U leest een exclusief verhaal voor leden van Quartz, dat voor een beperkte tijd beschikbaar is voor alle lezers.
Om toegang te krijgen tot heel Quartz moet u lid worden.
De wereld kan niet wachten om zich te ontdoen van de behoefte aan steenkool. Zonder een drastische vermindering van het gebruik van steenkool is er weinig kans dat we de doelstellingen voor de uitstoot van broeikasgassen halen en de meest catastrofale gevolgen van klimaatverandering vermijden.
En het elimineren van steenkool heeft niet alleen te maken met broeikasgassen: Het delven en verbranden van steenkool produceert andere giftige stoffen, die onze lucht, water en bodem vervuilen.
Wat maakt steenkool zo vies? Om dat te begrijpen, moeten we onze labjassen aantrekken en een beetje scheikunde leren.
Rekenkunde voor broeikasgassen
Het probleem van de broeikasgassen is relatief eenvoudig te begrijpen. Alle fossiele brandstoffen bestaan voor het grootste deel uit koolstof en waterstof. Bij verbranding wordt de koolstof omgezet in kooldioxide en de waterstof in water. Elk van deze reacties produceert een iets andere hoeveelheid warmte.
C + O2 → CO2 genereert 393 kJ warmte
H2 + 0,5 O2 → H2O genereert 242 kJ warmte
Het product waar we ons het meest zorgen over maken is kooldioxide, een broeikasgas dat zonnewarmte in onze atmosfeer vasthoudt. Dat betekent dat de beste fossiele brandstof – degene die de minste CO2-uitstoot produceert om dezelfde hoeveelheid warmte op te wekken – een brandstof is die veel waterstofatomen bevat voor elke koolstofatoom.
Natuurlijk gas wint die strijd met kop en schouders. Het bevat voornamelijk methaan, een eenvoudige chemische stof met de formule CH4. Dat betekent dat er vier waterstofatomen zijn voor elk koolstofatoom, het maximum dat een enkel koolstofatoom kan bevatten.
De chemische formule van steenkool is veel complexer (zoals we later zullen zien). Dat komt omdat steenkool, in tegenstelling tot aardgas, een mengsel is van vele duizenden soorten chemische stoffen. Maar om de warmteproductie te begrijpen, kunnen we de formule van steenkool vereenvoudigen tot CH (dat is één waterstofatoom voor elk koolstofatoom).
Het resultaat is dat steenkool tweemaal zoveel kooldioxide per eenheid warmte-energie produceert als aardgas.
Boggy start
Naast de bijdrage van broeikasgassen aan de klimaatverandering, heeft steenkool nog andere problemen. Die hebben te maken met hoe het spul is gevormd.
“Steenkool is de meest complexe vaste stof die we ooit hebben gevonden en geanalyseerd,” zegt Jonathan Mathews, een steenkoolwetenschapper aan de Universiteit van Pennsylvania.
Miljoenen jaren geleden heeft een of andere natuurlijke gebeurtenis – misschien een overstroming, misschien een tyfoon – uitgestrekte bossen onder water doen bedelven. Terwijl nieuwe lagen aarde op de bomen werden afgezet, waardoor ze van lucht werden beroofd, veranderde het begraven hout langzaam in veenmoerassen. Steeds meer lagen sediment stapelden zich op, waardoor de druk en de temperatuur eronder toenamen, totdat uiteindelijk het veen veranderde in steenkool.
Ik ben opzettelijk vaag over “vele miljoenen”, omdat steenkoollagen in verschillende regio’s verschillende leeftijden kunnen hebben. Steenkool in de Verenigde Staten is ontstaan in het Carboon, dat 360 miljoen tot 300 miljoen jaar geleden duurde. Australische steenkool daarentegen ontstond in het Perm-tijdperk, tussen 300 miljoen en 250 miljoen jaar geleden.
Omdat steenkool oorspronkelijk uit planten is ontstaan, bevat het voornamelijk koolstof, waterstof, zuurstof en stikstof. Steenkool heeft bijgedragen aan het ontstaan van de op koolstof gebaseerde tak van de scheikunde die we “organische scheikunde” noemen. Wanneer steenkool wordt verhit in afwezigheid van lucht, valt het complexe mengsel uiteen in eenvoudigere vormen. Deze chemische stoffen – zoals benzeen, tolueen, naftaleen, antraceen en fenol – vormen de basis voor parfums, explosieven en geneesmiddelen.
Planten bevatten ook een hele reeks andere elementen uit het periodiek systeem, in veel kleinere hoeveelheden. Van cruciaal belang is dat steenkool tijdens zijn vorming nog andere elementen kan absorberen die zich in de omringende modderafzettingen of in verontreinigd water bevinden. Afhankelijk van de geologie van het gebied variëren de soorten en hoeveelheden van deze elementen; meer dan de helft van het periodiek systeem van elementen is in verschillende soorten steenkool aangetroffen.
“Het proces waardoor steenkool wordt gevormd, maakt het complexer,” zegt Mathews. “Daarom is bijna elk stuk steenkool dat wordt gevonden, chemisch uniek.”
Wanneer steenkool wordt verbrand, komen veel van deze elementen samen met andere gassen in de atmosfeer terecht. Deze kunnen kilometers afleggen voordat ze op planten of in de bodem terechtkomen, waar ze kunnen worden opgenomen in bomen of gewassen en uiteindelijk door mensen kunnen worden gegeten. Sommige van deze elementen kunnen ook in de longen van mensen terechtkomen, waar giftige stoffen als tin, cadmium en kwik echte schade kunnen toebrengen aan het zenuwstelsel, de spijsvertering en het immuunsysteem.
Ondanks de regelgeving voor de kolenindustrie komen deze metalen vaak in het milieu terecht. Meer dan 40% van alle kwikemissies in de VS is nog steeds afkomstig van kolencentrales. In 2014 kwam er alleen al in de VS bij kolengerelateerde activiteiten 40 ton lood, 30 ton arsenicum en 4 ton cadmium vrij.
Smoggy end
Al deze chemische verontreinigingen vormen echter maar een deel van het probleem. De meer zichtbare manifestatie van de milieu-impact van steenkool is smog: het resultaat van de chemische reactie van de verbranding van steenkool. Omdat steenkool een complex mengsel van chemicaliën is, verbrandt het niet zo schoon als aardgas – niet alle koolstof en waterstof wordt netjes omgezet in kooldioxide en water. In plaats daarvan bevat de rook van steenkool onverbrande of halfverbrande deeltjes koolstof, zwaveloxide, stikstofoxiden en een heleboel complexe organische moleculen die tijdens het verbrandingsproces worden gevormd.
Elk van deze moleculen heeft zijn eigen manier om schade te veroorzaken. Laten we ze een voor een bekijken.
Verbranding: Onverbrande of halfverbrande deeltjes van steenkool kunnen worden gecategoriseerd als roet. Het uiterlijk (en in grote mate de chemische samenstelling) lijkt op het roet in schoorstenen van open haarden: een fijn zwart poeder. Het roet, dat een aantal van de hierboven genoemde verontreinigende stoffen kan bevatten, is schadelijk voor de longen. Maar het is nog schadelijker omdat het klein genoeg is om na inademing in de bloedbaan terecht te komen. Het kan zelfs in de hersenen terechtkomen. Steenkool en andere vaste brandstoffen die in woningen worden gebruikt, zijn een belangrijke oorzaak van sterfgevallen door luchtverontreiniging in India. In India is bekend dat roet gletsjers bedekt, waardoor ze donkerder worden, meer zonnewarmte vasthouden en sneller smelten.
Zwaveloxide: Bij hoge temperaturen in een oven vormen zwavel in steenkool en zuurstof in de lucht samen zwaveloxide, dat bij inademing irriterend is. In combinatie met water vormt het zwavelzuur, waardoor zure regen ontstaat. In de jaren zestig en zeventig was zwavelhoudende regen een veel voorkomend verschijnsel in de VS en andere landen. Sindsdien zijn de meeste energiecentrales verplicht apparatuur te installeren die de zwaveluitstoot uit de schoorsteen haalt, maar er komt nog steeds wat zwavel in de atmosfeer terecht.
Stikstofoxiden: Net als zwavel verbindt stikstof in steenkool zich met zuurstof in de lucht tot een mengsel van stikstofoxiden. Deze zijn irriterend en kunnen aandoeningen van de luchtwegen veroorzaken, zoals longontsteking. Stikstofoxiden zijn ook chemisch actief, wat betekent dat ze zich mengen met andere verontreinigende stoffen in de atmosfeer om nieuwe te creëren, zoals ozon.
Vluchtige organische stoffen (VOC’s): Bij de winning en verbranding van steenkool komen schadelijke koolstofverbindingen vrij die als gassen in de atmosfeer blijven hangen. Dit zijn de stoffen waarmee stikstofoxiden kunnen reageren om ozon en andere verontreinigende stoffen te vormen. Deze chemische stoffen zijn schadelijk voor mensen, andere dieren en planten.
Koolmonoxide: Soms reageert koolstof niet met zuurstof tot kooldioxide, maar tot koolmonoxide – een giftig gas.
In de loop der jaren heeft de regelgeving voor kolencentrales geholpen een aantal van deze verontreinigende stoffen terug te dringen. Indiase kolencentrales lopen echter ernstig achter. In 2015 stelde de regering een deadline voor 2017 voor energiecentrales om apparatuur te installeren die de zwavel- en stikstofuitstoot zal verminderen. Maar weinig centrales hadden zich aan die termijn gehouden, dus heeft de regering die nu verlengd tot 2022. Die vertraging zal waarschijnlijk leiden tot minstens 26.000 vroegtijdige sterfgevallen en het verlies van vele miljoenen werkdagen per jaar.
Meer geavanceerde landen hebben deze gaszuiveraars al geïnstalleerd – en sommige gaan zelfs nog een stap verder. Twee kolencentrales, een in Canada en een in de VS, vangen nu het grootste deel van de kooldioxide op die zij produceren. In beide gevallen wordt de afgevangen kooldioxide in de grond gepompt om olie te winnen. Zodra de technologie goedkoop genoeg wordt, kunnen de vervuilers hun kooldioxide gewoon ondergronds begraven zonder dat zij het proces hoeven te subsidiëren door olie te verkopen.
Dit gezegd hebbende, zal geen enkele regeling in staat zijn de schadelijke emissies van de verbranding van fossiele brandstoffen volledig te elimineren. De schade ervan kan alleen worden achtergelaten als we stoppen ze uit de grond te halen.