Aurinkoenergian käyttö
Yleisesti ottaen aurinkovoimaloiden tarkoitus on tasata vuotuista energiankulutusta. Luonnollisesti Suomessa talviaikaan aurinkopaneeleiden hyöty on minimaalinen. Kuitenkin jo keväällä maaliskuun aikana ja syksyllä vielä lokakuussa saadaan järkeviä määriä tuotantoon. Kuumina ajankohtina aurinkoenergian tuotantoa on hyvä käyttää tasaamaan jäähdytyksestä aiheutuvia kustannuksia.
Jatkuvaksi energianlähteeksi edellä mainituista syistä johtuen aurinkoenergiasta ei toistaiseksi ole. Mikäli aurinkopaneelien hinta laskee vielä huomattavasti ja pystytään kehittämään tehokkaampia keinoja energian varastointiin, silloin aurinkopaneelit oletettavasti olisivat taloudellisesti järkevämpi vaihtoehto myös Suomessa kuin mitä ne tällä hetkellä ovat. Lisäksi jos uusia tekniikoita kehittämällä päästään parempaan hyötysuhteeseen, niin sekin helpottaa voimakkaampaan aurinkoenergian tuotannon siirtymään.
Suurimmat aurinkovoimalat ovat energiayhtiöiden omia projekteja yhteistyöyritysten kanssa. Tästä poikkeuksena on Nurmon Aurinko, joka on pääosin Atrian omistama ja tuottaa energiaa heidän omalle tuotantolaitokselleen. (Energiavirasto, 2022)
Aurinkovoimalan tärkeimpiä etuja ovat alhaiset käyttökustannukset, se että aurinkoenergia on uusiutuva energia ja tuotanto on CO2-vapaata. (Fortum, n.d.)
Luonnollisesti aurinkopaneelien valmistusprosessissa syntyy päästöjä. Ne vaihtelevat suurestikin paneelityypin mukaan, ja siten yleismaailmallista paneelin hiilijalanjälkeä on lähes mahdoton määritellä. Silikonia joudutaan käsittelemään korkeassa lämpötilassa, mikä johtaa korkeaan energiankulutukseen. Toisaalta taas mineraalien louhinnasta ja käsittelystä tulee omat päästönsä. Lisäksi logistiikka lisää hiilijalanjäljen määrää entisestään. (Solaris renewables, n.d.)
Tuotantokapasiteetti voidaan jakaa kahteen eri osa-alueeseen: Pientuotantokapasiteetti ja suuret yli 1 MW voimalaitokset. Pientuotantovoimalaitokset tuottivat Suomessa vuonna 2021 yhteensä noin 395 MW. Suuria voimalaitoksia Suomessa on toistaiseksi vähän, mutta määrä on kuitenkin nousussa. Motiva Oy on koostanut Energiaviraston toimeksiannosta kartan, missä voi tarkastella Suomessa suunnitteilla, rakenteilla tai tuotannossa olevia yli 1MW aurinkovoimalaitoksia. Palvelun https://aurinkosahkovoimalat.fi/ linkkien kautta pääsee perehtymään tarkemmin myös yksittäisiin hankkeisiin.
Aurinkoenergiapotentiaali
Auringon elektromagneettinen säteilyenergia muutetaan sähköenergiaksi. Ainoastaan näkyvän valon säteilyenergia 350nm:n ja 1140nm:n välillä pystytään hyödyntämään energiaksi aurinkopaneeleissa johtuen säteilyn aallonpituuksista. Infrapunasäteily, jonka aallonpituus on suurempi, ei pysähdy paneeliin lainkaan, kun taas puolestaan ultraviolettisäteily ei läpäise paneelin lasia tai muita tarvittavia kerroksia ollenkaan. (Papiewski, 2018)
Auringonvalon saatavuuden puolesta parhaat maantieteelliset alueet ovat luonnollisesti ne alueet, joilla on parhaiten auringonvaloa tarjolla ja jossa pilvisiä päiviä on vähiten. Kuten alla olevasta kuvasta (2) näkyy, optimaaliset alueet sijoittuvat pääasiallisesti kravun- ja kauriin kääntöpiirille.
Suomessa jäämme huomattavasti parhaista globaaleista luvuista jälkeen, mutta se ei tarkoita, että tuotanto olisi kannattamatonta. Meillä on etuna viileähkö ilmasto, joka parantaa aurinkopaneelien energian hyötyastetta, koska paneelit toimivat paremmin viileinä kuin kuumina. Aurinkopaneelien kuumetessa tuotantoteho saattaa pienentyä jopa 25 % (Virtanen, 2019).
Kuvassa 2 nähdään aurinkovoiman potentiaali Euroopan eri osissa. Suurin negatiivinen vaikutus vuotuiseen tuotantoon Suomessa on päivien pituudella talviaikana, jolloin paneelit tuottavat erittäin vähän energiaa. Talvipäivän seisauksen aikaan Vaasan korkeudella päivän pituus on vain 4 tuntia 40 minuuttia (Moisio, n.d.). Lisäksi syksy ja alkutalvi ovat yleisesti ottaen pilvistä aikaa (Ilmatieteen laitos, n.d.), jolloin aurinkoenergian täyttä potentiaalia ei usein saada hyötykäyttöön edes päivän tunteina.
Aurinkoenergian tarvitsema infrastruktuuri
Eri energiantuotantotapoja vertailtaessa aurinkopaneelivoimalan infrastruktuuritarpeet ja ympäristövaikutukset ovat kaikista pienimmät. Käytännössä voimalan toimintaa varten tarvitaan tontti ja tie perille, kaapelointi voimalasta ulos ja voimalan sisällä. Lisäksi tarvitaan telineet paneeleille ja viimeisenä invertterit. Maaperän olisi suotavaa olla mahdollisimman vähäpölyistä, jotta paneelit pysyvät puhtaina sekä tontin olisi hyvä olla mahdollisimman tasainen ja kaukana varjostavista kohteista, jotta tuotanto pystyttäisiin optioimaan. (Nevalainen, 2022)
Aurinko energian edut, haasteet ja riskien hallinta
Kuvassa 3 nähdään perinteisen aurinkopaneelin rakenne. ” Osuessaan aurinkopaneeliin fotonit imeytyvät puolijohdemateriaaleihin, kuten piihin. Ne irrottavat negatiivisen varauksen omaavat elektronit atomeistaan, jolloin elektronit pääsevät vapaasti virtaamaan puolijohdemateriaalissa, muodostaen sähkövirtaa aurinkokennojen virtajohtimiin” (Vattenfall, 2023).
Kehitystyön alla on muun muassa aurinkokennotyyppi, joka sisältää perovskiittirakenteista yhdistettä (kuva 4). Yleisimmin rakenne on hybridi orgaanisesta ja epäorgaanista lyijy- tai tinahalogenipohjaista materiaalia valoa keräävänä kerroksena. Perovskiittirakennetta käytettäessä tarvitaan noin 20 kertaa vähemmän materiaalia kuin perinteisen aurinkokennon valmistuksessa. Perovskiittirakenteen paksuus on 0,5 μm, kun perinteisen puolijohteiden paksuus on noin 200–500 μm.
Toisaalta perovskiittirakenne on erittäin sensitiivisiä hapelle, lämmölle ja kosteudelle. Se vaatii siis erittäin hyvän koteloinnin ja toistaiseksi sillä on lyhyempi elinikä kuin perinteisillä tekniikoilla ja komponenteilla valmistetuilla paneeleilla. Ensimmäiset perovskiittipohjaiset tuotteet markkinoille vuoden 2023 aikana.
Aurinkopaneelien valmistus
Aurinkopaneeleja on valmistettu massatuotannossa jo useita vuosikymmeniä. Valmistuskustannukset ovat olleet pitkään voimakkaassa laskussa, mutta viime vuosien aikana hintojen lasku on pysähtynyt johtuen paneelien suosion valtavasta kasvusta ja yleisestä komponenttien hintojen voimakkaasta noususta (Kuva 5). Jotta kustannuksia saadaan laskettua lisää, täytyy valmistuksessa miettiä eri materiaalien käyttöä.
Aurinkovoimaloiden ympäristövaikutukset
Aurinkovoimaloiden ympäristövaikutuksista löytyy heikosti tutkimustuloksia. Oletettavasti tämä johtuu siitä, että lähes päästöttömien voimaloiden ympäristöhaasteet ovat pieniä – ainakin verrattuna muiden voimalaitosten vaikutuksiin.
Yksi mainituista haasteista on aurinkopaneelien estämä lämmön nousu ilmakehään ja paneelien absorboima lämpö ja voimalaitosalueella puuttuvan kasvillisuuden aiheuttama lämmön imeytyminen maaperään (Kuva 6).
Mikäli voimalaa varten ei tarvita raskaita perustuksia, voimala-alue on verrattain helppo ennallistaa purkamalla voimala ja palauttamalla maa takaisin aiempaan käyttötarkoitukseen kuten metsäksi, turvesuoksi, pelloksi tai mihin tahansa toimintoon.
Aurinkoenergian käytettävyys Suomessa
Nykyisillä tekniikoilla aurinkoenergia soveltuu heikosti ainoaksi energianlähteeksi. Jotta se olisi edes jollain tasolla mahdollista, tulisi aurinkoenergia kytkeä energiavarastointiin. Tämän vuoksi aurinkoenergiaa onkin järkevä hyödyntää muiden energiantuotantomuotojen lisänä.
Suomessa aurinkoenergian saatavuus on heikompi kuin useissa muissa maissa johtuen meidän pohjoisesta sijainnistamme ja pilvisestä syys-talvikaudesta, mutta aurinkoenergian hyödyntämistä voidaan pitää siitä huolimatta erittäin hyvänä ratkaisuna pienentämään fossiilisten polttoaineiden tuottamaa hiilijalanjälkeä.
Kustannustaso lienee nyt lähellä alinta tasoa, mihin nykytekniikoilla päästään. Jotain optimointia valmistusprosesseissa on mahdollista vielä saavuttaa, mutta kohonneet raaka-ainekustannukset ja komponenttien hinnat nostavat valmistuskustannuksia. Vasta kun uusiin tekniikkoihin perustuvia paneeleita saadaan massatuotantoon, on mahdollista saada tuotantokustannuksia alaspäin.
Takaisinmaksuaika on pitkähkö riippuen voimalaitoksen koosta ja tekniikasta, mutta vastaavasti käyttökustannukset ovat erittäin pieniä.
Tämä on yksi viidestä energia- ja ympäristötekniikan monimuoto-opiskelijoiden Uusiutuvat energiat -kurssin harjoitustyön yhteydessä tuotetuista jutuista.
Muut jutut:
