Woher kommt Kohle?

In den tropischen Sümpfen des alten Kentucky war niemand da, um zu hören, ob fallende Bäume ein Geräusch machten. Ungefähr 300 Millionen Jahre später ist der Lärm jedoch unvermeidlich - diese Bäume sind jetzt Kohle, ein fossiler Brennstoff, der den Menschen seit langem bei der Stromerzeugung geholfen hat, dessen innere Dämonen aber auch den Klimawandel heraufbeschwören.

Kohle liefert immer noch einen großen Teil des US-Stroms, und da mehr als ein Viertel der globalen Reserven unter amerikanischem Boden liegen, ist sie verständlicherweise eine verlockende Energiequelle. Das organische Gestein ist in der Tat so stark und reichlich vorhanden, dass die US-Kohlevorkommen einen höheren Gesamtenergiegehalt aufweisen als das gesamte weltweit bekannte förderbare Öl.

Kohle hat aber auch eine Schattenseite: Aufgrund ihres hohen Kohlenstoffgehalts stößt sie mehr Kohlendioxid aus als andere fossile Brennstoffe, was ihr einen unverhältnismäßig großen CO2-Fußabdruck verleiht. Fügen Sie die ökologischen Kosten für die Entfernung von Berggipfeln, die Lagerung von Flugasche und den Transport von Kohle hinzu, und der schwarze Klumpen verliert noch mehr an Glanz.

Das US-Energieministerium und die Elektrizitätswirtschaft haben im Laufe der Jahre mit einigem Erfolg viel in die Reinigung von Kohle investiert, von Schwefeldioxid und Stickoxiden bis hin zu Partikeln und Quecksilber. Die Treibhausgasemissionen haben sich jedoch bisher kostengünstigen Eindämmungsbemühungen widersetzt.

Da Kohle mittlerweile fast so viele Schlagzeilen wie Megawatt erzeugt, gibt es nicht viele Möglichkeiten, anzuhalten und zu überlegen, woher all diese unterirdische Energie überhaupt stammt. Um die kohlenstoffbasierten Geister, die jetzt unsere Atmosphäre heimsuchen, vollständig zu verstehen, ist es hilfreich, einen Blick auf die Fossilien hinter dem Brennstoff zu werfen.

Wie entsteht Kohle?

Das Grundrezept für einen guten fossilen Brennstoff ist einfach: Torf mit saurem, hypoxischem Wasser mischen, mit Sediment bedecken und mindestens 100 Millionen Jahre lang auf hoher Stufe kochen. Als diese Bedingungen während der Karbonperiode massenhaft an Land auftraten - insbesondere in den riesigen tropischen Torfsümpfen, die der Periode ihren Namen gaben - leiteten sie den langen, langsamen Prozess der Koalifizierung ein.

"Die meisten Kohlen wurden während des Karbon in der Nähe des Äquators gebildet", sagt der Geologe Leslie Ruppert, der sich für den US Geological Survey auf Kohlechemie spezialisiert hat. "Die Landmassen mit diesen dicken Kohlen befanden sich in der Nähe des Äquators, und die Bedingungen waren das, was wir 'immer nass' nennen, was Tonnen und Tonnen Regen bedeutet."

Während ein Superkontinent namens Gondwanaland zu dieser Zeit einen Großteil des Landes der Erde in der Nähe des Südpols verschlang, schwebten einige Nachzügler um den Äquator, insbesondere Nordamerika, China und Europa (siehe Abbildung rechts). Das warme, "immer nasse" Wetter trug dazu bei, enorme Torfsümpfe in diesen Landmassen zu schaffen, die nicht zufällig zu den heutigen Top-Kohleproduzenten gehören. In den heutigen Vereinigten Staaten bedeckten kohlenstoffhaltige Torfsümpfe einen Großteil der Ostküste und des Mittleren Westens und lieferten Futter für den heutigen Kohlebergbau in Appalachen und im Mittleren Westen.

Die Kohlebildung beginnt, wenn viele Pflanzen in dichten, stehenden Sümpfen wie den Karbon sterben. Bakterien schwärmen herein, um alles zu essen, und verbrauchen dabei Sauerstoff - manchmal etwas zu viel für ihr eigenes Wohl. Abhängig von der Menge und Häufigkeit des Bakterienfressens kann das Oberflächenwasser des Sumpfes sauerstoffarm werden und dieselben aeroben Bakterien auslöschen, die alles verbraucht haben. Wenn diese Zersetzer-Mikroben verschwunden sind, verfällt die Pflanzenmasse nicht mehr, wenn sie stirbt, sondern häufen sich in matschigen Haufen, die als Torf bekannt sind.

"Torf wurde schnell genug begraben und in einer anaeroben Umgebung begraben, was hier und da zufällig vorkommt", sagt der USGS-Forschungsgeologe Paul Hackley. "Eine anaerobe Umgebung hat den Abbau von Bakterien verhindert. Während der Torfsumpf weiter wächst, haben Sie möglicherweise mehrere hundert Meter Torf."

Torf selbst wird in einigen Teilen der Welt seit langem als Brennstoffquelle verwendet, ist aber noch weit entfernt von Kohle. Damit diese Umwandlung stattfinden kann, muss das Sediment schließlich den Torf bedecken, erklärt Hackley und komprimiert ihn in die Erdkruste. Diese Sedimentation kann auf verschiedene Weise auftreten und hat viele Torfsümpfe überflutet, als die Karbonperiode vor etwa 300 Millionen Jahren endete. Während die Kontinente trieben und sich das Klima veränderte, wurde der Torf noch tiefer nach unten gedrückt, wobei ihn der Stein von oben zerdrückte und die Erdwärme ihn von unten röstete. Über Millionen von Jahren lagert sich dieser geologische Crock-Pot unter Druck zu Torfvorkommen, um Kohlebetten zu schaffen.

Während die Bergminen von Appalachia einige der ältesten, größten und kultigsten Kohlebetten des Landes erschließen, bildete sich nicht alle gleichzeitig amerikanische Kohle, betont Ruppert. Die Karbonperiode, die vor den Dinosauriern bestand, war die Blütezeit der Torfmoore, aber die neue Koalifizierung setzte sich lange in und nach dem Zeitalter der Dinosaurier fort.

"In den USA sind viele Kohlevorkommen nicht kohlenstoffhaltig", sagt Ruppert. "Wir haben ältere kohlenstoffhaltige Kohlen im Osten - die Appalachen, das Illinois-Becken - während im Westen die Kohlen viel jünger sind."

Tatsächlich ist der Westen heute Amerikas größte Kohleproduktionsregion und produziert einen stetigen Strom weniger reifer Kohlen aus dem Mesozoikum und dem Känozoikum. Die produktivsten Kohlengruben des Landes befinden sich im Powder River Basin, einer unterirdischen Schale, die sich über die Staatsgrenze Montana-Wyoming erstreckt. Im Gegensatz zu Karbonkohlen, so Ruppert, bildeten sich jüngere Ablagerungen im Westen meist in großen Becken, die aus flachen Meeren aufstiegen und allmählich unter die Erde zurückrutschten.

"Nordamerika befand sich nicht mehr am Äquator [als sich westliche Kohlen bildeten], sondern hatte auch schnell abklingende Becken, die tektonisch aktiv waren", sagt sie. "Es bildeten sich tiefe Sedimentbecken, und die Vegetation verwandelte sich schließlich in Torf, weil die Becken so tief waren und noch lange nachließen. Der Niederschlag stimmte, das Klima stimmte, und dann wurde alles begraben."

Was sind die Arten von Kohle?

Die Verkohlung ist ein fortlaufender Prozess, bei dem viele der Kohlen, die wir derzeit ausgraben und verbrennen, nach geologischen Maßstäben immer noch als "unreif" gelten. Die vier Haupttypen sind nachstehend in der Reihenfolge ihrer Fälligkeit aufgeführt:

• Braunkohle: Dieses weiche, krümelige und helle Fossil ist das am wenigsten reife Torfprodukt, das als Kohle gilt. Einige der jüngsten Braunkohle enthält noch sichtbare Rindenstücke und andere Pflanzenstoffe, obwohl die USGS-Geologin Susan Tewalt sagt, dass dies in den USA selten ist. "Es gibt einige Braunkohle, in denen man noch Holzstrukturen sehen kann, aber der größte Teil unserer Braunkohle ist etwas höhergradig", sagt sie. Braunkohle ist zunächst minderwertige Kohle, die nur etwa 30 Prozent Kohlenstoff enthält, da sie nicht der intensiven Hitze und dem Druck ausgesetzt war, die stärkere Typen hervorgebracht haben. Es ist in weiten Teilen der Golfküstenebene und der nördlichen Great Plains zu finden, aber es gibt nur 20 in Betrieb befindliche US-Braunkohlenminen, die meisten davon in Texas und North Dakota, da das Ausgraben oft nicht wirtschaftlich ist. Braunkohle macht etwa 9 Prozent der nachgewiesenen US-Kohlenreserven und 7 Prozent der Gesamtproduktion aus, von denen der größte Teil in Kraftwerken zur Stromerzeugung verbrannt wird.

• Unterbituminös: Etwas bituminöser und dunkler als Braunkohle. Unterbitumenkohle ist außerdem stärker (bis zu 45 Prozent Kohlenstoffgehalt) und älter und reicht in der Regel mindestens 100 Millionen Jahre zurück. Ungefähr 37 Prozent der in den USA nachgewiesenen Kohlenreserven sind subbituminös und befinden sich alle westlich des Mississippi. Wyoming ist der größte Produzent des Landes, aber subbituminöse Lagerstätten sind in den Great Plains und den östlichen Rocky Mountains verstreut. Das Powder River Basin, die größte Einzelquelle für US-Kohle, ist eine subbituminöse Lagerstätte.

• Bitumen: Als am häufigsten vorkommende Kohlesorte in den USA macht Bitumen mehr als die Hälfte der nachgewiesenen Reserven des Landes aus. Es wurde unter extremer Hitze und extremem Druck gebildet, kann 300 Millionen Jahre alt sein und zwischen 45 und 86 Prozent Kohlenstoff enthalten, wodurch es den dreifachen Heizwert von Braunkohle erreicht. West Virginia, Kentucky und Pennsylvania sind die Hauptproduzenten von US-Steinkohle, die sich hauptsächlich östlich des Mississippi konzentriert. Es wird häufig zur Stromerzeugung verwendet und ist auch ein wichtiger Brennstoff und Rohstoff für die Stahl- und Eisenindustrie.

• Anthrazit: Der Opa der Kohlen ist nicht leicht zu bekommen. Anthrazit ist der dunkelste, härteste und normalerweise älteste Typ mit einem Kohlenstoffgehalt von 86 bis 97 Prozent. In den USA ist dies so selten, dass es weniger als ein halbes Prozent der gesamten US-Kohleproduktion und nur 1, 5 Prozent der nachgewiesenen Reserven ausmacht. Alle anthrazitfarbenen Minen des Landes befinden sich in der Kohlenregion im Nordosten von Pennsylvania.

Die Vereinigten Staaten haben die weltweit größten bekannten Kohlevorkommen, insgesamt fast 264 Milliarden Tonnen. Während Bergleute diese alten tropischen Sümpfe und Kraftwerke exhumieren, geben sie ihre Dämpfe in die Luft ab, und es entsteht ein nationaler und globaler Lärm über die Zukunft der Kohle. Unabhängig davon, was mit den künftigen Energievorschriften geschieht, wird die Nichterneuerbarkeit der Kohle letztendlich die Suche nach Alternativen befeuern, wenn nichts anderes der Fall ist. Bei der derzeitigen Nutzung werden selbst die US-Reserven voraussichtlich nur noch 225 Jahre halten.

Fotos mit freundlicher Genehmigung der NASA, DOE, USGS

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