Citiți un articol exclusiv pentru membrii Quartz, disponibil pentru toți cititorii pentru o perioadă limitată de timp.Pentru a debloca accesul la tot Quartz, deveniți membru.
Lumea abia așteaptă să scape de nevoia de cărbune. Fără reducerea drastică a utilizării cărbunelui, există puține șanse de a atinge obiectivele privind emisiile de gaze cu efect de seră și de a evita cele mai catastrofale efecte ale schimbărilor climatice.
Și eliminarea acestui material nu se referă doar la gazele cu efect de seră: Exploatarea cărbunelui și apoi arderea lui produc alte toxine, poluându-ne aerul, apa și solul.
Ce face cărbunele atât de murdar? Pentru a înțelege, va trebui să ne punem halatele de laborator și să abordăm doar un pic de chimie.
Aritmetica efectului de seră
Problema gazelor cu efect de seră este relativ ușor de înțeles. Toți combustibilii fosili sunt compuși în cea mai mare parte din carbon și hidrogen. Atunci când sunt arse, carbonul se transformă în dioxid de carbon, iar hidrogenul în apă. Fiecare dintre aceste reacții produce o cantitate ușor diferită de căldură.
C + O2 → CO2 generează 393 kJ de căldură
H2 + 0,5 O2 → H2O generează 242 kJ de căldură
Produsul care ne îngrijorează cel mai mult este dioxidul de carbon, un gaz cu efect de seră care reține căldura soarelui în atmosfera noastră. Ceea ce înseamnă că cel mai bun combustibil fosil – cel care va produce cele mai puține emisii de CO2 pentru a genera aceeași cantitate de căldură – este unul care conține o mulțime de atomi de hidrogen pentru fiecare atom de carbon.
Gazul natural câștigă această bătălie detașat. Acesta conține în cea mai mare parte metan, o substanță chimică simplă cu formula CH4. Asta înseamnă că există patru atomi de hidrogen pentru fiecare atom de carbon, maximul pe care îl poate găzdui un singur atom de carbon.
Formula chimică a cărbunelui este mult mai complexă (așa cum vom vedea mai târziu). Acest lucru se datorează faptului că, spre deosebire de gazul natural, cărbunele este un amestec de mai multe mii de tipuri de substanțe chimice. Dar, pentru a înțelege producția sa de căldură, putem simplifica formula cărbunelui la CH (adică un atom de hidrogen pentru fiecare atom de carbon).
Rezultatul este că, în comparație cu gazele naturale, cărbunele produce de două ori mai mult dioxid de carbon pe unitate de energie termică.
Început greoi
Peste contribuția gazelor cu efect de seră la schimbările climatice, cărbunele are și alte probleme. Acestea au legătură cu modul în care s-a format.
„Cărbunele este cel mai complex solid pe care l-am găsit și analizat vreodată”, spune Jonathan Mathews, cercetător în domeniul cărbunelui la Universitatea din Pennsylvania.
Cu multe milioane de ani în urmă, un fel de eveniment natural – poate o inundație, poate un taifun – a îngropat vaste păduri sub apă. Pe măsură ce noi straturi de sol s-au depus deasupra copacilor, privându-i de aer, lemnul îngropat s-a transformat încet în turbării. S-au acumulat din ce în ce mai multe straturi de sedimente, crescând presiunea și temperatura de dedesubt, până când, în cele din urmă, mlaștina s-a transformat în cărbune.
Eu sunt intenționat vag în ceea ce privește „multe milioane”, deoarece depozitele de cărbune din diferite regiuni pot avea vârste diferite. Cărbunele din Statele Unite a fost creat în timpul perioadei Carboniferului, care a durat între 360 de milioane și 300 de milioane de ani în urmă. Pe de altă parte, cărbunele australian s-a format în timpul perioadei Permian, între 300 de milioane și 250 de milioane de ani în urmă.
Pentru că s-a format inițial din plante, cărbunele conține în principal carbon, hidrogen, oxigen și azot. Cărbunele a contribuit la crearea ramurii chimiei bazate pe carbon pe care o numim „chimie organică”. Atunci când cărbunele este încălzit în absența aerului, amestecul său complex se descompune în forme mai simple. Aceste substanțe chimice – cum ar fi benzenul, toluenul, naftalina, antracenul și fenolul – formează baza parfumurilor, a explozivilor și a medicamentelor.
Plantele au, de asemenea, o întreagă serie de alte elemente din tabelul periodic, în cantități mult mai mici. În mod crucial, în timpul formării sale, cărbunele poate absorbi și alte elemente care se găsesc în depozitele de noroi din jur sau în apa contaminată. În funcție de geologia regiunii, tipurile și cantitățile acestor elemente variază; mai mult de jumătate din tabelul periodic al elementelor a fost detectat în diferite tipuri de cărbune.
„Procesul prin care se formează cărbunele îi sporește complexitatea”, spune Mathews. „Acesta este motivul pentru care aproape fiecare bucată de cărbune găsită este unică din punct de vedere chimic.”
Când cărbunele este ars, multe dintre aceste elemente sunt aruncate în atmosferă alături de alte gaze. Acestea pot călători kilometri întregi înainte de a ajunge pe plante sau în sol, unde ar putea fi absorbite de copaci sau de culturi și, în cele din urmă, să fie consumate de oameni. Unele dintre aceste elemente pot ajunge, de asemenea, în plămânii oamenilor, unde cele otrăvitoare, cum ar fi staniul, cadmiul și mercurul, pot dăuna cu adevărat sistemelor nervos, digestiv și imunitar.
În ciuda reglementărilor privind industria cărbunelui, aceste metale ajung frecvent în mediul înconjurător. Mai mult de 40% din toate emisiile de mercur din SUA provin încă de la centralele electrice pe bază de cărbune. În 2014, numai în SUA, activitățile legate de cărbune au eliberat, de asemenea, 40 de tone de plumb, 30 de tone de arsenic și 4 tone de cadmiu.
Sfârșit tulbure
Toți acești poluanți chimici reprezintă însă doar o parte din problemă. Cea mai vizibilă manifestare a impactului cărbunelui asupra mediului este smogul: rezultatul reacției chimice a arderii cărbunelui. Deoarece cărbunele este un amestec complex de substanțe chimice, acesta nu arde la fel de curat ca și gazele naturale – nu tot carbonul și hidrogenul se transformă în mod curat în dioxid de carbon și apă. În schimb, fumul de cărbune conține particule de carbon necombustite sau pe jumătate arse, oxid de sulf, oxizi de azot și o mulțime de molecule organice complexe formate în procesul de ardere.
Care dintre acestea are propriul mod de a provoca daune. Haideți să le luăm pe rând.
Soot: Particulele de cărbune necombustite sau pe jumătate arse ale cărbunelui pot fi clasificate ca funingine. Aspectul său (și, în mare măsură, compoziția sa chimică) este similar cu funinginea care se găsește în coșurile de fum ale șemineelor: o pulbere neagră fină. Funinginea, care poate purta oricare dintre contaminanții enumerați mai sus, este dăunătoare pentru plămâni. Dar este și mai dăunătoare pentru că este suficient de mică pentru a intra în fluxul sanguin odată inhalată. Poate ajunge chiar și în creier. Cărbunele și alți combustibili solizi utilizați în locuințe reprezintă una dintre principalele cauze ale deceselor cauzate de poluarea aerului în India. În India, se știe că funinginea acoperă ghețarii, ceea ce îi întunecă pentru a capta mai multă căldură de la soare și a se topi mai repede.
Oxidul de sulf: La temperaturi ridicate în interiorul unui cuptor, sulful din cărbune și oxigenul din aer se combină pentru a forma oxid de sulf, care este iritant dacă este respirat. Când se combină cu apa, formează acid sulfuric-creând ploi acide. În anii 1960 și 1970, ploaia de sulf a fost un fenomen comun în SUA și în alte țări. De atunci, majoritatea centralelor electrice au fost obligate să instaleze echipamente care să tragă emisiile de sulf de la coșul de fum, dar o parte din sulf încă se mai strecoară în atmosferă.
Oxizi de azot: Ca și sulful, azotul din cărbune se combină cu oxigenul din aer pentru a forma un amestec de oxizi de azot. Aceștia sunt iritanți și pot provoca boli respiratorii precum pneumonia. Oxizii de azot sunt, de asemenea, activi din punct de vedere chimic, ceea ce înseamnă că se amestecă cu alți poluanți din atmosferă pentru a crea alții noi, cum ar fi ozonul.
Compuși organici volatili (COV): Mineritul și arderea cărbunelui eliberează compuși nocivi pe bază de carbon care persistă în atmosferă sub formă de gaze. Aceștia sunt cei cu care oxizii de azot pot reacționa pentru a forma ozon și alți poluanți. Aceste substanțe chimice sunt dăunătoare pentru oameni, alte animale și plante.
Monoxid de carbon: Uneori, în loc ca carbonul să se combine cu oxigenul pentru a forma dioxid de carbon, acesta va reacționa pentru a crea monoxid de carbon – un gaz otrăvitor.
De-a lungul anilor, reglementările de la centralele electrice pe bază de cărbune au ajutat la reducerea unora dintre acești poluanți. Cu toate acestea, centralele electrice pe cărbune din India înregistrează întârzieri serioase. În 2015, guvernul a stabilit un termen limită pentru 2017 pentru ca centralele electrice să instaleze echipamente care să reducă emisiile de sulf și azot. Puține centrale electrice s-au conformat până la termenul limită, așa că acum guvernul l-a prelungit până în 2022. Este probabil ca această întârziere să provoace cel puțin 26.000 de decese premature și pierderea mai multor milioane de zile lucrătoare în fiecare an.
Tările mai avansate au deja instalate aceste epuratoare – iar unele dintre ele merg chiar mai departe. Două centrale electrice pe cărbune, una în Canada și una în SUA, captează acum cea mai mare parte a dioxidului de carbon pe care îl produc. În ambele cazuri, dioxidul de carbon capturat este pompat în sol pentru a extrage petrol. Odată ce tehnologia va deveni suficient de ieftină, emițătorii ar putea pur și simplu să-și îngroape dioxidul de carbon în subteran, fără a mai fi nevoiți să subvenționeze procesul prin vânzarea de petrol.
Cu toate acestea, nicio reglementare nu va putea elimina complet emisiile nocive generate de arderea combustibililor fosili. Noxele lor pot fi lăsate în urmă doar dacă încetăm să le mai extragem din sol.
.