A Quartz exkluzív tagsági cikkét olvassa, amely korlátozott ideig minden olvasó számára elérhető.A teljes Quartz-hozzáférés feloldásához váljon taggá.
A világ alig várja, hogy megszabaduljon a szénszükséglettől. A szénfelhasználás drasztikus csökkentése nélkül kevés esélyünk van arra, hogy elérjük az üvegházhatású gázok kibocsátására vonatkozó célkitűzéseket, és elkerüljük az éghajlatváltozás legkatasztrofálisabb hatásait.
És a szén eltüntetése nem csak az üvegházhatású gázokról szól: A szén bányászata, majd elégetése más mérgeket termel, szennyezve a levegőt, a vizet és a talajt.
Mitől olyan piszkos a szén? Ahhoz, hogy megértsük, fel kell vennünk a laborköpenyünket, és egy kis kémiával kell foglalkoznunk.
Üvegházi aritmetika
Az üvegházhatású gázok problémája viszonylag könnyen felfogható. Minden fosszilis tüzelőanyag nagyrészt szénből és hidrogénből áll. Amikor elégetjük, a szén szén-dioxiddá, a hidrogén pedig vízzé alakul. Mindegyik reakció egy kissé eltérő mennyiségű hőt termel.
C + O2 → CO2 393 kJ hő keletkezik
H2 + 0,5 O2 → H2O 242 kJ hő keletkezik
A termék, ami miatt a leginkább aggódunk, a szén-dioxid, az üvegházhatású gáz, amely a Nap hőjét a légkörben tartja. Ez azt jelenti, hogy az a jobb fosszilis tüzelőanyag – amelyik a legkevesebb CO2-kibocsátással termeli ugyanazt a hőmennyiséget -, amelyik minden egyes szénatomra sok hidrogénatomot tartalmaz.
A földgáz egyértelműen megnyeri ezt a csatát. Többnyire metánt tartalmaz, egy egyszerű kémiai anyagot, amelynek képlete CH4. Ez azt jelenti, hogy minden egyes szénatomra négy hidrogénatom jut, ami a maximum, amit egyetlen szénatom befogadhat.
A szén kémiai képlete sokkal bonyolultabb (mint később látni fogjuk). Ez azért van, mert a földgázzal ellentétben a szén sok ezerféle vegyi anyag keveréke. De hogy megértsük a hőtermelését, leegyszerűsíthetjük a szén képletét CH-ra (azaz minden szénatomra egy hidrogénatom jut).
Az eredmény az, hogy a szén kétszer annyi szén-dioxidot termel egységnyi hőenergiára vetítve, mint a földgáz.
Mocsaras kezdet
Az üvegházhatású gázoknak az éghajlatváltozáshoz való hozzájárulásán túl a szénnek más problémái is vannak. Ezek azzal kapcsolatosak, hogy hogyan keletkezett.
“A szén a legösszetettebb szilárd anyag, amelyet valaha találtunk és elemeztünk” – mondja Jonathan Mathews, a Pennsylvaniai Egyetem szénkutatója.
“Sok millió évvel ezelőtt valamilyen természeti esemény – talán egy árvíz, talán egy tájfun – hatalmas erdőket temetett a víz alá. Ahogy új talajrétegek rakódtak a fák tetejére, megfosztva őket a levegőtől, az eltemetett fa lassan tőzeglápokká változott. Egyre több üledékréteg halmozódott fel, növelve az alatta lévő nyomást és hőmérsékletet, míg végül a mocsárból szén lett.
Szándékosan homályosan fogalmaztam a “sok millió” szót, mert a különböző régiókban lévő szénlelőhelyek különböző korúak lehetnek. Az Egyesült Államokban a szén a karbon időszakban keletkezett, amely 360 millió és 300 millió évvel ezelőttig tartott. Az ausztrál szén viszont a perm időszakban keletkezett, 300 millió és 250 millió évvel ezelőtt.
A szén, mivel eredetileg növényekből keletkezett, főként szenet, hidrogént, oxigént és nitrogént tartalmaz. A szén segített létrehozni a kémia szénalapú ágát, amelyet “szerves kémiának” nevezünk. Amikor a szenet levegő hiányában felmelegítik, összetett keveréke egyszerűbb formákra bomlik. Ezek a vegyi anyagok – például a benzol, a toluol, a naftalin, az antracén és a fenol – képezik az illatszerek, a robbanóanyagok és a gyógyszerek alapját.
A növényekben a periódusos rendszer számos más eleme is megtalálható, sokkal kisebb mennyiségben. Lényeges, hogy a szén a keletkezése során még más, a környező iszaplerakódásokban vagy a szennyezett vízben található elemeket is képes magába szívni. A régió geológiájától függően ezeknek az elemeknek a típusa és mennyisége változó; a periódusos rendszer elemeinek több mint felét kimutatták a különböző típusú szénben.
“A szén kialakulásának folyamata bonyolítja a szén összetettségét” – mondja Mathews. “Ezért van az, hogy szinte minden megtalált széndarab kémiailag egyedi.”
A szén elégetésekor sok ilyen elem más gázokkal együtt a légkörbe kerül. Ezek mérföldeket utazhatnak, mielőtt a növényekre vagy a talajba kerülnének, ahol felszívódhatnak a fákba vagy a terményekbe, és végül az emberek megehetik őket. Néhány ilyen elem az emberek tüdejébe is kerülhet, ahol az olyan mérgező elemek, mint az ón, a kadmium és a higany valódi károkat okozhatnak az idegrendszerben, az emésztőrendszerben és az immunrendszerben.
A széniparra vonatkozó előírások ellenére ezek a fémek gyakran kerülnek a környezetbe. Az Egyesült Államokban az összes higanykibocsátás több mint 40%-a még mindig a szénerőművekből származik. Csak az Egyesült Államokban 2014-ben a szénnel kapcsolatos tevékenységek 40 tonna ólmot, 30 tonna arzént és 4 tonna kadmiumot is kibocsátottak.
Smogos vég
Az említett kémiai szennyezőanyagok azonban csak a probléma egy részét teszik ki. A szén környezeti hatásának láthatóbb megnyilvánulása a szmog: a szénégetés kémiai reakciójának eredménye. Mivel a szén vegyi anyagok összetett keveréke, nem ég olyan tisztán, mint a földgáz – nem minden szén és hidrogén alakul át szépen szén-dioxiddá és vízzé. Ehelyett a szén füstje el nem égett vagy félig elégett szénrészecskéket, kénoxidot, nitrogén-oxidokat és sok összetett szerves molekulát tartalmaz, amelyek az égési folyamat során keletkeznek.
Ezek mindegyike a maga módján okoz kárt. Vegyük őket sorra.
Füst: A szén elégetetlen vagy félig elégett részecskéit koromnak nevezhetjük. Megjelenése (és nagyrészt kémiai összetétele) hasonló a kandallókéményekben található koromhoz: finom fekete por. A korom, amely a fent felsorolt szennyező anyagok bármelyikét hordozhatja, káros a tüdőre. De még károsabb, mert elég kicsi ahhoz, hogy belélegezve a véráramba kerüljön. Még az agyba is bekerülhet. Az otthonokban használt szén és más szilárd tüzelőanyagok a légszennyezés okozta halálesetek egyik fő oka Indiában. Indiában a koromról ismert, hogy bevonja a gleccsereket, ami elsötétíti őket, így több hőt vonnak be a napból, és gyorsabban olvadnak.
Kén-oxid: Magas hőmérsékleten a kemencében a szénben lévő kén és a levegő oxigénje kén-oxiddá egyesül, amely belélegezve irritáló hatású. Vízzel egyesülve kénsavat képez, ami savas esőt okoz. Az 1960-as és 1970-es években a kéneső gyakori jelenség volt az Egyesült Államokban és más országokban. Azóta a legtöbb erőművet kötelezték olyan berendezések telepítésére, amelyek a kénkibocsátást a kéményből vonják ki, de a kén egy része még mindig a légkörbe kerül.
Nitrogén-oxidok: A kénhez hasonlóan a szénben lévő nitrogén is egyesül a levegő oxigénjével, és nitrogén-oxidok keverékét alkotja. Ezek irritáló hatásúak, és légzőszervi megbetegedéseket, például tüdőgyulladást okozhatnak. A nitrogén-oxidok kémiailag is aktívak, ami azt jelenti, hogy a légkörben lévő más szennyező anyagokkal keveredve újakat, például ózont hoznak létre.
Az illékony szerves vegyületek (VOC): A szénbányászat és a szénégetés káros szénalapú vegyületeket bocsát ki, amelyek gázként megmaradnak a légkörben. Ezekkel a nitrogén-oxidok reakcióba lépve ózont és más szennyező anyagokat képezhetnek. Ezek a vegyi anyagok károsak az emberekre, más állatokra és növényekre.
Szén-monoxid: Néha ahelyett, hogy a szén egyesülne az oxigénnel szén-dioxiddá, szén-monoxiddá reagál – mérgező gázzá.
A szénerőművekre vonatkozó szabályozások az évek során segítettek csökkenteni e szennyező anyagok egy részét. Az indiai szénerőművek azonban komoly lemaradásban vannak. A kormány 2015-ben 2017-re tűzte ki a határidőt az erőművek számára, hogy olyan berendezéseket telepítsenek, amelyek csökkentik a kén- és nitrogénkibocsátást. Kevés erőmű teljesítette a határidőt, ezért a kormány most 2022-ig meghosszabbította azt. Ez a késedelem valószínűleg évente legalább 26 000 idő előtti halálesetet és sok millió munkanap kiesését fogja okozni.
A fejlettebb országokban már felszerelték ezeket a tisztítóberendezéseket – és néhányan közülük még egy lépéssel tovább is mennek. Két szénerőmű – egy kanadai és egy amerikai – már az általuk termelt szén-dioxid nagy részét leválasztja. Mindkét esetben a leválasztott szén-dioxidot a földbe szivattyúzzák, hogy olajat nyerjenek belőle. Amint a technológia elég olcsó lesz, a kibocsátók egyszerűen a föld alá temethetik a szén-dioxidot, anélkül, hogy a folyamatot az olaj eladásával kellene támogatniuk.
Ezzel együtt semmilyen szabályozás nem lesz képes teljesen megszüntetni a fosszilis tüzelőanyagok elégetéséből származó károsanyag-kibocsátást. Kárukat csak akkor hagyhatjuk magunk mögött, ha abbahagyjuk a földből való kitermelésüket.