연료 채굴 및 처리

원래 '화석'이라는 단어는 땅 아래에서 파낸 것을 묘사했고, 동물학자들은 여전히 굴을 파는 동물들을 '화석'이라고 묘사했다. 나중에, 이 단어는 오래 전(기술적으로 만 년 이상 전)에 살았던 유기체의 보존된 유적이나 흔적에 적용되기 시작했다. 우리가 '화석 연료'라고 부르는 것은 두 가지 이유 모두에서 그 이름을 정당화하지만, 그것들의 연소는 발열 반응인 그들이 포함하는 탄소의 이산화탄소로의 빠른 산화를 나타내기 때문에 '탄소질' 또는 '탄소 기반' 연료로 설명하는 것이 더 유용할 수 있다.
일반적으로 대사성 노폐물과 죽은 유기체는 다소 빠르게 분해된다. 그러나 대부분의 분해를 담당하는 생물들은 호흡을 위해 산소를 필요로 하며, 산소가 없는 환경에서는 활동이 제한된다. 이러한 상황에서 유기물은 그 위에 계속 축적되는 물질의 무게 아래에 갇혀 압축되고 다소 다른 과정을 거치게 될 수 있다. 예를 들어, 해저 진흙과 늪의 표면 아래에서 공기가 없는 환경이 적절하게 발견된다.
늪의 표면 아래에 묻힌 식물 물질은 이탄으로 압축될 수 있다. 나중에 늪이 부분적으로 마르면 이탄이 남아 연료로 사용하기 위해 파여질 수 있다. 아일랜드와 같은 일부 국가에서는 전기 발전소에 사용된다. 이탄은 석탄을 형성하는 첫 번째 단계로, 훨씬 더 큰 압력을 받은 후 가열함으로써 전환된다. 석탄의 형성에 필요한 조건은 열대의 강과 해안가에서 발견되는 늪에서만 발생한다. 현재 채굴되고 있는 석탄의 일부는 실루리아 시대인 약 4억 년 전에 형성되었지만, 대부분은 약 3억 년 전인 석탄기에서 유래한다. 그 이후로 구조 운동은 판게아를 현재의 모든 대륙이 합쳐지고 형성되었던 이전 초대륙인 판게아에서 세계 대부분의 지역으로 운반해왔다(ALLABY, 1993).
석탄과 이탄은 공기가 없을 때 물질이 가열될 때 기체로 방출되는 물질인 '휘발성 물질'을 함유하고 있으며, 연료의 품질은 휘발성 물질이 포함하는 비율에 따라 결정된다. 토탄은 50% 이상의 휘발성 물질, 갈탄(부드러운 갈색 석탄), 무연탄(10%)을 함유하고 있다. 무연탄은 가장 품질이 좋고 매우 단단하다. 유연탄은 국내에서 가장 풍부하고 가장 널리 사용되는 종류로 휘발성이 18-35%이다.
석유는 약간 비슷한 과정에 의해 형성된다. 유기 물질은 보통 강 삼각주에 있는 퇴적물에 의해 묻혀 있다가 불투수성 암석의 두 층 사이에 갇히게 된다. 많은 석유 매장지들이 반지름 아래에서 발견되는데, 위쪽으로 접혀진 돔 모양의 암석층이다. 비슷한 구조는 표면 깊은 곳에 있는 큰 소금 덩어리가 그것을 둘러싼 덜 밀도가 낮은 물질을 통해 천천히 상승하고 그것을 대체하기 위해 밀도가 높은 바위가 가라앉는 것이다. 그 과정은 '디아피리즘'이라고 불리고 소금 돔은 '디아피리즘'을 만들어낸다. 기름은 종종 '소금돔 덫'에서 발견된다. 그런 다음 재료를 강하게 압축하고 가열한다. 생성된 유체는 주변의 다공성 암석 내의 모든 기공 공간을 채운다(ALLABY, 1992).
유기물을 구성하는 탄소와 수소 중 일부는 석탄과 석유와 관련된 메탄(CH₄)을 형성한다. 탄광에서 메탄은 화재를 일으킬 수 있지만, 석유와 관련된 경우에는 '천연가스'로 알려진 연료로 추출하여 사용할 수 있다.
석탄은 다양한 두께와 다양한 깊이의 솔기에서 발생한다.  깊은 곳의 솔기는 표면에서 수직으로 축을 가라앉히고 환기를 위해 관련 축을 사용하여 접근합니다. 대부분의 전통적인 영국 광산은 이런 종류의 갱도 광산이었고, 깊은 심이 작용했다.
경사 갱도가 각진 갱도를 통해 이음새에 접근하고, 표류 갱도가 수평으로 접근한다. 솔기가 표면에 너무 가까이 있어 샤프트를 절단할 수 없는 경우, 석탄을 노출시키기 위해 겹쳐진 물질이 제거된다. 이것은 솔기의 상당 부분을 동시에 노출하는 오픈 캐스트 광산이고 솔기가 노출되어 단면적으로 작업되는 경우 스트립 광산이다.
모든 석탄 채굴은 토양과 암석으로 구성된 폐기물을 생산하는데, 토양과 암석은 토양과 암석에서 분리되어야 하는 석탄과 혼합된 석탄에 접근하기 위해 제거되어야 한다. 이 폐기물을 광산이 고갈될 때까지 '토사 더미'에 저장한 후 땅 밑으로 되돌려 놓는 것은 가능하지만, 이것은 결코 일반적인 관행이 아니며 광산에서 더 일반적으로 크고 검은 토사 더미를 생산하는 것은 아니다. 이것들은 토양이 거의 없고 식물의 영양분을 거의 방해하지 않는 미세하게 으깨진 물질로 구성되어 있다. 산더미에는 종종 다량의 철피라이트(FeS)가 함유되어 있어 매우 산성 상태(pH 2.0~4.0)를 생성하며, 산성 액체는 산더미에서 인근 수로로 흘러들어가 심각한 오염을 일으킬 수 있다. 채굴된 쓰레기 더미를 매립하는 것이 가능하다. 이들을 석회로 처리하여 공급되는 산도와 토양 및 비료를 감소시키면 잔디 덮개가 형성되어 보다 다양한 식물 공동체로 이어질 수 있다(MELANBY, 1992).
오픈 캐스트와 스트립 마이닝은 훨씬 더 파괴적일 수 있다. 과거에, 매력적인 시골 지역의 넓은 지역들은 그들의 흙을 벗겨내고, 그것들은 큰 더미로 버려졌고, 그 솔기가 고갈되었을 때, 그 장소는 완전히 파괴된 채로 남겨졌다. 일부 국가에서는 여전히 이러한 관행이 유지되고 있지만, 많은 국가에서는 운영이 중단되면 과중한 부담을 표면으로 되돌리고 사이트를 원래 상태보다 더 나은 상태로 복원해야 한다고 계획 동의를 통해 규정하고 있다. 그 효과는 영국과 같은 오래된 산업 국가에서 나타날 수 있는 것처럼 항상 그렇게 파괴적인 것은 아니다. 노천 캐스트나 스트립 작업에 적합한 석탄층은 인근 산업에 공급하기 위해 과거에 채굴된 더 깊은 곳의 이음새 근처에서 발생하는 경우가 많아, 채굴이 중단되면 복구가 개선될 수 있다는 산업적 방치 상태에 이미 놓여 있다. 스트립 마이닝에서는 채굴이 중단되기 훨씬 전에 복구가 시작되며, 추출 기계가 다음 스트립으로 이동하는 즉시 각 스트립의 매립이 시작된다. 실제로, 영국의 계획 규정은 이제 엄격하고, 노천 캐스트 채굴은 보존이나 야생동물 중요 지역에 장기적으로 악영향을 거의 미치지 않는다.

석탄을 태울 때 방출되는 가스 오염 물질뿐만 아니라, 석탄 연소도 재를 생산한다. 이것은 특히 중금속을 함유하고 있기 때문에 폐기 문제를 일으킬 수 있다.
석유와 천연가스는 압력을 받아 덫에 갇힌다. 캡 바위에 뚫린 구멍이 압력을 방출하고 그들은 표면으로 올라간다. 가스가 오일 위에 있기 때문에 드릴링 깊이에 따라 탱크가 두드리는 부분이 결정된다. 모든 작업은 지표면에서 수행되며 과도한 부담을 제거할 필요가 없기 때문에 석유와 가스 채굴은 토사 더미를 생성하지 않는다. 이러한 환경적 손상은 유정 주변의 기름 유출이나 유정이 처리되는 곳으로 이동 중에 발생한다.
석탄과 석유는 현재 충분히 형성되고 있지만, 소비되는 속도보다 훨씬 낮은 속도로 형성되고 있다. 따라서 모든 실질적인 목적을 위해 갱신할 수 없다. 그렇기 때문에, 석유가 석탄보다 훨씬 덜 풍부하기 때문에, 석유가 우선적으로 언젠가는 경제적으로 고갈될 것이라고 일반적으로 추측된다. 확실히 석유는 빠르게 사용되고 있으며, 1994년에 미국은 자국의 자원으로 생산한 것보다 더 많은 석유와 석유제품을 수입하여 처음으로 순수입국이 되었다(ABLENS, 1995).
임박한 부족은 화석 연료의 연소에서 발생하는 환경 문제와 결합되어 대안에 대한 탐구를 자극했지만, 모든 것이 반드시 보이는 것은 아니다. 일부 사람들은 미래 세대의 이익을 위해 귀중한 자원을 보존해야 한다고 제안하지만, 석탄 산업에 무슨 일이 일어났는지 고려한다. 영국 아래에는 아마도 450억 톤 이상의 석탄이 있고 한 세기 전에는 집중적으로 채굴되어 많은 양이 수출되었다. 석탄은 풍부하지만, 분명히 무진장한 것은 아니며, 금세기 초에 사람들에게 이런 전략적으로 중요한 자원을 계속해서 수출한다면, 영국이 산업에 동력을 공급하고 가정을 난방하는 데 필요한 연료를 수입할 수밖에 없는 날이 올 것이라는 생각이 들었을 수도 있다. 그들은 미래의 필요를 위해 생산을 제한하고 석탄을 보존하는 것이 더 현명하다고 느꼈을 것이다. 오늘날, 그러한 보존 정책의 혜택을 받았을 수 있는 사람들에게는 상황이 다소 다르게 보인다. 1982년에 영국의 광산은 약 1억 2천 5백만 톤의 석탄을 생산했고 국가는 111개의 산을 소비했다. 1995년에는 52.6 Mt이 생산되었고 76.2 Mt이 소비되었다. 영국의 막대한 매장량에도 불구하고, 생산과 소비는 감소했는데, 주로 발전을 위해 석탄에서 천연가스로 전환했기 때문이다. 만약 영국이 자원을 보존하기 위해 수년 전에 채굴을 제한하기로 결정했다면, 그 결정은 잘못된 방향으로 향했을 것이다. 수출 수입의 손실은 경제적으로 피해를 입었을 것이고 광산 생산량의 감소는 실업을 야기했을 것이다. 그 결정은 후대에 거의 사용되지 않은 재료를 보존하기 위해 정말로 어려움을 초래했을 것이다.
이것을 석탄 채굴과 사용이 여전히 증가하고 있는 미국의 사례와 연관시켜 보자. 1982년과 1992년 사이에 석탄 생산량은 756 Mt에서 905 Mt으로 증가했고, 수요는 639 Mt에서 808 Mt으로 증가했다. 수요 증가는 지배적인 경제적, 정치적, 환경적 조건 하에서 채굴될 수 있는 새로운 광상의 탐색과 확인을 자극했다. 이러한 확인된 매장량은 ' 매장량'을 구성하며, 1982년 223 Mt에서 1992년 240 Mt로 증가했다. 영국의 경험을 기억하면, 미국이 미래 세대를 위해 석탄을 보존하기 위해 석탄 채굴을 제한하는 것이 얼마나 합리적일까? 석탄을 보존하는 경우가 의심스럽다면, 유사하게 의심스러운 미래 가치가 있는 다른 물질과 연료는 얼마나 될까?
톤당 천연 가스는 석탄보다 더 많은 에너지를 생산하고 더 적은 가스를 배출하며 미립자 오염 물질을 배출하지 않는다. 임박한 고갈에 대한 두려움은 근거가 없을 수 있다. 기존의 매장량은 한때 생각했던 것보다 훨씬 클 수 있으며 천연 가스 수화물이라는 새로운 출처가 있을 수 있다. 이것은 메탄, 기술적으로 메탄의 물 포접물을 포함하는 물 얼음 케이지를 포함하는 고체 물질이다.
대륙 영구 동토층 지역과 모든 위도의 바다에서 발견된다. 메탄은 몇몇 장소에서 회수되었다. 천연가스 하이드레이트의 총량은 다른 모든 화석연료를 합친 것보다 두 배 이상 많을 것으로 추정된다(KVENVOLDEN, 1994).
천연가스는 발전소, 공장, 가정의 고정된 설비에서 연소되며, 발전의 주요 경쟁 상대는 원자력, 석탄, 수력 발전이다. 태양열과 빛은 풍력과 마찬가지로 극도로 분산된 성질에서 발생하는 이러한 '재생 에너지'의 어려움에 작은 기여를 한다. 예를 들어, 6,000 ha 이상을 차지하는 현재 세대의 450 kW 풍력 발전기 중 3,000대 이상이 현대식 1.5 GW 재래식 발전소만큼의 전력을 생산해야 하며, 상황이 안정적이고 폭풍이 몰아치는 동안 풍력 발전기는 전혀 작동하지 않을 것이다. 유럽에서는 버드나무와 같은 빠르게 자라는 나무들이 연료를 위해 실험적으로 재배되고 있다. 수확 후, 그 재료는 건조되고 발전에 사용하기 위해 잘게 썰린다.
차량은 가스를 사용할 수 있지만 액체 연료를 필요로 한다. 목적을 위해 재배된 작물에서 유래된 바이오매스 연료는 대기 중 이산화탄소에 기여하지 않는 이점이 있는데, 이는 연소가 방출하는 이산화탄소가 작물이 성장하는 동안 흡수되는 양과 정확히 같기 때문이다. 에틸알코올은 이러한 방식으로 사용되어 왔으며, 특히 브라질과 미국에서 많이 사용되고 있다. 기름 종자 작물은 현재 '바이오디젤' 연료를 얻을 수 있는 것으로 개발되고 있는데, 그 중 가장 유망한 것은 40%의 기름을 가진 씨앗을 가진 유채이다. 다시 말하지만, 생산 비용은 높지만 생산량이 증가함에 따라 규모의 경제와 석유 함량을 증가시키는 유전 공학의 조합을 통해 감소할 수 있다.
전기로 구동되는 자동차는 또한 많은 연구의 주제가 되어 왔지만, 그것들 역시 주로 배터리의 무게와 전력에 의해 부과되는 속도와 범위 제한에서 발생하는 어려움을 제시하고 있다. 그들은 많은 사람들이 생각하는 것만큼 깨끗하지도 않다. 전기 자동차가 납 휘발유를 사용하는 자동차보다 60배 더 많은 납을 공기 중으로 방출할 수 있다고 계산되었다(LAVE et al., 1995).
연료 전지도 개발 중이다. 이것들은 전해질에 의해 분리된 두 개의 전극으로 구성된 장치들인데, 이는 이온(충전된 원자 또는 분자)의 통과를 허용하지만 전자의 통과는 허용하지 않는 물질이다. 수소를 포함한 연료는 양극(양극)으로 흐르며, 여기서 전자는 수소 원자에서 제거된다. 이로 인해 양전하를 띤 수소 이온이 전해질을 통해 확산되는 반면, 전자는 외부 회로를 통해 전류로 이동한다. 수소 이온이 음극(음극)에 도달하면 전자와 재결합하여 산소와 결합하여 물을 생성하는데, 이것이 유일한 배기 생성물이다. 불행하게도, 연료 전지는 엄청나게 비싸다. 영국 물리학자 윌리엄 R.그로브는 1839년에 그들의 기본 원리를 발견했고 NASA는 우주선에 동력을 공급하기 위해 그것들을 사용하지만, 그들이 생산용 자동차를 운전하기까지는 몇 년이 더 걸릴 것이다. (APPLEBY, 1999).
에너지 절약은 종종 매장량의 증가된 개발이나 새로운 자원의 탐색에 대한 부분적인 대안으로 제안된다. 만약 가전제품과 자동차가 에너지를 더 효율적으로 사용한다면, 우리의 연료 수요는 그에 상응하여 감소할 것이라고 주장한다. 불행하게도, 그 방정식은 그렇게 간단하지 않을 수도 있다. 만약 에너지가 더 효율적으로 사용된다면, 효과적으로 그것은 더 저렴해질 것이고 이것은 균형을 회복하기 위해 가전제품 사용의 증가를 장려할 수 있다. 사람들은 같은 가격에 더 많은 사용을 얻을 수 있을 것이고 에너지 소비는 줄어들지 않을 것이다. 1970년대와 1980년대에 미국 자동차의 연료 사용이 경제적이 되었을 때, 소비는 상당히 일정하게 유지되었다. 사람들은 같은 비용으로 자동차를 더 많이 운전했다(INHABER AND SOURDS, 1994).
원자력은 영국에서 사용되는 전기의 약 27%를 공급하고 일부 국가에서는 훨씬 더 많은 전기를 공급한다. 예를 들어, 벨기에에서는 전체 전기의 55%, 프랑스에서는 30%, 리투아니아에서는 85%를 공급한다.
증기로 구동되는 터빈은 전력을 생산하고 원자로는 물을 증기로 바꾸기 위해 열을 생산한다. 원자로의 노심은 수직 구멍이나 채널이 있는 구조로 구성되어 있으며, 일부는 연료봉을 포함하고, 다른 일부는 카드뮴 또는 붕소봉을 포함하고 있으며, 모든 막대는 감속재라고 불리는 물질에 내장되어 있다.
이 연료는 우라늄-235의 동위 원소인 우라늄-235(종종 ²³⁵U로 표기됨)로 구성되어 있으며, 천연 우라늄에서 140분의 1로 존재한다. 느리게 움직이는 중성자가 충돌하여 ²³⁵U의 원자핵과 합쳐질 때, 그 원자핵은 두 개 또는 세 개의 중성자가 방출되면서 둘로 갈라진다. 이것은 핵분열입니다. 만약 이 중성자들이 ²³⁵U 핵에 충돌한다면, 중성자의 수와 핵분열은 기하급수적으로 증가한다. 이것은 연쇄 반응이고 입자들이 휴식을 취하면서 그들의 에너지의 많은 부분이 열로 변환된다.
각 핵분열에서 최소한 하나의 중성자가 235U의 핵과 합쳐져야 연쇄반응을 지속할 수 있다. 느리게 움직이는 중성자만이 핵분열을 일으킬 수 있으며, 더 에너지가 높은 중성자는 흡수되지 않는다. 핵분열은 많은 속도로 중성자를 방출하기 때문에 빠르게 움직이는 중성자는 느려져야 한다. 이것이 진행자의 목적이다. 다른 원자로 설계는 다른 감속재 재료를 사용한다. 흑연, 산화 중수소(중수), 일반(경수) 물이 널리 사용되며, 그 중에서도 경수가 가장 인기가 높다.
카드뮴과 붕소는 중성자를 흡수하여 반응 과정에서 중성자를 제거한다. 이것은 이러한 요소들로 만들어진 막대들이 연쇄 반응의 속도를 조절하는 데 사용될 수 있다는 것을 의미한다. 로드를 올리거나 내릴 수 있으며, 출력을 가속하거나 느리게 할 수 있다.
노심을 둘러싸고 있는 냉각수는 열을 운반한다. 가장 대중적인 원자로 설계인 가압수형 원자로(PWR)에서 냉각수는 압력을 받는 물이다. 끓는 물을 사용하는 디자인도 있다. 마그녹스 원자로는 1956년 컴브리아주 칼더홀(현 셀라필드)에서 처음으로 영국에서 8기가 건설되었으며 이산화탄소를 냉각제로 사용한다. '마그녹스'라는 이름은 우라늄 연료봉의 피복에 사용되는 산화마그네슘 합금을 의미한다. 첨단 가스냉각형 원자로는 이산화탄소를 냉각재로 사용하기도 한다. 용융 나트륨은 냉각제로 사용될 수 있다.
냉각수의 열은 터빈을 구동하기 위해 증기로 변하는 물로 전달된다. 냉각 시스템에 고장이 발생할 경우 터빈이 작동을 멈출 뿐만 아니라 노심이 위험하게 과열될 수 있다. 이러한 상황이 발생할 경우 작동하기 시작하는 백업 냉각 시스템이 장착된다. 이것들은 많은 안전 시스템들 중 하나일 뿐이다.
우리의 연료 생산과 사용은 많은 환경적, 경제적 문제를 제기한다. 그 질문들을 제기하는 것은 어렵지 않지만, 그에 대한 답을 찾는 것은 어렵다.