Mit kaptunk a növényektől 17.

Fosszilis energiahordozók és vegyipari nyersanyagok – Évmilliók alatt elraktározott napenergia

 A kőszén, a kőolaj és a földgáz ősi élőlények szerves anyagából keletkezett. Energiájuk végső forrása döntően a Nap: fotoszintetizáló szervezetek kötötték meg a légkör vagy a víz szén-dioxidját, és fényenergia felhasználásával energiadús szerves vegyületeket építettek belőle. A fosszilis energiahordozók elégetése ennek az évmilliók alatt eltemetett szénnek a gyors visszajuttatása a légkörbe. 

Honnan tudjuk, hogy egykor élő szervezetekből keletkeztek?

A három fő fosszilis energiahordozó nem azonos módon képződött. A kőszén főként szárazföldi növényi maradványokból ered. Vízjárta, oxigénszegény lápokban és mocsarakban az elhalt növényi anyag nem bomlott le teljesen, hanem tőzeggé halmozódott. Betemetődés, nyomás és hő hatására a tőzegből előbb barnakőszén, majd feketekőszén, végül megfelelő körülmények között antracit alakult ki. A széntelepekben növényi szövetek, spórák, pollenek, levelek, kérgek és gyökerek mikroszkópos vagy akár szabad szemmel felismerhető maradványai találhatók: a biológiai eredet itt szó szerint látható.

A kőolaj és sok földgáz alapanyaga ezzel szemben többnyire tavak és tengerek üledékébe került mikroszkopikus szerves anyag: algák, cianobaktériumok, más planktonikus élőlények és baktériumok maradványai, kisebb részben szárazföldről behordott növényi törmelék. Oxigénszegény üledékben a maradványok egy része megőrződött, majd a betemetődés során kerogénné alakult. A további melegedés a kerogénből folyékony és gáznemű szénhidrogéneket hasított le. A kőolaj jellemzően nagyjából 60–160 °C közötti „olajablakban”, a termogén földgáz ennek magasabb hőmérsékletű szakaszában képződik; metánt mikroorganizmusok alacsony hőmérsékleten is előállíthatnak. Az olaj és gáz a forráskőzetből porózus tárolókőzetbe vándorolhat, ahol záróréteg alatt halmozódik fel (Tissot & Welte 1984; Peters et al. 2005).

A biológiai eredetet több, egymástól független bizonyíték igazolja. A kőolaj rendszerint szerves anyagban gazdag üledékes medencékhez és azonosítható forráskőzetekhez kötődik. Molekuláiban biomarkerek, vagyis átalakult „molekulafosszíliák” maradtak fenn: a szteránok a sejthártyák szteroljaira, a hopánok bakteriális hopanoidokra, a porfirinek pedig többek között a klorofill gyűrűs vázára vezethetők vissza. E vegyületek összetétele alapján a forrás szervesanyag-típusa, üledékkörnyezete és hőérettsége is vizsgálható. Egyes kőolaj-porfirinek izotópösszetétele közvetlenül klorofill-előanyagokkal egyeztethető (Boreham et al. 1990).

Ugyanezt mutatja a szén izotópos „ujjlenyomata”. A fotoszintézis előnyben részesíti a könnyebb ¹²C izotópot, ezért az élő anyag és a belőle képződött fosszilis tüzelőanyagok ¹³C-ban szegényebbek sok szervetlen szénforrásnál. A több millió éves szénben a rövid felezési idejű ¹⁴C már gyakorlatilag nincs jelen. A szerves anyag laboratóriumi hevítésével pedig ugyanazok a szénhidrogén-családok állíthatók elő, amelyek a természetes kőolajban és gázban megtalálhatók. A földtani előfordulás, a mikroszkópos maradványok, a biomarkerek, az izotópok és a kísérleti érlelés ugyanarra a következtetésre vezetnek.

A „növényi eredet” kifejezést ezért tág értelemben érdemes használni. A kőszén valóban főként szárazföldi növényekből keletkezett; a kőolaj legfontosabb forrásai azonban többnyire nem erdők, hanem fotoszintetizáló algák, cianobaktériumok és az általuk fenntartott mikrobiális közösségek voltak. Az energiahordozók szerves szene – a táplálékháló közvetítésével még akkor is, ha állati maradvány is került közéjük – végső soron túlnyomórészt fotoszintetikus szénmegkötésből származik. 

Dinoszauruszokból van-e a kőolaj?

Nem. A kőolaj nem „összepréselődött dinoszaurusz”. A tengeri és tavi üledékekbe évről évre óriási mennyiségű mikroszkopikus plankton hullott, míg a dinoszauruszok összes biomasszája ehhez képest csekély volt, tetemeik nagy része pedig lebomlott vagy elfogyasztották. Számos kőolajtelep forráskőzete ráadásul régebbi a dinoszauruszoknál, más telepek viszont későbbiek. Elvileg egy-egy állat parányi szénhányada bekerülhetett valamely forrásüledékbe, de ez nem teszi a kőolajat dinoszaurusz-eredetűvé. A félreértést valószínűleg a „fosszilis tüzelőanyag” kifejezés és a fosszíliákhoz legerősebben társított dinoszauruszkép kapcsolata tartja életben. 

Az évmilliós széntárolóból a légkörbe

A fotoszintézis szén-dioxidot von ki a környezetből, de ennek nagy része légzéssel és lebomlással rövid időn belül visszatér. Fosszilis készlet csak abból a kis hányadból lesz, amely elkerüli a teljes lebomlást, üledék alá temetődik, majd millió éveken át a gyors szénkörforgáson kívül marad. Égéskor a folyamat kémiai értelemben megfordul: a szénhidrogének szene oxigénnel egyesül, CO₂ keletkezik, és felszabadul a valaha megkötött energia.

Az iparosodás előtti légkör CO₂-koncentrációja körülbelül 280 ppm volt; napjainkra meghaladta a 420 ppm-et. A növekedés emberi eredetét nem pusztán az időbeli egybeesés mutatja. A kibocsátott fosszilis szén mennyisége elegendő a légköri növekmény megmagyarázására; a többlet ¹³C-ban szegény és ¹⁴C-mentes, ezért az atmoszféra δ¹³C-értéke csökken; az égés közben fogyó légköri oxigén mennyisége mérhetően apad; az óceán pedig a többlet egy részét felveszi és savasodik. A szárazföld és az óceán jelenleg az emberi CO₂-kibocsátás nagyjából felét elnyeli, a másik fele a légkörben marad, de a felvett szén sem „tűnik el”: megváltoztatja az ökoszisztémákat és az óceán kémiáját (Graven et al. 2020; Friedlingstein et al. 2023).

A CO₂ üvegházgáz: elnyeli és újrasugározza a Föld felszíne által kibocsátott infravörös sugárzás meghatározott hullámhosszait, ezért növekvő koncentrációja csökkenti a világűr felé távozó hőt. A Föld energiamérlege csak magasabb felszíni és alsó légköri hőmérsékleten áll helyre. A felmelegedést visszacsatolások erősítik vagy gyengítik: több vízgőz kerülhet a légkörbe, olvad a hó és jég, változik a felhőzet és a bioszféra szénforgalma. Az IPCC szerint az emberi tevékenység egyértelműen okozta a globális felmelegedést; a 2011–2020-as globális felszíni középhőmérséklet mintegy 1,1 °C-kal haladta meg az 1850–1900-as átlagot (IPCC 2023).

A hosszú életű CO₂ hatása elsősorban a felhalmozott, nem csupán az adott évi kibocsátástól függ. Az IPCC becslése szerint minden 1000 gigatonna kumulatív CO₂-kibocsátás valószínűleg körülbelül 0,27–0,63 °C további felmelegedéssel jár; a központi becslés 0,45 °C. A légköri többlet egy része évszázadok alatt az óceánba kerül, de számottevő hányada évezredekig, kisebb része még tovább befolyásolja a szénkörforgást és a klímát (Archer et al. 2009). Ezért a felmelegedés megállításához a nettó emberi CO₂-kibocsátást közel nullára kell csökkenteni. 

Mit jelent a „százszoros sebesség”?

A hasonlat gondolati magja helyes: az emberiség geológiai idő alatt elraktározott szenet földtörténeti mércével szinte pillanatszerűen szabadít fel. A pontos „százszoros” összehasonlítás azonban attól függ, milyen folyamatokat vetünk össze. A mai emberi CO₂-kibocsátás jól mérhetően körülbelül százszor nagyobb a vulkánok éves CO₂-kibocsátásánál: Gerlach (2011) 2010-re 35 gigatonna/év antropogén és 0,26 gigatonna/év vulkáni CO₂-t hasonlított össze, ami 135-szörös arány. Ez a természetes geológiai utánpótlás és a mai kibocsátás korrekt összevetése.

Más kérdés a karbon időszak növényzetének széneltemetése. A karbon 358,9–298,9 millió évvel ezelőtt, mintegy 60 millió éven át tartott; CO₂-szintje és éghajlata nem volt állandó. A kiterjedt mocsárerdők szerves szenének eltemetése hozzájárult a CO₂ csökkenéséhez és az oxigén növekedéséhez, de a szilikátmállás, a hegységképződés, a vulkanizmus, a tengerszint és a kontinensek elrendeződése is fontos volt. A késő paleozoikum jelentős része nem magas-CO₂-jű üvegház, hanem kiterjedt déli jégtakarókkal jellemzett „jégház” volt (Berner 2003; Feulner 2017).

Ezért nem pontos azt mondani, hogy ma „százszoros sebességgel rekonstruáljuk a karbon kori CO₂-szintet és klímát”. Nincs egyetlen karbon kori CO₂-szint vagy klíma, és az ősi csökkenés üteme csak közvetve becsülhető. Pontosabban így fogalmazhatunk: a karbonban és más földtörténeti korokban több millió év alatt eltemetett szén egy részét néhány évszázad alatt oxidáljuk vissza. A modern CO₂-növekedés sebessége legalább nagyságrendekkel meghaladja a hosszú távú földtani szénkörforgás jellemző változási ütemét. A ma elért koncentráció önmagában nem példátlan a Föld történetében; az emberi civilizáció és a mai ökoszisztémák számára a változás gyorsasága, a további növekedés és az ehhez társuló felmelegedés a döntő. 

Nemcsak elégetjük: tárgyakat és élelmiszer-alapanyagot is készítünk belőle

A kőolaj és a földgáz egyszerre energiahordozó és molekuláris építőkészlet. A finomítók a kőolajat forráspont szerint frakciókra választják, majd krakkolással kisebb molekulákat állítanak elő. A petrolkémia legfontosabb építőkövei közé tartozik az etilén, propilén, benzol, toluol és xilol; földgázból és könnyű szénhidrogénekből hidrogén, ammónia és metanol készül. Ezekből újabb reakciók ezrein át műanyagok, szintetikus gumik és szálak, festékek, oldószerek, ragasztók, mosó- és tisztítószerek, gyógyszerhatóanyagok, kozmetikai összetevők, növényvédő szerek, szigetelőanyagok és elektronikai anyagok születnek. Az IEA 2018-as összesítése szerint a petrolkémiai alapanyagok a világ kőolajigényének körülbelül 12%-át adták, és a közlekedés villamosítása mellett arányuk növekedhet.

A műanyag tehát valóban ősi, végső soron többnyire fotoszintetikus eredetű szenet tartalmaz – de ettől nem természetes vagy biológiailag könnyen lebomló. A polietilén etilénből, a polipropilén propilénből, a polisztirol sztirolból, a PET pedig etilénglikolból és tereftálsavból készül. A tartósság hasznos tulajdonság csőben, orvosi eszközben vagy épületben, de rövid életű csomagolásnál tartós hulladékká válik. A valaha 2015-ig előállított mintegy 8,3 milliárd tonna műanyagból 6,3 milliárd tonna már hulladékká vált; ennek addig csupán 9%-át hasznosították újra, 12%-át elégették, 79%-a lerakóba vagy a környezetbe került (Geyer et al. 2017).

A műtrágyák kapcsolata részben más. A nitrogén maga nem kőolajból vagy földgázból származik: a Haber–Bosch-eljárás a levegő nitrogénjéből és hidrogénből állít elő ammóniát. A hidrogént azonban ma többnyire földgáz metánjának gőzreformálásával, egyes országokban szénből készítik; eközben CO₂ keletkezik, és az üzem működése is sok energiát igényel. Az ammónia a karbamid, ammónium-nitrát és más nitrogénműtrágyák alapja, s a jelenlegi élelmiszer-termelés jelentős része függ tőle. A hagyományos ammóniagyártás a globális energiafelhasználás mintegy 1–2%-át, a földgáz-felhasználás 3–5%-át igényli (Ghavam et al. 2021). A foszfát- és káliumműtrágyák ásványi bányatermékek, de kitermelésük, feldolgozásuk és szállításuk szintén energiát használ. 

Fenntarthatóság: mit érdemes megőrizni, és mit kell kiváltani?

A fosszilis energiahordozók emberi időléptékben nem megújulók: képződésük millió éveket igényel, felhasználásuk pedig nagyrészt egyszeri. Fenntarthatóságuk kérdése nem oldható meg pusztán azzal, hogy kevesebb készlet marad a földben. Az elsődleges korlát ma a légkör és az ökoszisztémák terhelhetősége: a bizonyított készletek jelentős részének elégetése összeegyeztethetetlen a felmelegedés alacsony szinten tartásával.

Az energiaellátásban ezért a fosszilis tüzelés gyors csökkentése, az energiahatékonyság, a villamosítás és az alacsony szén-dioxid-kibocsátású áramtermelés a fő irány. A vegyipar nehezebb feladat, mert ott a fosszilis anyag nemcsak tüzelőanyag, hanem szén- és hidrogénforrás. Itt egyszerre szükséges a fölösleges és egyszer használatos termékek visszaszorítása, a hosszabb élettartam és javíthatóság, az anyagtakarékos tervezés, az újrahasználat, a valóban működő mechanikai és kémiai újrahasznosítás, valamint korlátozottan fenntartható biomassza, hulladékszén vagy közvetlenül megkötött CO₂ használata. Az „újrahasznosítható” címke önmagában kevés: az számít, hogy a terméket ténylegesen begyűjtik-e, az anyag minősége megőrizhető-e, és hány körön át használható.

A nitrogénműtrágyánál megújuló villamos energiával végzett vízbontás adhat alacsony kibocsátású hidrogént, amelyből „zöld ammónia” készülhet. Ettől még a túlzott műtrágyahasználat nitrogénveszteségei, a vizek eutrofizációja és a dinitrogén-oxid-kibocsátás nem szűnik meg, ezért a precíz kijuttatás, a hüvelyesek biológiai nitrogénkötése, a tápanyag-visszaforgatás és az étrendi, illetve élelmiszer-veszteségi változtatások ugyanilyen fontosak.

A fosszilis szén különleges örökség: ősi fotoszintetizáló élőlények által megkötött napenergia és szén koncentrált készlete. E készlet tette lehetővé az ipari civilizáció gyors felemelkedését, és számtalan nélkülözhetetlen anyagot adott. Ugyanez a koncentráltság okozza a problémát is. Amit a földtörténet lassan kivont a gyors szénkörforgásból, azt mi néhány nemzedék alatt visszaengedjük. A fenntarthatóság ezért nem a fosszilis nyersanyagok minden használatának egyik napról a másikra történő megszüntetését jelenti, hanem azt, hogy az elégetést a lehető leggyorsabban kiváltjuk, az anyagként való használatot pedig takarékos, körforgásos és alacsony kibocsátású rendszerbe szorítjuk.

Irodalom

Archer, D. et al. (2009): Atmospheric lifetime of fossil fuel carbon dioxide. Annual Review of Earth and Planetary Sciences 37: 117–134.

Beerling D. J. & Berner R. A. (2005): Feedbacks and the coevolution of plants and atmospheric CO2. – Proceedings of the National Academy of Sciences, 102(5): 1302–1305. https://doi.org/10.1073/pnas.0408724102

Berner, R. A. (2003): The long-term carbon cycle, fossil fuels and atmospheric composition. Nature 426: 323–326.

Boreham, C. J., Fookes, C. J. R., Popp, B. N. & Hayes, J. M. (1990): Origin of petroporphyrins. 2. Evidence from stable carbon isotopes. Energy & Fuels 4: 658–661.

Feulner, G. (2017): Formation of most of our coal brought Earth close to global glaciation. Proceedings of the National Academy of Sciences 114: 11333–11337.

Friedlingstein, P. et al. (2023): Global Carbon Budget 2023. Earth System Science Data 15: 5301–5369.

Gerlach, T. (2011): Volcanic versus anthropogenic carbon dioxide. Eos, Transactions American Geophysical Union 92: 201–202.

Geyer, R., Jambeck, J. R. & Law, K. L. (2017): Production, use, and fate of all plastics ever made. Science Advances 3: e1700782.

Ghavam, S. et al. (2021): Sustainable ammonia production processes. Frontiers in Energy Research 9: 580808.

Graven, H. et al. (2020): Changes to carbon isotopes in atmospheric CO₂ over the industrial era and into the future. Global Biogeochemical Cycles 34: e2019GB006170.

IEA (2018): The Future of Petrochemicals: Towards More Sustainable Plastics and Fertilisers. International Energy Agency, Paris.

IPCC (2023): Climate Change 2023: Synthesis Report. Intergovernmental Panel on Climate Change, Geneva.

Laws, B. (2012): Ötven növény, amely megváltoztatta a történelmet. Kossuth Kiadó, Budapest, 224 pp. Fordította és magyar vonatkozásokkal kiegészítette: Molnár V. Attila & Papp Mária.

Ogbesejana, A. B. et al. (2023): Applying biomarkers as paleoenvironmental indicators to reveal the organic matter enrichment of shale during deep energy exploration: A review. Heliyon 9: e19062.

Peters, K. E., Walters, C. C. & Moldowan, J. M. (2005): The Biomarker Guide. 2nd ed. Cambridge University Press.

Tissot, B. P. & Welte, D. H. (1984): Petroleum Formation and Occurrence. 2nd ed. Springer, Berlin.