Stai leggendo una storia esclusiva per i membri di Quartz, disponibile per tutti i lettori per un tempo limitato. Senza tagliare drasticamente l’uso del carbone, ci sono poche possibilità di raggiungere gli obiettivi di emissione di gas serra e di evitare gli effetti più catastrofici del cambiamento climatico.
E l’eliminazione del materiale non riguarda solo i gas serra: Estrarre il carbone e poi bruciarlo produce altre tossine, inquinando la nostra aria, l’acqua e il suolo.
Cosa rende il carbone così sporco? Per capire, dovremo indossare i nostri camici e affrontare un po’ di chimica.
Aritmetica dell’effetto serra
Il problema dei gas serra è relativamente facile da capire. Tutti i combustibili fossili sono composti principalmente da carbonio e idrogeno. Quando vengono bruciati, il carbonio viene convertito in anidride carbonica e l’idrogeno in acqua. Ognuna di queste reazioni produce una quantità leggermente diversa di calore.
C + O2 → CO2 genera 393 kJ di calore
H2 + 0,5 O2 → H2O genera 242 kJ di calore
Il prodotto che ci interessa di più è l’anidride carbonica, un gas serra che intrappola il calore del sole nella nostra atmosfera. Il che significa che il miglior combustibile fossile – quello che produrrà il minor numero di emissioni di CO2 per generare la stessa quantità di calore – è quello che contiene molti atomi di idrogeno per ogni atomo di carbonio.
Il gas naturale vince questa battaglia a mani basse. Contiene soprattutto metano, una sostanza chimica semplice con la formula CH4. Ciò significa che ci sono quattro atomi di idrogeno per ogni atomo di carbonio, il massimo che un singolo atomo di carbonio può ospitare.
La formula chimica del carbone è molto più complessa (come vedremo più avanti). Questo perché, a differenza del gas naturale, il carbone è una miscela di molte migliaia di tipi di sostanze chimiche. Ma per capire la sua produzione di calore, possiamo semplificare la formula del carbone in CH (un atomo di idrogeno per ogni atomo di carbonio).
Il risultato è che il carbone produce il doppio di anidride carbonica per unità di energia termica rispetto al gas naturale.
Inizio difficile
Oltre al contributo dei gas serra al cambiamento climatico, il carbone ha altri problemi. Il carbone è il solido più complesso che abbiamo mai trovato e analizzato”, dice Jonathan Mathews, uno scienziato del carbone all’Università della Pennsylvania.
Molti milioni di anni fa, un qualche evento naturale – forse un’inondazione, forse un tifone – ha seppellito vaste foreste sott’acqua. Mentre nuovi strati di terra si depositavano sopra gli alberi, privandoli dell’aria, il legno interrato si trasformava lentamente in torbiere. Si accumularono sempre più strati di sedimenti, aumentando la pressione e la temperatura sottostante, finché alla fine la torbiera si trasformò in carbone.
Sono stato volutamente vago su “molti milioni” perché i depositi di carbone in regioni diverse possono avere età diverse. Il carbone negli Stati Uniti è stato creato durante il periodo Carbonifero, che è durato da 360 milioni a 300 milioni di anni fa. Il carbone australiano, invece, si è formato durante il periodo Permiano, tra 300 milioni e 250 milioni di anni fa.
Perché si è formato originariamente dalle piante, il carbone contiene soprattutto carbonio, idrogeno, ossigeno e azoto. Il carbone ha contribuito a creare il ramo della chimica basato sul carbonio che chiamiamo “chimica organica”. Quando il carbone viene riscaldato in assenza di aria, la sua miscela complessa si scompone in forme più semplici. Queste sostanze chimiche – come il benzene, il toluene, la naftalina, l’antracene e il fenolo – formano la base per i profumi, gli esplosivi e le medicine.
Le piante hanno anche tutta una serie di altri elementi della tavola periodica in quantità molto minori. Fondamentalmente, durante la sua formazione, il carbone può assorbire ancora altri elementi che si trovano nei depositi di fango circostanti o nell’acqua contaminata. A seconda della geologia della regione, i tipi e le quantità di questi elementi variano; più della metà della tavola periodica degli elementi è stata rilevata in diversi tipi di carbone.
“Il processo attraverso il quale il carbone si forma compone la sua complessità”, dice Mathews. “Ecco perché quasi ogni pezzo di carbone trovato è chimicamente unico.”
Quando il carbone viene bruciato, molti di questi elementi vengono scaricati nell’atmosfera insieme ad altri gas. Questi possono viaggiare per miglia prima di atterrare sulle piante o nel terreno, dove potrebbero essere assorbiti dagli alberi o dalle colture ed eventualmente essere mangiati dagli esseri umani. Alcuni di questi elementi possono anche finire nei polmoni delle persone, dove quelli velenosi come lo stagno, il cadmio e il mercurio possono fare danni reali al sistema nervoso, digestivo e immunitario.
Nonostante i regolamenti sull’industria del carbone, questi metalli finiscono spesso nell’ambiente. Più del 40% di tutte le emissioni di mercurio negli Stati Uniti provengono ancora dalle centrali a carbone. Nel 2014, solo negli Stati Uniti, le attività legate al carbone hanno rilasciato anche 40 tonnellate di piombo, 30 tonnellate di arsenico e 4 tonnellate di cadmio.
Smogy end
Tutti questi inquinanti chimici rappresentano solo una parte del problema, però. La manifestazione più visibile dell’impatto ambientale del carbone è lo smog: il risultato della reazione chimica della combustione del carbone. Poiché il carbone è una miscela complessa di sostanze chimiche, non brucia in modo pulito come il gas naturale: non tutto il carbonio e l’idrogeno vengono convertiti ordinatamente in anidride carbonica e acqua. Invece, il fumo del carbone contiene particelle non bruciate o bruciate a metà di carbonio, ossido di zolfo, ossidi di azoto, e molte molecole organiche complesse formate nel processo di combustione. Prendiamoli uno per uno.
Calcio: Le particelle di carbone incombusto o mezzo bruciato possono essere classificate come fuliggine. Il suo aspetto (e in larga misura la sua composizione chimica) è simile alla fuliggine che si trova nei camini dei caminetti: una fine polvere nera. La fuliggine, che può portare qualsiasi numero di contaminanti elencati sopra, è dannosa per i polmoni. Ma è ancora più dannosa perché è abbastanza piccola da entrare nel flusso sanguigno una volta inalata. Può anche finire nel cervello. Il carbone e altri combustibili solidi usati nelle case sono una delle principali cause di morte per inquinamento dell’aria in India. In India, la fuliggine è nota per rivestire i ghiacciai, che li scurisce per intrappolare più calore dal sole e sciogliersi più velocemente.
Ossido di zolfo: Alle alte temperature all’interno di una fornace, lo zolfo del carbone e l’ossigeno dell’aria si combinano per formare ossido di zolfo, che è irritante se respirato. Quando si combina con l’acqua, forma l’acido solforico, creando la pioggia acida. Negli anni ’60 e ’70, la pioggia di zolfo era un fenomeno comune negli Stati Uniti e in altri paesi. Da allora, alla maggior parte delle centrali elettriche è stato richiesto di installare attrezzature che tirano le emissioni di zolfo dalla ciminiera, ma un po’ di zolfo scivola ancora nell’atmosfera.
Ossidi di azoto: Come lo zolfo, l’azoto nel carbone si combina con l’ossigeno nell’aria per formare una miscela di ossidi di azoto. Questi sono irritanti e possono causare malattie respiratorie come la polmonite. Gli ossidi di azoto sono anche chimicamente attivi, il che significa che si mescolano con altri inquinanti nell’atmosfera per crearne di nuovi, come l’ozono.
Composti organici volatili (COV): L’estrazione e la combustione del carbone rilasciano composti nocivi a base di carbonio che persistono nell’atmosfera come gas. Questi sono ciò con cui gli ossidi di azoto possono reagire per formare ozono e altri inquinanti. Queste sostanze chimiche sono dannose per gli esseri umani, altri animali e piante.
Monossido di carbonio: A volte, invece di combinarsi con l’ossigeno per formare anidride carbonica, il carbonio reagisce per creare monossido di carbonio, un gas velenoso.
Nel corso degli anni, i regolamenti delle centrali a carbone hanno contribuito a ridurre alcuni di questi inquinanti. Le centrali a carbone indiane, tuttavia, sono in grave ritardo. Nel 2015, il governo ha fissato una scadenza per il 2017 per l’installazione da parte delle centrali elettriche di attrezzature che ridurranno le emissioni di zolfo e azoto. Poche centrali avevano rispettato la scadenza, così ora il governo l’ha estesa al 2022. Questo ritardo causerà probabilmente almeno 26.000 morti premature e la perdita di molti milioni di giorni di lavoro ogni anno.
I paesi più avanzati hanno già installato questi scrubber e alcuni di loro stanno anche facendo un passo avanti. Due centrali a carbone, una in Canada e una negli Stati Uniti, ora catturano la maggior parte dell’anidride carbonica che producono. In entrambi i casi, l’anidride carbonica catturata viene pompata nel terreno per estrarre il petrolio. Una volta che la tecnologia sarà abbastanza economica, gli emettitori potrebbero semplicemente seppellire la loro anidride carbonica nel sottosuolo senza dover sovvenzionare il processo vendendo petrolio.
Detto questo, nessuna regolamentazione sarà in grado di eliminare completamente le emissioni nocive della combustione dei combustibili fossili. I loro danni possono essere lasciati alle spalle solo se smettiamo di estrarli dal terreno.