Pan Rajchl si myslí, že uhlí je obnovitelné, zapomněl ale na dvě zásadní drobnosti

Hnědé uhl í z dolu Bílina
Zdroj: BOŠ

Lidský věk vs. geologický čas (Definice obnovitelnosti)

Aby byl zdroj považován za obnovitelný, musí se stíhat doplňovat v časovém horizontu lidského života, případně existence naší civilizace. Např. dřevo vyroste za desítky let, slunce svítí každý den. Uhlí na svůj vznik potřebuje miliony let.

Je to jako tvrdit, že lidské tělo má nekonečnou zásobu krve. Ano, tělo krev neustále tvoří, ale pokud je rychlost ztráty rychlejší než obnova, a nedostane se Vám lékařské pomoci, je s Vámi brzy konec. Vykrvácíte.

Když americký ekolog Jeffrey Dukes v roce 2003 spočítal, že lidstvo ročně spálí energii, kterou příroda generovala pět milionů let, vycházel z tehdy dostupných dat. Od té doby lidstvo ve spotřebě fosilních paliv zařadilo vyšší rychlostní stupeň. Podle nejnovějších dat z Energy Institute Statistical Review vzrostlo spalování uhlíku o více než 50 procent. Dnes za jeden jediný rok proženeme komínem to, co vznikalo 7,5 milionu let. Lidstvo tedy spotřebovává uhlí 7,5 milionkrát rychleji, než se dokáže vytvořit.

Jak uhlí skutečně vzniká

Abychom pochopili, proč je označení uhlí za obnovitelný zdroj opravdu absurdní, musíme se podívat na to, jak tento proces, odborně nazývaný prouhelnění či karbonizace, ve skutečnosti probíhá. Jde o nesmírně zdlouhavou souhru geologických sil, která se skládá ze dvou naprosto odlišných fází.

Všechno to začíná takzvanou biochemickou fází v prastarých močálech, bažinách nebo říčních deltách. Aby vůbec mohl proces vzniku uhlí odstartovat, musí odumřelý rostlinný materiál padnout do stojaté vody a být bez přístupu kyslíku. Tím se zabrání klasickému tlení a rozkladu, které běžně vidíme v dnešní přírodě. Nastupují speciální anaerobní bakterie, které biomasu pomalu přeměňují na rašelinu.

K vytvoření skutečného uhlí je ale potřeba ještě tlak. Vrstvy rašeliny must být překryty i kilometry nánosů písku, jílu a dalších sedimentů. V těchto obrovských hloubkách začíná na materiál působit geotermální teplo spolu s tlakem nadloží, který funguje jako obří lis. Tento tlak doslova vymačká z rašeliny vodu a těkavé plyny, jako je vodík nebo kyslík, a zanechá po sobě koncentrovaný uhlík. Rostlinná hmota tak postupně prochází vývojovými stádii od měkkého lignitu přes hnědé a černé uhlí až po nejstarší a nejvýhřevnější antracit.

Pro představu, o jak masivní proces jde. K vytvoření pouhého jednoho metru mocnosti uhelné sloje černého uhlí bylo zapotřebí nahromadit a následně stlačit zhruba deset až patnáct metrů rašeliny. Naakumulovat takové množství materiálu pod vrstvy sedimentů trvá desítky milionů let.

Proč už planeta nejspíš nevyrobí další uhelnou zásobu

Období prvohorního karbonu, kdy vzniklo černé uhlí a jehož název koresponduje s vědeckým názvem pro uhlík, se odehrálo zhruba před zhruba třemi sty miliony let.

Evoluce tehdy na suché zemi stvořila první skutečné dřeviny, které dorůstaly výšky desítek metrů. Aby tyto rostliny dokázaly vytáhnout své koruny tak vysoko k nebi a udržely stabilitu, vyvinuly si zcela novou stavební látku – lignin. Tento pevný organický polymer dodal rostlinným stonkům - kmenům nevídanou tvrdost a odolnost. Příroda však udělala drobnou „chybu“. Sice vymyslela úžasný stavební materiál, ale dlouho k němu neměla způsob, jak jej rozložit. Když rostlina umře.

Na Zemi totiž neexistovaly téměř žádné houby ani bakterie, které by dokázaly lignin efektivně rozložit a strávit. Když tehdejší gigantické stromy odumřely a spadly do bažiny, neshnily. Nic je nekonzumovalo, ani nerozkládalo zpět na základní živiny. Na padlé kmeny se tak po miliony let vrstvily další a další generace lesů, čímž vznikaly silné nánosy čisté, netknuté dřevní hmoty, které měly ideální podmínky pro proměnu v uhlí.

Tato uhelná idyla však skončila v momentě, kdy evoluce konečně srovnala krok a na scéně se objevily takzvané houby bílé hniloby. Ty vyvinuly specializované enzymy, které dokáží pevnou strukturu ligninu rozbít. Dnešní odumřelé stromy se tak promění v humus a plyn, nikoliv v uhlí.

Tohle celé vyvrací jiná teorie

Studie z roku 2016 tuto doměnku vyvrací. Tato teorie tvrdí, že hlavní podíl biomasy v tehdejších mokřadech tvořily nelignifikované tkáně plavuní podobné korku a vosku, nikoliv lignin, jak se dříve předpokládalo. Nelsen zároveň tvrdí, že přímé důkazy o rozkladu dřeva z devonu a karbonu jasně naznačují, že houby schopné rozkladu byly v ekosystémech přítomny mnohem dříve, než se vědci domnívali. Neměli však tak pokročilé schopnosti.

Namísto evolučního zpoždění autoři předkládají vysvětlení, že akumulace uhlí nebyla důsledkem pozdní evoluce rozkladačů, ale výsledkem jedinečné souhry geologických a klimatických podmínek. Rozhodující roli sehrála kombinace tektoniky při formování superkontinentu Pangea, vznik rozsáhlých pánví se sedimentem a trvale vlhké tropické klima, které umožnilo rychlé pohřbení organické hmoty do anoxického (bezkyslíkatého) prostředí. Právě tyto abiotické faktory, nikoliv enzymatická výbava tehdejších hub a mikroorganismů byly hlavním motorem vzniku celosvětových uhelných zásob.

Starší geochemické studie však naznačují, že kůra plavuní lignifikovaná byla. Při pohledu na samotné uhlí pod mikroskopem (uhelná petrologie) je zřejmé, že jeho největší složkou je tzv. vitrinit. To je uhelná makromolekulární hmota, která prokazatelně vzniká buněčnou modifikací kyselin odvozených z ligninu a celulózy buněčných stěn dřevin. Zastánci původní teorie tak argumentují, že mikrostruktura uhlí sama o sobě nese jasný chemický podpis toho, že dřevní hmota (lignin) byla klíčovou surovinou pro jeho vznik.

Dnešní pohled na věc

Zatímco geologové (Nelsen a kol.) úspěšně dokázali, že karbon byl unikátní svou strukturou rostlin a tektonikou, biologové stále trvají na tom, že bez ohledu na přesný název polymeru (lignin vs. suberin) tehdejší flóra produkovala obrovské množství biologicky těžko rozložitelného materiálu. Vznik enzymů bílé hniloby tak sice podle dnešního konsensu nebyl jedinou příčinou konce doby uhelné, ale zůstává považován za zásadní biologický zlom, který planetární uhlíkový cyklus navždy změnil.

Vznik uhelných zásob je dnes chápán jako souhra evoluce planety a evoluce života. Všechny části skládačky, jak propadající se Pangea, horké klima, primitivní rozkladači tak specifické složení rostlin měl osvůj podíl bez kterého by obří uhelné sloje by nevznikly.

V ohni z uhlí vidíme uvolněné sluneční záření staré stovky milionů let

Rostliny v karbonu zachytávaly pomocí fotosyntézy tehdejší sluneční svit a ukládaly jeho energii do svých chemických vazeb. Když dnes hodíte kus uhlí do domácího kotle nebo ho spálíte v elektrárně, tak ty plameny a teplo, které z něj sálají, nejsou nic jiného než uvolněné sluneční fotony, které na Zemi dopadly před 300 miliony let.

Velký mýtus, z uhlí diamanty nevznikají

V popkultuře se často traduje, že když se uhlí stlačí obřím tlakem, vznikne diamant. Drtivá většina diamantů na Zemi vznikla v hloubkách přes 150 kilometrů v zemském plášti před 1 až 3,5 miliardami let. To znamená, že diamanty na této planetě byly v době, kdy na ní ještě nežily vůbec žádné suchozemské rostliny.

Uhlí navíc obsahuje příliš mnoho nečistot (vodík, dusík, síru, kyslík), zatímco diamant vyžaduje téměř stoprocentně čistý uhlík pod vlivem extrémních teplot hluboko pod kůrou, kam se uhlí z povrchových močálů nikdy nedostalo.

Jak uhlí souvisí s obřím hmyzem

To, že houby neuměly rozkládat lignin a stromy padaly do močálů, mělo jeden vedlejší efekt. Protože stromy neshnily, nedocházelo ke zpětné oxidaci. Spotřeba kyslíku na tlení byla minimální, ale živé pralesy ho dál masivně produkovaly při fotosyntéze. Hladina kyslíku v atmosféře tehdy stoupla na 35 % (dnes máme 21 %).

Tento kyslíkový doping proměnil hmyz. Hmyz totiž nemá plíce, ale dýchá vzdušnicemi (trubicemi, kterými kyslík pasivně proudí do těla). V atmosféře nasycené kyslíkem mohl hmyz narůst do obřích rozměrů.

Zatímco lidé a ostatní obratlovci mají plíce a složitou síť cév, kterou krev (pomocí hemoglobinu) aktivně rozvádí kyslík do každého koutu těla, hmyz žádnou takovou „pumpu“ nemá.Hmyzí krev (tzv. hemolymfa) kyslík vůbec nepřenáší.

Vzduch vstupuje do těla hmyzu přes malé otvory na bocích těla, kterým se říká průduchy (Spiracle). Odtud putuje dál hlavním kmenem vzdušnice (Tracheal trunk) a větví se do stále menších a tenčích trubiček (segmental trachea), které vedou kyslík přímo k jednotlivým buňkám, svalům a orgánům.

Kyslík v těchto trubičkách neproudí proto, že by hmyz aktivně „vdechoval a vydechoval“, ale šíří se tam pomocí pasivní difuze – prostě samovolně prolíná hlouběji do těla, kde je ho nedostatek. Pasivní difuze funguje skvěle, ale má velmi omezený dosah. Funguje totiž jen na krátké vzdálenosti.

Atmosféra tehdy obsahovala 35 % kyslíku místo dnešních 21 %.Vyšší koncentrace znamenala mnohem větší parciální tlak. Kyslík byl do hmyzích trubiček tlačen vyšší silou než dneska. Díky tomuto tlaku dokázal kyslík pasivní difuzí doputovat mnohem dál a hlouběji do těla. Hmyz měl tedy možnost mnohem více vyrůst díky tomu, že se mu kyslík dostal mnohem hlouběji do těla než dnes.

V pralesech tak létaly vážky Meganeura s rozpětím křídel přes 70 centimetrů (velké jako orel) a po zemi běhaly stonožky Arthropleura dlouhé dva a půl metru.

Jakmile pak hladina kyslíku klesla, obří hmyz nedokázal efektivně dýchat, kyslík se mu nedostal až k orgánům, které ho potřebovaly. Evoluce ho donutila smrsknout se do rozměrů, které potkáváme na louce dnes.

Zdroje: Dukes, J.S. Burning Buried Sunshine: Human Consumption of Ancient Solar Energy. Climatic Change 61, 31–44 (2003). https://doi.org/10.1023/A:1026391317686