Kaikki mitä olet halunnut tietää hiilestä – ja vähän enemmänkin

Oletko joskus miettinyt, mitä sana ”syti” tarkoittaa sanonnassa ”meni syteen tai saveen”? Sydet ovat umpitilassa hiillettyä puuta.

Esimerkki on yksi monista hiililähtöisistä sanonnoista suomen kielessä. Olemme hiilenä ja puhallamme yhteen hiileen. Hiili on läsnä arjessamme myös lukemattomina eri muotoina ja esineinä. Lyijykynän ”lyijy” on grafiittia, joka on yleisin hiilen ilmenemismuoto. Jos harrastat kalastusta, tennistä tai hiihtoa, todennäköistä on, että välineissäsi on käytetty kevyttä hiilikuitua. Jos ostat lahjaksi timanttikorun, annat hippusen hiiltä.

Teollisuudessa hiiltä käytetään esimerkiksi energiantuotannossa, teräksen valmistamisessa ja nanoteknologiassa.

Hiili on kaiken elävän mahdollistaja

Hiilen merkitystä meille ja muille elollisille ei voi liioitella. Se on kaiken elävän mahdollistaja. Suurin osa maapallon tunnetuista kemiallisista yhdisteistä on hiilen yhdisteitä. Kasvit, eläimet ja ihmiset koostuvat soluista, joiden keskeinen rakennusaine on hiili. Ihmisen kehosta noin 20 prosenttia on hiiliyhdisteitä, esimerkiksi hiilihydraatteja tai rasvoja.

Hiiliatomin ainutlaatuisuus perustuu kykyyn muodostaa pitkiä ketjuja, jotka voivat haarautua, verkostoitua ja muodostaa renkaita. Kun hiiliatomi voi lisäksi yhdistyä muiden alkuaineiden, kuten hapen, typen ja vedyn kanssa, tuloksena syntyy loputon määrä erilaisia yhdisteitä. Hiilen yhdisteet ovat mahdollistaneet nykyisen kaltaisen lajien monimuotoisuuden.

Hiilen puhtaita esiintymismuotoja ovat esimerkiksi grafiitti, timantti ja grafeeni. Vaikka ne ovat samaa alkuainetta, ne ovat muodoltaan ja ominaisuuksiltaan erilaisia. Piirtämisessäkin käytetty grafiitti on väriltään musta ja yksi pehmeimmistä aineista, kun taas timantti on läpinäkyvä ja maailman kovimpia aineita.

Vasta vuonna 2004 löydetty, valoa läpäisevä grafeeni on maailman kestävin tunnettu aine. Se on jopa 200 kertaa lujempaa kuin teräs ja timanttiakin kovempi.

Kivihiili mahdollisti teollisen vallankumouksen

Kivihiiltä alkoi muodostua maaperään 360–290 miljoonaa vuotta sitten hiilikaudella. Muinaisten kasvien jätteistä syntyi korkean lämpötilan ja kovan paineen alaisena ensin turvetta, sitten ruskohiiltä ja lopulta kivihiiltä. Kaikkein vanhimmasta kivihiilestä, antrasiitistä, muodostui kovassa paineessa timantteja. Luonnossa timantteja esiintyy varsinkin vulkaanisen kiven, kimberliitin, yhteydessä. Kiviaines on maapallolla harvinainen. Sitä löytyy esimerkiksi Venäjältä, Botswanasta, Kongon demokraattisesta tasavallasta, Kanadasta ja Etelä-Afrikasta.

Varhaisimmat tiedot hiilen käytöstä ovat Kiinasta, jossa hiiltä on louhittu kuparin sulattamista varten ilmeisesti jo noin 1 000 vuotta ennen ajanlaskun alkua. Kun Marco Polo 1200-luvulla matkusti Kiinaan, hänen kerrotaan raportoineen mustista kivistä, jotka paloivat kuin halot. Euroopasta ensimmäiset tiedot hiilen käytöstä polttoaineena ovat tiettävästi antiikin Kreikasta, noin 300-luvulta ennen ajanlaskun alkua.

1700-luvulta lähtien kivihiili mahdollisti teollisen vallankumouksen. Englantiin, Ruhrin seudulle ja Belgiaan sekä muualle Eurooppaan syntyi teollisuusalueita. Hiiltä käytettiin alkuun lämmityksen lisäksi myös laivojen, höyryvetureiden ja muiden kulkuvälineiden polttoaineena.

Kiina on suurin kivihiilen käyttäjä

Nykyisin kivihiiltä käytetään sähkön ja lämmön tuotantoon ja esimerkiksi teräksen valmistukseen.

”Vuonna 2020 kivihiilen käyttö maailman energiankulutuksesta oli noin 27 prosenttia”, energiatalouteen perehtynyt tutkimustiimin päällikkö Tiina Koljonen VTT:ltä sanoo.

Vaikka kivihiilen – kuten muidenkin fossiilisten polttoaineiden – käyttöä on ilmastonmuutoksen vuoksi vähennetty eri puolilla maailmaa, se on edelleen globaalisti suurin energiankäytönlähde öljyn jälkeen. Kivihiilen osuus on Koljosen mukaan merkittävä etenkin energiantuotannossa.

Ylivoimaisesti suurin kivihiilen käyttäjä on Kiina. Vuonna 2020 Kiina käytti hiilivoimaa 82 eksajoulea. Yksi eksajoule on 1 000 000 000 000 000 000 joulea. Toiseksi eniten kivihiiltä käytettiin Intiassa, vajaat 18 eksajoulea. Länsimaista eniten hiilivoimaa käyttää Yhdysvallat. Vuonna 2020 luku oli noin 10 eksajoulea.

Euroopassa suurin hiilimaa on Saksa. Perässä tulevat Puola ja Turkki. Koko Euroopan kivihiilen käyttö oli vuonna 2020 samaa suuruusluokkaa kuin Yhdysvalloissa. Kivihiili kattoi noin 16 prosenttia alueen kokonaisenergiankulutuksesta.

Suomessa kivihiilen osuus kokonaisenergiankulutuksesta oli noin 10 prosenttia vuonna 2020. Jos käyttöä vertaa Euroopan suurimpaan hiilimaahan Saksaan, Suomessa hiilenkäyttö oli noin seitsemän prosenttia siitä, mitä Saksassa käytettiin.

Helsinki lämpenee useasta eri lähteestä

Myös Helsinki on historiansa aikana sähköistynyt sekä lämmennyt kivihiilellä. Ensimmäinen hiilivoimalaitos käynnistyi Suvilahdessa 1909, Helenin tulevaisuuden energiaratkaisuja kehittävä Janne Rauhamäki kertoo.

Tuolloin kivihiilellä alettiin tuottaa sähköä. Kaukolämpöverkostoa ei vielä ollut. Asunnot lämpenivät aluksi kakluuneilla ja polttouuneilla. Kun siirryttiin hiilikellareiden ja keskuslämmityskattiloiden aikakauteen, samalla asuntoihin tulivat myös vesikiertoiset patterit.

Kaukolämpö alkoi yleistyä Helsingissä 1950-luvulla. Helenin ensimmäinen hiilikäyttöinen sähköä ja kaukolämpöä tuottava laitos, Salmisaari A, valmistui Salmisaareen 1953. Vuonna 1960 avattiin Hanasaari A, 1974 Hanasaari B ja kymmenen vuotta myöhemmin, 1984, Salmisaari B.

Nykyisin kivihiilellä on tuotettu helsinkiläisille ensisijaisesti kaukolämpöä ja sen yhteydessä sähköä.

Parhaillaan Helen on luopumassa kivihiilen käytöstä kokonaan osana Helenin hiilineutraaliustavoitetta. Helenin tavoitteena on olla hiilineutraali vuoteen 2030 mennessä. Hanasaaren ja Salmisaaren voimalaitokset suljetaan lähitulevaisuudessa, Hanasaari viimeistään 1.4.2023 ja Salmisaari 1.4.2024 mennessä.

”Lainsäädäntö Suomessa edellyttää kivihiilen käytön lopettamista viimeistään keväällä 2029”, Rauhamäki sanoo.

Helen nopeutti omaa siirtymäänsä hiilettömään aikakauteen viidellä vuodella. Valmistelut uudenlaiseen, hajautettuun lämmöntuotantoon ovat olleet käynnissä jo vuosia.

”Lämpö täytyy tehdä kaupungissa, sitä ei voi tuoda toiselta puolelta Suomea, kuten sähköä.”

Tulevaisuudessa Helsinki lämpenee useasta eri lähteestä.

”Pääsuunta ovat erilaiset lämpöpumppuratkaisut”, Rauhamäki sanoo.

Maan, vesistöjen ja ilman sisältämää lämpöä voidaan jalostaa kaukolämmöksi lämpöpumppujen avulla.

Helen ottaa jo talteen hukkalämpöä konesaleista, kiinteistöistä, teollisuuden prosesseista sekä jätevesistä. Jätevesien ja kiinteistöjen hukkalämpöä hyödyntävällä Katri Valan lämpöpumppulaitoksella otettiin tänä vuonna käyttöön jo kuudes lämpöpumppu.

Lämpöä tuotetaan myös biomassalla.

”Noin vuoden päästä Vuosaareen valmistuu Helenin hakelämpölaitos, joka tuottaa pelkkää kaukolämpöä hakkeella.”

Helen on myös kehittänyt energian varastointia. Vanhoihin öljyluoliin Mustikkamaan alle on rakennettu lämpöluolavarasto kuumalle kaukolämpövedelle.

”Sillä ensisijaisesti tasataan tuotannon ja kulutuksen vaihteluja.”

Selvityksessä on myös meriveden lämmön hyödyntäminen kiinteistöjen lämmittämiseen.

”Teemme jo kaukolämpöä paljon muullakin kuin hiilellä. Kivihiilen osuus on vajaa puolet. Noin 30 prosenttia tuotetaan maakaasulla ja noin 20 prosenttia lämpöpumpuilla ja biomassalla.”

Uusiutuvan energian tekniikat kehittyvät

Suomen ohella moni muukin maa on ilmoittanut luopuvansa kivihiilestä. VTT:n Tiina Koljosen mukaan Suomi on kuitenkin sitoutuneisuudessaan kärkiluokkaa.

”Suomessa kivihiilen käytön kielto on kirjattu lainsäädäntöön. Aika harvassa maassa näin on.”

Kivihiilen käytön vähentämisessä on onnistuttu Koljosen mukaan globaalisti paremmin, kuin 10 tai 20 vuotta sitten ajateltiin. Tuolloin ei vielä hänen mukaansa osattu nähdä, miten nopeasti uusiutuvan energian teknologiat kehittyvät ja hinnat laskevat.

”Siihen aikaan odotukset esimerkiksi tuulivoiman kustannusten alenemisesta olivat huomattavasti pessimistisempiä. Nyt on todettu, että tuulivoima on kustannustehokkain tapa tuottaa sähköä tällä hetkellä.”

Maailmassa on kuitenkin vielä maita, jotka eivät ole ilmoittaneet luopuvansa kivihiilen käytöstä, esimerkiksi Kiina, Intia, Yhdysvallat ja Australia.

Kiinaan ja muualle Aasiaan rakennetaan Koljosen mukaan edelleen uutta hiilivoimaa.

”Kiinan energiankulutus on valtavaa ja kasvaa edelleen. Se, että maailman suurin kivihiilen käyttäjä luopuisi kivihiilestä kokonaan, ei ole helppo asia.”

Ilmastonmuutoksen torjunnan kannalta kivihiilen käytön lopettaminen on merkittävä toimi, Koljonen sanoo.

”Jos ajatellaan globaaleja kasvihuonekaasupäästöjä, ehdottomasti suurin osuus hiilidioksidipäästöistä tulee energiantuotannosta. Kivihiilen päästöt ovat suhteellisesti suuremmat kuin vaikka maakaasuun. Se tuottaa per energiayksikkö enemmän hiilidioksidipäästöjä.”

Hiilidioksidin talteenotto ja varastointi tärkeää

Luopuuko maailma joskus kokonaan hiilenkäytöstä?

”Voisin ajatella, että joskus kyllä. Jos katsotaan vuotta 2050, luulen, että Aasian maissa käytetään edelleen hiiltä. Mutta silloin hiilidioksidin talteenotto ja varastointi on kytketty käyttöön”, Koljonen sanoo.

”Jos tähdätään ilmaston lämpenemisen rajoittamiseen 1,5–2 asteeseen, se tarkoittaa ehdottomasti, että hiilidioksidin talteenoton ja varastoinnin on oltava osana hiilenkäyttöä.”