle hat einen höheren Heizwert als Braunkohle. Der Heizwert der Steinkohle liegt zwischen 32 und 36 MJ pro Kilogramm (1 Megajoule = 1000 Kilojoule).

Je nach Alter der Steinkohle lassen sich verschiedene Arten unterscheiden, die sich im Kohlenstoffgehalt und damit im Heizwert unterscheiden.
Die Einteilung von der jüngsten zur ältesten Kohleart lautet:

• Flammkohle (mit etwa 76 % Kohlenstoffgehalt),
• Gasflammkohle (82 %),
• Gaskohle (85 %),
• Fettkohle (88 %) und
• Magerkohle (90 %)
• Anthrazitkohle (ca. 92 %).

Verwendung

Seit der industriellen Revolution hat die Steinkohle eine große wirtschaftliche Bedeutung für die Industrie. Sie deckt zu ca. 30 % den Elektroenergiebearf der Bundesrepublik und wird darüber hinaus als Rohstoff in der chemischen Industrie sowie der Metallurgie verwendet.

Der wichtigste Veredlungsprozess der Steinkohle ist die Kohleentgasung. Dabei entsteht als Hauptprodukt der Koks, der z. B. im Hochofenprozess verwendet wird.
Ein wichtiges Nebenprodukt der Kohleentgasung ist Steinkohleteer. Für die chemische Industrie ist Steinkohlenteer heutzutage ein gesuchter und vielseitig einsetzbarer Rohstoff, dann man kann die verschiedenen Bestandteile unterschiedlich nutzen. Aus dem Teer werden z. B. verschiedene aromatische Kohlenwasserstoffe gewonnen, die zur Herstellung von Kunststoffen, Pflanzenschutzmitteln oder Farbstoffen dienen.
Als Rest, der nicht chemisch weiterverarbeitet werden kann, bleibt so genanntes Teerpech übrig. Es wird als Dachpappe, als Brikettbindemittel und im Straßenbau als Asphalt verwendet.

Andere Verfahren zur Kohleveredlung, bei denen sowohl Braunkohle als auch Steinkohle als Rohstoffe eingesetzt werden können, sind die Synthesegaserzeugung, die z. B. Synthesegas für die Herstellung von Methanol liefert, und die Kohlehydrierung, bei der z. B. Benzin entsteht. Die Kohlehydrierung wird heute kaum noch durchgeführt, da die Gewinnung von Benzinen aus Erdöl einfacher und billiger ist.

Kohleverbrennung und Umwelt

Neben Kohlenstoff, Wasser und flüchtigen Stoffen enthält Kohle Schwefel- und Stickstoffverbindungen sowie verschiedene mineralische Einschlüsse. Letztere bleiben bei der Verbrennung von Kohle als Asche zurück.

Der Kohlenstoff entweicht als Kohlenstoffdioxid in die Atmosphäre. Dieses Kohlenstoffdioxid, das generell bei der Verbrennung von organischen Stoffen entsteht, ist hauptsächlich verantwortlich für den anthropogenen Treibhauseffekt und die daraus resultierende globale Erwärmung.

Neuerdings wird erwogen, das Kohlenstoffdioxid durch Absorption aus dem Rauchgas abzutrennen und dann in geeignete unterirdische Gesteinsformationen in 1 000-2 000 m Tiefe auf Dauer einzulagern (CCS-Technik = Carbondioxid Capture and Storage). Die Firma Vattenfall betreibt bereits eine kleine Pilotanlage und die Industrie erwartet um das Jahr 2020 den Einsatz dieser Technologie. Dadurch soll der Ausstoß von CO₂ aus den Großkraftwerken reduziert werden.
Es gibt jedoch auch berechtigte Zweifel u. a. aus folgenden Gründen:

1. Die Abtrennung gelingt nicht vollständig, sondern nur zu 90-95 %.
2. Das Verfahren ist außerordentlich aufwendig und erfordert ca. 20 % mehr Brennstoff, um die gleiche Menge Elektroenergie zu erzeugen.
3. Die Logistik für die Erfassung aus allen Kraftwerken und der Transport sind aufwendig.
4. Über das Verhalten des verpressten Kohlenstoffdioxids im Untergrund gibt es noch viel Unklarheit.
5. Die Kosten sind beträchtlich, sie werden zurzeit auf 30-80 € / t CO₂ geschätzt.

Zum Vergleich:

Ein großes Kraftwerk wie Jänschwalde hat eine Leistung von 3 000 MW. Die Braunkohlekraftwerke im Rheinland haben zusammen eine Leistung von ca. 11 000 MW, dafür werden pro Jahr etwas über 90 Mio. t Braunkohle in diesen Kraftwerken verbrannt und damit über 90 Mio. t Kohlenstoffdioxid jährlich emittiert. Die Kosten für eine CCS-Technik bei diesen Kraftwerken würde sich demnach auf 3-8 Mrd. € belaufen.

Die Verbrennungsabgase enthalten auch Schwefeldioxid und Stickstoffoxide als Reaktionsprodukte. In Kraftwerken werden diese Schadstoffe mithilfe von Rauchgasentschwefelungsanlagen und Entstickungsanlagen (DENOX) weitgehend entfernt.