Kohle

mini|Kohle Kohle (von urgermanisch *kula-, althochdeutsch kolo m., kol n., mittelhochdeutsch kol n., seltener kole f. „Kohle, Holzkohle“) ist ein schwarzes oder bräunlich-schwarzes, festes Sedimentgestein, das durch Inkohlung pflanzlicher Biomasse entsteht. Sie besteht überwiegend aus dem chemischen Element Kohlenstoff und komplexen Kohlenstoffverbindungen.

Kohle ist auf allen Kontinenten vorhanden. Ihre erdgeschichtliche Hauptentstehungszeit war das Oberkarbon (Pennsylvanium), und die entsprechende Kohle liegt zumeist als Steinkohle vor. Daneben gibt es auch noch jüngere Steinkohlen, etwa im Jura und der Kreide Westkanadas. In Bezug auf Mitteleuropa ist auch das „Tertiär“ ein bedeutender Kohlebildungszeitraum. Diese Kohle liegt jedoch weit überwiegend als Braunkohle vor.

Verwendet wird Kohle hauptsächlich als Träger fossiler Energie. Bei ihrer Verbrennung wird Wärme freigesetzt, die zum Heizen genutzt werden kann. Kohleverbrennung ist weltweit eine der meistverbreiteten Techniken zur Erzeugung elektrischer Energie. Sie ist ebenso als Ausgangsstoff bei der Koks- und Graphitherstellung sowie der Gewinnung flüssiger Kohlenwasserstoffe und der Eisenverhüttung von Bedeutung. Der Heizwert einer Steinkohleeinheit dient als Vergleichsmaßstab für andere Brennstoffe.

Sowohl Inkohlung als auch Kohleverbrennung sind wesentliche Bestandteile des globalen Kohlenstoffkreislaufs.

Die Menge der weltweiten Kohlevorräte ist Gegenstand anhaltender Untersuchungen. Schätzungen aus dem Jahr 2005 rechnen bei gleichbleibendem Verbrauch mit mehreren hundert Jahren bis zu deren Erschöpfung, andere Schätzungen gehen davon aus, dass das Kohlefördermaximum bereits im Jahr 2025 erreicht sein könnte.Website der Energy Watch Group: (3. April 2007; PDF; 146 kB), zuletzt abgerufen am 28. Januar 2016. Fördermengen der einzelnen Kohlearten finden sich unter Kohle/Tabellen und Grafiken.

Entstehung Das Ausgangsmaterial von Kohle ist hauptsächlich pflanzlichen Ursprungs. Typische Kohlebildung (Humuskohle, siehe Allgemeines zur Klassifizierung: Kohlenarten) nimmt ihren Anfang in ausgedehnten Sumpfwäldern von Tiefebenen. Die Bäume binden mittels Photosynthese Kohlenstoffdioxid aus der Luft und wandeln es in das Kohlenhydrat Zellulose und andere organische Verbindungen um. Nach dem Absterben einzelner Bäume versinken diese im Sumpf und werden so dem normalen aeroben Zersetzungsprozess entzogen – es entsteht zunächst Torf.

Entscheidend dafür, ob aus dem Torf Kohle wird, ist die weitere geologische Geschichte der betreffenden Region. Die Erdkruste erfährt im Bereich von Tiefebenen üblicherweise eine tektonische Absenkung (Subsidenz, siehe auch Sedimentbecken). Hält diese Absenkung über geologische Zeiträume hinweg (also viele dutzend Millionen Jahre) an, werden die torfigen Sumpfsedimente, unter dann oft anderen Umweltbedingungen (u. a. auch lang anhaltende Meeresbedeckung), fortwährend mit Sedimenten überlagert und zugleich in die tiefere obere Erdkruste versenkt. Dabei steigen mit zunehmender Versenkungstiefe sowohl der Umgebungsdruck als auch die Umgebungstemperatur. Dies verursacht die sogenannte Inkohlung der torfigen Sedimente. Der Druck presst das Wasser aus, und die Temperaturzunahme bewirkt die chemische Umwandlung der organischen Verbindungen, im Zuge derer eine Anreicherung von Kohlenstoff erfolgt. Dabei entsteht zunächst Braunkohle. Mit zunehmender Versenkung intensiviert sich die Inkohlung. Aus Braunkohle wird Steinkohle und schließlich Anthrazit. Deshalb ist die Qualität von Kohle oft umso besser, je tiefer sie in der Erde liegt und je älter sie ist.

Die heute (nicht selten nurmehr wirtschaftshistorisch) bedeutendsten Steinkohlelagerstätten entstanden im Oberkarbon vor etwa bis  Millionen Jahren. Das wichtigste Ausgangsmaterial des entsprechenden Torfs bestand im frühen Oberkarbon zu 60 bis 80 % in baumartigen Bärlapppflanzen. Deren Stämme waren noch kaum aus Holz, hatten dafür aber ein sehr dickes Periderm (Borke). Im mittleren Oberkarbon der Appalachen dominierten die stark verholzenden Cordaiten. Im späten Oberkarbon Euramerikas herrschten wiederum schwach verholzende Baumfarne aus der Ordnung Marattiales vor. Die wirtschaftlich wichtigen Braunkohlelagerstätten Mitteleuropas (Niederrhein, Mitteldeutschland, Niederlausitz, Egergraben) sind im „Tertiär“ vor bis  Millionen Jahren entstanden und damit wesentlich jünger.

Je nach paläogeographischer Position des Bildungsraumes unterscheidet man zwischen palustrischen (oder limnischen) und paralischen Kohlebildungen. Unter palustrisch/limnisch versteht man Kohlebildungen in Feuchtgebieten nahe Binnengewässern. Paralisch bedeutet, dass das Kohlelager auf Moorbildungen in einer Küstenebene zurückgeht.Hans Murawski, Wilhelm Meyer: Geologisches Wörterbuch. 12. Auflage. Spektrum Akademischer Verlag, 2010, ISBN 978-3-8274-1810-4, S. 97, 121. Zwischen den einzelnen Kohleflözen sind dann immer wieder marine Sedimente eingeschaltet, die auf kurzzeitige transgressive Phasen zurückgehen. Haben Kohlelagerstätten ihren Ursprung in palustrischen Bildungsräumen innerhalb von Becken in gebirgigen Regionen, kann man speziell von intramontanen Kohlebildungen sprechen.

Neue Untersuchungen legen einen engen Zusammenhang nahe zwischen der Bildung der enorm ergiebigen karbonischen Kohlelagerstätten und der Evolution von Weißfäule, das heißt von Pilzarten, die in der Lage waren, Lignin, einen Hauptbestandteil von Holz, abzubauen. Molekulargenetische Verwandtschaftsanalysen in Verbindung mit der Methode der Molekularen Uhr ergaben, dass die Weißfäule wahrscheinlich erst am Ende des Karbons oder im frühen Perm entstand.

Gewinnung Kohle kann sowohl oberirdisch im Tagebau als auch im Untertagebau gefördert werden. Weltweit werden ca. 40 % der Kohle im Tagebau gewonnen, der Rest im Tiefbau.Nicola Armaroli, Vincenzo Balzani: Energy for a Sustainable World – From the Oil Age to a Sun-Powered Future. Wiley-VCH 2011, S. 86.

Vorräte

Die Braunkohlevorräte in Deutschland betrugen im Februar 2014 etwa 76,8 Milliarden Tonnen, von denen 40,3 Mrd. t mit dem Stand der heutigen Technologie wirtschaftlich gewinnbar wären. Damit würden die Vorräte bei konstanter Förderung (2013: 183 Mio. t) noch für 220 Jahre ausreichen.

Von den deutschen Steinkohlevorräten gelten rund 24 Milliarden Tonnen als gewinnbar. Ausgehend von der Förderquote des Jahres 2004 (25,7 Millionen Tonnen) ergäbe sich daraus eine theoretische Reichweite von über 900 Jahren. Aufgrund der geologischen Gegebenheiten ist jedoch nur ein Teil dieser gewinnbaren Vorräte nach Stand der Technik international wettbewerbsfähig förderbar. Vertreter der deutschen Kohlewirtschaft bezifferten deshalb, unter der Voraussetzung der Beibehaltung der damaligen Fördermenge, die Reichweite der deutschen Steinkohle auf etwa 400 Jahre. Allerdings wurde 2018 die Steinkohleförderung in Deutschland eingestellt.

Die deutsche Energy Watch Group, eine unabhängige Analytikergruppe um Wissenschaftler der Ludwig-Bölkow-Stiftung (München), kam im Frühjahr 2007 hinsichtlich der weltweiten Kohlereserven und insbesondere hinsichtlich der Reservensituation in Deutschland zu einem anderslautenden Ergebnis:

Im 2. Quartal 2016 lag der Weltmarktpreis für Kraftwerkskohle bei zirka 56 Euro pro Tonne SKE.

Fördermenge Nach dem 67. BP-Weltenergiereport hatte China im Jahr 2017 einen Anteil von 46,4 % an der weltweiten Kohleförderung, knapp mehr als das Doppelte des Anteils aller OECD-Staaten (22,6 %). Weit abgeschlagen folgten die USA (9,9 %), Australien (7,9 %), Indien (7,8 %), Indonesien (7,2 %) und Russland (5,5 %). Deutschland lag mit 1,0 % der Weltförderung auf Rang 11.BP p.l.c.: BP Statistical Review of World Energy 2018. London, 2018 (PDF 6,5 MB), S. 38

Einteilungen und handelsübliche Qualitätsmerkmale Allgemeines zur Klassifizierung Die Klassifizierung von Kohle oder Kohlen erfolgt, je nach Schwerpunktsetzung, nach verschiedenen Systemen. In technischer Hinsicht sind insbesondere zwei Begriffe sorgfältig auseinanderzuhalten: Kohlensorten und Kohlenarten.

Kohlensorten Die Kohlensorten sind kohlespezifische, traditionelle Bezeichnungen für Korngrößen, die durch Absieben aus der unsortierten Rohkohle (Förderkohle) separiert (klassiert) werden. Während ursprünglich jedes deutsche Kohlerevier seine eigenen, wenngleich oft ähnlichen, Sortenbezeichnungen hatte, ist 1941 eine einheitliche Sortensystematik eingeführt worden.Wilhelm Gumz, Lothar Hardt: Kurzes Handbuch der Brennstoff- und Feuerungstechnik. Springer-Verlag, 1962, ISBN 978-3-642-51615-3, S. 203 (Tabelle 5-9) Nach dieser werden alle Bruchstücke, die größer sind als 80 mm, als Stückkohle bezeichnet. Die kleineren Bestandteile der Stückkohle (150–80 mm) werden Knabbeln genannt. Unterhalb von 80 mm wird weiter unterschieden in Nusskohle Nuss 1, 80–50 mm Nuss 2, 50–30 mm Nuss 3, 30–18 mm Nuss 4, 18–10 mm Nuss 5, 10–6 mm Feinkohle Feinkohle I, 10–0 mm Feinkohle II, 6–0 mm Staubkohle, 0,5–0 mm

Kohlenarten Die Kohlenarten werden nach ihren chemischen und physikalischen Eigenschaften unterschieden, die in engem Zusammenhang mit der geologischen Geschichte der Lagerstätte stehen. Für die Definition der Kohlenart werden vor allem zwei Kriterien herangezogen: Kohlentyp und Kohlenrang.Kohle. Spektrum Online-Lexikon der Geowissenschaften Der Kohlentyp ist eng mit der Sedimentationsgeschichte der Kohle verknüpft, speziell mit der Art des Ablagerungsraumes und der Art des abgelagerten organischen Materials. Dabei werden zwei grundlegende Kohletypen unterschieden: Humuskohlen und Sapropelkohlen.Jennifer M. K. O’Keefe, Achim Bechtel, Kimon Christanis und 10 weitere Autoren: On the fundamental difference between coal rank and coal type. International Journal of Coal Geology. Bd. 118, 2013, S. 58–87, doi:10.1016/j.coal.2013.08.007 (alternativer Volltextzugriff: Smithsonian Libraries) Humuskohlen sind Kohlen im eigentlichen Sinn und die deutlich häufigere der beiden Hauptkohletypen. Sie haben ihren Ursprung in feuchten, durch dichte Vegetation gekennzeichneten terrestrischen Ablagerungsräumen („Kohlesümpfe“), gehen größtenteils aus holziger und krautiger Pflanzensubstanz hervor und entwickeln sich über die Zwischenstufe Torf. Makroskopisch sind sie idealerweise durch einen streifigen Aufbau im Zentimeterbereich gekennzeichnet. Sapropelkohlen entstehen hingegen in Stillgewässern und gehen aus nicht-holzigem Material von Landpflanzen (vorwiegend Laub), teils aber auch aus Algen hervor und entwickeln sich aus einem Faulschlamm (Sapropel). Sie haben keinen streifigen Aufbau und brechen muschelig. Oft bilden sie geringmächtige Einschaltungen in Abfolgen von Humuskohlen und bezeugen eine zunehmende Vernässung des Ablagerungsraumes.Sapropelkohle. Spektrum Online-Lexikon der Geowissenschaften Der Kohlenrang ist ein Ausdruck des Reifegrades oder des Fortschrittes der Inkohlung. Er ist eng mit der weiteren geologischen Geschichte (vgl. → Diagenese) des einmal abgelagerten organischen Materials bzw. des Torfes oder des Faulschlammes verknüpft, vor allem mit dem Betrag der Versenkung in tiefere Bereiche der Erdkruste und der damit verbundenen Zunahme der Umgebungstemperatur. Mit zunehmendem Reifegrad können die makroskopisch und mikroskopisch feststellbaren Unterschiede zwischen Humus- und Sapropelkohlen zunehmend verschwimmen.

Zur feineren Untergliederung der Kohlenarten siehe unten.

Zusammensetzung der Kohle mini|Beispielhafte Strukturformel eines Ausschnittes aus dem komplexen organischen Gerüst von Kohle mini|Mikroskopische Aufnahmen einer Steinkohle aus dem Unterperm von China, links jeweils unter weißem Auflicht, rechts jeweils Fluoreszenz; beschriftet sind die verschiedenen Mazerale