Aurinkoenergia

Aurinkoenergia on auringon säteilemän energian hyödyntämistä sähkö- tai lämpöenergiana. Yleensä termillä tarkoitetaan erityisesti suoraa säteilyenergian hyödyntämistä aurinkokennon tai aurinkokeräimen avulla. Suoran ja epäsuoran aurinkoenergian hyödyntämiseksi on kehitteillä näiden lisäksi monia teknisiä sovelluksia.

Aurinkoenergia on niin sanottua uusiutuvaa energiaa, ja sen tuotannosta syntyy päästöjä ja jätettä vain laitteiden valmistuksessa ja kierrätyksessä. Aurinkoenergia on ollut pitkään varsin kallista, sen hyödyntämiseen tarkoitettujen paneeleiden hinnan vuoksi, mutta eräiden vuonna 2010 julkaistujen  tutkimusten mukaan hintakehitys oli laskemassa seuraavan kymmenen vuoden kuluessa fossiilisten polttoaineiden tasolle

Yleistä

Auringon säteilyn intensiteetti Maan kiertoradan etäisyydellä Auringosta on noin 1,4 kW/m², kun se mitataan suorassa kulmassa suhteessa aurinkoon. Maan pinnalle kohdistuva kokonaisteho on noin 170 000 TW, mutta käytännössä siitä ei voida hyödyntää kuin pieni osa. Säteilystä heijastuu suoraan takaisin suunnilleen 30 prosenttia.

Maan maa- ja vesialueet sekä ilmakehä absorboivat auringon säteilyä, mikä nostaa niiden lämpötilaa. Valtameristä haihtunutta vettä sisältävä lämmin ilma kohoaa painovoimakentässä ylöspäin aiheuttaen ilmakehässä kiertoliikettä ja lämmön kuljettumista. Kun ilma kohoaa korkeuteen, jossa lämpötila on matala, vesihöyry tiivistyy pilviksi. Pilven vesi putoaa lopulta maanpinnalle toteuttaen veden kiertokulun. Veden tiivistymisen latentti lämpö vahvistaa konvektiota muodostaen erilaisia ilmakehän ilmiöitä, kuten tuuli, sykloni ja korkeapaine. Valtameriin ja maa-alueisiin absorboitunut auringon säteily pitää Maan keskilämpötilan noin 14 °C:ssa. Kasvit muuttavat fotosynteesissä auringon energiaa kemialliseksi energiaksi.

Aurinkoenergian potentiaali on suuri, sillä ihmiskunta kuluttaa energiaa vuodessa suunnilleen saman verran kuin Auringon energiaa absorboituu maanpintaan ja ilmakehään yhdessä tunnissa. Yhteyttäminen sitoo biomassaan vuodessa suunnilleen 30 tsettajoulea aurinkoenergiaa.

Aurinkokennoilla säteilyn energiasta noin 21 prosenttia voidaan muuttaa sähköksi; vastaavasti aurinkokeräimillä säteilyn energiasta saadaan lämmöntuotantoon 25–35 prosenttia.

Aurinkosähkön sijaan voisi käyttää nimeä valoenergia tai fotonienergia. Sähköenergiaa voidaan tuottaa myös pimeän aikaan yöllä infrapunasäteilystä.

Suora ja epäsuora aurinkoenergia 
Suoraksi aurinkoenergiaksi kutsutaan energiantuotantomuotoja, joissa auringonsäteily sidotaan suoraan sähköksi aurinkokennossa tai lämmöksi aurinkokeräimessä tai aurinkolämpövoimalassa. Epäsuoraksi aurinkoenergiaksi kutsutaan mitä tahansa muuta energiantuotantoa, jossa säteilyä ei suoraan oteta käyttöön vaan hyödynnetään vaikkapa säteilyn synnyttämiä virtauksia tai eliöiden varastoimaa kemiallista energiaa. Epäsuoria aurinkoenergiamuotoja ovat muiden muassa vesivoima, tuulivoima, aaltovoima, bioenergia ja maalämpö. Toisin sanoen liki kaikki muu paitsi ydinvoima ja Geoterminen energia. Fossiilisten polttoaineiden energia on säilöttyä aurinkoenergiaa.

Aurinkosähkö 
Aurinkosähköä tuotetaan tavallisesti aurinkokennoilla, jotka muuntavat auringon säteilyä valosähköisen ilmiön avulla sähköenergiaksi. Nykyään yli 80 prosenttia aurinkokennoista on liitetty sähköverkkoon. Aurinkokennoja voidaan käyttää pienempimuotoiseen sähköntuottoon sähköverkon ulkopuolella olevilla alueilla ja akkujen avulla turvata sähkön saannin jatkuvuutta.

Aurinkokennoja käytetään myös satelliiteissa ja joissakin avaruusluotaimissa.

Auringon säteilyä voidaan myös kerätä peileillä tai linsseillä samaan tapaan kuin aurinkolämpöä. Tällöin aurinkokennoja tarvitaan vähemmän, mutta niitä pitää jäähdyttää ylikuumenemisen estämiseksi. Keskittävässä aurinkovoimalassa kerätyllä lämmöllä käytetään lämpövoimaprosessia. Aurinkohöyryvoimala tuottaa energiaa muodostamalla vedestä auringon säteilyn avulla vesihöyryä. Espanjassa on tehty kokeellinen auringolla toimiva höyryvoimala. Siinä käytetään vettä öljyn tai muun nesteen sijasta, koska arvellaan sen toimivan nestetasolla parhaiten kaasuuntuessaan ja muutettaessa voimaksi. Voimala tuottaa erikoispeilien avulla keskittämällä lämmön, joka arvioiden mukaan hyperlämmittää veden 500 celsiusasteeseen (932 F). Tuotettava voima otetaan talteen suoraan ja välillisesti.

Aurinkolämpö

Aurinkolämmityksessä auringon energiaa käytetään tyypillisesti käyttöveden tai sisäilman lämmitykseen. Aurinkolämmityksessä lämpö otetaan talteen aurinkokeräimellä, siirretään käyttökohteeseen välinesteellä ja varataan varaajaan myöhempää käyttöä varten. Aurinkokerääjien päätyypit ovat taso- ja tyhjiöputkikeräin.

Aurinkoenergian tuotannon asennettu kapasiteetti maittain

Oheinen taulukko kuvaa asennetun aurinkoenergian tuotannon kapasiteetin kehitystä viime vuosina. Taulukossa on esitetty 30 suurimman aurinkoenergian tuotannon asennetun kapasiteetin maata vuoden 2022 lopun tilanteen mukaan. Vertailun vuoksi mukana on myös Suomi ja joitain muita valtioita. Merkillepantavaa on, että vaikka mantereena Afrikalla on maailman suurin aurinkoenergiapotentiaali, ja monessa Afrikan maassa suuri osa kotitalouksista on vielä vailla sähköä, aurinkoenergian hyödyntäminen on vielä hyvin vähäistä.

Suomen aurinkoenergiatuotannon asennetun aurinkoenergiatuotantokapasiteetin kasvu on ollut suhteellisest merkittävää, mutta tosiasiallisesti, absoluuttisesti maailman kehitykseen nähden vähäistä vuosien 2014-2018 aikana.

* Taulukossa "Venäjän" arvoiksi ei ole sisällytetty maan keväällä 2014 sotilaallisesti miehittämän, esimerkiksi YK:n ja Euroopan yhteisön mukaan Ukrainaan laillisesti kuuluvan Krimin niemimaan aurinkovoimaloiden kapasiteettia.

Aurinkoenergian tuotanto Suomessa

Aurinkoenergian tuotanto perustuu valon määrään, joten Suomessa aurinkoenergian määrä on kesällä jopa suurempi kuin Keski-Euroopassa. Marras-helmikuussa aurinkoenergiaa suomessa ei juuri saada talteen. Alkukeväästä ja loppusyksystä aurinkoenergiaa on suomessa saatavilla huomattavasti vähemmän kuin Keski-Euroopassa. Käytännössä Suomessa aurinkoenergiaa on keskikesällä saatavilla reilusti enemmän kuin Keski-Euroopassa, mutta talvea kohden aurinkoenergian saatavuus romahtaa. Vuositasolla aurinkoenergian määrä per neliömetri on Keski-Suomessa noin 900 kWh. Vertailuarvona Hampurissa auringon säteilyn energia on vuositasolla 938 kWh sekä Lissabonissa 1  689 kWh. Auringosta paneelien avulla saatavan energian kokonaismäärä saattaa olla Keski-Eurooppaa korkeampi, koska useimpien paneelien teho on parempi Suomen kylmemmässä ilmastossa. Vuositasolla hyödynnettävän aurinkosähkön määrää voi arvioida Suomen säteilykartan avulla. Euroopan säteilykartan avulla voi puolestaan arvioida miten Suomessa saatava aurinkoenergian määrä pärjää vertailussa esimerkiksi Välimeren rannikkoseutuihin nähden.

Aurinkokeräimen hyötysuhdetta kylmissä olosuhteissa voi parantaa lämpöpumpun avulla.

Laadukkaiden aurinkolämpöjärjestelmien vuosituotanto vaihtelee Suomessa keskimäärin välillä 400 – 500 kWh/keräin-m2. Aurinkolämpöjärjestelmän vuosituotto riippuu merkittävästi keräintyypistä, asennettujen keräinten sijainnista, suunnasta sekä mitoituksesta suhteessa kohteen lämmönkulutukseen. 400 kWh/keräin-m2 on tyypillinen tuotanto käyttöveden tapauksessa, kun muissa käyttökohteissa (esim. tilojen tai uima-altaan lämmitys) ylletään vähintään 500 kWh/keräin-m2 tuottoihin.

Oulussa kyetään tuottamaan yhtä paljon aurinkosähköä kuin Pohjois-Saksassa. Oulussa ja Tampereella aurinkopaneelien tuotot ovat käytännössä samat.

Aurinkoenergian taloudellisuus Suomessa 
Aurinkoenergiajärjestelmien globaalin hintojen laskun myötä aurinkoenergiasta on tullut Suomessa vuodesta 2014 alkaen taloudellisesta kannattavaa tietyillä reunaehdoilla. Aurinkosähkö ja aurinkolämpö ovat taloudellisesti kannattavia investointeja sillä ehdolla, että aurinkoenergia tuotetaan Suomessa omaan käyttöön, sillä korvataan kalliimpaa ostoenergiaa sekä investointien kannattavuuden laskenta-aikana käytetään paneelien tai keräinten takuuajan pituista aikajaksoa (yleensä 25 vuotta). Lisäksi yritysten ja kuntien tapauksessa Työ- ja elinkeinoministeriön energiatuen saaminen on kannattavuuden ehto. Investointien kannattavuutta tulee arvioida investointien sisäisellä korkokannalla, nettonykyarvolla ja energian omakustannushinnalla. Takaisinmaksuaika ei ole yksin soveltuva aurinkoenergian kannattavuuden arviointimenetelmä. Tyypillisesti pientalouksien aurinkosähköjärjestelmien takaisinmaksuaika on 24–32 vuotta ja suuremmissakin kohteissa takaisinmaksuajaksi arvioidaan yli 20 vuotta

Työ- ja elinkeinoministeriö voi hankekohtaisen harkinnan perusteella myöntää yrityksille, kunnille ja muille yhteisöille energiatukea sellaisiin ilmasto- ja ympäristömyönteisiin investointi- ja selvityshankkeisiin, jotka edistävät uusiutuvan energian käyttöä, energiansäästöä, energiantuotannon tai käytön tehostamista, vähentävät energian tuotannon tai käytön ympäristöhaittoja. Tuen määrä on vuonna 2016 aurinkoenergialle 20–25 prosenttia.

Aurinkoenergian kotimaisuusaste Suomessa 
Aalto-yliopiston FinSolar-hankkeessa (2015) toteutettu aurinkoenergiainvestointien arvoketjutarkastelu koski neljää investointia, joista kaksi edustivat aurinkolämpöä ja kaksi aurinkosähköä. Kahdessa investoinnissa aurinkosähköpaneelit ja aurinkolämpökeräimet olivat kotimaista tuotantoa. Kahdessa muussa investoinnissa paneelit ja keräimet tulivat ulkomailta. Tarkasteltuja aurinkolämmön investointitapauksia olivat Helsingin Sakarinmäen koulun aurinkolämpövoimala, johon asennettiin suomalaisen Savo-Solarin aurinkokeräimet, sekä nelihenkisen omakotitalon aurinkolämpöjärjestelmä Porissa. Aurinkosähkö-tapauksina tarkasteltiin porilaisen Kiinteistö Oy Aurinkopajan aurinkosähköjärjestelmää, joka toimii kotimaisen Valoen paneeleilla, sekä Tampereen Vuoreksen koulukeskuksen järjestelmää. Aurinkolämpöinvestointien kotimaisuusasteet olivat 48 prosenttia ja 71 prosenttia. Aurinkosähköinvestointien kotimaisuusasteet olivat 55 prosenttia ja 62 prosenttia. Tarkastelu koski vain neljää aurinkoenergiakohdetta, joten keskimääräisen kotimaisuusasteen arviointi Suomessa vaatisi suuremman otoksen.

Aurinkoenergian teknisten sovellusten kehitys
Kunnianhimoisin ja teknisesti vaikein kaavailu on maapalloa kiertävät kerääjäsatelliitit, jotka välittäisivät kokoamansa energian mikroaaltojen avulla maan pinnalle. Näin vältettäisiin ilmakehän auringon säteilylle aiheuttamat energiatappiot.

Suomessa aurinkoenergian teknisiä sovelluksia sekä käyttösovelluksia kehitetään useissa projekteissa. Paneelien ja keräinten soveltamista rakennusarkkitehtuuriin on kehittänyt esimerkiksi Rautaruukki Oyj sekä Luvata Oyj.

Porissa on rakennettu aurinkoenergiaa hyödyntävä uimahalli, joka on tehty osittain aurinkoenergian hyödyntämisen kehitystyönä.

Helsingin Kivikossa otettiin 14. huhtikuuta 2016 käyttöön Helen Oy:n rakentama Suomen suurin aurinkovoimala hiihtohallin katolla. Sillä on pinta-alaa noin hehtaari ja siinä on 3 000 aurinkopaneelia.

Katso myös 
 Aurinkoarkkitehtuuri
 Aurinkoenergiatorni
 Aurinkolämpö
 Insolaatio
Luettelo Suomen suurimmista aurinkovoimaloista
 Sähkön pientuotanto

Lähteet

Aiheesta muualla 

Aalto-yliopisto: FinSolar
Aurinkoenergiaa.fi
Aurinkoteknillinen yhdistys: Aurinkoenergia
Eurosolar - The European Association for Renewable Energy
European Solar Thermal Industry Federation ESTIF
Euroopan komissio, IET: Photovoltaic Geographical Information System PVGIS
HSY ilmastoinfo: Aurinkosähköä kotiin
Motiva: Aurinkoenergia
Solar Power Europe
Suomen Lähienergialiitto: Aurinkoenergia
Massachusetts Institute of Technology (MIT): The Future of Solar Energy, an Interdisciplinary MIT Study, 2015  (pdf)

Sähkö

Seulonnan keskeiset artikkelit