Čtete exkluzivní článek pro členy časopisu Quartz, který je po omezenou dobu k dispozici všem čtenářům.Chcete-li odemknout přístup ke všem článkům časopisu Quartz, staňte se jeho členy.
Svět se nemůže dočkat, až se zbaví potřeby uhlí. Bez drastického snížení spotřeby uhlí je jen malá šance dosáhnout cílů v oblasti emisí skleníkových plynů a vyhnout se nejkatastrofálnějším dopadům klimatických změn.
A jeho odstranění se netýká jen skleníkových plynů: Těžba uhlí a jeho následné spalování produkuje další toxiny, které znečišťují naše ovzduší, vodu a půdu.
Co dělá uhlí tak špinavým? Abychom to pochopili, budeme si muset obléknout laboratorní pláště a vypořádat se s trochou chemie.
Skleníková aritmetika
Problém skleníkových plynů je poměrně snadno uchopitelný. Všechna fosilní paliva se skládají převážně z uhlíku a vodíku. Při spalování se uhlík mění na oxid uhličitý a vodík na vodu. Při každé z těchto reakcí vzniká trochu jiné množství tepla.
C + O2 → CO2 vytváří 393 kJ tepla
H2 + 0,5 O2 → H2O vytváří 242 kJ tepla
Produkt, který nás nejvíce zajímá, je oxid uhličitý, skleníkový plyn, který v atmosféře zadržuje sluneční teplo. To znamená, že lepší fosilní palivo – takové, které při výrobě stejného množství tepla vyprodukuje nejméně emisí CO2 – je takové, které obsahuje hodně atomů vodíku na každý atom uhlíku.
Zemní plyn v tomto souboji vítězí na plné čáře. Obsahuje převážně metan, jednoduchou chemickou látku se vzorcem CH4. To znamená, že na každý atom uhlíku připadají čtyři atomy vodíku, což je maximum, které může jeden atom uhlíku pojmout.
Chemický vzorec uhlí je mnohem složitější (jak uvidíme později). Je to proto, že na rozdíl od zemního plynu je uhlí směsí mnoha tisíc druhů chemických látek. Abychom však pochopili jeho produkci tepla, můžeme vzorec uhlí zjednodušit na CH (to je jeden atom vodíku na každý atom uhlíku).
Výsledkem je, že uhlí produkuje dvakrát více oxidu uhličitého na jednotku tepelné energie než zemní plyn.
Zamlžený začátek
Kromě podílu skleníkových plynů na změně klimatu má uhlí i další problémy. Ty souvisejí s tím, jak vzniklo.
„Uhlí je nejsložitější pevná látka, jakou jsme kdy našli a analyzovali,“ říká Jonathan Mathews, vědec zabývající se uhlím na Pensylvánské univerzitě.
Před mnoha miliony let nějaká přírodní událost – možná povodeň, možná tajfun – pohřbila rozsáhlé lesy pod vodou. Jak se na stromy ukládaly nové vrstvy půdy a zbavovaly je přístupu vzduchu, pohřbené dřevo se pomalu měnilo v rašeliniště. Hromadily se další a další vrstvy sedimentů, čímž se zvyšoval tlak a teplota pod nimi, až se nakonec rašeliniště změnilo v uhlí.
Záměrně uvádím vágně „mnoho milionů“, protože uhelná ložiska v různých oblastech mohou mít různé stáří. Uhlí ve Spojených státech vzniklo v období karbonu, které trvalo před 360 až 300 miliony let. Naproti tomu australské uhlí vzniklo v období permu, tedy před 300 až 250 miliony let.
Protože uhlí původně vzniklo z rostlin, obsahuje převážně uhlík, vodík, kyslík a dusík. Uhlí pomohlo vytvořit odvětví chemie založené na uhlíku, kterému říkáme „organická chemie“. Když se uhlí zahřívá bez přístupu vzduchu, jeho složitá směs se rozkládá na jednodušší formy. Tyto chemické látky – například benzen, toluen, naftalen, antracen a fenol – tvoří základ parfémů, výbušnin a léků.
Rostliny obsahují také celou řadu dalších prvků z periodické tabulky v mnohem menším množství. Zásadní je, že uhlí může během svého vzniku absorbovat ještě další prvky, které se nacházejí v okolních nánosech bahna nebo v kontaminované vodě. V závislosti na geologii dané oblasti se druhy a množství těchto prvků liší; v různých typech uhlí byla zjištěna více než polovina prvků periodické tabulky prvků.
„Proces, kterým uhlí vzniká, umocňuje jeho složitost,“ říká Mathews. „Proto je téměř každý nalezený kus uhlí chemicky jedinečný.“
Při spalování uhlí se mnoho těchto prvků dostává do atmosféry spolu s dalšími plyny. Ty mohou urazit kilometry, než dopadnou na rostliny nebo do půdy, kde se mohou vstřebat do stromů nebo plodin a nakonec je mohou sníst lidé. Některé z těchto prvků mohou skončit i v lidských plicích, kde mohou jedovaté prvky jako cín, kadmium a rtuť způsobit skutečné škody na nervovém, trávicím a imunitním systému.
Přes předpisy týkající se uhelného průmyslu se tyto kovy často dostávají do životního prostředí. Více než 40 % všech emisí rtuti v USA stále pochází z uhelných elektráren. V roce 2014 se jen v USA při činnostech spojených s uhlím uvolnilo také 40 tun olova, 30 tun arsenu a 4 tuny kadmia.
Smoggy end
Všechny tyto chemické škodliviny však představují jen část problému. Viditelnějším projevem vlivu uhlí na životní prostředí je smog: výsledek chemické reakce při spalování uhlí. Protože uhlí je složitá směs chemických látek, nehoří tak čistě jako zemní plyn – ne všechen uhlík a vodík se čistě přemění na oxid uhličitý a vodu. Místo toho kouř z uhlí obsahuje nespálené nebo napůl spálené částice uhlíku, oxidy síry, oxidy dusíku a spoustu složitých organických molekul, které vznikají v procesu spalování.
Každá z těchto látek může svým způsobem škodit. Vezměme si je jednu po druhé.
Saze: Nespálené nebo napůl spálené částice uhlí lze zařadit do kategorie sazí. Jejich vzhled (a do značné míry i chemické složení) se podobá sazím, které se nacházejí v krbových komínech: jde o jemný černý prášek. Saze, které mohou nést jakoukoli z výše uvedených škodlivin, jsou škodlivé pro plíce. Jsou však ještě škodlivější, protože jsou dostatečně malé na to, aby se po vdechnutí dostaly do krevního oběhu. Mohou se dostat i do mozku. Uhlí a další pevná paliva používaná v domácnostech jsou hlavní příčinou úmrtí na znečištěné ovzduší v Indii. V Indii je známo, že saze pokrývají ledovce, které tak tmavnou, aby zachytily více slunečního tepla a rychleji roztály.
Oxid síry: Při vysokých teplotách uvnitř pece se síra obsažená v uhlí a kyslík ve vzduchu spojují za vzniku oxidu sírového, který je při vdechování dráždivý. Když se spojí s vodou, vzniká kyselina sírová, která vytváří kyselé deště. V 60. a 70. letech 20. století byl sirný déšť v USA a dalších zemích běžným jevem. Od té doby je většina elektráren povinna instalovat zařízení, které odvádí emise síry z komína, ale část síry stále uniká do atmosféry.
Oxidy dusíku: Dusík obsažený v uhlí se podobně jako síra spojuje se vzdušným kyslíkem a vytváří směs oxidů dusíku. Ty jsou dráždivé a mohou způsobovat onemocnění dýchacích cest, například zápal plic. Oxidy dusíku jsou také chemicky aktivní, což znamená, že se mísí s jinými znečišťujícími látkami v atmosféře a vytvářejí nové, například ozón.
Těkavé organické látky (VOC): Při těžbě a spalování uhlí se uvolňují škodlivé sloučeniny na bázi uhlíku, které v atmosféře přetrvávají jako plyny. Právě s nimi mohou reagovat oxidy dusíku a vytvářet ozón a další znečišťující látky. Tyto chemické látky jsou škodlivé pro člověka, ostatní živočichy a rostliny.
Oxid uhelnatý: Někdy místo toho, aby se uhlík spojil s kyslíkem za vzniku oxidu uhličitého, reaguje za vzniku oxidu uhelnatého – jedovatého plynu.
V průběhu let pomohly regulace v uhelných elektrárnách některé z těchto znečišťujících látek snížit. Indické uhelné elektrárny však výrazně zaostávají. V roce 2015 vláda stanovila elektrárnám termín do roku 2017, kdy musí instalovat zařízení, které sníží emise síry a dusíku. Jen málo elektráren tento termín splnilo, a tak jej nyní vláda prodloužila do roku 2022. Toto zpoždění pravděpodobně způsobí nejméně 26 000 předčasných úmrtí a ztrátu mnoha milionů pracovních dní ročně.
Vyspělejší země již tyto čističky instalovaly – a některé z nich jdou dokonce ještě dál. Dvě uhelné elektrárny, jedna v Kanadě a jedna v USA, nyní zachycují většinu produkovaného oxidu uhličitého. V obou případech se zachycený oxid uhličitý čerpá do země k těžbě ropy. Jakmile bude technologie dostatečně levná, mohli by producenti emisí jednoduše pohřbít svůj oxid uhličitý pod zem, aniž by museli tento proces dotovat prodejem ropy.
Jakákoli regulace však nebude schopna zcela odstranit škodlivé emise ze spalování fosilních paliv. Jejich škodlivost může zůstat pouze tehdy, pokud je přestaneme těžit ze země.