พลังงานเป็นปัจจัยพื้นฐานที่สำคัญในการดำรงชีวิตของมนุษย์ สัตว์และพืช ในสมัยโบราณแหล่งพลังงานหลักจากธรรมชาติได้มาจากแสงอาทิตย์ ลม หรือน้ำ ปัจจุบันนี้เทคโนโลยีทางด้านอุตสาหกรรม การขนส่ง สื่อสารและด้านอื่นๆ มีความเจริญขึ้นมาก ทำให้ประชากรทั้งโลกมีความต้องการใช้พลังงานเชื้อเพลิงประเภทต่างๆ เพิ่มมากขึ้นตามไปด้วยและมีแนวโน้มเพิ่มขึ้นต่อไปอีกในอนาคต เชื้อเพลิงที่นำมาใช้มากที่สุด 3 ประเภทแรก ได้แก่น้ำมัน แก๊สธรรมชาติและถ่านหิน ซึ่งทั้ง 3 ประเภทนี้จัดอยู่ในกลุ่มของเชื้อเพลิงที่เรียกว่า เชื้อเพลิงซากดึกดำบรรพ์ ในบทนี้จะได้ศึกษาเชื้อเพลิงซากดึกดำบรรพ์ซึ่งได้แก่ ถ่านหิน หินน้ำมัน และปิโตรเลียม โดยศึกษาเกี่ยวกับการกำเนิดการสำรวจและขุดเจาะ ผลิตภัณฑ์ที่ได้จากการกลั่น ตลอดจนผลที่เกิดจากการผลิตและการใช้ผลิตภัณฑ์ต่อชีวิตและสภาพแวดล้อม
เชื้อเพลิงซากดึกดำบรรพ์ หมายถึงเชื้อเพลิงที่เปลี่ยนสภาพมาจากสิ่งมีชีวิตในยุคต่างๆโดยกระบวนการทางธรณีวิทยาและธรณีเคมี เช่น น้ำมัน แก๊สธรรมชาติ ถ่านหิน หินน้ำมัน
ลักษณะของถ่านหินชนิดหนึ่ง
ถ่านหิน
ถ่านหินเป็นหินตะกอนที่กำเนิดมาจากซากพืชลักษณะแข็งแต่เปราะ มีสีน้ำตาลถึงดำ มีทั้งชนิดผิวมันและผิวด้าน องค์ประกอบหลักในถ่านหินคือธาตุคาร์บอน และธาตุอื่นๆ เช่น ไฮโดรเจน ออกซิเจน ไนโตรเจน และกำมะถัน นอกจากนี้อาจพบธาตุที่มีปริมาณน้อย เช่น ปรอท สารหนู ซิลีเนียม โครเมียม นิกเกิล ทองแดง และแคดเมียม ซึ่งเป็นสาเหตุสำคัญที่ก่อให้เกิดปัญหาต่อสุขภาพและสิ่งแวดล้อมเมื่อนำถ่านหินไปใช้เป็นเชื้อเพลิง มีการคาดคะเนว่าถ้าใช้ถ่านหินอย่างที่เป็นอยู่ทุกวันนี้ ปริมาณถ่านหินสำรองที่มีอยู่จะใช้ได้อีกประมาณ 250 ปี
ลิกนิน เป็นสารที่มีอยู่ในเนื้อไม้มักเกิดร่วมกับเซลลูโลส เป็นสารเคลือบผนังเซลล์ของพืช เพื่อเพิ่มความแข็งแรงให้แก่พืช
ปัจจัยที่มีผลต่อสมบัติของถ่านหิน
การที่สมบัติทางกายภาพและเคมีของถ่านหินตามแหล่งต่างๆ แตกต่างกัน เป็นผลจากปัจจัยหลายอย่างดังนี้
ก.ชนิดของพืช
ข.การเน่าเปื่อยที่เกิดขึ้นก่อนการถูก
ฝังกลบ
ค.ปริมาณสารอนินทรีย์ที่ปนเปื้อนในขั้นตอนการผลิต
ง.อุณหภูมิและความดันขณะที่มีการเปลี่ยนแปลง
การเกิดถ่านหิน
เมื่อประมาณ 350 ถึง 280 ล้านปีในอดีต พืชต่างๆที่ตายแล้วจะทับถมและเน่าเปื่อยผุพังอยู่ใต้แหล่งน้ำและโคลนตม เมื่อเกิดการเปลี่ยนแปลงของผิวโลก เช่น แผ่นดินไหว หรือภูเขาไฟระเบิด ซากพืชเหล่านี้จะจมลึกลงไปในผิวโลกภายใต้ความร้อนและความดันสูง ซากพืชเหล่านี้ซึ่งอยู่ในภาวะที่ขาดหรือมีออกซิเจนจำกัดจึงเกิดการย่อยสลายอย่างช้าๆ เนื่องจากโครงสร้างหลักของพืชเป็นเซลลูโลส น้ำและลิกนิน ซึ่งสารเหล่านี้ประกอบด้วยธาตุคาร์บอน ไฮโดรเจนและออกซิเจนเ เมื่อถูกย่อยสลาให้มีโมเลกุลเล็กลง คาร์บอนตั้งแต่ร้อยละ 50 โดยมวลหรือมากกว่าร้อยละ 70 โดยปริมาตร ส่วนไฮโดรเจนและออกซิเจนจะเกิดเป็นสารประกอบอื่นๆ แยกออกไป
ถ่านหินที่พบและนำมาใช้งาน สามารถจำแนกตามอายุการเกิดหรือปริมาณคาร์บอนที่เป็นองค์ประกอบได้ดังรูป 12.2
ลักษณะและการเกิดของถ่านหินชนิดต่างๆ
>พีต เป็นถ่านหินในขั้นเริ่มต้นของกระบวนการเกิดถ่านหิน ซากพืชบางส่วนยังสลายตัวไม่หมดและมีลักษณะให้เห็นเป็นลำต้น กิ่งหรือใบ มีสีน้ำตาลจนถึงสีดำ มีความชื้นสูงสารประกอบที่เกิดขึ้นมีปริมาณออกซิเจนสูงและมีปริมาณคาร์บอนต่ำ เมื่อนำพีตมาเป็นเชื้อเพลิงจึงต้องผ่านกระบวนการไล่ความชื้นหรือทำให้แห้งก่อน ความร้อนที่ได้จากการเผาพีตจะสูงกว่าที่ได้จากไม้ จึงนำมาใช้เป็นเชื้อเพลิงเพื่อการให้ความร้อนในบ้านและผลิตไฟฟ้า ข้อดีของพีตคือมีปริมาณร้อยละของกำมะถันต่ำกว่าน้ำมันและถ่านหินชนิดอื่นๆ
>ลิกไนต์ หรือถ่านหินสีน้ำตาล เป็นถ่านหินที่มีซากพืชเหลืออยู่เล็กน้อย ลักษณะเนื้อเหนียวและผิวด้าน มีปริมาณออกซิเจนและความชื้นต่ำแต่มีปริมาณคาร์บอนสูงกว่าพีตเมื่อติดไฟมีควันและเถ้าถ่านมาก ลิกไนต์ใช้เป็นเชื้อเพลิงสำหรับให้ความร้อนและใช้เพื่อการผลิตกระแสไฟฟ้า
>ซับบิทูนัส เป็นถ่านหินที่เกิดนานกว่าลิกไนต์ มีสีน้ำตาลจนถึงสีดำ ลักษณะผิวมีทั้งผิวด้านและเป็นมัน มีทั้งเนื้ออ่อนร่วนและแข็ง มีปริมาณออกซิเจนและความชื้นต่ำ แต่มีปริมาณคาร์บอนสูงกว่าลิกไนต์ ใช้เป็นแหล่งพลังงานสำหรับผลิตกระแสไฟฟ้าและงานอุตสาหกรรม
>บิทูมินัส< เป็นถ่านหินที่เกิดนานกว่าซับบิทูมินัส มีเนื้อแน่นและแข็ง มีทั้งสีน้ำตาลจนถึงสีดำ มีปริมาณออกซิเจนและความชื้นต่ำแต่มีปริมาณคาร์บอนสูงกว่าซับบิทูมินัส ใช้เป็นเชื้อเพลิงในการถลุงโลหะและนำมาใช้เป็นวัตถุดิบเพื่อเปลี่ยนเป็นเชื้อเพลิงเคมีอื่นๆ ได้
>แอนทราไซต์ เป็นถ่านหินที่มีอายุการเกิดนานที่สุดมีสีดำ ลักษณะเนื้อแน่น แข็งและเป็นมัน มีปริมาณออกซิเจนและความชื้นต่ำแต่มีปริมาณคาร์บอนสูงกว่าถ่านหินชนิดอื่น จุดไฟติดยาก เมื่อติดไฟจะให้เปลวสีน้ำเงินจางๆ มีควันน้อยให้ความร้อนสูงและไม่มีสารอินทรีย์ระเหยออกมาจากการเผาไหม้
ปริมาณร้อยละของธาตุองค์ประกอบในถ่านหินชนิดต่างๆ เมื่อเทียบกับไม้แสดงในตาราง 12.1
ตาราง 12.1 ปริมาณร้อยละของธาตุองค์ประกอบและความชื้นของถ่านหินชนิดต่างๆ เทียบกับไม้
>ชนิดของสาร<
ปริมาณขององค์ประกอบ (ร้อยละโดยมวล)
C
H
O
N
S
ความชื้น
>ไม้<
50
6
43
1
-
*
>พีต<
50-60
5-6
35-40
2
1
75-80
>ลิกไนต์<
60-75
5-6
20-30
1
1
50-70
>ซับบิทูมินัส<
75-80
5-6
15-20
1
1
25-30
>บิทูมินัส<
80-90
4-6
10-15
1
5
5-10
>แอนทราไซต์<
90-98
2-3
2-3
1
1
2-5
*ขึ้นกับชนิดของพันธุ์ไม้
- จากข้อมูลในตาราง ถ้าเผาไหม้ถ่านหินแต่ละชนิดที่มีมวลเท่ากันจะให้พลังงานแตกต่างกันหรือไม่ เพราะเหตุใด การเผาไหม้คาร์บอน (แกรไฟต์) จะให้พลังงานความร้อน 32.8 กิโลจูลต่อกรัม แต่การเผาไหม้ถ่านหินให้พลังงานความ
ร้อนเฉลี่ยประมาณ 30.6 กิโลจูลต่อกรัม จึงกล่าวได้ว่าพลังงานความร้อนที่ได้จากการเผาไหม้ถ่านหินขึ้นอยู่กับปริมาณของคาร์บอนที่เป็นองค์ประกอบในถ่านหิน ดังนั้นการเผาไหม้ถ่านหินแต่ละชนิดที่มีมวลเท่ากัน จะให้พลังงานความร้อนแตกต่างกันตามปริมาณคาร์บอนที่มีอยู่ในถ่านหิน ซึ่งมีลำดับจากมากไปน้อยดังนี้คือ แอนทราไซต์ บิทูมินัส ซับบิทูมินัส ลิกไนต์และพีต
12.1.2 การใช้ประโยชน์จากถ่านหิน
ถ่านหินนำมาใช้เป็นแหล่งให้พลังงานความร้อนตั้งแต่ประมาณ 3,000 กว่าปีมาแล้ว ประเทศจีนเป็นประเทศแรกๆ ที่ใช้ถ่านหินเป็นเชื้อเพลิงในการถลุงทองแดงนอกเหนือจากใช้ให้ความอบอุ่นในบ้าน ปัจจุบันการใช้ประโยชน์จากถ่านหินส่วนใหญ่ใช้เป็นเชื้อเพลิงในการผลิตกระแสไฟฟ้า การถลุงโลหะ การผลิตปูนซีเมนต์และอุตสาหกรรมต่างๆ ที่ใช้เครื่องจักรไอน้ำ พบว่าการผลิตกระแสไฟฟ้าทั่วโลกใช้เชื้อเพลิงจากถ่านหินประมาณร้อยละ 39 ดังรูป 12.3
รูป 12.3 ปริมาณร้อยละของกระแสไฟฟ้าทั่วโลกที่ผลิตจากเชื้อเพลิงชนิดต่างๆ
ปริมาณสำรอง ประกอบด้วยปริมาณที่พิสูจน์แล้ว และปริมาณที่ยังไม่ได้พิสูจน์ปริมาณสำรองที่พิสูจน์แล้วคือปริมาณที่ค้นพบแล้ว และจะสามารถผลิตขึ้นมาใช้ให้คุ้มค่าได้ค่อนข้างแน่นอน
แหล่งถ่านหินในประเทศไทยมีกระจายอยู่ทั่วทุกภาคแหล่งถ่านหินที่ใหญ่ที่สุดและมีการผลิตมากที่สุดคิดเป็นร้อยละ 97 ของปริมาณสำรองที่มีในประเทศไทย คือ เหมืองแม่เมาะ จังหวัดลำปาง และรองลงมาคือ เหมืองกระบี่ จังหวัดกระบี่ ซึ่งดำเนินการโดยการไฟฟ้าฝ่ายผลิตแห่งประเทศไทย ถ่านหินที่พบส่วนใหญ่เป็นลิกไนต์และซับบิทูมินัส ซึ่งมีคุณภาพอยู่ในเกณฑ์ต่ำ ให้ปริมาณพลังงานความร้อนไม่สูงมากนัก นอกจากจะใช้ถ่านหินเป็นเชื้อเพลิงแล้ว ยังนำมาทำถ่านกัมมันต์เพื่อใช้เป็นสารดูดซับกลิ่นในเครื่องกรองน้ำ กรองอากาศหรือในเครื่องใช้ต่างๆ ทำคาร์บอนไฟเบอร์ซึ่งเป็นวัสดุที่มีความแข็งแกร่งแต่น้ำหนักเบาสำหรับใช้ทำอุปกรณ์กีฬา เช่น ด้ามไม้กอล์ฟ ไม้แบดมินตัน ไม้เทนนิส นอกจากนี้นักวิทยาศาสตร์ได้พยายามคิดค้นหาวิธีเปลี่ยนถ่านหินให้เป็นแก๊สและวิธีแปรสภาพถ่านหินให้เป็นของเหลว เพื่อเพิ่มเติมคุณค่าทางด้านพลังงานและความสะดวกในการขนส่งด้วยระบบท่อส่ง เชื้อเพลิงแก๊สและเชื้อเพลิงเหลวเหล่านี้จะถูกเปลี่ยนไปเป็นผลิตภัณฑ์เคมีอื่นๆ ที่มีประโยชน์ รวมทั้งเป็นการช่วยเสริมปริมาณความต้องการใช้เชื้อเพลิงธรรมชาติจากปิโตรเลียมด้วย