Węgiel powstał z biomasy – pod wpływem ciepła, ciśnienia i braku powietrza. Im skała jest starsza, tym więcej w niej czystego węgla i tym wyższa jest jej wartość energetyczna. Złoża znajdują się na wszystkich kontynentach.
Węgiel to skała osadowa o kolorze brązowym lub czarnym, powstała z materiału organicznego. Pochodzi z okresu karbońskiego, który rozpoczął się przed ok. 359 mln lat, a zakończył 299 mln lat temu. Ponieważ w ciągu tych 60 mln lat powstało bardzo dużo węgla, całą epokę nazwano karbonem – od łacińskiego słowa carbo, czyli „węgiel”. Słowo to pochodzi od indoeuropejskiego rdzenia *ker, oznaczającego „spalanie”.
Ciepły klimat i wysoka zawartość tlenu w powietrzu (34%, obecnie 21%) doprowadziły w karbonie do niesamowitego rozkwitu roślinności. Po świecie rozprzestrzeniły się gigantyczne lasy. Korony wymarłych już dzisiaj gatunków widłaków osiągały wysokość nawet 40 m. Gatunki spokrewnione z dzisiejszym niepozornym skrzypem polnym sięgały 20 m. Gigantyczne paprocie tworzyły rozległe lasy bagienne. Rośliny produkowały olbrzymie ilości biomasy. Przy pomocy zielonego barwnika roślinnego – chlorofilu – wykorzystywały energię światła słonecznego, aby z dwutlenku węgla i wodoru wytwarzać materiał organiczny. Dochodziło do licznych reakcji z gazem cieplarnianym, który przekształcał się w budulce roślinne, takie jak lignina, żywica i białko.
Proces powstawania węgla trwa ok. 60 milionów lat. To zaledwie moment w geologicznej historii świata.
Obumieranie roślin było pierwszym etapem procesu przekształcania materiału roślinnego w węgiel. Wiele obumarłych roślin opadało pod powierzchnię wody. Z powodu braku tlenu nie dochodziło jednak do ich rozkładu, lecz do powstawania torfu. Osady takie jak glina i piasek pokrywały materiał organiczny i pod wpływem wysokich temperatur oraz ciśnienia wypierały z niego wodę.
Im większa zawartość czystego węgla, tym większa wartość energetyczna i opałowa surowca. Węgiel kamienny ma więc przewagę nad węglem brunatnym. Najlepszym gatunkiem jest antracyt, który praktycznie nie zawiera wody ani żadnych innych składników i spala się niemal w całości. W naturze większą zawartość węgla mają już tylko grafit i diamenty, zwykle pochodzenia wulkanicznego.
Ostatecznie okazuje się, że węgiel to energia słoneczna sprzed milionów lat, zakonserwowana w resztkach roślin. Historyk energetyki Rolf Peter Sieferle określił więc złoża węgla jako „podziemne lasy“. Podobnie jak ropa naftowa i gaz ziemny węgiel kamienny i brunatny należą do paliw kopalnych. Ich niemieckie określenie fossil (skamieniały) wskazuje, że paliwa te powstały z materiału organicznego w dawnych okresach geologicznych. Węgiel jest pochodzenia roślinnego, natomiast ropa naftowa i gaz ziemny pochodzą od małych żyjątek, których pozostałości składowały się na dnie morza. Powstawały one w tym samym okresie co węgiel kamienny – od 400 do 100 mln lat temu, a młodsze złoża – np. złoża ropy na Morzu Północnym – pochodzą, podobnie jak węgiel brunatny, z paleogenu.
W przemyśle ciężkim najbardziej ceni się antracyt, który może zawierać nawet ponad 90% czystego węgla.
Federalny Instytut Nauk Geologicznych i Surowców szacuje światowe rezerwy węgla na 968 mld ton. Jako rezerwy określa się te złoża, które można wydobywać z zyskiem przy zastosowaniu znanej współcześnie technologii. Niemal 8 mld ton wydobyto i spalono w samym tylko roku 2013. Daje to wynik 253 ton na sekundę. Obok rezerw wyróżnia się jeszcze zasoby, czyli ogromne złoża, których istnienie zostało udowodnione, ale których nie da się wykorzystać w celach gospodarczych. Szacuje się, że światowe zasoby węgla brunatnego i kamiennego wynoszą łącznie 22 bln ton.
Największe istotne gospodarczo złoża węgla kamiennego występują w Azji, Australii, Ameryce Północnej i Wspólnocie Niepodległych Państw (WNP). Największymi rezerwami węgla twardego (węgla kamiennego i antracytu), szacowanymi na ok. 223 mld ton, dysponują USA. Na kolejnych miejscach są Chiny ze 121 mld ton i Indie z 82 mld ton. W 2013 roku Chiny wydobyły 3,7 mld ton węgla kamiennego, czyli ponad 50% światowego wydobycia. Za nimi uplasowały się USA z 12% i Indie z 8%. Około 20% wydobywanego węgla kamiennego przeznacza się na eksport.
Z uwagi na mniejszą odporność na transport i niższą wartość energetyczną węgiel brunatny spala się tylko w okolicach kopalń odkrywkowych, w których się go wydobywa. Na całym świecie węgiel brunatny wydobywa 37 państw, ale aż 82% światowej produkcji tego surowca przypada na zaledwie 11 z nich. Największym producentem w roku 2013 były Niemcy, które wydobyły 183 mln ton. Na kolejnych pozycjach znalazły się Chiny i Rosja. W Niemczech produkcja energii z węgla brunatnego znacznie wzrosła po zamknięciu elektrowni atomowych, co wyraźnie pogorszyło bilans klimatyczny kraju. W 2014 roku po raz pierwszy ilość energii wyprodukowanej ze źródeł odnawialnych nieznacznie przewyższyła tę pochodzącą ze spalania węgla brunatnego.
Kiedyś złoża węgla na mapie symbolizowały bogactwo. Dzisiaj widzi się w nich raczej potencjalne problemy.
Zasobów węgla nie uznaje się oficjalnie za niewielkie, co różni ten surowiec od ropy naftowej. W przyszłości eksploatacja węgla będzie się zmniejszać, ponieważ atmosfera może przyjąć tylko ograniczoną ilość CO2. Międzynarodowa sieć specjalistów Energy Watch Group uważa jednak, że urzędowe szacunki rezerw węgla są zawyżone. Na całym świecie dokonuje się korekty obliczeń, stopniowo obniżając szacunki. Tylko w okresie 1980–2005 zmniejszono je o połowę, mimo wzrostów wydobycia w Indiach i Australii. Energy Watch Group spodziewa się, że światowy szczyt wydobycia przypadnie już na 2020 rok.
