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Die Welt kann es kaum erwarten, sich von der Kohle zu befreien. Ohne eine drastische Reduzierung des Kohleverbrauchs gibt es kaum eine Chance, die Ziele für Treibhausgasemissionen zu erreichen und die katastrophalen Auswirkungen des Klimawandels zu vermeiden.
Und bei der Abschaffung von Kohle geht es nicht nur um Treibhausgase: Beim Abbau und der anschließenden Verbrennung von Kohle entstehen weitere Giftstoffe, die unsere Luft, unser Wasser und unseren Boden verschmutzen.
Was macht Kohle so schmutzig? Um das zu verstehen, müssen wir unsere Laborkittel anziehen und uns ein wenig mit Chemie beschäftigen.
Treibhausarithmetik
Das Treibhausgasproblem ist relativ leicht zu verstehen. Alle fossilen Brennstoffe bestehen hauptsächlich aus Kohlenstoff und Wasserstoff. Bei der Verbrennung wird der Kohlenstoff in Kohlendioxid und der Wasserstoff in Wasser umgewandelt. Bei jeder dieser Reaktionen entsteht eine etwas andere Wärmemenge.
C + O2 → CO2 erzeugt 393 kJ Wärme
H2 + 0,5 O2 → H2O erzeugt 242 kJ Wärme
Das Produkt, das uns am meisten Sorgen bereitet, ist Kohlendioxid, ein Treibhausgas, das die Sonnenwärme in unserer Atmosphäre zurückhält. Das bedeutet, dass der bessere fossile Brennstoff – derjenige, der die wenigsten CO2-Emissionen erzeugt, um die gleiche Menge an Wärme zu erzeugen – ein Brennstoff ist, der viele Wasserstoffatome für jedes Kohlenstoffatom enthält.
Erdgas gewinnt diesen Kampf eindeutig. Es enthält hauptsächlich Methan, eine einfache Chemikalie mit der Formel CH4. Das bedeutet, dass auf jedes Kohlenstoffatom vier Wasserstoffatome kommen, so viele wie ein einzelnes Kohlenstoffatom aufnehmen kann.
Die chemische Formel von Kohle ist weitaus komplexer (wie wir später sehen werden). Das liegt daran, dass Kohle im Gegensatz zu Erdgas ein Gemisch aus vielen tausend chemischen Stoffen ist. Aber um die Wärmeerzeugung zu verstehen, können wir die Formel von Kohle auf CH (ein Wasserstoffatom für jedes Kohlenstoffatom) vereinfachen.
Das Ergebnis ist, dass Kohle im Vergleich zu Erdgas doppelt so viel Kohlendioxid pro Wärmeenergieeinheit erzeugt.
Schwerer Start
Abgesehen von dem Beitrag der Treibhausgase zum Klimawandel hat Kohle noch andere Probleme.
„Kohle ist der komplexeste Feststoff, den wir je gefunden und analysiert haben“, sagt Jonathan Mathews, Kohleforscher an der Universität von Pennsylvania.
Vor vielen Millionen Jahren hat ein Naturereignis – vielleicht eine Überschwemmung, vielleicht ein Taifun – riesige Wälder unter Wasser begraben. Als sich neue Erdschichten über den Bäumen ablagerten und ihnen die Luft entzogen, verwandelte sich das begrabene Holz langsam in Torfmoore. Immer mehr Sedimentschichten lagerten sich ab, wodurch der Druck und die Temperatur in der Tiefe stiegen, bis sich das Moor schließlich in Kohle verwandelte.
Ich bin absichtlich vage bei der Angabe „viele Millionen“, weil die Kohlelagerstätten in verschiedenen Regionen unterschiedlich alt sein können. Die Kohle in den Vereinigten Staaten entstand in der Karbonzeit, die vor 360 bis 300 Millionen Jahren dauerte. Die australische Kohle hingegen entstand in der Permzeit vor 300 bis 250 Millionen Jahren.
Da sie ursprünglich aus Pflanzen entstand, enthält Kohle hauptsächlich Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff. Kohle trug zur Entstehung des auf Kohlenstoff basierenden Zweigs der Chemie bei, den wir „organische Chemie“ nennen. Wenn Kohle unter Ausschluss von Luft erhitzt wird, zerfällt ihr komplexes Gemisch in einfachere Formen. Diese Chemikalien – wie Benzol, Toluol, Naphthalin, Anthracen und Phenol – bilden die Grundlage für Parfüms, Sprengstoffe und Medikamente.
Pflanzen enthalten auch eine ganze Reihe anderer Elemente aus dem Periodensystem in viel geringeren Mengen. Entscheidend ist, dass die Kohle bei ihrer Entstehung noch weitere Elemente aufnehmen kann, die in den umgebenden Schlammablagerungen oder im kontaminierten Wasser vorkommen. Je nach geologischer Beschaffenheit der Region variieren Art und Menge dieser Elemente; in verschiedenen Kohlesorten wurde mehr als die Hälfte des Periodensystems der Elemente nachgewiesen.
„Der Prozess, durch den Kohle entsteht, macht sie noch komplexer“, sagt Mathews. „Deshalb ist fast jedes Stück Kohle, das wir finden, chemisch einzigartig.“
Wenn Kohle verbrannt wird, werden viele dieser Elemente zusammen mit anderen Gasen in die Atmosphäre entlassen. Diese können kilometerweit reisen, bevor sie auf Pflanzen oder im Boden landen, wo sie von Bäumen oder Nutzpflanzen aufgenommen und schließlich vom Menschen gegessen werden können. Einige dieser Elemente können auch in die Lungen der Menschen gelangen, wo giftige Elemente wie Zinn, Kadmium und Quecksilber dem Nerven-, Verdauungs- und Immunsystem ernsthaften Schaden zufügen können.
Trotz der Vorschriften für die Kohleindustrie gelangen diese Metalle häufig in die Umwelt. Mehr als 40 % aller Quecksilberemissionen in den USA stammen immer noch aus Kohlekraftwerken. Im Jahr 2014 wurden allein in den USA durch kohlebasierte Aktivitäten außerdem 40 Tonnen Blei, 30 Tonnen Arsen und 4 Tonnen Cadmium freigesetzt.
Smoggy end
Alle diese chemischen Schadstoffe machen jedoch nur einen Teil des Problems aus. Die sichtbarste Auswirkung der Kohle auf die Umwelt ist der Smog: das Ergebnis der chemischen Reaktion bei der Kohleverbrennung. Da es sich bei Kohle um ein komplexes Gemisch aus Chemikalien handelt, verbrennt sie nicht so sauber wie Erdgas – nicht der gesamte Kohlenstoff und Wasserstoff wird sauber in Kohlendioxid und Wasser umgewandelt. Stattdessen enthält der Kohlerauch unverbrannte oder halbverbrannte Kohlenstoffpartikel, Schwefeloxide, Stickoxide und viele komplexe organische Moleküle, die bei der Verbrennung entstehen.
Jedes dieser Elemente hat seine eigene Art, Schaden anzurichten. Gehen wir sie der Reihe nach durch.
Ruß: Unverbrannte oder halbverbrannte Kohlepartikel können als Ruß kategorisiert werden. Sein Aussehen (und größtenteils auch seine chemische Zusammensetzung) ähnelt dem Ruß, den man in Kaminen findet: ein feines schwarzes Pulver. Der Ruß, der eine Vielzahl der oben genannten Schadstoffe enthalten kann, ist schädlich für die Lunge. Aber er ist noch schädlicher, weil er so klein ist, dass er nach dem Einatmen in den Blutkreislauf gelangt. Es kann sogar in das Gehirn gelangen. Kohle und andere feste Brennstoffe, die in Haushalten verwendet werden, sind eine der Hauptursachen für Todesfälle durch Luftverschmutzung in Indien. In Indien ist bekannt, dass Ruß Gletscher überzieht, die dadurch dunkler werden, mehr Sonnenwärme einfangen und schneller schmelzen.
Schwefeloxid: Bei hohen Temperaturen in einem Ofen verbinden sich der Schwefel in der Kohle und der Sauerstoff in der Luft zu Schwefeloxid, das beim Einatmen reizend ist. Wenn es sich mit Wasser verbindet, bildet es Schwefelsäure, die sauren Regen verursacht. In den 1960er und 1970er Jahren war Schwefelregen in den USA und anderen Ländern ein häufiges Phänomen. Seitdem sind die meisten Kraftwerke verpflichtet, Anlagen zu installieren, die Schwefelemissionen aus dem Schornstein abziehen, aber ein Teil des Schwefels gelangt immer noch in die Atmosphäre.
Stickstoffoxide: Wie Schwefel verbindet sich auch der in der Kohle enthaltene Stickstoff mit dem Sauerstoff in der Luft zu einem Gemisch aus Stickoxiden. Diese sind reizend und können Atemwegserkrankungen wie Lungenentzündungen verursachen. Stickoxide sind auch chemisch aktiv, d. h. sie vermischen sich mit anderen Schadstoffen in der Atmosphäre und bilden neue, wie z. B. Ozon.
Flüchtige organische Verbindungen (VOC): Kohleabbau und Kohleverbrennung setzen schädliche Kohlenstoffverbindungen frei, die als Gase in der Atmosphäre verbleiben. Mit ihnen können Stickoxide reagieren und Ozon und andere Schadstoffe bilden. Diese Chemikalien sind schädlich für Menschen, andere Tiere und Pflanzen.
Kohlenmonoxid: Manchmal reagiert Kohlenstoff nicht mit Sauerstoff zu Kohlendioxid, sondern zu Kohlenmonoxid – einem giftigen Gas.
Im Laufe der Jahre haben die Vorschriften für Kohlekraftwerke dazu beigetragen, einige dieser Schadstoffe zu reduzieren. Die indischen Kohlekraftwerke hinken jedoch stark hinterher. Im Jahr 2015 setzte die Regierung den Kraftwerken eine Frist bis 2017, um Anlagen zur Verringerung der Schwefel- und Stickstoffemissionen zu installieren. Nur wenige Kraftwerke haben diese Frist eingehalten, so dass die Regierung sie nun bis 2022 verlängert hat. Diese Verzögerung wird wahrscheinlich zu mindestens 26.000 vorzeitigen Todesfällen und dem Verlust von vielen Millionen Arbeitstagen pro Jahr führen.
Mehr fortschrittliche Länder haben diese Wäscher bereits installiert – und einige von ihnen gehen sogar noch einen Schritt weiter. Zwei Kohlekraftwerke, eines in Kanada und eines in den USA, fangen jetzt den größten Teil des von ihnen produzierten Kohlendioxids ab. In beiden Fällen wird das abgeschiedene Kohlendioxid in den Boden gepumpt, um Öl zu gewinnen. Sobald die Technologie billig genug ist, könnten die Emittenten ihr Kohlendioxid einfach unter der Erde vergraben, ohne den Prozess durch den Verkauf von Öl subventionieren zu müssen.
Dennoch wird keine Regelung die schädlichen Emissionen aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe vollständig beseitigen können. Ihre Schäden können nur beseitigt werden, wenn wir aufhören, sie aus dem Boden zu holen.