Kivihiili

Kivihiili on muinaisten kasvien jäännöksistä syntynyt runsaasti hiiltä, jonkin verran muitakin alkuaineita sisältävä kivilaji, jota käytetään ennen kaikkea polttoaineena. Kivihiili oli varsinkin teollistumisen alkuvaiheessa ratkaisevan tärkeä energian lähde, mutta nykyisin sen kuten muidenkin fossiilisten polttoaineiden käytöstä pyritään luopumaan niiden aiheuttaman ilmastonmuutoksen rajoittamiseksi. Paitsi polttoaineena, käytetään kivihiiltä myös metallurgiassa, varsinkin teräksen valmistuksessa, sekä kemianteollisuuden raaka-aineena. Kivihiilen suuren merkityksen vuoksi sanalla hiili viitataan hyvin usein /nimenomaan kivihiileen.

Koostumus ja ominaisuudet

Pääasiassa kivihiili sisältää hiiltä, happea ja vetyä, vähemmissä määrin rikkiä ja typpeä. Kivihiilessä on myös pienempiä määriä epäorgaanisia yhdisteitä, jotka poltettaessa muodostavat tuhkaa. Hapettomassa tilassa kuumennettaessa kivihiilestä irtoaa tervaa, nesteitä ja kaasuja, ja jäljelle jää koksia.

Kivihiilen sisältämät yhdisteet ovat moninaisia, eikä niistä voida antaa lyhyttä, kattavaa kuvausta. Merkittäviä kivihiilen yhdisteitä ovat bentseenirenkaat ja niiden johdannaiset, joissa vety, happi, typpi ja rikki ovat kiinnittyneinä hiiliatomien muodostamaan rankaan. Typpi esiintyy kivihiilessä orgaanisina molekyyleinä. Rikkiä on myös epäorgaanisissa yhdisteissä, pääasiassa rautapyriittinä (FeS₂). Typpipitoisuus on yleensä kaikkiaan n. 0–10 %, rikkipitoisuus samoin.

Mineraaliaines hiilessä koostuu tyypillisesti kaoliniitista, savesta, pyriitistä, kalsiitista ym. ja sisältää näin ollen piidioksidia, alumiinia, rautaa ja kalsiumia. Myös muita alkuaineita esiintyy vähäisiä määriä. Mineraaliaines on kivihiilessä yleensä kerroksina ja juonteina hiilipitoisemman materiaalin välissä.

Kivihiilen hiilipitoisuus vaihtelee sen mukaan, kuinka vanhaa se on. Vanhimmat kerrostumat ovat antrasiittia, joka sisältää lähes puhdasta hiiltä. Varsinainen kivihiili on hiilipitoisuudeltaan antrasiittia pienempää. Ruskohiili on nuorinta kivihiiltä ja siinä hiilipitoisuus on alhaisin. Ruskohiiltä on kaikista maailman hiilivaroista noin puolet.

Kivihiilen huokosissa on yleensä metaania, jota kivihiilikaivoksissa esiintyessään sanotaan myös kaivoskaasuksi. Se saattaa syttyä palamaan aiheuttaen onnettomuuksia.

Synty

Kivihiilen synty pohjautuu hapettomissa oloissa tapahtuneeseen kovan paineen alaisiksi joutuneiden tulvien ja niiden tuomien lietteiden alle kasautuneiden muun muassa rehevien kortepuu-, lieko- ja saniais-prosessiin eli niiden muutoksiin. Tämä tapahtui pääasiassa kivihiilikaudella vallinneella lämpökaudella 350 miljoonaa vuotta sitten. Syntyprosessiin liittyy kosteikkojen pohjalla esiintynyt anaerobinen mikrobitoiminta, joka ajan kuluessa laski kosteuden osuutta materiaalissa kun hiilen pitoisuus samalla kasvoi. Syntyprosessin päävaiheet voi kuvata seuraavasti:

Biomassa → Turve → Ruskohiili → Kivihiili → Antrasiitti^[1]

Prosessin jokaisen vaiheen sisältämien ainesosasten esiintymiä maapallolla esiintyy nykyäänkin. Mitä pidemmälle prosessi on edennyt, sitä enemmän hiili on siinä kovettunut ja tiivistynyt. Polttoainekäyttöön louhitun hiilen laadun katsotaan olevan sitä korkeampi, mitä pidemmältä prosessia se on saatu.

Ympäristöhaitat

Kivihiilen palamistuotteista suurin osa on hiilidioksidia. Jos palaminen jää vaillinaiseksi, syntyy myös myrkyllistä hiilimonoksidia eli häkää, minkä lisäksi osa hiilestä leviää nokena ympäristöön. Lisäksi syntyy vedystä vettä ja rikistä rikkidioksidia. Rikkidioksidi reagoi herkästi veden kanssa muodostaen rikkihapoketta: SO₂ + H₂0 ⇒ H₂SO₃. Se taas voi ilmassa helposti hapettua rikkihapoksi H₂SO₄. Ilmakehästä happo laskeutuu maahan kuivana laskeumana tai sadeveden mukana happosateina, jotka aiheuttavat vesistöjen ja maaperän happamoitumista.

Muut kivihiilessä esiintyvät ainekset poistuvat palaessa suurelta osin pienhiukkasina ympäristöön, samoin siinä olevien orgaanisten yhdisteiden hajoamistuotteet. Osa näistä aineista on myrkyllisiä ja ympäristölle haitallisia.

Teollisen mittakaavan voimalaitoksiin, joissa suurin osa kivihiilestä poltetaan, kannattaa rakentaa savukaasupuhdistimia, joilla rikkipäästöt saadaan vähennettyä alle viiteen prosenttiin puhdistamattomaan verrattuna.

Käyttö

Pääartikkeli: Hiilivoima

Kivihiili on ensimmäinen fossiilinen polttoaine, jota ihminen hyödynsi. 1700-luvun lopulla Englannissa kivihiili mahdollisti teollisen vallankumouksen. Kivihiilen myötä syntyi teollisuusalueita Englannin keskiosiin, Ruhrin alueelle ja Belgiaan, mikä levisi myös muualle Eurooppaan.

Historiallisesti hiiltä on teollisuuslaitosten ulkopuolella käytetty merkittävästi liikennepolttoaineena laivoissa ja höyryvetureissa sekä lämmitykseen. Sitä on laajalti käytetty myös kaupunkikaasun valmistukseen, jota alkujaan käytettiin etupäässä valaistukseen (valokaasu), myöhemmin pääasiassa kaasuhelloissa.

Nykyisin hiiltä poltetaan varsinkin voimaloissa, joista monet tuottavat sekä sähköä että kaukolämpöä. Hiiltä käytetään myös teräksen valmistuksessa. Suomessa käytetään paljon puolalaisia ja venäläisiä hiililaatuja.

Koksi on kivihiilestä kuivatislaamalla valmistettu polttoaine. Koksi valmistetaan hiilestä kuumentamalla, jolloin kaasuuntuvat ja nesteytyvät aineet poistuvat siitä. Koksiin jää alkuaine hiili ja tuhkaa muodostavat kiinteät aineet. Koksin lisäksi kuivatislauksessa syntyy kivihiilitervaa, jota käytetään kemianteollisuuden raaka-aineena. Siitä valmistetaan kemikaaleja, synteettistä kumia sekä lääkkeitä.

Energian kokonaistuotannosta hiilen osuus on noin neljännes^[2]. Energia-alan yhtiöiden yhdistyksen mukaan nykyisellä kulutuksella maailman tunnettujen kivihiilivarojen on arvioitu riittävän 200 vuotta^[2].

Koko maailmassa on käytettävissä olevaa kivihiiltä yhteensä 847 488 000 000 tonnia^[3]. Yksi tonni kivihiiltä sisältää noin 745 kg hiiltä^[4]. Siten ihmiskunnan ulottuvilla oleva kivihiilireservi sisältää 632 226 048 000 tonnia hiiltä.

Yhdistynyt kuningaskunta sulki viimeisen kivihiilivoimalansa loppuvuodesta 2024, minkä johdosta siitä tuli ensimmäinen G7-maa, joka luopui kivihiilistä.^[5]