Czytasz właśnie artykuł ekskluzywny dla członków Quartz, dostępny dla wszystkich czytelników przez ograniczony czas.
Świat nie może się doczekać, aby pozbyć się zapotrzebowania na węgiel. Bez drastycznego ograniczenia zużycia węgla nie ma szans na osiągnięcie celów dotyczących emisji gazów cieplarnianych i uniknięcie najbardziej katastrofalnych skutków zmian klimatycznych.
A wyeliminowanie węgla nie dotyczy tylko gazów cieplarnianych: Wydobywając węgiel, a następnie spalając go, produkujemy inne toksyny, zanieczyszczając nasze powietrze, wodę i glebę.
Co sprawia, że węgiel jest tak brudny? Aby to zrozumieć, musimy założyć nasze fartuchy laboratoryjne i zająć się odrobiną chemii.
Arytmetyka cieplarniana
Problem gazów cieplarnianych jest stosunkowo łatwy do uchwycenia. Wszystkie paliwa kopalne składają się głównie z węgla i wodoru. Podczas spalania węgiel przekształca się w dwutlenek węgla, a wodór w wodę. Każda z tych reakcji wytwarza nieco inną ilość ciepła.
C + O2 → CO2 wytwarza 393 kJ ciepła
H2 + 0,5 O2 → H2O wytwarza 242 kJ ciepła
Produktem, którego najbardziej się obawiamy, jest dwutlenek węgla, gaz cieplarniany, który zatrzymuje ciepło słoneczne w naszej atmosferze. Oznacza to, że lepszym paliwem kopalnym – takim, które wytworzy najmniejszą ilość emisji CO2 przy wytworzeniu tej samej ilości ciepła – jest takie, które zawiera dużo atomów wodoru na każdy atom węgla.
Gaz ziemny wygrywa tę bitwę z nawiązką. Zawiera on głównie metan, prostą substancję chemiczną o wzorze CH4. Oznacza to, że na każdy atom węgla przypadają cztery atomy wodoru, czyli maksimum, jakie może pomieścić pojedynczy atom węgla.
Wzór chemiczny węgla jest o wiele bardziej złożony (co zobaczymy później). Dzieje się tak dlatego, że w przeciwieństwie do gazu ziemnego, węgiel jest mieszaniną wielu tysięcy rodzajów związków chemicznych. Aby jednak zrozumieć produkcję ciepła, możemy uprościć wzór węgla do CH (na każdy atom węgla przypada jeden atom wodoru).
Wynik jest taki, że węgiel produkuje dwa razy więcej dwutlenku węgla na jednostkę energii cieplnej niż gaz ziemny.
Zamglony początek
Poza przyczynianiem się gazów cieplarnianych do zmian klimatycznych, węgiel ma inne problemy. Węgiel jest najbardziej złożonym ciałem stałym, jakie kiedykolwiek odkryliśmy i przeanalizowaliśmy” – mówi Jonathan Mathews, naukowiec zajmujący się węglem na Uniwersytecie Pensylwanii.
Mnóstwo milionów lat temu, jakieś naturalne wydarzenie – być może powódź, być może tajfun – pogrzebało pod wodą rozległe lasy. W miarę jak nowe warstwy gleby osadzały się na drzewach, pozbawiając je powietrza, zakopane drewno powoli zamieniało się w torfowiska. Coraz więcej warstw osadów gromadziło się, podnosząc ciśnienie i temperaturę, aż w końcu torfowisko zamieniło się w węgiel.
Jestem celowo nieprecyzyjny w kwestii „wielu milionów”, ponieważ złoża węgla w różnych regionach mogą mieć różny wiek. Węgiel w Stanach Zjednoczonych powstał w okresie karbonu, który trwał od 360 mln do 300 mln lat temu. Z drugiej strony, węgiel australijski powstał w okresie permskim, pomiędzy 300 a 250 milionów lat temu.
Ponieważ pierwotnie powstał z roślin, węgiel zawiera głównie węgiel, wodór, tlen i azot. Węgiel pomógł stworzyć opartą na węglu gałąź chemii, którą nazywamy „chemią organiczną”. Kiedy węgiel jest podgrzewany bez dostępu powietrza, jego złożona mieszanina rozpada się na prostsze formy. Te związki chemiczne – takie jak benzen, toluen, naftalen, antracen i fenol – stanowią podstawę perfum, materiałów wybuchowych i leków.
Rośliny posiadają również cały szereg innych pierwiastków z układu okresowego w znacznie mniejszych ilościach. Co ważne, w trakcie swojego powstawania węgiel może wchłonąć jeszcze inne pierwiastki znajdujące się w otaczającym go mule lub zanieczyszczonej wodzie. W zależności od geologii regionu, rodzaje i ilości tych pierwiastków różnią się; w różnych rodzajach węgla wykryto ponad połowę pierwiastków z układu okresowego.
„Proces, w którym powstaje węgiel, zwiększa jego złożoność” – mówi Mathews. „Dlatego prawie każdy znaleziony kawałek węgla jest chemicznie unikalny.”
Gdy węgiel jest spalany, wiele z tych pierwiastków jest wyrzucanych do atmosfery wraz z innymi gazami. Mogą one przemieszczać się na wiele kilometrów, zanim wylądują na roślinach lub w glebie, gdzie mogą zostać wchłonięte przez drzewa lub uprawy, a w końcu zjedzone przez ludzi. Niektóre z tych pierwiastków mogą również trafić do płuc ludzi, gdzie trujące, takie jak cyna, kadm i rtęć mogą wyrządzić prawdziwą krzywdę układom nerwowym, pokarmowym i odpornościowym.
Mimo regulacji dotyczących przemysłu węglowego, metale te często trafiają do środowiska. Ponad 40% wszystkich emisji rtęci w USA nadal pochodzi z elektrowni węglowych. W 2014 r. w samych Stanach Zjednoczonych działalność związana z węglem uwolniła również 40 ton metrycznych ołowiu, 30 ton arsenu i 4 tony kadmu.
Smogowy koniec
Wszystkie te zanieczyszczenia chemiczne stanowią jednak tylko część problemu. Bardziej widocznym przejawem wpływu węgla na środowisko jest smog: wynik reakcji chemicznej zachodzącej podczas spalania węgla. Ponieważ węgiel jest złożoną mieszaniną chemikaliów, nie spala się tak czysto jak gaz ziemny – nie cały węgiel i wodór zostają przekształcone w dwutlenek węgla i wodę. Zamiast tego, dym węglowy zawiera niespalone lub częściowo spalone cząsteczki węgla, tlenek siarki, tlenki azotu i wiele złożonych cząsteczek organicznych powstałych w procesie spalania.
Każda z tych substancji ma swój własny sposób powodowania szkód. Zajmijmy się nimi po kolei.
Sop: Niespalone lub w połowie spalone cząsteczki węgla można zakwalifikować jako sadzę. Jej wygląd (i w dużym stopniu jej skład chemiczny) jest podobny do sadzy znajdującej się w kominach kominkowych: drobny czarny proszek. Sadza, która może zawierać dowolną liczbę wyżej wymienionych zanieczyszczeń, jest szkodliwa dla płuc. Ale jest jeszcze bardziej szkodliwa, ponieważ jest na tyle mała, że po wdychaniu dostaje się do krwiobiegu. Może nawet skończyć w mózgu. Węgiel i inne paliwa stałe używane w domach są główną przyczyną zgonów spowodowanych zanieczyszczeniem powietrza w Indiach. W Indiach sadza jest znana z tego, że pokrywa lodowce, co powoduje ich przyciemnienie, dzięki czemu zatrzymują więcej ciepła słonecznego i topią się szybciej.
Tlenek siarki: Przy wysokich temperaturach wewnątrz pieca, siarka w węglu i tlen w powietrzu łączą się tworząc tlenek siarki, który jest drażniący w przypadku oddychania. Kiedy łączy się on z wodą, tworzy kwas siarkowy – tworząc kwaśne deszcze. W latach 60-tych i 70-tych XX wieku, deszcze siarkowe były powszechnym zjawiskiem w USA i innych krajach. Od tego czasu większość elektrowni została zobowiązana do zainstalowania sprzętu, który wyciąga emisje siarki z komina, ale pewna ilość siarki nadal wślizguje się do atmosfery.
Tlenki azotu: Podobnie jak siarka, azot w węglu łączy się z tlenem w powietrzu, tworząc mieszaninę tlenków azotu. Są one drażniące i mogą powodować choroby układu oddechowego, takie jak zapalenie płuc. Tlenki azotu są również aktywne chemicznie, co oznacza, że mieszają się z innymi zanieczyszczeniami w atmosferze, tworząc nowe, takie jak ozon.
Lotne związki organiczne (VOC): Górnictwo węglowe i spalanie węgla uwalniają szkodliwe związki na bazie węgla, które utrzymują się w atmosferze jako gazy. To właśnie z nimi mogą reagować tlenki azotu, tworząc ozon i inne zanieczyszczenia. Te związki chemiczne są szkodliwe dla ludzi, innych zwierząt i roślin.
Tlenek węgla: Czasami, zamiast węgla łączącego się z tlenem w celu utworzenia dwutlenku węgla, reaguje on w celu utworzenia tlenku węgla – trującego gazu.
Na przestrzeni lat, przepisy w elektrowniach węglowych pomogły ograniczyć niektóre z tych zanieczyszczeń. Indyjskie elektrownie węglowe są jednak poważnie opóźnione. W 2015 r. rząd wyznaczył na rok 2017 termin, w którym elektrownie mają zainstalować urządzenia ograniczające emisję siarki i azotu. Niewiele elektrowni dotrzymało tego terminu, więc rząd przedłużył go do 2022 roku. To opóźnienie prawdopodobnie spowoduje co najmniej 26 000 przedwczesnych zgonów i utratę wielu milionów dni roboczych każdego roku.
W bardziej zaawansowanych krajach płuczki są już zainstalowane – a niektóre z nich idą nawet o krok dalej. Dwie elektrownie węglowe, jedna w Kanadzie, a druga w USA, wychwytują obecnie większość produkowanego przez siebie dwutlenku węgla. W obu przypadkach wychwycony dwutlenek węgla jest pompowany do ziemi w celu wydobycia ropy naftowej. Gdy technologia stanie się wystarczająco tania, emitenci mogliby po prostu zakopać dwutlenek węgla pod ziemią, bez konieczności subsydiowania tego procesu poprzez sprzedaż ropy naftowej.
Jednakże żadna regulacja nie będzie w stanie całkowicie wyeliminować szkodliwych emisji pochodzących ze spalania paliw kopalnych. Szkodliwe skutki ich spalania można usunąć tylko wtedy, gdy przestaniemy wydobywać je z ziemi.