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 thumb|Aurinkopaneeleita.Aurinkosähköä tuotetaan tavallisesti aurinkokennoilla, jotka muuntavat auringon säteilyä valosähköisen ilmiön avulla sähköenergiaksi. Nykyään yli 80 prosenttia aurinkokennoista on liitetty sähköverkkoon. 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. 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.