Merkittävin ihmisen tuottama kasvihuonekaasu on hiilidioksidi. Tällä hetkellä se muodostaa 0,0412 % ilmasta. Aiemmat pitoisuudet tiedetään varsin tarkasti vuosituhansien taakse menneisyyteen. Tietoja on saatu esimerkiksi tutkimalla vanhoja jääkerrostumia. Viimeisen kahdeksansadan tuhannen vuoden aikana pitoisuudet ovat vaihdelleet välillä 0,018–0,028 %. Vasta hiilen polton alettua teollisen vallankumouksen myötä 1700-luvun lopulla pitoisuus on ylittänyt 0,03 % ja on sittemmin kasvanut nopeasti.

Tämän opintojakson tietoja soveltamalla voidaan laskea, paljonko hiilidioksidia ilmakehään vapautuu esimerkiksi Helsingin Hanasaaren hiilivoimalassa vuosittain poltettavasta kivihiilimäärästä. Voimala tuottaa sähköä ja lisäksi lämmittää Helsingin kiinteistöjä kaukolämmöllä. Hanasaaren A-voimala on purettu vuonna 2008 ja B-voimala on päätetty sulkea 2024 mennessä.

Esimerkkitilanne: hiilen poltosta vapautuva hiilidioksidimäärä

Hanasaaren B-voimalaitos tuottaa sähköä 220 MW teholla ja lämpöä 420 MW teholla. Laitoksen hyötysuhde sähkön ja kaukolämmön yhteistuotannossa on 86 %. Voidaan laskea, paljonko hiileen sitoutunutta kemiallista energiaa voimalaitoksessa muunnetaan vuosittain:

[[$\begin{align*}\quad E_\text{anto}&=\eta E_\text{otto} \\ \, \\E_\text{otto}&=\dfrac{E_\text{anto}}{\eta}=\dfrac{Pt}{\eta}\\ \, \\&=\dfrac{\left(220\cdot 10^6\text{ W}+420\cdot 10^6\text{ W}\right)\cdot 365\cdot 24\cdot 60\cdot 60\text{ s}}{0{,}86}\\ \, \\&=2{,}346\,865\,116\dotso\cdot 10^{16}\text{ J}\approx 2{,}35\cdot 10^{16}\text{ J}\\ \end{align*}$]]

Sitten on selvitettävä, montako kilogrammaa hiiltä tähän tarvitaan. Kivihiilen lämpöarvo on noin 30 MJ/kg:

[[$\begin{align*}\quad m&=\dfrac{E}{H}=\dfrac{2{,}346\,865\cdot 10^{16}\text{ J}}{30\cdot 10^6\text{ J/kg}}\\ \, \\ &=7{,}822\,883\dotso\cdot 10^8\text{ kg}\approx 7,82\cdot 10^8\text{ kg}\\ \end{align*}$]]

Jotta voidaan luvun 3 ideaalikaasun tilanyhtälön avulla selvittää, kuinka paljon hiilidioksidia tästä syntyy, on tiedettävä, montako moolia hiiltä on äsken lasketussa, vuodessa poltettavassa määrässä. Poltettava hiili ei ole täysin puhdasta hiiltä ja tämä on otettu huomioon kokeellisesti määritetyssä kivihiilen lämpöarvossa. Puhtaan hiilen lämpöarvo olisi siis hieman suurempi ja sen määrä vastaavasti pienempi. Ainemäärää laskettaessa joudutaan arvioimaan poltettavan massan koostuvan pelkästään hiilestä, ja näin ollen ainemäärä tulee arvioitua hieman liian suureksi.

[[$\begin{align*}\quad n&=\dfrac{m}{M}=\dfrac{7{,}822\,88\cdot 10^{11}\text{ g}}{12{,}01\text{ g/mol}}\\ \, \\ &=6{,}513\,63\dotso\cdot 10^{10}\text{ mol}\approx 6{,}51\cdot 10^{10}\text{ mol}\\ \end{align*}$]]

Yhdessä hiilidioksidimolekyylissä on yksi hiiliatomi, joten hiilidioksidia syntyy yhtä monta moolia kuin hiiltä poltetaan. Ideaalikaasun tilanyhtälöllä voidaan ratkaista, kuinka suuren tilavuuden tämä ainemäärä hiilidioksidia vie. Oletetaan ilmakehän keskilämpötilaksi Maan keskilämpötila 14 °C eli noin 287 K ja paineeksi normaalipaine 101 325 Pa:

[[$\begin{align*}\quad pV&=nRT\\ \, \\ V&=\dfrac{nRT}{p}=\dfrac{6{,}5136\cdot 10^{10}\text{ mol}\cdot 8{,}314\,510\,\dfrac{\text{J}}{\text{mol K}}\cdot 287\text{ K}}{101\,325\text{ Pa}}\\ \, \\ &=1{,}533\,99\dotso\cdot 10^9\text{m}^3\approx 1{,}53\cdot 10^9\text{ m}^3\\ \end{align*}$]]

Nyt on verrattava tätä tilavuutta koko ilmakehän tilavuuteen. Koska hiilidioksidin viemä tilavuus laskettiin merenpinnalla vallitsevissa olosuhteissa, vertailu on tehtävä siihen, paljonko kaikki ilmakehän ilma veisi niissä olosuhteissa tilaa. Ilmakehän massa on noin [[$5{,}15\cdot 10^{18}\text{ kg}$]] ja tiheys merenpinnan tasolla [[$1{,}2\text{ kg/m}^3$]]. Tilavuudeksi saadaan

[[$\quad V=\dfrac{m}{\rho}=\dfrac{5{,}15\cdot 10^{18}\text{ kg}}{1{,}2\text{ kg/m}^3}=4{,}291\dotso\cdot 10^{18}\text{ m}^3$]]

Nyt voidaan laskea, kuinka suuri osuus Hanasaaren voimalan tuottama hiilidioksidimäärä on tästä tilavuudesta:

[[$\quad \dfrac{1{,}53\cdot 10^9\text{ m}^3}{4{,}29\cdot 10^{18}\text{ m}^3}=3{,}566\dotso\cdot 10^{-10}\approx 3{,}6\cdot 10^{-10}$]]

Osuus on siis varsin pieni ja voi tuntua mitättömältä. Kyseessä oli kuitenkin vain yhden, maailman mittakaavassa ei erityisen suuren kaupungin hiilivoimala. Maailman hiilivoimaloiden yhteenlaskettu teho on noin 5 TW, eli 5 000 000 MW. Tämä vastaa noin 6 750 kappaletta Hanasaaren tehoista voimalaitosta. Esimerkiksi kymmenen vuoden aikana niiden tuottaman hiilidioksidin osuus ilmakehän tilavuudesta on

[[$\quad 6\,750\cdot 10\cdot 3{,}6\cdot 10^{-10}=3{,}6\cdot 10 = 0{,}002\,43\,\%$]]

Kun tätä vertaa nykyiseen hiilidioksidipitoisuuteen 0,0412 %, on helppo nähdä, että määrällä on vaikutusta. Ihminen vapauttaa hiilidioksidia lisäksi monista muista lähteistä, esimerkiksi polttamalla öljyä ja siitä valmistettuja polttoaineita sekä raivaamalla metsiä pelloiksi. Tällä hetkellä ilmakehän hiilidioksidipitoisuus kasvaa mittausten mukaan vuosittain 0,0002 %. Esimerkkilaskuun verrattuna tämä tarkoittaisi, että hiilidioksidia ei tulisi mistään muualta kuin hiilivoimaloista. Tämä selittyy sillä, että kaikki ihmisen tuottama hiilidioksidi ei jää ilmakehään, vaan sitoutuu esimerkiksi valtameriin happamoittaen niitä.