ما هو الفحم الحجري

الفحم هو عبارة عن رواسب رسوبية تتكون في الغالب من كربون قابل للاحتراق، ويكون لونه أسود أو بني-أسود، وله تركيبة تتكون من المادة الكربونية بنسبة أكثر من 50 في المائة من حيث الوزن وأكثر من 70 في المائة من حيث حجم، كما يتكون الفحم من بقايا نبات دفنت وتم ضغطها وتصلبها وتغييرها كيميائيًا وتحويلها بالحرارة والضغط على مدار الزمن الجيولوجي.

ويوجد الفحم في كل دول العالم -بما في ذلك الولايات المتحدة- في الأماكن التي كانت توجد في مكانها غابات ومستنقعات قديمًا قبل دفنها وضغطها على مدى ملايين السنين، كما تم العثور على أكبر رواسب الفحم في حوض الأبلاش في شرق الولايات المتحدة، وحوض إلينوي في منطقة وسط القارة، وعبر العديد من الأحواض وحقول الفحم في غرب الولايات المتحدة وألاسكا.

كان الفحم بديلا رئيسيا للوقود التقليدي والخشب، حيث كانت بريطانيا تتمتع بتوفر جيد للفحم، وكان الفحم هو وقودها الأساسي. وبالإضافة إلى ذلك، كان أرخص بكثير من الوقود التقليدي والخشب. تزايد الطلب على الفحم أدى إلى توسع صناعة التعدين لاستخراجه. ومع زيادة عمق التعدين للبحث عن الفحم الحجري، واجهوا مشكلة الفيضانات. ساعد “توماس نيوكمان” في حل هذه المشكلة من خلال اختراع مضخة تعمل بالبخار لضخ المياه من المناجم. وتضمنت التطورات الأخرى تحسين مضخة نيوكمان من خلال محرك جيمس وات. أدى اختراع هذه المضخات إلى تعدين فعال ومنع خطر الفيضانات.

مراحل تكوين الفحم الحجري

تتشابه مراحل تكوين الفحم الحجري مع مراحل تكوين الصخور الرسوبية، كما أنه يشبهه في الشكل الخارجي، ولكنه ذو لون أسود أو بني غامق، كما أنه له العديد من الاستخدامات المهمة في حياتنا اليومية، وترجع بداية عملية تكوين الفحم إلى ملايين السنين، حيث أنه يستغرق في تكوينه الكثير من الوقت والضغط والحرارة تحت الأرض، وهو غني بالكربون والهيدروكربونات الغنية بالطاقة المتحررة من الإحتراق، وكان الفحم في الأصل نباتًا بأشكال مختلفة، تم إغراقه بكميات كبيرة من الرواسب الكثيرة؛ مما تسبب في تعرضه للحرارة الشديدة والضغط لإطلاق الأكسجين منه، تاركًا وراءه الكربون والهيدروكربونات، والتي بدورها كوّنت الفحم الحجري.

الفحم الحجري يحتوي على نسب عالية من الكربون تصل إلى 50٪ من الوزن الكلي، وهذا هو ما يمنحه اللون الأسود والقوة وسرعة الاشتعال. يعود تكوين الفحم الحجري إلى العصر الطباشيري، وذلك قبل حوالي 290-360 مليون سنة. بدأ تشكل الفحم الحجري في المناطق التي كانت بها مستنقعات وغابات. نتيجة لذلك، بدأت النباتات في إنتاج الثمار بشكل أسرع مما كانت عليه في السابق. وكان على الإنسان جمع هذه الثمار بكميات كبيرة ودفنها تحت الأرض لإعادة تدويرها وتحويلها إلى الفحم الحجري. يمر الفحم بعدة مراحل أساسية لتكوينه، ومن بين مراحل تكوين الفحم الحجري

• المرحلة الأولى

– بعد موت الأشجار والنباتات والسراخس والشجيرات والكرومات والطحالب في مناطق المستنقعات والغابات القديمة، تتجمع المادة العضوية في منطقة محددة على الأرض، وتتحلل بواسطة البكتيريا الموجودة في الأرض بشكل طبيعي، مما ينتج عنه ثاني أكسيد الكربون والميثان.

• المرحلة الثانية

عند دفن النباتات تحت الأرض وعدم تعرضها للهواء لفترة طويلة، تبدأ البكتيريا اللاهوائية في التحلل وتفسد هيكلها، وتستغرق هذه العملية ملايين السنين لإنتاج عدة أمتار من المواد النباتية المتحللة التي تعرف باسم الخث.

• المرحلة الثالثة

عندما يتم دفن الخث في عمق كبير، يتم طرد الماء والمركبات الأخرى منه بسبب زيادة الضغط، ويبدأ الفحم في التكوين، ولكن يكون ذو جودة اشتعال منخفضة.

• المرحلة الرابعة

يؤدي استمرار عملية الدفن إلى زيادة الضغط والحرارة تحت الأرض على مدى الوقت، مما يتحول من انخفاض جودة الفحم إلى زيادته وتحويله إلى فحم حجري أسود.

تشكل الفحم الحجري

تخزن النباتات الطاقة الشمسية من خلال عملية التمثيل الضوئي، وعند موت تلك النباتات فإنها تطلق هذه الطاقة الشمسية تدريجيًا حيث تتحلل بقاياها. ومع ذلك، إذا تم استيفاء الشروط الصحيحة تتوقف بقايا النباتات عن التحلل وبالتالي يؤدي ذلك إلى الحفاظ على الطاقة المخزنة خلال دورة حياتها.

بسبب حركة قشرة الأرض والصفائح التكتونية التي تتكون منها القشرة، تبدأ كميات كبيرة من النباتات الميتة في المستنقعات والبحيرات المغمورة جزئيًا والمدفونة في أعماق الأرض في التعرض للحرارة والضغط الهائلين تحت الأرض، مما يتسبب في بعض التغيرات الفيزيائية والكيميائية في بنية النبات نفسها، وتحويلها إلى ما يسمى ب”الخث”، وبعد ذلك على مدى ملايين السنين، تصبح هذه الأجزاء فحمًا حجريًا كما نحن نعرفه اليوم.

عملية الكربنة:

وهي عملية تحويل المخلفات النباتية السابق ذكرها إلى فحم حجري، وتختلف نسبة تفحم بقايا النباتات باختلاف عمرها وتكوينها والعوامل الفيزيائية المحيطة بها في الأرض، كما تحدد درجة التفحم نوع الفحم الذي يتم إنتاجه في النهاية، كما يعتمد النوع الذي يُنسب إليه الفحم الحجري على درجة تحول بقايا النبات إلى مركب الكربون.

أنواع الفحم الحجري

ينقسم الفحم الحجري إلى أربعة أنواع رئيسية بناءً على تركيز الكربون والكفاءة، وتشمل ذلك الأنواع التالية:

• أنثراسايت (Anthracite)

يحتوي الفحم الصلب على كمية أكبر من الكربون ويتطاير بنسبة أقل، لذلك يُعتبر واحدًا من أفضل أنواع الفحم المتاحة.

• البتيومينيوم (Bituminous)

يُستخدم هذا النوع من الفحم بشكلٍ شائع لأنَّه يُحرق بكميةٍ كبيرة من الطاقة الحرارية ويُعتبر فحمًا متوسط الجودة.

• السبتيوميني (Soptituminous)

يتميز بالون الأسود الداكن ويحتل المرتبة الثالثة في الكفاءة والطاقة الحرارية.

• الليجنيت (Lignite)

يحتوي على أقل نسبة من الكربون بين جميع أنواع الفحم، لذلك فهو أحد أسوأ أنواع الفحم، ويتميز بلون بني بسبب انخفاض نسبة الكربون فيه.

استهلاك الفحم الحجري حول العالم

فيما يتعلق باستهلاك الفحم، تم استهلاك حوالي 477 مليون طن من الفحم في الولايات المتحدة في عام 2020، حيث تم استخدامه في توليد الطاقة بدلا من الوقود. ويعادل هذا الكمية حوالي 9.2 كوادريليون وحدة حرارية بريطانية (Btu)، وتمثل حوالي 10٪ من إجمالي استهلاك الطاقة في الولايات المتحدة. وقد كانت هذه النسبة الأقل من استهلاك الولايات المتحدة للطاقة على مدار السنوات منذ عام 1949م. يجب أن نذكر أن استخدام الفحم الرئيسي حاليا في الولايات المتحدة هو لتوليد الكهرباء، حيث يشكل قطاع الطاقة الكهربائية الجزء الأكبر من استهلاك الفحم في الولايات المتحدة منذ عام 196.

الفرق بين الفحم الحجري والفحم النباتي

للرد على السؤال حول الفرق بين الفحم الحجري والفحم النباتي، يمكننا توضيح الفروقات من خلال السطور التالية:

• الفحم النباتي

إنه وقود أحفوري منخفض السعر يحتوي على الكربون المنشط، ويستخدم الفحم النباتي في معظم الفنادق والمنازل في المناطق الحضرية والريفية، ويتم صنع هذا النوع من الفحم من خلال احتراق كميات كبيرة من الخشب في فرن خاص بذلك، ويتم ترتيب الخشب في دائرة، ومغطى بطبقة من الفحم المسحوق، ثم يتم رشه بالماء الفاتر، ويمكن أن تستغرق العملية من أسبوع إلى أسبوعين فقط، حسب على كمية الخشب والضوابط التي تتحكم في آلية عملية الحرق.

• الفحم الحجري

الفحم الحجري هو أكثر أنواع الفحم وفرة على سطح الأرض، وهو مصدر للطاقة غير متجدد؛ حيث يتطلب تكوينه ملايين السنين تحت الأرض عن طريق دفن الرواسب النباتية وبقايا الأشجار وزيادة درجة الحرارة والضغط عليها، ونظرا للضغط المفرط في هذه الظروف، تظل النباتات المدفونة خالية من الأكسجين؛ وذلك بسبب وجود الطين والمياه الحمضية، ومع مرور الوقت، تتحول النباتات المدفونة الغنية بالكربون إلى فحم، وتسمى هذه العملية بـ “الكربنة.