Kivihiili on kovaa kiveä, jota voidaan polttaa kiinteänä fossiilisena polttoaineena. Se koostuu pääasiassa hiilestä, mutta sisältää myös vetyä, rikkiä, happea ja typpeä. Se on sedimenttikivi, joka on muodostunut turpeesta myöhemmin sen päälle kerrostuneiden kivien paineesta. Kivihiiltä esiintyy eri kypsyysasteissa ja ominaisuuksissa: yleisimmät nimitykset suomeksi ovat ruskohiili (lignite), kivihiili (bitumi- tai kivihiili) ja antrasiitti, joilla on eri lämpöarvot, kosteus- ja tuhkapitoisuudet.
Turve ja siten myös hiili muodostuu miljoonia vuosia sitten trooppisissa kosteikoissa eläneiden kasvien jäänteistä, kuten myöhäisen hiilikauden (Pennsylvanian) kosteikoissa. Kasvijätteet hautautuivat ja muuttuivat hapettomissa oloissa ajan kuluessa turpeeksi; paine, lämpö ja geokemialliset prosessit muokkasivat tätä edelleen hiileksi (prosessi tunnetaan nimellä coalification). Myös ilmattomassa tilassa lämmitetystä puusta voidaan tehdä hiiltä, joka on hiilen kaltaista (hiili, engl. charcoal) ja jota käytetään esimerkiksi grillauksessa ja metallinpaloituksessa.
Hiilen lajit ja ominaisuudet
Kivihiilen kemiallinen koostumus ja tekniset ominaisuudet vaihtelevat huomattavasti: hiilipitoisuus, kosteus, tuhka- ja rikin määrä sekä lämpöarvo määräävät sen käytön. Korkeamman asteinen hiili (esimerkiksi antrasiitti) sisältää enemmän puhdasta hiiltä ja tuottaa vähemmän savua, kun taas ruskohiili on kosteampaa ja matalaenergisisempää. Kivihiilen sisältämät epäpuhtaudet, kuten rikki, voivat aiheuttaa rikkidioksidipäästöjä poltettaessa, ja raskasmetallit (esim. elohopea) voivat aiheuttaa ympäristö- ja terveysriskejä.
Käyttö ja taloudellinen merkitys
Hiiltä voidaan polttaa energiaksi tai lämmöksi. Noin kaksi kolmasosaa nykyisin louhitusta kivihiilestä poltetaan voimalaitoksissa sähkön tuottamiseksi. Hiilivoimaloissa käytetään erilaisia teknologioita, kuten jauhepolttoa, fluidisoitua vuodepolttoa ja korkeapaineisia höyryprosessia hyödyntäviä super- ja ultra-superkriittisiä kattiloita, jotka parantavat hyötysuhdetta. Lisäksi kivihiiltä käytetään teollisuudessa lämmönlähteenä ja raaka-aineena kemianteollisuudessa sekä teräksen valmistuksessa (metallurginen hiili).
Metallurginen hiili koksattavana on tärkeä raaka-aine rauta- ja terästeollisuudelle: se toimii masuunissa pelkistämiseen ja antaa tarvittavan lämmön ja reduktiiviset olosuhteet malmista raudan valmistukseen. Kivihiilen jalostus- ja muuntotekniikoihin kuuluu myös hiilen kaasutus ja nesteytys (coal-to-gas, coal-to-liquids), joilla voidaan tuottaa synteettisiä polttoaineita ja kemikaaleja.
Ympäristövaikutukset ja terveys
Öljyn tavoin hiiltä poltettaessa hiili yhdistyy ilmassa olevan hapen kanssa ja muodostaa paljon hiilidioksidia, joka aiheuttaa ilmastonmuutosta. Hiilenpoltto on yksi merkittävimmistä ihmisen aiheuttamista kasvihuonekaasupäästöjen lähteistä. Lisäksi kivihiilen poltosta syntyy pienhiukkasia, rikkidioksidia (SO2), typen oksideja (NOx) ja haihtuvia orgaanisia yhdisteitä, jotka kuormittavat ilmaa, voivat aiheuttaa happosateita ja terveysongelmia hengityselimissä. Tuhka ja raskasmetallit voivat saastuttaa maaperää ja vesistöjä.
Hiilikaivostoiminta aiheuttaa myös paikallisia ympäristövaikutuksia: avolouhokset muuttavat maanpinnan muotoa, maankatoamiset ja vedenlaadun heikkeneminen (esim. happamat valumavedet) ovat yleisiä ongelmia. Kaivostyöntekijöiden terveyteen liittyy riskejä, kuten keuhkosairauksia (esim. pneumokonioosi) ja tapaturmia, erityisesti maanalaisessa kaivostoiminnassa.
Politiikka, vähentämistoimet ja tulevaisuus
Tämän ja muiden hiilen aiheuttamien ilmansaasteiden vuoksi useimmat maat ovat siirtymässä uusiin energialähteisiin, kuten aurinkoenergiaan, mutta myös tuuli-, vesivoima- ja ydinenergia ovat merkittäviä vaihtoehtoja. Lisäksi kehittyneitä tekniikoita, kuten hiilidioksidin talteenottoa ja varastointia (CCS), tutkitaan ja otetaan käyttöön päästöjen vähentämiseksi teollisuudessa ja voimalaitoksissa. Uusia hiilivoimaloita rakennetaan kuitenkin edelleen joissakin osissa maailmaa, kuten Kiinassa, jossa ilmastopolitiikan ja energiantarpeen vuoksi hiili edelleen kattaa suuren osan sähkön tuotannosta.
Monet maat sulkevat vanhoja, tehottomia hiilivoimaloita ja korvaavat ne entistä vähäpäästöisemmillä tuotantotavoilla. Myös puun ja muiden biomassojen seospoltto (co-firing) voi osaltaan pienentää hiilen käytöstä aiheutuvaa nettokasvihuonekaasupäästöä, mikäli biomassin hankinta on kestävää.
Koksin valmistus
Kivihiiltä voidaan paahtaa (kuumennetaan hyvin kuumaksi paikassa, jossa ei ole happea) koksin tuottamiseksi. Koksia voidaan käyttää sulatuksessa metallien pelkistämiseen malmista. Koksauksen sivutuotteina syntyy myös hiilivetyjä, terva ja muut kemialliset johdannaiset, joita hyödynnetään kemianteollisuudessa.
Yhteenveto
Kivihiili on historiallisesti ollut keskeinen energian- ja teollisuuden raaka-aine, mutta sen käyttöön liittyvät merkittävät ilmasto- ja ympäristöhaitat ovat johtaneet siirtymään puhtaampiin energialähteisiin. Hiilen rooli tulevaisuudessa riippuu sekä teknologisesta kehityksestä (esim. CCS) että kansainvälisistä ja kansallisista poliittisista päätöksistä sekä taloudellisista kannustimista vähentää fossiilisten polttoaineiden käyttöä.
