Maailma puhuu ilmastonmuutoksen lieventämisestä mutta rakentaa rajusti hiilivoimaa. Hiilivoimaloiden piiput puhaltavat ilmaan kymmenen miljardia tonnia hiilidioksidia vuodessa. Jos nykyinen kehitys jatkuu, tonnit tuplaantuvat. Suunta on muutettavissa. Puhtaan hiilen tekniikkaa löytyy. Mutta otetaanko ratkaisut käyttöön?


Jos nykyinen kehitys jatkuu, tonnit tuplaantuvat. Suunta on muutettavissa.
Puhtaan hiilen tekniikkaa löytyy. Mutta otetaanko ratkaisut käyttöön?




Hiilivoima on varjeltunut hyvin julkisuudelta. Ketäpä 1800-luvun polttoaine kiinnostaisi.

Kansainvälisen energiajärjestön IEA:n (International Energy Agency) mukaan maailman primaarienergiasta tuotettiin hiilellä 26 prosenttia vuonna 2004.

Sähkön tuotannosta hiilen osuus on vielä isompi. Maailman hiili-instituutin (World Coal Institute) mukaan hiilellä tuotetaan 42 prosenttia maailman sähköstä. Kiina saa sähköstään peräti 77 prosenttia hiilivoimaloista, Yhdysvallat 48 prosenttia.




1 Puolitetaan autojen polttoaineenkulutus kahdeksasta litrasta neljään litraan sadalla kilometrillä.
2 Puolitetaan myös ajokilometrit 16 000 kilometristä 8 000 kilometriin vuodessa.
3 Pienennetään sähkön kulutusta kotona, toimistoissa ja kaupoissa 25 prosentilla.
4 Nostetaan 1 600 suuren eli 1 000 megawatin hiilivoimalan hyötysuhdetta 40:stä 60 prosenttiin.
5 Korvataan 1 400 suurta hiilivoimalaa kaasuvoimaloilla.
6 Asennetaan 800 suureen hiilivoimalaan erotuslaitteet eli ccs-laitteet, jotka poistavat 90 prosenttia hiilidioksidista.
7 Asennetaan ccs-laitteet hiilivoimaloihin, jotka tuottavat vetyä autoille.
8 Asennetaan ccs-laitteet hiilivoimaloihin, jotka tuottavat hiilestä synteesikaasua ja synteettistä polttoainetta autoille.
9 Kaksinkertaistetaan ydinvoiman tuotanto.
10 Kasvatetaan tuulienergian tuotanto 40-kertaiseksi hiilivoiman korvaamiseksi.
11 Kasvatetaan aurinkoenergian tuotanto 700-kertaiseksi.
12 Lisätään tuulienergian tuotanto 80-kertaiseksi vedyn valmistamiseksi autoja varten.
13 Tuotetaan kuudenneksella maapallon viljelyalasta etanolia autojen polttoaineeksi.
14 Pysäytetään metsien hävittäminen.
15 Otetaan koko maapallon viljelyalalla käyttöön suorakylvötekniikka, joka tarkoittaa viljelyä ilman kyntämistä.


Ratkaisuja listasivat amerikkalaisprofessorit Robert H. Socolow ja Stephen W. Pacala, jotka vetävät Princetonin yliopistossa hiilipäästöjen vähentämisprojektia.
Jotta ilmakehän hiilidioksidipitoisuus saataisiin jäämään alle siedettävän maksimin, joka monien tutkijoiden mukaan on 450 ppm (parts per million eli miljoonasosaa), päästöt tulisi 50 seuraavan vuoden ajaksi pysäyttää nykytasolle. Socolowin ja Pacalan mukaan tämä minimitavoite saavutetaan, jos viidestätoista kohdasta toteutetaan seitsemän.
Kaksikon luettelemat ratkaisut ovat sellaisia, jotka on mahdollista toteuttaa 50 lähivuoden aikana. Jokainen niistä vähentää päästöjä pelkäksi hiileksi laskettuna miljardilla tonnilla eli hiilidioksidiksi laskettuna 3,7 miljardilla tonnilla. Tutkijat huomauttavat, ettei vaihtoehtojen luettelo ei ole täydellinen; muitakin on.
Luettelo on poimittu Socolowin ja Pacalan artikkelista A Plan to Keep Carbon in Check, joka ilmestyi Scientific Americanissa syyskuussa 2006.




Kiinaan kolme Inkoota kuussa






Pakko käydä hiilen kimppuun

IEA:n mukaan hiilen polttaminen aiheutti vuonna 2004 hiilidioksidipäästöistä 39 prosenttia. Jos jatketaan vanhaan tapaan, hiilen osuus nousee vielä ja on 43 prosenttia vuonna 2030.

Koneenrakennuksen professori Robert H. Socolow ja ekologian professori Stephen W. Pacala vetävät hiilidioksidipäästöjen leikkaamiseen tähtäävää Carbon Mitigation Iniative -hanketta Princetonin yliopistossa. He ovat laskeneet, että ihmiskunta syötti 2004 ilmakehään 26 miljardia tonnia hiilidioksidia. Mikä pahempaa, päästöt ovat 2056 kaksinkertaiset, ellei mitään uutta keinoa keksitä.

Tekniikoita hiilidioksidin hallitsemiseksi on tarjolla. Jos ensimmäiseksi yllättää hiilivoiman suuri osuus, niin toinen yllätys on havaita, miten paljon tutkijat ja insinöörit pystyvät tekemään ongelman ratkaisemiseksi.

On mahdollista säästää energiaa. On mahdollista tuottaa sähköä muuten kuin hiilellä. On mahdollista nostaa voimaloiden hyötysuhdetta ja näin vähentää päästöjä suhteessa tuotettuun sähkömäärään.

IEA:n tilastojen mukaan hiilivoimalan hyötysuhde oli Kiinassa vuonna 1973 vain 27 prosenttia mutta vuonna 2003 jo 33 prosenttia. Maailman keskiarvo oli 35 prosenttia, mutta japanilaiset olivat päässeet jo 42 prosentin hyötysuhteeseen.

Koska absoluuttiset päästöt silti kasvavat hurjaa vauhtia, haetaan ratkaisuja hiilidioksidin poistamiseksi. Energiakeskusteluun on ilmestynyt lyhenne ccs: carbon capture and storage, hiilen sieppaaminen ja varastointi.


Pestään hiili savukaasuista

Ccs-tekniikat jakautuvat kolmeen suureen ryhmään. Vanhin ja suoraviivaisin tapa on pestä hiilikattilasta tuleva savukaasu puhtaaksi hiilidioksidista.

Kattilan perään rakennetaan pesutorni, jossa sopiva pesuliuos imee hiilidioksidin itseensä. Sitten liuos regeneroidaan toisessa tornissa eli siitä erotetaan hiilidioksidi esimerkiksi kuumentamalla. Hiilidioksidi puristetaan nesteeksi, ja pesuliuos kierrätetään takaisin pesutorniin imemään uutta kaasua.

Pesukemikaaleina käytetään amiini-nimisiä orgaanisia typpiyhdisteitä. Monia muitakin on, kuten kaliumkarbonaatti, jota italialainen fyysikko Cesare Marchetti ehdotti 1977. Hän esitti tuolloin pähkähullulta kuulostaneen ajatuksen puhdistaa savukaasut hiilidioksidista.




Brittiläiset terveystutkijat Anil Markandya Bathin yliopistosta ja Paul Wilkinson London School of Hygienestä julkaisivat tiedelehti Lancetissa viime syksynä artikkelisarjan energiantuotannon terveysvaikutuksista.
Tutkimus ei huomioi ilmaston lämpenemisen seurauksia, vaan mukana ovat ainoastaan välittömät terveysvaikutukset. Hiilellä niihin kuuluvat onnettomuudet ja ammattitaudit hiilikaivoksissa, terveyshaitat itse voimaloissa sekä ennen kaikkea savukaasujen vaikutukset koko väestön terveyteen.
Noin 12 prosenttia hiilikaivostyöläisistä kärsii yhä kuolemaan johtavista ammattitaudeista, kuten pölykeuhkosta. Meitä kaikkia uhkaavat savukaasujen rikki- ja typpiyhdisteet, otsoni, bentso(a)pyreeni ja muut töhkät. Päästöt leviävät tuhansia kilometrejä ja aiheuttavat tai pahentavat syöpiä, sydäntauteja, bronkiittia, astmaa, unihäiriöitä ja verenpainetta.
Tutkijoiden keräämien tietojen mukaan sähkön tuottaminen kivihiilellä aiheuttaa Euroopassa yhtä terawattituntia kohti keskimäärin 225 vakavaa sairaustapausta ja 24,5 kuolemaa. Ydinvoima aiheuttaa vain 0,052 kuolemantapausta - hiilivoima on siis 470 kertaa epäterveellisempää. Eroa selittää se, että hiilivoimala kylvää kuolemaa koko ajan mutta ydinvoimalan säteilypäästöt ovat harvinaisia.
Yksi tuhannen megawatin kivihiilivoimala, joka pyörii keskimäärin 90 prosentin teholla, tuottaa vuodessa noin 7,9 terawattituntia sähköä. Voimalan koko polttoaineketjusta koituu vuodessa 193 kuolemaa ja 1 774 vakavaa sairastumista.
Koko maailma tuottaa vuosittain hiilisähköä noin 7 000 TWh, mistä saadaan minimiarvio hiilivoiman inhimilliseksi hinnaksi: 170 000 vainajaa ja 1,6 miljoonaa vakavasti sairastunutta vuodessa. Todellisuudessa luvut ovat isompia, koska suuressa osassa maailmaa kuolleisuus ja sairastavuus ovat moninkertaiset Eurooppaan verrattuna.
Kiinassa tutkittiin terveysvaikutuksia Shandongin provinssissa. Kiinalaiset ympäristövaatimukset täyttävä voimala aiheutti 77 kuolemaa terawattituntia kohti eli kolme kertaa enemmän kuin eurooppalainen laitos.





Poltetaan pelkällä hapella

On kallista käsitellä laihaa savukaasua. Savukaasussa tärkeintä palamistuotetta, hiilidioksidia, on vain 14-15 prosenttia, loppu on pääasiassa typpeä. Voimalan polttokattilaan puhallettava hapetin on nimittäin tavallista ilmaa, josta 78 prosenttia on typpeä ja 21 prosenttia happea. Vain happea tarvitaan palamiseen; typpi kulkee kattilan läpi vapaamatkustajana, tekemättä mitään.

On luontevaa ajatella, että palamiskattilaan syötettäisiinkin ilman sijasta happea. Savukaasu koostuisi tällöin lähes pelkästä hiilidioksidista, joka voitaisiin nesteyttää suoraan. Varsinaista hiilidioksidin erotusta ei tarvittaisi lainkaan. Happipoltto onkin toinen ccs-menetelmien ryhmä.

Happea on vanhastaan tuotettu suuria määriä esimerkiksi terästeollisuuden tarpeisiin, ja tekniikka hallitaan. Ilma jäähdytetään niin, että happi nesteytyy ja typpi erottuu kaasuna.

Ratkaisu on kaunis, mutta taaskin kallis. Hapen erottaminen vie suunnilleen samat 25-30 prosenttia laitoksen tuottamasta sähköstä kuin savukaasun pesukin. Tietenkin löytyy ideoita molempien prosessien halventamiseksi.


Fortum kokeilee ccs:ää

Savukaasujen pesuun kehitetään menetelmää, jossa käytetään ammoniakkia. Tutkijat uskovat, että sähkön hävikki voidaan näin painaa kymmeneen prosenttiin.

Hapen erottamisessa yksi uusi ratkaisu on membraanitekniikka, jossa huokoinen seinä "seuloo" hapen eroon typestä.

Suomessa Fortum aikoo kokeilla Meri-Porin voimalassa sekä happipolttoa että hiilidioksidin poistamista savukaasusta.

- Kehitystyössä katsomme molempia vaihtoehtoja, kertoo teknologiapäällikkö Petra Lundström Fortumista. - Sitten loppujen lopuksi valitaan mielestämme sopivin ja toimivin.

Kehitettäville menetelmille on paljon käyttöä Kiinassa ja monissa muissakin maissa, kun toimivien laitosten korjaustalkoot alkavat.

- Kiina ja muutkin maat rakentavat nyt hiilivoimaloita 30 vuoden pitoajalle ilman hiilidioksidin erotusta, Lundström sanoo. - Syntyy tarve asentaa erotuslaitteita jälkeenpäin. 


Tehdään uudenlaiset voimalat

Asennetaan hiilidioksidin erotuslaitteet sitten rakennusvaiheessa tai jälkikäteen, koko hiilivoimalan hyötysuhdetta on puristettava entistä paremmaksi. Näin hiilenpoiston kustannukset tuotettua kilowattituntia kohti pienenevät.

Kolmas ryhmä ccs-ratkaisuja on uusi voimalatekniikka.

Monet tutkijat, kuten yhdysvaltalaisen Natural Resource Defense Councilin ilmastonmuutostutkijat David G. Hawkins ja Daniel A. Lashof sekä Princetonin yliopiston ympäristötutkija Robert H. Williams, ehdottavat, että hiilenpoisto yhdistetään kaasutuskombivoimalaan eli igcc-prosessiin (integrated gasification combined cycle).

Igcc-voimalassa kiinteä hiilipolttoaine muutetaan kaasuksi, joka sisältää pääasiassa hiilidioksidia ja vetyä.
Hiilidioksidi erotetaan kaasuttimen jälkeen. Jäljelle jäänyt vetypitoinen kaasu pyörittää ensin kaasuturbiinia ja menee sitten kattilaan, jonka tuottama höyry pyörittää höyryturbiinia. Näin hiilestä saadaan irti enemmän sähkötehoa.

Tavallisissa hiilivoimaloissa sähköntuotannon hyötysuhde on 40-42 prosenttia. Hiiltä polttavien igcc-koelaitosten hyötysuhde on nykyään 45 prosenttia, ja tutkijat uskovat 2020-luvulla päästävän noin 55 prosenttiin.
Kun hiilenpoiston tekniikka ja voimalaitoksen hyötysuhde paranevat samanaikaisesti, kustannukset alenevat nopeasti. Lopulta puhdasta hiilivoimaa pystytään tuottamaan yhtä halvalla kuin likaista.


Onko muutos liian hidas?

Ratkaisuja hiiliongelmaan riittää, mutta milloin uusi tekniikka otetaan käyttöön? Hawkinsin ja tutkijakumppanien mielestä ccs-laitteita tulisi ruveta asentamaan hiilivoimaloihin lähivuosina, 2010-luvun alussa.

Valtioiden ja yritysten tähtäin on kauempana. Pisimmällä on Euroopan unioni, jonka tavoitteena on rakentaa 10-12 suurta demolaitosta hiilidioksidin erottamiseksi vuoteen 2015 mennessä. Sitten kerättäisiin kokemuksia, jolloin teolliseen soveltamiseen päästäisiin vuoden 2020 paikkeilla.

- Aikataulu on ilmastonmuutoksen etenemisen kannalta hidas, mutta teknologian kannalta haastava ja nopea, Petra Lundström sanoo.

Energiatekniikka, jota on pidetty pysähtyneenä alana, on kokemassa valtavan nousun. Kun 20-30 viime vuoden aikana muutoksia on tapahtunut vähän, niin lähivuosikymmeninä ala muuttuu niin paljon, että jotkut puhuvat jo uudesta teollisesta vallankumouksesta.

- Itse en ehkä puhuisi aivan vallankumouksesta, mutta tavat tuottaa ja käyttää energiaa muuttuvat merkittävästi, Lundström sanoo.

Joskus 1960-luvulla puheet, että pitäisi poistaa rikki savukaasuista, kuitattiin haihatteluna. Nyt rikinpoisto on pakollista teollisuusmaissa ja kehittyvissä maissa asennetaan rikinpoistolaitteita. Ehkä hiilenpoisto on kohta yhtä arkipäiväistä.



Kalevi Rantanen on diplomi-insinööri, tietokirjoittaja ja Tiede-lehden vakituinen avustaja.