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16.4：化石燃料的后果

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    使用化石燃料的好处

    世界严重依赖化石燃料，现有的基础设施和技术促进了化石燃料的持续使用。 使用煤炭发电的一个优势是它既丰富又便宜，尤其是在美国，那里的煤炭储量比任何其他国家都要大。 此外，煤炭开采是就业和税收收入的来源。 然而，随着与太阳能和风能等可再生能源相关的技术变得更有效和更便宜，煤炭的经济优势正在减弱。 美国能源信息管理局比较了将于2023年开始使用的技术的平准化电力成本（LCOE），煤炭发电的成本超过了许多可再生能源的成本（图\(\PageIndex{a}\)）。 LCOE 考虑了发电厂、太阳能电池板、风力涡轮机等的建设和运营成本。

    各种能源的均衡化电力成本的条形图
    图\(\PageIndex{a}\)：各种能源的均衡化电力成本（LCOE）。 其中，水力发电、地热、天然气、陆上/海上风能、太阳能和生物质被认为是可再生的。 核能和煤炭是不可再生能源。 值以 2018 年每兆瓦时美元（美元/兆瓦时）为单位。 作为参考，美国家庭平均每月消耗约0.909兆瓦时的电力。 这些值适用于将在2023年使用的最新技术。 水力发电是最便宜的，约为39美元/兆瓦时。 水力发电是最便宜的，约为39美元/兆瓦时。 其次是地热（41美元/兆瓦时）、天然气（41美元/兆瓦时）、陆上风能（56美元/兆瓦时）、太阳能（60美元/兆瓦时）、核能（78美元/兆瓦时）、生物质（92美元/兆瓦时）、煤炭（99美元/兆瓦时）和海上风能（130美元/兆瓦时）。 Melissa Ha（CC-BY-NC）使用美国能源信息管理局的数据绘制的图表，《2019年年度能源展望》（公共领域）。

    石油和天然气继续满足全球能源需求。 尽管可再生能源的使用有所扩大，但目前没有替代能源足以取代石油和天然气。 （将来有可能组合不同的可再生能源。） 尽管美国确实依赖进口石油，但它继续生产一些石油和天然气（主要是通过水力压裂法），从而增强了美国的能源独立性。 石油和自然储量丰富的地区的地方和州经济取决于这些化石燃料的持续开采。

    尽管所有化石燃料的危害都会造成一定程度的环境危害，但考虑到其对环境的影响，天然气是发电的首选化石燃料。 燃烧时，煤炭排放的二氧化碳几乎是天然气的两倍。 此外，燃烧天然气所排放的氮氧化物和二氧化硫（均为空气污染物）要少得多。 它也不会像煤炭那样产生灰分（见下文）。

    健康和环境影响

    化石燃料使用的负面影响始于资源的开采。 化石燃料通常位于远离其使用地的地方，因此需要通过管道、油轮、铁路或卡车运输。 所有这些都有可能发生事故、泄漏和泄漏。 其他负面影响与所产生的废物的处理、发电和处置有关。

    煤炭开采和使用

    煤炭的露天开采破坏了煤炭矿床上方的当地生态系统，因为覆盖层被移除以进入煤炭矿床（图\(\PageIndex{b}\)）。 在拆除山顶的过程中，大量的覆盖层被倾倒在附近的栖息地上，造成进一步的破坏（图\(\PageIndex{c}\)）。 拆除山顶影响了西弗吉尼亚州和肯塔基州阿巴拉契亚山脉的大片地区。 煤矿开采造成的栖息地丧失降低了生物多样性，导致生态系统服务的丧失。 地表和地下采矿都会暴露可能含有污染物的岩石，例如重金属或硫酸盐，然后渗入溪流或其他水体中。 这不仅危害水生生物，还会破坏营养循环。 地下采矿对环境的最大影响之一可能是甲烷气体必须排出矿井以使矿山成为安全的工作场所。 甲烷气体是一种强效的温室气体，会助长气候变化。 最后，采矿过程最终会压实土壤。 再加上树木的流失，减缓了径流的流动，促进了渗透，增加了洪水的风险。

    一座煤矿，里面装有重型机械收集黑煤。 光秃秃的土壤环绕着煤炭矿床。
    图\(\PageIndex{b}\)：澳大利亚昆士兰州的 Peak Downs 和 Saraji 煤矿。 为了获得煤炭，植被被移除，破坏了本地生物的栖息地。 图片由锁门联盟（CC-BY）提供。
    车道上有房子和汽车。 他们的背后是拆除山顶的结果，山顶看起来像一堆黑色的瓦砾。
    图\(\PageIndex{c}\)：肯塔基州马丁县的山顶拆除煤矿开采照片显示了肯塔基州马丁县的山顶煤炭清除开采。 资料来源：Flashdark。

    煤矿工人面临健康危害，例如爆炸、矿山倒塌和暴露于有毒烟雾中。 黑肺病是一种以咳嗽和呼吸急促为特征的呼吸系统疾病，发生在暴露于过多煤尘的矿工身上。 爆炸后，矿山附近的居民还有暴露于煤尘和地下毒素的风险。 由于暴露于毒素，出生缺陷和其他健康问题在矿山附近的居民中很常见。

    煤炭被认为是 “最脏” 的能源，因为其燃烧造成的空气污染最大。 燃煤发电厂排放各种空气污染物，包括二氧化硫、氮氧化物和重金属。 二氧化硫和氮氧化物是酸雨（酸沉积）、烟雾和健康问题的来源。 重金属会导致人类和其他动物的神经系统和发育问题。 与使用石油或天然气相比，燃烧煤炭每单位能量排放的颗粒物和二氧化碳含量更高。 二氧化碳是最常排放的温室气体，会导致气候变化。 2018年，发电占美国温室气体排放量的27％，其中大部分来自燃煤发电厂。 煤炭的运输通常依赖化石燃料，从而进一步释放污染。

    煤@@ 灰（包括飞灰和底灰）是在发电厂燃烧煤炭时产生的残留物。 过去，飞灰通过烟囱释放到空气中，从而导致颗粒物空气污染。 现在，法律要求大部分飞灰必须由净化器等污染控制设备捕获。 在美国，粉煤灰通常储存在燃煤发电厂或放置在垃圾填埋场中。 来自仓库或垃圾填埋场的灰烬会溢出或渗入地下水，从而导致水污染。

    常规开采石油和天然气

    石油的勘探和钻探会破坏陆地和海洋栖息地。 在陆地上，需要广泛的基础设施，例如道路网络、运输管道和工人住房，以支持全面的钻探作业。 它们会污染土壤和水，破坏栖息地并干扰野生动物。 石油和天然气的开采也对工人有害，因为他们的癌症和心脏病发病率很高。

    人为造成的河流和海洋漏油损害生态系统。 从经济角度来看，漏油扰乱了渔业和旅游业。 海上漏油通常比陆上漏油造成的破坏性要大得多，因为它们可以在稀薄的浮油中蔓延数百海里，而浮油可以用一层薄薄的油覆盖海滩。 这可以杀死海鸟、哺乳动物、贝类和它所覆盖的其他生物。 如果能够在大部分石油泄漏之前用推土机快速推平泄漏现场周围的临时土坝，陆地动物可以更容易地避开石油，那么陆地上的石油泄漏就更容易得到控制。

    石油泄漏可能是超级油轮事故造成的，例如1989年的埃克森瓦尔迪兹号，该船向阿拉斯加沿海丰富的生态系统泄漏了1000万加仑的石油，造成大量动物死亡。 最大的海上漏油事件始于 2010 年 4 月，当时 Deepwater Horizon Oil Rig 在路易斯安那州离岸 65 公里处的一口油井发生天然气爆炸。 2010 年，它造成 11 名员工死亡，流动 3 个月，估计释放了 2 亿加仑的石油（图\(\PageIndex{d}\)）。 野生动物、生态系统和人们的生计受到了不利影响。 在即时清理工作上花费了大量金钱和大量能源。 长期影响尚不清楚。 成立了国家深水地平线漏油和海上钻探委员会，以研究出了什么问题。 有史以来最严重的漏油事件发生在1991年波斯湾战争期间，当时伊拉克故意向科威特近海倾倒了大约2亿加仑的石油，放下了700多处油井大火，释放了九个多月的巨大烟雾和酸雨。

    由于漏油，船只向海洋喷火。 一股黑烟从火中冒出来。
    图\(\PageIndex{d}\)：平台补给船与海上石油钻井平台 Deepwater Horizon 的烈焰残余物作战。 海岸警卫队 MH-65C 海豚救援直升机和机组人员在寻找幸存者时记录了移动海上钻探装置 Deepwater Horizon 上的火灾情况。 多架海岸警卫队直升机、飞机和切割机作出回应，营救了 Deepwater Horizon 的 126 名机组人员。 图片和说明（已修改）来自美国海岸警卫队（公共领域）。

    在水上漏油时，石油会漂浮到地面，因为它的密度低于水，而最轻的碳氢化合物会蒸发，从而缩小了泄漏的规模，但污染了空气。 然后，细菌开始分解剩余的油，这个过程可能需要很多年。 几个月后，可能只剩下原始体积的15％左右，但它是厚的沥青块，这种形态对鸟类、鱼类和贝类的危害特别大。 清理操作可以包括各种组件，但每个组件都有其优点和缺点。 撇油器运送的是从水面吸出来的油，但这些油只对少量泄漏有效。 控制燃烧仅在光线可燃部分蒸发之前的早期阶段起作用，但这也会污染空气。 分散剂是分解石油以加速其分解的洗涤剂，但某些分散剂可能对生态系统有毒。 生物修复是指添加专门用于快速分解石油的微生物，但这可能会破坏自然生态系统。

    石油和天然气的非常规开采

    与传统开采相比，水力压裂法造成的环境破坏更大。 大量使用水（图\(\PageIndex{e}\)）可能会影响某些地区用于其他用途的水的供应，这可能会影响水生栖息地。 事实上，水力压裂法比使用核能、煤炭或常规石油和天然气消耗更多的水。 如果管理不善，水力压裂液可能会因溢出、泄漏或其他各种污染土地和地下水的暴露途径而释放（图\(\PageIndex{f}\)）。 水力压裂液回流——从井中抽出并从石油和天然气中分离出来的液体——不仅含有钻探过程中使用的化学添加剂，还含有重金属、放射性物质（释放辐射）、挥发性有机化合物、苯（一种致癌物）、甲苯、乙苯、二甲苯和其他有毒空气污染物。 挥发性有机化合物（VOC）可以与大气发生反应，形成地面臭氧，这与呼吸系统疾病有关。 Toulene 会导致头晕、精神错乱、头痛和流产。 乙苯是一种可能的致癌物质，还会导致头晕、眼睛刺激和听力损失。 二甲苯还会引起头晕和头痛，而且在高浓度下可能致命。 在某些情况下，这些受污染的水被送到水处理厂，而这些水处理厂没有能力处理其中一些类型的污染。 最后，注入废水进行处置甚至会引发地震。

    一部分土地显示了地表水和地下水及其在水力压裂法中的作用
    图\(\PageIndex{e}\)：水力压裂法影响水循环。 取水是抽取地下水或地表水来制造水力压裂液。 化学混合涉及在井场混合基础流体、沙子和添加剂，以生成水力压裂液。 在注井过程中，水力压裂液在石油和天然气生产井和目标岩层中流动。 产水处理是指现场收集和处理水力压裂后返回地表的水，并将这些水运送到处置或再利用。 最后，进行废水的处置和再利用。 如果做得不好，废水会污染周边地区。 EPA（公共领域）的图片和标题（修改）。

     

    标有可能污染地下水的注入井。
    图\(\PageIndex{f}\)：水力压裂过程中注入的有毒液体可能会逸出，污染地下水。 例如，它可以从套管中的孔中渗漏，穿过有缺陷的水泥，或者穿过限制矿床的岩石断层。 图片由政府问责办公室（公共领域）提供。

    其他非常规的化石燃料来源也可能危害环境。 焦油砂或油页岩的露天开采需要清除所有植被并留下污染物，从而导致栖息地丧失（图\(\PageIndex{g}\)）。

    没有植被的景观显示了开采化石燃料的影响
    图\(\PageIndex{g}\)：加拿大艾伯塔省焦油砂油田中的露天矿。 以前为本地动物提供栖息地的针叶树已被清理，以便开采。 图片由 Howl Arts Collectiv e（CC-BY）提供。

    运输、炼油厂和燃烧

    天然气从煤矿、油气井、天然气储罐、管道和加工厂释放到大气中。 这些泄漏是美国甲烷总排放量约25％的来源，相当于美国温室气体总排放量的3％，助长了气候变化。 当天然气被生产但无法经济地捕获和运输时，它会被 “燃烧” 或在井场燃烧，从而将其转化为二氧化碳。 这被认为比向大气中释放甲烷更安全、更好，因为二氧化碳的温室气体效力不如甲烷。 但是，当燃烧含有高浓度有毒气体硫化氢的天然气时，它会产生二氧化碳、一氧化碳、二氧化硫、氮氧化物和许多其他化合物（更多细节见空气污染）。

    当我们在陆地上使用石化产品时，也会发生泄漏。 例如，当人们给油箱加油时，当机油在换油后被扔掉时，或者当燃料从漏水的储罐中逸出时，汽油有时会滴到地上。 下雨时，溢出的石化产品会被冲入排水沟，最终流入河流和海洋。 机油有时进入水中的另一种方式是摩托艇和摩托艇泄漏燃料。 当储罐或管道发生泄漏时，石化产品也可能进入地下，必须清理地面。 为了防止地下储罐泄漏，所有地下储罐都应由双层储罐代替。

    炼油会释放各种毒素，是最大的苯来源（图\(\PageIndex{g}\)）。 因此，居住在炼油厂附近的居民患癌症、哮喘和先天缺陷的发病率很高。 当汽油或柴油等石化产品被燃烧时，它们会释放各种空气污染物，包括二氧化碳（气候变化的原因）、二氧化硫、一氧化二氮、挥发性有机化合物（VOC）、颗粒物和铅（更多详情参见空气污染）。 通过船舶或干线运输石油也需要化石燃料形式的能量，从而产生更多的污染物。 与石油和煤炭相比，燃烧天然气释放的污染物和温室气体最少。

    明尼苏达州的一家炼油厂释放了大量烟雾。
    图\(\PageIndex{g}\)：污染物从明尼苏达州罗斯蒙特的派恩本德炼油厂排放。 图片由托尼·韦伯斯特（CC-BY）提供。

    解决方案

    开垦可以减轻采矿或开采化石燃料造成的栖息地破坏。 它涉及在采矿或开采完成后将土地恢复到一定程度。 这可能需要归还流离失所的土地，用表层土壤覆盖，从而保护生物免受重金属、放射性物质和其他地下毒素的侵害。 此外，酸通常由地下岩石中的硫酸盐浸出而形成，可以被中和。 然后种植植被，水流中断后会有所恢复。 当然，采矿前可能存在的错综复杂的地形、溪流网络和成熟的植被（例如森林中的大树）无法重建，但是开垦使本地物种更容易开始在该地区重新殖民。

    清洁煤炭技术可以限制燃煤时释放的空气污染。 其中一些技术在燃烧煤炭之前会去除煤中的毒素，而另一些技术则捕获燃烧煤炭时释放的毒素。 例如，发电厂的烟囱洗涤器在烟雾释放之前将烟雾中的二氧化硫、一氧化二氮、颗粒物和汞清理干净。 碳捕集和封存涉及捕获和储存释放的二氧化碳，但它需要的能量增加了25-40％，从而降低了煤炭的效率（图\(\PageIndex{h}\)）。 在这个过程中，来自燃煤发电厂的烟雾通过溶剂来捕获二氧化碳，但其他废气仍会释放到烟雾中。 然后将二氧化碳从溶剂中分离出来。 有些可以用于工业（例如用于碳酸饮料或石油的三级回收），其余则在地下封存（储存）。 请注意，清洁煤炭技术可以减少煤炭对气候变化的贡献并减少释放的毒素量，但它并不能完全防止煤炭产生的空气污染（图\(\PageIndex{i}\)）。

    景观显示了石油和天然气开采、化石燃料燃烧以及封存二氧化碳的机会。
    图\(\PageIndex{h}\)：燃烧化石燃料会将二氧化碳释放到大气中，但也有机会封存（储存）二氧化碳，抵消部分损害。 在三次开采（提高石油采收率）期间注入的一些二氧化碳仍留在地下。 此外，二氧化碳可以从发电厂和其他行业释放的烟雾中捕获并储存在地下。 图片由美国地质调查局（公共领域）提供。
    一群年轻人举着标语，上面写着 “没有煤炭就是干净的煤”。
    图\(\PageIndex{i}\)：2013年联合国气候变化大会（COP19）上针对清洁煤炭的抗议活动。 图片来源：350.org（CC-BY-NC-SA）。

    由于化石燃料不可再生，储量最终将被耗尽，世界将需要完全依赖其他能源。 那些担心化石燃料对环境和健康的影响的人主张尽快进行这种过渡。 这是因为上面讨论的技术和实践并不能完全防止化石燃料对环境造成破坏，并对工人和公众造成健康危害。 接下来的两章讨论核能和可再生能源，它们是化石燃料的替代品。 由于这些替代品也有其缺点，因此节能（更有效地使用能源和限制不必要的能源使用）也至关重要。

    归因

    由 Melissa Ha 从以下来源修改：