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 säteilytehon jakautuminen Maassa Teho /TW Prosenttiosuus Kokonaisteho 172 500  100 Heijastuu suoraan takaisin 50 000  29 Ilmakehä  41 400  24 Vesistöt  65 400  38 Maaperä  15 600  9 Biosfääri 133 0,08 Ihmiskunta  13 0,008

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 

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. Aurinkolämpökeräin muuttaa suurilla valon intensiteeteillä tehokkaasti auringon energiaa lämmöksi, mutta lämpökeräin ei toimi matalilla valon intensiteeteillä lainkaan.   Näin ollen esim. Suomessa talvikuukausien suureen lämmityksen tarpeeseen aurinkolämpölämpökeräin ei sovellu. 

Aurinkoenergian tuotannon asennettu kapasiteetti maittain
 Aurinkoenergian tuotannon asennettu kapasiteetti (MW) Sija2022 Maa 2014(lopussa)  2016(lopussa)  2018(lopussa)  2022(lopussa)  2024(lopussa)  1   Kiina 28061  77434 175030 393032 887 100 2   USA 19938  34711 51450 113015 177 594 3   Intia  3263  9887 27115 63193 97 576 4   Saksa 38236  40988 45279 66664 89 943 5   Japani 23300  41600 55500 83055 89 601 6   Brasilia  21128  2435  24079 53 116 7   Espanja 7087  7171 7048 20518 38 587 8   Italia 18615  19251 20126 25083 36 013  9   Australia  4057  6689 10354 29679 35 865  10   Etelä-Korea 2481  5000 7862 24078 26 680 11   Alankomaat  1048  1955 4150 18849  24 048 12   Ranska  5654 6767 9483 17419 21 528 13   Puola 27  187 562 11167 20 199  14   Turkki 41  834 5064 9426 19 883 15   Vietnam  5 5105  18475 18 666 16   Iso-Britannia  5377  11250 13108  14660 17 881 17   Taiwan  620 1210 2618 7969 14 281  18   Meksiko  174 633  2583  9356 11 992 19   Chile  402 1039 1524 6250  10 898 20   Belgia  3024  3122 4026 6898 9 752 21   Kreikka  2596 2611 2652 5557 9 269 22   Etelä-Afrikka  922  1744 2959 6326 9 058 23   Itävalta  785  1073 1431 3548  8 481 24   Sveitsi  1076  1644 2246 4340 7 764 25   Unkari 89 235 728  2988  7 699  26   Arabiemiraatit 130  135600  3588  6 468 27   Portugal 415  513667  2536  5 808 28   Kanada 1710  2743 3153 5326 5 773 29   Israel  676   872 1076 4411 5 605 30   Ukraina  819  938 2003 8062  5 500  31   Ruotsi  60  140 532 2606  4 963  32   Romania  1293  1372 1377 1414 4 688 33   Tšekki 2067 2068  2081  2627  4 159 34   Tanska 607   851 998 3122  3 945 35   Bulgaria  1026  1032 1036 1948  3 908 36   Pakistan 165 590   680 1243 3 719 37   Thaimaa  1304  2154 2725 3065  3 388 38   Filippiinit  23  759  897 1623 2 971 39   Egypti  35  68  770 1724 2 590 40   Liettua 69  71 84 568 2 567 40+   Venäjä*  7*  88* 535 * 1 816* 2 554* 40+   Malesia  205  344 545  1933  2 305 40+   Uzbekistan    3  4  204  2 275 40+   Jordania   0  287 700  1914  2 077 40+   Singapore      628  1 459 40+   Sri Lanka      800  1 450 40+   Dominikaaninen tasavalta      735  1 423 40+   Viro    32  520  1 326 40+   Kazakstan 5 57  209 1146 1 222 40+   Suomi 11 39  140 591 1 203 40+   Marokko  40 202  735  854 951 40+   Norja 13  27 68 321 782  Yhteensä  Koko maailma  179 742 295 664 486 085 1 061 632 1 866 306

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. Aurinkoenergia vaatii merkittävän alkuinvestoinnin, mikä on ollut yksi keskeinen hidaste aurinkoenergian käyttöönotolle. Aurinkoenergian kannattavuuteen vaikuttaa aurinkosähkön tuotannon kapasiteetin lisäksi myös paikallinen sähkönhinta. Näin ollen aurinkoenergia on tullut kannattavaksi jopa pohjoisissa oloissa kuten Ruotsissa ennen Kreikkaa.   

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.http://www.motiva.fi/toimialueet/uusiutuva_energia/aurinkoenergia/aurinkosahko/aurinkosahkon_perusteet/auringonsateilyn_maara_suomessa  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.

Koska kesäkuukausina Suomessa on pitkät päivät, aurinkoenergian tuotanto on pysyy korkeana ei vain suoraan etelään asennetuissa järjestelmissä mutta myös siitä poikkeavissa kulmissa aina idästä länteen.  Itään päin asennetut paneelit tuottavat sähkö erityisesti aamuisin ja länteen asennetut paneelit iltaisin, milloin on tyypillisesti merkittävimmät kotitalouksilla sähkönkulutus piikit ja tuotannolla on silloin tyypillisesti korkein arvo, mikä edistää näiden asennusten kannattavuutta.   Oulun yliopiston ohjeisti, että Oulussa paneelit kannattaa suunnata kaakkoon tai etelään.  Lumen vaikutus on tärkeä huomioida ja Oulussa pystysuoraan etelään asennetut paneelit eivät peittyneet lumen alle ja sen sijaan pystyivät hyötymään lumesta tulevista valon heijastuksista, niin tuotanto vastasi jopa kesäkuun tuotantoa.  Pohjoisissa oloissa erityisen korkeaan tuotantoon päästää pystyyn itä-länsi suuntaan asennetuilla kaksipuoleisilla paneeleilla. Ne soveltuvat erinomaisesti myös maan kaksoiskäyttöön maanviljelyksen yhteydessä. 

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. Aurinkolämpökeräimet toimivat korkeilla hyötysuhteilla, kun valon intensiteetti on riittävän suuri eivätkä lainkaan matalilla. Näin ollen pohjoisissa oloissa ne soveltuvat hyvin esim. uima-altaan lämmitykseen kesäkuukausina, mutta eivät talvikauden lämmitystarpeisiin. Tyypillisesti pientalouksien aurinkosähköjärjestelmien takaisinmaksuaika on 24–32 vuotta.

Oulussa kyetään tuottamaan yhtä paljon aurinkosähköä kuin Pohjois-Saksassa.http://yle.fi/uutiset/oulussa_auringosta_saa_saman_verran_sahkoa_kuin_pohjois-saksassa/7753575 Oulussa ja Tampereella aurinkopaneelien tuotot ovat käytännössä samat.http://www.ouka.fi/c/document_library/get_file?uuid=62f76a49-d36b-436c-82b7-e16ade406a04&groupId=139863

 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)

*
Luokka:Seulonnan keskeiset artikkelit