Aurinkoenergia

Pääartikkelit: Insolaatio ja Auringon säteily

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.[5] 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.[6] 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.[7] Yhteyttäminen sitoo biomassaan vuodessa suunnilleen 30 tsettajoulea aurinkoenergiaa.[8]

Aurinkokennoilla säteilyn energiasta noin 21 prosenttia voidaan muuttaa sähköksi[9]; vastaavasti aurinkokeräimillä säteilyn energiasta saadaan lämmöntuotantoon 25–35 prosenttia.[1]

Aurinkosähkön sijaan voisi käyttää nimeä valoenergia tai fotonienergia. Sähköenergiaa voidaan tuottaa myös pimeän aikaan yöllä infrapunasäteilystä.[10]

Aurinkopaneeleita.

Aurinkosähköä tuotetaan tavallisesti aurinkokennoilla, jotka muuntavat auringon säteilyä valosähköisen ilmiön avulla sähköenergiaksi. Nykyään yli 80 prosenttia aurinkokennoista on liitetty sähköverkkoon, mutta niitä voidaan käyttää myös sähköverkosta irrallaan.^lähde? 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.[11] Espanjassa on tehty kokeellinen auringolla toimiva höyryvoimala.[11] 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.

Pääartikkeli: Aurinkolämmitys

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 (MW)
Sija 2018	Maa	2013 (lopussa) [12]	2014 (lopussa) [12]	2015 (lopussa) [13][12]	2016 (lopussa) [13]	2018 (lopussa) [14]
1	Kiina	18611	28061	43194	77434	175030
2	Japani	13643	23300	33300	41600	55500
3	USA	13365	19938	23442	34711	51450
4	Saksa	36337	38236	39636	40988	45279
5	Intia	2322	3263	5499	9887	27115
6	Italia	18425	18615	18898	19251	20126
7	Iso-Britannia	2780	5377	9077	11250	13108
8	Australia	3258	4057	5034	6689	10354
9	Ranska	4625	5654	6755	6767	9483
10	Etelä-Korea	1467	2481	3615	5000	7862
11	Espanja	7016	7087	7156	7171	7048
12	Turkki			250	834	5064
13	Alankomaat	739	1048	1515	1955	4150
14	Belgia	2912	3024	3200	3122	4026
15	Kanada	1210	1710	2443	2743	3153
16	Etelä-Afrikka	147	922	1189	1744	2959
17	Thaimaa	829	1304	1605	2154	2725
18	Kreikka	2579	2596	2604	2611	2652
19	Taiwan	392	620	842	1210	2618
20	Sveitsi	756	1076	1394	1644	2246
21	Tšekki	2064	2068	2067	2073	2078
22	Ukraina	748	819	839	938	2003
23	Pakistan					1568
24	Chile	7	402	848	1039	1524
24	Itävalta	626	785	937	1073	1431
25	Romania	761	1293	1301	1372	1377
26	Israel		676	772	872	1076
27	Bulgaria	1036	1026	1040	1032	1036
28	Tanska	571	607	782	851	998
29	Filippiinit	1	23	165	759	897
30	Egypti		35	45	68	770
30+	Marokko		40	200	202	735
30+	Ruotsi	43	60	104	140	532
30+	Puola			108	187	487
30+	Venäjä*	1*[13]	7*[13]	63*[13]	88*[13]	*
30+	Suomi	10	11	15	20	125
30+	Liettua	68	69	69	71	84
Yhteensä	Koko maailma	140555	179742	224791	295664	486085

Oheinen taulukko kuvaa asennetun aurinkoenergian tuotannon kapasiteetin kehitystä viime vuosina. Taulukossa on esitetty 30 suurimman aurinkoenergian tuotannon asennetun kapasiteetin maata vuoden 2018 lopun tilanteen mukaan. Vertailun vuoksi mukana on myös Suomi ja joitain sen lähivaltioita.[14]

Suomen aurinkoenergiatuotannon asennetun aurinkoenergiatuotantokapasiteetin kasvu on ollut suhteellisest merkittävää, mutta tosiasiallisesti, absoluuttisesti maailman kehitykseen nähden vähäistä vuosien 2014-2018 aikana.[15][14]

* 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.

Pääartikkeli: Aurinkoenergia 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[16]. Alkukeväästä ja loppusyksystä aurinkoenergiaa on suomessa saatavilla huomattavasti vähemmän kuin Keski-Euroopassa[17]. Käytännössä Suomessa aurinkoenergiaa on keskikesällä saatavilla reilusti enemmän kuin Keski-Euroopassa, mutta talvea kohden aurinkoenergian saatavuus romahtaa.[18] 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[19]. Auringosta paneelien avulla saatavan energian kokonaismäärä saattaa olla Keski-Eurooppaa korkeampi, koska useimpien paneelien teho on parempi Suomen kylmemmässä ilmastossa[19]. Vuositasolla hyödynnettävän aurinkosähkön määrää voi arvioida Suomen säteilykartan[20] avulla. Euroopan säteilykartan[21] avulla voi puolestaan arvioida miten Suomessa saatava aurinkoenergian määrä pärjää vertailussa esimerkiksi Välimeren rannikkoseutuihin nähden.

Aurinkokeräimen hyötysuhdetta kylmissä olosuhteissa voi parantaa lämpöpumpun avulla.[22]

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.[23]

Oulussa kyetään tuottamaan yhtä paljon aurinkosähköä kuin Pohjois-Saksassa.[24] Oulussa ja Tampereella aurinkopaneelien tuotot ovat käytännössä samat.[25]

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.[23] Tyypillisesti pientalouksien aurinkosähköjärjestelmien takaisinmaksuaika on 24–32 vuotta[26] ja suuremmissakin kohteissa takaisinmaksuajaksi arvioidaan yli 20 vuotta[27]

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[28]. Tuen määrä on vuonna 2016 aurinkoenergialle 20–25 prosenttia[29].

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.[30]

Kunnianhimoisin ja teknisesti vaikein kaavailu on maapalloa kiertävät kerääjäsatelliitit, jotka välittäisivät kokoamansa energian mikroaaltojen avulla maan pinnalle. Näin vältettäisiin ilmakehän auringon säteilylle aiheuttamat energiatappiot.[31]

Suomessa aurinkoenergian teknisiä sovelluksia sekä käyttösovelluksia kehitetään useissa projekteissa. Paneelien ja keräinten soveltamista rakennusarkkitehtuuriin on kehittänyt esimerkiksi Rautaruukki Oyj sekä Luvata Oyj[32][33].

Porissa on rakennettu aurinkoenergiaa hyödyntävä uimahalli, joka on tehty osittain aurinkoenergian hyödyntämisen kehitystyönä[34].

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.[35]

• Aurinkoarkkitehtuuri
• Aurinkoenergiatorni
• Aurinkolämpö
• Insolaatio
• Luettelo Suomen suurimmista aurinkovoimaloista
• Sähkön pientuotanto

• 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 (englanniksi) (pdf)