Aurinkoenergia

Aurinkoenergia on auringon säteilemän energian hyödyntämistä sähkö- tai lämpöenergiana. Yleensä termillä tarkoitetaan erityisesti suoraa säteilyenergian hyödyntämistä aurinkokennon tai aurinkokeräimen avulla[1]. 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[2][3]

Yleistä

Pääartikkelit: Insolaatio ja Auringon säteily
Auringon säteilytehon jakautuminen Maassa[4]
Teho /TW Prosenttiosuus
Kokonaisteho172 500100
Heijastuu suoraan takaisin50 00029
Ilmakehä41 40024
Vesistöt65 40038
Maaperä15 6009
Biosfääri1330,08
Ihmiskunta130,008

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.[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]

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

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.

Aurinkolämpö

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 maittain

Aurinkoenergian tuotannon asennettu kapasiteetti (MW)
Sija
2018
Maa 2013
(lopussa) [12]
2014
(lopussa) [12]
2015
(lopussa) [13][12]
2016
(lopussa) [13]
2018
(lopussa) [14]
1Kiina Kiina18611280614319477434175030
2Japani Japani1364323300333004160055500
3Yhdysvallat USA1336519938234423471151450
4Saksa Saksa3633738236396364098845279
5Intia Intia232232635499988727115
6Italia Italia1842518615188981925120126
7Yhdistynyt kuningaskunta Iso-Britannia2780537790771125013108
8Australia Australia325840575034668910354
9Ranska Ranska46255654675567679483
10Etelä-Korea Etelä-Korea14672481361550007862
11Espanja Espanja70167087715671717048
12Turkki Turkki2508345064
13Alankomaat Alankomaat7391048151519554150
14Belgia Belgia29123024320031224026
15Kanada Kanada12101710244327433153
16Etelä-Afrikka Etelä-Afrikka147922118917442959
17Thaimaa Thaimaa8291304160521542725
18Kreikka Kreikka25792596260426112652
19Taiwan Taiwan39262084212102618
20Sveitsi Sveitsi7561076139416442246
21Tšekki Tšekki20642068206720732078
22Ukraina Ukraina7488198399382003
23Pakistan Pakistan1568
24Chile Chile740284810391524
24Itävalta Itävalta62678593710731431
25Romania Romania7611293130113721377
26Israel Israel6767728721076
27Bulgaria Bulgaria10361026104010321036
28Tanska Tanska571607782851998
29Filippiinit Filippiinit123165759897
30Egypti Egypti354568770
30+Marokko Marokko40200202735
30+Ruotsi Ruotsi4360104140532
30+Puola Puola108187487
30+Venäjä Venäjä*1*[13]7*[13]63*[13]88*[13]*
30+Suomi Suomi10111520125
30+Liettua Liettua6869697184
YhteensäKoko maailma140555179742224791295664486085

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.

Aurinkoenergian tuotanto Suomessa

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]

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.[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].

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.[30]

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.[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]

Katso myös

Lähteet

  1. Aurinkoenergia Motiva. Arkistoitu 6.10.2014. Viitattu 21.10.2010.
  2. Kaisa Simola: Tutkijat: Aurinkoenergia jo halvempaa kuin ydinenergia tekniikka & Talous. 2010. Viitattu 25.11.2017.
  3. Soili Semkina: Kohta aurinko on yhtä halpaa kuin öljy Tekniikka ja Talous. 2010. Viitattu 25.11.2017.
  4. Pekka Pirilä: Energiatalous (sivut 12-13) Teknillinen korkeakoulu. Viitattu 14.9.2007. [vanhentunut linkki]
  5. Aurinkoenergia Energiateollisuus. Viitattu 21.10.2010. [vanhentunut linkki]
  6. Somerville, Richard: Historical Overview of Climate Change Science (PDF) (s. 93) ipcc.ch. Viitattu 31.3.2014. (englanniksi)
  7. Lewis, Nathan S. & Nocera, Daniel G.: Powering the planet: Chemical challenges in solar energy utilization pnas.org. Viitattu 31.3.2014. (englanniksi)
  8. Global Exergy Resource Chart gcep.stanford.edu. Viitattu 31.3.2014. (englanniksi)
  9. Maailman tehokkain aurinkopaneeli The Independent. Viitattu 26.6.2011. [vanhentunut linkki]
  10. Aurinkopaneeli, joka tuottaa energiaa - myös pimeässä Tekniikka & Talous. Viitattu 13.6.2011.
  11. Coxworth, Ben: Experimental direct solar steam generation power plant opens in Spain Gizmag. 4.4.2011. Viitattu 18.11.2013. (englanniksi)
  12. Renewable Capacity Statistics 2016 (pdf) (s. 26-32 Solar Energy lähteen johdannon mukaan The renewable power capacity data shown in these tables represents the maximum net generating capacity of power plants and other installations that use renewable energy sources to produce electricity. Eli tilastossa on esitetty asennetun tuotantotavan maksimiarvo; aurinkoenergialle tämä "piikki"arvo merkitään yleensä muodossa MWp) The International Renewable Energy Agency (IRENA), irena.org. Viitattu 9.4.2016. (englanniksi),(ranskaksi),(espanjaksi)
  13. Renewable Capacity Statistics 2017 (pdf) (s. 26-33 Solar Energy lähteen johdannon (s.5) mukaan The renewable power capacity data shown in these tables represents the maximum net generating capacity of power plants and other installations that use renewable energy sources to produce electricity. Eli tilastossa on esitetty asennetun tuotantotavan maksimiarvo; aurinkoenergialle tämä "piikki"arvo merkitään yleensä muodossa MWp) The International Renewable Energy Agency (IRENA), irena.org. Viitattu 24.8.2017. (englanniksi),(ranskaksi),(espanjaksi)
  14. Renewable Energy Statistics 2019 (pdf) (ISBN 978-92-9260-137-9) 6/2019. International Renewable Energy Agency, irena.org. Viitattu 4.1.2019. (englanniksi)
  15. Kotien aurinkosähkö nyt kovassa kasvussa – Uudellamaalla jo yli 260 voimalaa yle.fi. Viitattu 11.4.2016.
  16. Vuokraa oma aurinkopaneeli www.helen.fi. Viitattu 25.11.2018.
  17. Auringonsäteilyn määrä Suomessa www.motiva.fi. 12.5.2014. Viitattu 5.1.2017.
  18. http://www.motiva.fi/toimialueet/uusiutuva_energia/aurinkoenergia/aurinkosahko/aurinkosahkon_perusteet/auringonsateilyn_maara_suomessa
  19. Aurinkoenergia Suomessa Tekniikka & Talous. Viitattu 13.6.2011.
  20. Global irradiation and solar electricity potentia (pdf) Joint Research Centre, jrc.ec.europa.eu. Viitattu 11.7.2016. (englanniksi)
  21. Photovoltaic Solar Electricity Potential in European Countries Joint Research Centre, jrc.ec.europa.eu. Viitattu 11.7.2016. (englanniksi)
  22. http://www.vihreat.fi/files/liitto/ilmastojaenergia2005.pdf Vihreän liiton ilmasto- ja energiasuunnitelma 2005, s. 30
  23. Auvinen, Karoliina ; Lovio, Raimo ; Jalas, Mikko ; Juntunen, Jouni ; Liuksiala, Lotta ; Nissilä, Heli ; Müller, Julia: FinSolar-raportti FinSolar: Aurinkoenergian markkinat kasvuun Suomessa - Liiketoimintaympäristö | Investointien kannattavuus | Rahoitus- ja hankintamallit | Politiikkasuositukset. 1/2016. Aalto University. Viitattu 3.7.2016.
  24. http://yle.fi/uutiset/oulussa_auringosta_saa_saman_verran_sahkoa_kuin_pohjois-saksassa/7753575
  25. http://www.ouka.fi/c/document_library/get_file?uuid=62f76a49-d36b-436c-82b7-e16ade406a04&groupId=139863
  26. Sähköverkkoon kytketty omakotitalo – vaihtosähkö www.motiva.fi. 12.5.2014. Viitattu 5.1.2017.
  27. Nea Pesonen: OPINNÄYTETYÖ - AMMATTIKORKEAKOULUTUTKINTO TEKNIIKAN JA LIIKENTEEN ALA AURINKOPANEELIJÄRJESTELMÄN KANNATTAVUUS JA TAKAISINMAKSUAIKA, s. 51. Savonia, 2016.
  28. Energiatuki Työ- ja Elinkeinoministeriö. Viitattu 13.6.2011.
  29. http://www.tem.fi/index.phtml?s=3093
  30. Nissilä Heli: Investointien kotimaisuusaste FinSolar. 21.4.2016. Aalto-yliopiston kauppakorkeakoulu. Viitattu 3.7.2016.
  31. Wireless Power Transmission for Solar Power Satellite (SPS) (Second Draft by N. Shinohara), Space Solar Power Workshop, Georgia Institute of Technology sspi.gatech.edu.
  32. Ruukin integroitu aurinkopaneelijulkisivu Ruukki
  33. Luvata kehittää aurinkokeräinten soveltamista rakennusarkkitehtuuriin Luvata
  34. http://www.samk.fi/tutkimus_ja_kehittaminen/ajankohtaista/1/poriin_suomen_ensimmainen_aurinkoenergiahalli [vanhentunut linkki]
  35. 350 kaksiota/v, että heilahti - Suomen suurin aurinkovoimala käynnistyi Talouselämä. Viitattu 14.4.2016.

    Aiheesta muualla

     

    This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.