"Suomen etuna on matala ympäristön lämpötila, joka parantaa aurinkokennojen hyötysuhdetta. Aurinkopaneelit toimivat sitä paremmin, mitä kylmempää on. Aurinkopaneelit kestävät myös lumikuormaa, jos ne asennetaan ohjeiden mukaisesti. Järjestelmän voi myös kytkeä sähköverkon rinnalle, ja laitteet ovat jo melko edullisia ja helppoja asentaa", kertoo LUTin tutkijaopettaja Antti Kosonen.
Aurinkopaneelien hankkimisen ja asentamisen jälkeen aurinkoenergian tuottaminen on ilmaista: aurinkoa riittää, sen hyödyntäminen ei saastuta eikä sen tuottaminen synnytä melua. Etelä-Suomessa yhden hehtaarin suuruinen aurinkopaneeli vastaa sähköenergian tuotantopotentiaaliltaan noin 330 hehtaaria metsää, jonka vuotuinen tuotto on kymmenen kuutiota hehtaarilta.
"Suora auringon säteilyenergian muuntaminen aurinkokennoilla sähköksi on 200–400 kertaa tehokkaampaa kuin konversio metsäbiomassan kautta voimalaitosprosessissa", Kosonen sanoo.
Aurinkoenergia talteen talvellakin
Auringon energiaa saa Suomessa loistavasti talteen talvellakin. Esimerkiksi aurinkopaneelien julkisivuasennukset toimivat hyvin Pohjoismaissa, koska aurinko paistaa talvella erittäin matalalta eikä julkisivuasennuksiin kerry lunta. Seinäpaneelit tuottavat hyvin varsinkin kirkkaina talvipäivinä, etenkin maaliskuussa, kun aurinko paistaa jo hyvin ja lumen heijastus lisää valon säteilyä paneeleihin ja ne tuottavat enemmän.
Aurinkopaneelit yleistyvät, kun niitä rakennetaan päivittäistavarakauppoihin, toimistokiinteistöihin ja julkisiin rakennuksiin.
Ja kun uusiin rakennuksiin pitää kuitenkin laittaa jokin julkisivumateriaali, niin miksei aurinkopaneeleita. Lisäksi paneelien hinnat ovat tulleet alas, joten enää ei tarvitse miettiä vuosituotannon kannalta kaikkein optimaalisinta asennuskulmaa.
Kun mennään päiväntasaajalle, ei paneeleita tietenkään kannata asentaa julkisivuihin, koska aurinko paistaa kohtisuoraan taivaalta. Suomessa optimaalinen asennuskulma on vuosituotannon osalta aika jyrkkä. Ja se on meille pohjoismaalaisille valttikortti erilaisten asennuskohteiden osalta.
Realistinen tavoite, jos byrokratia sen sallii
Aurinkovoiman osuus Suomen sähköntuotannosta on toistaiseksi alle prosentin luokkaa (0,2 %) mutta tilanne muuttuu tulevaisuudessa. Vuodesta 2016 lähtien aurinkosähkön verkkoon kytketty kapasiteetti Suomessa on tuplaantunut vuosittain.
Kansainvälisen energiajärjestön (International Energy Agency, IEA) vuosittain julkaiseman raportin mukaan vuonna 2017 aurinkoenergian tuotanto Suomessa oli yhteensä 80,4 MW. Kasvua vuoteen 2016 verrattuna syntyi 43 MW. Arvio vuoden 2018 osalta on 140 MW.
Jos sama kasvutahti jatkuu, Suomessa käytetystä sähköenergiasta tuotetaan yksi prosentti aurinkovoimalla vuonna 2022. Oman sähköntuotannon taloudelliseen hyödyntämiseen liittyy kuitenkin edelleen haasteita, jotka koskevat tuntienergioiden mittaustapoja.
"Tavoite on realistinen, mutta se vaatii kunnilta ja valtiolta aktiivisuutta turhien esteiden raivaamisessa. Ensinnäkin on syytä ottaa käyttöön nopeasti yhtenäiset menettelytavat, joilla sähköenergian tunnin sisäinen nettomittaus toteutetaan. Samoin kuntien rakennustoimien tulee edelleen vähentää paneeleihin ja etenkin kattoasennuksiin liittyvää byrokratiaa", sanoo LUTin sähkötekniikan professori Jarmo Partanen.
Maailmanlaajuisesti kapasiteetin tuplaantuminen on laskenut moduulien hintaa aina 20 prosenttia. Eli kun kapasiteetti tuplaantuu, hinta laskee viidenneksen. Aurinkosähköjärjestelmän hinnan voimakkaan alentumisen myötä aurinkosähköstä on tullut edullisin uusi sähköntuotantomuoto lähes kaikkialla maailmassa.
Suomessa se on taloudellisesti kilpailukykyinen, jos tuotettua sähköä pystytään itse hyödyntämään mahdollisimman paljon. Näin on tilanne esimerkiksi LUTin Lappeenrannan kampuksella, missä noin 500 kW kokoinen aurinkosähköjärjestelmä tuottaa sähköä kampuksen käyttöön.
Euroopan etumatka kiritty kiinni
Globaalisti aurinkoenergian tuottaminen on iso bisnes. Eurooppa oli vielä muutama vuosi sitten aurinkoenergian johtava alue, mutta nyt Euroopan ohi ajetaan idästä ja lännestä: suurimmat aurinkosähkön tuottajat ovat nyt Kiina, USA ja Japani.
Aurinkosähkön tuotanto on maailman parhailla alueilla noin kaksinkertainen Suomeen verrattuna. Kokonaissäteilyenergian määrä parhailla alueilla on noin 2500 kWh/m2 vuodessa. Suomessa vuosittainen säteilysumma on noin 900 kWh/m2, eteläisimmässä Suomessa hieman enemmän ja pohjoisosissa vähemmän.
Vuositasolla meillä on kuitenkin suurin piirtein saman verran aurinkoa kuin esimerkiksi Saksassa tai Tanskassa. Saksassa aurinkosähköä tuotetaan 300 kertaa ja Tanskassakin noin 15 kertaa enemmän asukasta kohti kuin Suomessa. Näissä maissa vauhdittajana on ollut syöttötariffi eli takuuhinta tuotetulle sähkölle. Suomi käyttää lähinnä verokannustimia, kuten kotitalousvähennystä, ja isompiin, yli sadan kilovolttiampeerin hankkeisiin voi saada uusiutuvan energian investointitukea. Suomessa takuuhintaa on aiemmin maksettu tuulisähköstä, mutta nyt se on poistettu takuuhinnan piiristä.
Vuoteen 2050 mennessä aurinkoenergian osuus Suomen energiantuotannosta tulisi nousta 10 prosenttiin, esittää LUTissa tehty päästöttömän energiajärjestelmän mallinnus.
Tämä tarkoittaisi nousua nykyisestä noin 80 megawatista 35 000 megawattiin. Verrokkina tähän esimerkiksi asuinrakennusten kattojen potentiaali Suomessa on noin 10 000 MW sähkötehoa.
Aurinko on todennäköinen ykkönen pitkällä aikavälillä
Aurinko on fuusioreaktori ja tuottaa ilmaiseksi energiaa. Fuusiossa vety muuttuu heliumiksi, ja tämä prosessi tuottaa hyvin paljon energiaa. Kaikki tähdet maailmankaikkeudessa toimivat samalla tavalla.
Jätteenä aurinko tuottaa heliumia, jota maailmankaikkeuteen kyllä mahtuu. Auringon eliniäksi arvioidaan noin viisi miljardia vuotta. Eli auringosta tulee riittämään energiaa sukupolvesta toiseen.
Aurinko tuottaa energiaa luonnostaan. Auringosta saapuu maapallolle 14.5 sekunnissa yhtä paljon energiaa kuin ihmiskunta käyttää vuorokaudessa. Aiemmin ihmiskunnalla ei kuitenkaan ole ollut teknologiaa, jolla aurinkoenergia saataisiin hyvin talteen. Auringon lämpöä talteen ottavat keräimet ovat kehittyneet aimo harppauksin aivan viime vuosina.
Tämän kehityksen vuoksi ihmiskunta on menossa energian tuotannossa kohti suurta muutosta eli aurinkotaloutta. Sen piiriin kuuluvat kaikki uusiutuvat energialähteet, kuten aurinkosähkö ja -lämpö, tuuli-, vesi- ja aaltovoima, biomassa eri muodoissaan sekä geoterminen lämpö.
Pitkällä aikavälillä, sanotaan vuoden 2050 jälkeen, aurinkoenergia voi olla pääasiallinen energian tuotantoratkaisu. Se tulee olemaan mitä todennäköisimmin erittäin taloudellinen tapa tuottaa sähköä, ja sähkön varastointikin voidaan tulevaisuudessa toteuttaa tehokkaasti. Toki vesivoimaa, tuulivoimaa ja bioenergiaa tuotetaan niillä alueilla, joissa sitä on luontevasti tarjolla.
Siirtyminen fossiilisista polttoaineista aurinkosähköjärjestelmiin kestää useita vuosikymmeniä. Siksi aurinkosähköjärjestelmiä tulisi voimakkaasti lisätä jo nyt. Kukin meistä voi vähentää maapallon hiilidioksidipäästöjä pienin teoin. Ensimmäinen askel oikeaan suuntaan on aurinkopaneelien asentaminen omalle katolle.
Kohti puhtaampaa energiaa
Puhtaalla energialla tarkoitetaan uusiutuvaksi energiaksi miellettyjen tuuli- ja aurinkoenergian lisäksi muun muassa biopolttoaineita sekä erilaisia energiatehokkuuteen ja hiilidioksidipäästöjen vähentämiseen tähtääviä toimia.
Euroopassa on otettu käyttöön kaksi keinoa hiilidioksidipäästöjen vähentämiseksi. Toinen on päästökauppa, jossa saastuttaville eli perinteisille fossiilisille polttoaineille on pyritty laittamaan reipas lisähinta. Se nostaisi fossiilisten polttoaineiden tuotantokuluja, ja näin uusiutuvalle energialle ajatellaan tulevan lisää liikkumatilaa. Näin ei kuitenkaan ole tapahtunut, kun päästöjen hinta on jäänyt hyvin alhaiseksi.
Toinen keino hiilidioksidipäästöjen vähentämiseksi on poistaa esteitä aurinko- ja tuulisähkön rakentamiselle ja näin kiihdyttää markkinan kehittymistä. Kaiken takana on ajatus, että uusiutuvan energian hinta täytyy tehdä niin edulliseksi, että se voittaa hiilenpolton. Aurinkopaneelijärjestelmien hinta on laskenut viime vuosina huimasti, ja niistä on tullut taloudellisesti kannattavia jopa ilman tukimekanismeja.
Tämä onkin saanut yksittäiset ihmiset ryhtymään sähköenergian pientuottajiksi, ja "Power to the People" -ajattelu yleistyy hyvää vauhtia myös Suomessa. Taustalla on ajatus, että kuluttajien omien pienvoimaloiden käyttöönotto on tehtävä mahdollisimman helpoksi.
"Parhaita kohteita markkinaehtoiselle yleistymiselle ovat aurinkopaneelien rakentaminen päivittäistavarakauppoihin, toimistokiinteistöihin ja julkisiin rakennuksiin", kertoo tutkijaopettaja Kosonen.
Euroopassa on tehty useita toimenpiteitä aurinkovoiman lisäämiseksi. Aurinkovoimakapasiteetin osalta merkittävin edistäjä on ollut 1990-luvulta alkaen eri maissa käyttöön otettu syöttötariffijärjestelmä, joka koskee myös pientuottajia. Syöttötariffin lisäksi esimerkiksi Saksassa aurinkovoimalan sähköverkkoon liittymisbyrokratia on tehty yksinkertaiseksi.
Lisäksi Saksassa on panostettu pitkäjänteisesti aurinkosähköjärjestelmien teknologiakehitykseen, mikä on synnyttänyt sekä aurinkopaneeleja, verkkoliityntälaitteita ja muuta aurinkosähköjärjestelmiin komponentteja valmistavaa kotimaista teollisuutta vaikkakin osa tuotannosta on siirtynyt Kiinaan.
Lisääntyvä uusiutuva energia tuo myös haasteita
Aurinko- ja tuulivoiman voimakas lisääminen tuo monien etujen lisäksi myös haasteita sähköenergiajärjestelmän hallintaan. Sääriippuvaisten tuotantomuotojen säätäminen on vielä toistaiseksi teknisesti haastavaa tai taloudellisesti kannattamatonta. Tilanteessa, jossa sekä tuotanto että kulutus vaihtelevat ohjaamattomasti, on sähköjärjestelmän tehotasapainon hallinta aiempaa vaikeampaa.
Sähköjärjestelmässä tuotannon ja kulutuksen tulee olla joka hetki tasapainossa. Kulutuksen muuttuessa tuotettavan sähkötehon tulee siis muuttua saman verran. Kun perinteisesti säätyvän sähköntuotantokapasiteetin osuus vähenee, myös sähköjärjestelmän joustavuus laskee. Sähkön saatavuuden vaihtelu näkyy suoraan sähkön hinnassa: ajoittain sähköä tulee saataville paljon ja halvalla, toisina hetkinä niukasti ja kalliimmalla hinnalla.
Esimerkiksi kun Euroopassa markkinoille tulee merkittävä määrä takuuhinnalla tuotettua aurinko- ja tuulisähköä, on seurauksena hetkiä, jolloin sähkön markkinahinta on hyvin alhainen. Se aiheuttaa taloudellisia haasteita ilman tukea toimiville voimantuottajille.
Jotta sähköjärjestelmän tehotasapainoa voidaan ylläpitää jatkossakin, tarvitaan sähkönkulutuksen ohjausta eli kysyntäjoustoa. Kysyntäjousto tarkoittaa sähkönkäytön rajoittamista ja käytön siirtämistä korkean kulutuksen ja hinnan tunneilta edullisempaan ajankohtaan. Sähkön varastointi ja kuormien reagointi muuttuvissa tilanteissa ovat keinoja, joilla tehotasapaino voidaan hoitaa myös tilanteessa, kun ei paista eikä tuule tai ilma muuttuu hyvin nopeasti.
Lisääntyvä uusiutuvan energian teknologia on markkinatalouden mukaisesti aikaan saanut kehitystä myös perinteisten voimaloiden puolella. Niiden käyttöominaisuuksia on tehty joustavammiksi, koska markkinoilla on selkeä tarve joustoihin ja niistä myös maksetaan.
Ihannetilanne olisikin, että jatkossa kaikkea energiantuotantokapasiteettia rakennettaisiin ilman tukea tai piilotukia, ja kaikki eri energiantuotannon muodoista aiheutuvat kustannukset otettaisiin kustannuslaskennassa huomioon.
Kuluttajasta kuluttajatuottajaksi
"Tulevaisuudessa kaksi kolmasosaa päivittäisestä energiatarpeesta saadaan suoraan uusiutuvista energialähteistä", arvioi LUTin aurinkotalouden professori Christian Breyer.
"Aurinkoenergialla on tässä merkittävä rooli. Samalla energiantuotannosta tulee osa ihmisten arkea: ihmiset tuottavat ja osittain myös käyttävät itse tuottamaansa energiaa, ja ylimääräinen energia syötetään verkon kautta muille käyttäjille. Olemme siis samaan aikaan sekä energian kuluttajia että tuottajia."
Varastointi on Breyerin mukaan seuraava suuri tutkimuskysymys.
"Meidän on yhdistettävä energian kysyntä sekä uusiutuvan energian saatavuus ja toimintavarmuus. Siksi on investoitava energiavarastoihin."
Varastointiin on jo kehitetty useita erilaisia ratkaisuja, mutta LUTissa on tutkittu muun muassa, miten aurinko- ja tuulienergia voidaan muuntaa synteettiseksi polttoaineeksi, esimerkiksi metaaniksi, myöhempää sähkön tai lämmön tuotantoa varten. Metaani vastaa kemiallisesti biokaasua mutta ei aiheuta hiilidioksidipäästöjä, jos prosessissa käytetään kestäviä hiilen lähteitä, kuten ilmasta tai merivedestä kaapattua hiilidioksidia, tai jos mahdollista sellutehtaiden savukaasuja.
Synteettisistä polttoaineista on tulossa merkittävä ratkaisu liikenteen fossiilisten päästöjen poistamiseksi. Raaka-aineiksi tarvitaan hiilidioksidia ilmasta, vetyä vedestä tai typpeä ilmasta ja puhdasta energiaa aurinko- tai tuulivoimasta. Lopputuotteet, kuten metaani, metanoli, dimenyylieetteri ja ammoniakki ovat tunnettuja raaka-aineita, joita voidaan hyödyntää myös kemianteollisuudessa.
Synteettisten polttoaineiden tutkimusta on LUTilla tehty osana NeoCarbon Energy -projektia, yhteistyössä VTT:n kanssa.
Hankkeessa rakennettu ainutlaatuinen Soletair-pilottilaitos on todistanut kokonaisprosessin teknisen toiminnan: kyseessä oli lajissaan ainoa koelaitos, jossa kaikki hiilivetyjen valmistusvaiheet tapahtuivat yhdessä paikassa. Prosessissa tarvittu hiilidioksidi kaapattiin ilmasta, vety tehtiin vedestä ja energia saatiin auringosta. Tutkimustulokset ovat nyt konkretisoitumassa liiketoiminnaksi.
Tällä power-to-x-teknologialla voidaan todistaa, että uusi hajautetun tuotannon energiamalli toimii. Malli on tehty globaaliksi, jotta se kuvaa paikallista, hajautettua energiantuotantoa myös muualla maailmassa.
Lisätietoja:
Antti Kosonen
