Du läser en artikel som är exklusiv för Quartz-medlemmar och som är tillgänglig för alla läsare under en begränsad tid.För att få tillgång till hela Quartz måste du bli medlem.
Världen kan inte vänta på att bli av med behovet av kol. Utan en drastisk minskning av kolanvändningen finns det små chanser att nå målen för utsläpp av växthusgaser och undvika de mest katastrofala effekterna av klimatförändringarna.
Och att eliminera kolet handlar inte bara om växthusgaser: Att bryta kol och sedan förbränna det ger upphov till andra gifter som förorenar vår luft, vårt vatten och vår jord.
Vad är det som gör kolet så smutsigt? För att förstå det måste vi ta på oss våra labbrockar och ta oss an lite kemi.
Drivhusaritmetik
Drivhusgasproblemet är relativt lätt att förstå. Alla fossila bränslen består till största delen av kol och väte. Vid förbränning omvandlas kolet till koldioxid och vätet till vatten. Var och en av dessa reaktioner producerar en något annorlunda mängd värme.
C + O2 → CO2 genererar 393 kJ värme
H2 + 0,5 O2 → H2O genererar 242 kJ värme
Den produkt som vi oroar oss mest för är koldioxid, en växthusgas som fångar solens värme i vår atmosfär. Det betyder att det bästa fossila bränslet – det som ger minst koldioxidutsläpp för att generera samma mängd värme – är ett bränsle som innehåller många väteatomer för varje kolatom.
Naturgas vinner den striden överlägset. Den innehåller mestadels metan, en enkel kemikalie med formeln CH4. Det betyder att det finns fyra väteatomer för varje kolatom, vilket är det maximala som en enda kolatom kan rymma.
Kolans kemiska formel är mycket mer komplex (vilket vi kommer att se senare). Det beror på att kol, till skillnad från naturgas, är en blandning av många tusen olika typer av kemikalier. Men för att förstå dess värmeproduktion kan vi förenkla kolets formel till CH (det vill säga en väteatom för varje kolatom).
Resultatet är att kol producerar dubbelt så mycket koldioxid per enhet värmeenergi jämfört med naturgas.
Smutsig start
Bortsett från växthusgasernas bidrag till klimatförändringen har kolet andra problem. Dessa har att göra med hur ämnet bildades.
”Kol är det mest komplexa fasta ämne som vi någonsin har hittat och analyserat”, säger Jonathan Mathews, kolforskare vid University of Pennsylvania.
För många miljoner år sedan grävde någon form av naturhändelse – kanske en översvämning, kanske en tyfon – ner stora skogar under vattnet. När nya lager av jord avsattes ovanpå träden, vilket berövade dem luft, förvandlades den fördärvade veden långsamt till torvmossar. Fler och fler lager av sediment ackumulerades, vilket ökade trycket och temperaturen under dem, tills myren slutligen förvandlades till kol.
Jag är avsiktligt vag när det gäller ”många miljoner” eftersom kolfyndigheter i olika regioner kan ha olika åldrar. Kolet i USA skapades under karbonperioden, som varade från 360 miljoner till 300 miljoner år sedan. Australienskt kol däremot bildades under permperioden, för 300 miljoner till 250 miljoner år sedan.
Kol innehåller mest kol, väte, syre och kväve, eftersom det ursprungligen bildades av växter. Kolet bidrog till att skapa den kolbaserade gren av kemin som vi kallar ”organisk kemi”. När kolet värms upp i avsaknad av luft bryts dess komplexa blandning ner till enklare former. Dessa kemikalier – t.ex. bensen, toluen, naftalen, antracen och fenol – utgör grunden för parfymer, sprängämnen och läkemedel.
Plantor innehåller också en mängd andra grundämnen från det periodiska systemet i mycket mindre mängder. Under sin bildning kan kolet absorbera ytterligare andra grundämnen som finns i de omgivande slamavlagringarna eller förorenat vatten. Beroende på regionens geologi varierar typerna och mängderna av dessa grundämnen; mer än hälften av grundämnena i det periodiska systemet har påvisats i olika typer av kol.
”Den process genom vilken kol bildas gör kolet ännu mer komplicerat”, säger Mathews. ”Det är därför nästan varje kolbit som hittas är kemiskt unik.”
När kolet förbränns släpps många av dessa grundämnen ut i atmosfären tillsammans med andra gaser. Dessa kan färdas i flera kilometer innan de landar på växter eller i marken, där de kan absorberas av träd eller grödor och så småningom ätas av människor. Vissa av dessa ämnen kan också hamna i människors lungor, där giftiga ämnen som tenn, kadmium och kvicksilver kan skada nerv-, matsmältnings- och immunsystem.
Trots regleringar av kolindustrin hamnar dessa metaller ofta i miljön. Mer än 40 procent av alla kvicksilverutsläpp i USA kommer fortfarande från kolkraftverk. Under 2014 släppte kolrelaterade verksamheter enbart i USA också ut 40 ton bly, 30 ton arsenik och 4 ton kadmium.
Smoggy end
Alla dessa kemiska föroreningar står dock bara för en del av problemet. Den mer synliga manifestationen av kolets miljöpåverkan är smog: resultatet av den kemiska reaktionen vid kolförbränning. Eftersom kol är en komplex blandning av kemikalier brinner det inte lika rent som naturgas – allt kol och väte omvandlas inte till koldioxid och vatten. I stället innehåller kolrök oförbrända eller halvt förbrända partiklar av kol, svaveloxid, kväveoxider och massor av komplexa organiska molekyler som bildas i förbränningsprocessen.
Var och en av dessa har sitt eget sätt att orsaka skada. Låt oss ta dem en efter en.
Sot: Oförbrända eller halvt förbrända partiklar från kol kan kategoriseras som sot. Dess utseende (och i stor utsträckning dess kemiska sammansättning) liknar den sot som finns i skorstenar i eldstäder: ett fint svart pulver. Sotet, som kan innehålla ett antal av de föroreningar som anges ovan, är skadligt för lungorna. Men den är ännu mer skadlig eftersom den är tillräckligt liten för att komma in i blodomloppet när den väl har andats in. Det kan till och med hamna i hjärnan. Kol och andra fasta bränslen som används i hemmen är den främsta orsaken till dödsfall på grund av luftföroreningar i Indien. I Indien är det känt att sot belägger glaciärer, vilket gör dem mörkare så att de fångar in mer värme från solen och smälter snabbare.
Svaveloxid: Vid höga temperaturer i en ugn bildar svavel i kol och luftens syre tillsammans svaveloxid, som är irriterande om den andas in. När det kombineras med vatten bildar det svavelsyra och skapar surt regn. På 1960- och 1970-talen var svavelregn ett vanligt fenomen i USA och andra länder. Sedan dess har de flesta kraftverk varit skyldiga att installera utrustning som drar bort svavelutsläpp från skorstenen, men en del svavel glider fortfarande ut i atmosfären.
Stickväveoxider: Precis som svavel kombineras kväve i kol med luftens syre för att bilda en blandning av kväveoxider. Dessa är irriterande och kan orsaka luftvägssjukdomar som lunginflammation. Kväveoxider är också kemiskt aktiva, vilket innebär att de blandas med andra föroreningar i atmosfären för att skapa nya, till exempel ozon.
Flyktiga organiska föreningar (VOC): Kolbrytning och kolförbränning släpper ut skadliga kolbaserade föreningar som finns kvar i atmosfären som gaser. Det är dessa som kväveoxider kan reagera med för att bilda ozon och andra föroreningar. Dessa kemikalier är skadliga för människor, andra djur och växter.
Kolmonoxid: Ibland reagerar kolet i stället för att kombineras med syre för att bilda koldioxid, för att bilda kolmonoxid – en giftig gas.
Under årens lopp har bestämmelser för kolkraftverk bidragit till att minska en del av dessa föroreningar. De indiska kolkraftverken är dock allvarligt eftersatta. År 2015 fastställde regeringen en tidsfrist till 2017 för kraftverken att installera utrustning som minskar utsläppen av svavel och kväve. Få kraftverk hade uppfyllt tidsfristen, så nu har regeringen förlängt den till 2022. Denna försening kommer sannolikt att orsaka minst 26 000 förtida dödsfall och förlusten av många miljoner arbetsdagar varje år.
Mer avancerade länder har redan installerat dessa skrubbers – och vissa av dem går till och med ett steg längre. Två kolkraftverk, ett i Kanada och ett i USA, fångar nu upp större delen av den koldioxid de producerar. I båda fallen pumpas den avskiljda koldioxiden ner i marken för att utvinna olja. När tekniken blir tillräckligt billig kan de som släpper ut koldioxid helt enkelt begrava sin koldioxid under jorden utan att behöva subventionera processen genom att sälja olja.
Med det sagt kommer ingen reglering att helt kunna eliminera de skadliga utsläppen från förbränning av fossila bränslen. Deras skador kan bara lämnas bakom oss om vi slutar att utvinna dem ur marken.