Aurinkoenergian suosio maailmalla on kasvanut kohisten, kun aurinkopaneelien hinnat ovat pudonneet rajusti ja sähköntuotannossa tähdätään puhtaisiin ratkaisuihin. Energiakriisi ja sähkön hinnan nousu ovat vahvistaneet aurinkoenergian kannattavuutta Suomenkin leveysasteilla. Aurinkoenergia pitää integroida järkevästi nykyiseen energiajärjestelmään, jotta sen kasvu voi jatkua, kirjoittaa materiaalitekniikan tutkija Sami Jouttijärvi Turun yliopistosta. Artikkeli on julkaistu alunperin MustRead Akatemiassa.
Aurinkopaneelien hinta on romahtanut 15 viime vuoden aikana murto-osaan entisestä. Muut aurinkosähkön tuottamiseen liittyvät kustannukset, kuten asennus ja erilaiset tukijärjestelmät eivät ole halventuneet samassa tahdissa Aurinkovoima on kuitenkin noussut marginaalisesta sähköntuotantotavasta nopeasti kasvavaksi tulevaisuuden teknologiaksi.
Etelä- ja Keski-Euroopassa aurinkosähköbuumi on ollut voimissaan jo useita vuosia, mutta Suomessa ollaan vasta pääsemässä vauhtiin. Aurinkovoimalla tuotettiin vuonna 2022 vain 0,5 prosenttia Suomessa kulutetusta sähköstä (82 TWh). Tuulivoiman osuus oli 14 ja ydinvoiman vajaat 30 prosenttia.
Aurinkopaneelien ”polttoaineena” toimii auringonsäteily, jonka saatavuuteen vaikuttaa vahvasti leveysaste ja paikallinen ilmasto, kuten pilvisyys. Suomi mielletään helposti huonoksi alueeksi aurinkoenergian tuotannolle pohjoisen sijaintinsa takia. Toisaalta: vuosittainen säteilykertymä on Suomessa hyvin lähellä esimerkiksi Pohjois-Saksan tasoa.
Suomessa huhti-syyskuussa aurinkopaneelit tuottavat sähköä runsaasti, mutta marras-tammikuussa tuotanto on lähes olematonta. Aurinkosähkön käyttöä pitääkin suunnitella ja ajoittaa osana koko energiajärjestelmää.
Yhä halvempaa tekniikkaa
Pohjoisesta sijainnista huolimatta aurinkosähkön tuotanto kasvaa Suomessa. Merkittävimmät syyt ovat aurinkopaneelien hintojen halpeneminen sekä energiakriisi, joka on nostanut sähkön markkinahinnan korkealle niin Suomessa kuin ympäri Eurooppaa. Huomattavaa on, että aurinkosähkö oli saavuttanut verkkosähkön hinnan Suomessa jo ennen viimeisintä energiakriisiä.
Aurinkosähkön ainutlaatuinen skaalautuvuus on tärkeä asia: yksittäisen aurinkopaneelin huipputeho on tyypillisesti muutama sata wattia, mutta kun paneeleja asennetaan lisää, aurinkovoimalan teho voidaan nostaa vaikka kuinka korkealle. Tämän ansiosta aurinkovoima soveltuu niin yksittäisten kuluttajien kuin kaupallisten voimayhtiöiden sähköntuotantoon.
Tyypillinen pienvoimala on omakotitalon katolle asennettu, muutamasta (tai muutamasta kymmenestä) paneelista koostuva yksikkö. Toista ääripäätä edustavat suuret aurinkopuistot, kuten Tornioon suunnitteilla oleva sadan hehtaarin laajuinen, huipputeholtaan 80 megawatin voimala.
Mistä tasapainoa?
Aurinkosähkön tuotannon kasvaessa tuotannon vaihtelevuus ja sääriippuvuus aiheuttavat yhä enemmän päänvaivaa. Koska sähkön kysynnän ja tarjonnan on oltava koko ajan tasapainossa, aurinkosähkön tuotannon vaihtelevuutta pitää pystyä tasapainottamaan. Keinoja ovat muu sähköntuotanto, tuonti ja vienti, kysynnän joustot ja energian varastointi.
Vuoden- ja vuorokaudenajasta johtuvaa vaihtelua pystytään hyvin ennakoimaan. Sen sijaan esimerkiksi yksittäisten pilvien tai pilvialueiden aiheuttamat nopeat tuotannon vaihtelut voivat aiheuttaa jännitteen heilahtelua ainakin paikallisesti, mikäli aurinkovoimaa on asennettu liikaa suhteessa sähköverkon kantokykyyn.
Kansallisen tason energiajärjestelmässä, jossa aurinkosähköllä on merkittävä rooli, nopea tuotannon pudotus iltapäivän aikana sekä usein samanaikaisesti lisääntyvä sähkön kysyntä aiheuttaa merkittävän tuotantovajeen. Vaje paikataan yleensä fossiilisilla polttoaineilla tai tuonnilla. Esimerkiksi Saksassa suuri aurinkoenergiakapasiteetti johtaa tilanteeseen, jossa maa muuttuu aurinkoisena päivänä merkittävästä sähkön viejästä sähkön tuojaksi muutaman tunnin aikana.
Tätä ilmiötä voidaan lieventää suuntaamalla osa aurinkopaneeleista muihin suuntiin kuin etelään, jolloin tuotantohuippu osuu lähemmäs aamua tai iltaa. Pohjoisilla leveyspiireillä aurinko nousee kesällä aikaisin ja laskee myöhään. Tämä helpottaa tuotannon ja kysynnän sovittelua, sillä aurinkopaneelin suuntausta muuttamalla tuotantohuippu saadaan osumaan haluttuun kellonaikaan. Toki tässä tapauksessa menetetään osa vuosittaisesta kokonaistuotannosta.
Kannibaali väijyy hinnoissa
Aurinkovoima on hyvin altis niin sanotulle kannibalisaatio-ilmiölle: lisääntynyt tuotanto tiettyinä tunteina nostaa sähkön tarjontaa ja laskee sen markkinahintaa. Tämä ”kannibalisoi” eli nakertaa tuotantoaan lisänneiden myyjien voittoja.
Suomessa ilmiö on tullut tutuksi tuulivoimassa. Sähkön spot-hinnan ja tuulivoiman tuotannon välinen riippuvuus on voimakas, minkä jokainen pörssisähköä käyttävä kuluttaja on huomannut.
Esimakua saa tarkastelemalla Saksan nykytilannetta: maan suuri aurinkosähkön tuotanto laskee sähkön hintaa keskipäivällä, mutta illalla tuotannon pudotessa hinta nousee rajusti. Hyvin suunnitellulla aurinkosähkön integroinnilla Suomen energiajärjestelmään tätä ongelmaa voidaan merkittävästi vähentää.
Integrointi helpottuu ja tuotanto- ja hintahaasteet helpottavat, kun tuotantoa ja kulutusta sovitetaan ajallisesti yhteen. Perusrajoitteet on syytä tunnustaa: tammikuisena iltana tuotantoa ei ole. Kuitenkin kesäaikaan pitkät valoisat päivät antavat runsaasti pelivaraa tuotannon ajoittamiseen.
Paneeleista kaikki irti
Aurinkopaneelit pyritään yleensä suuntaamaan kohti etelää sopivassa kallistuskulmassa. Etelä-Suomen olosuhteissa noin 45 asteen kallistus maksimoi vuosittaisen sähköntuotannon.
Kun huomioidaan tuotetun aurinkosähkön arvo, tämä ei välttämättä ole paras mahdollinen ratkaisu. Pientuottajan kannalta omaan kulutukseen menevä aurinkosähkö on paljon arvokkaampaa kuin sähköverkkoon myytävä ylijäämätuotanto. Tämä johtuu sähkön kuluttajahinnan rakenteesta.
Kun kuluttaja ostaa sähköä, hän maksaa sähkön lisäksi arvonlisäveron ja siirtomaksun. Sen sijaan myydessään ylijäämäsähköä verkkoon kuluttaja/pientuottaja saa tuloja vain itse sähköstä.
Tyypilliset pientuottajille tarjolla olevat sähkön myyntisopimukset sitovat myyntihinnan Nordpoolin spot-hintaan. Siten tulevaisuudessa ylijäämäsähkön myyntitulot voivat olla hyvin matalia keskipäivällä, kun lisääntynyt aurinkosähkön tuotanto laskee tuntihintoja. Viime kesän kaltaiset tilanteet, jolloin sähkön spot-hinta saattoi kesäisenä keskipäivänä olla kymmeniä senttejä kilowattitunnilta, eivät jää pysyväksi ilmiöksi.
Aurinkopaneelien suuntaaminen myös muihin suuntiin kuin kohti etelää voi siis olla tulevaisuudessa entistä kannattavampaa. Käytännössä etenkin pientuottajien voi olla vaikea vaikuttaa suuntaan: harjakatolle asennettava paneelisto asennetaan katon suuntaisesti.
Kaksi pintaa avuksi
Kuitenkin yhä useamman talon katto voi tulevaisuudessa muuttua houkuttelevammaksi tuotantoalustaksi. Esimerkiksi harjakatto, jonka lappeet osoittavat itään ja länteen, mahdollistaa tuotantohuiput aamulla ja illalla, kun sähkön kulutus ja hinta ovat tyypillisesti korkeammalla kuin keskipäivällä. Tällöin vuosittainen sähköntuotanto on pienempi kuin vastaavalla määrällä etelään suunnattuja paneeleja, mutta toisaalta kulutushuippujen aikaista tuotantoa saadaan kasvatettua.
Viime vuosina merkittäväksi trendiksi ovat nousseet kaksipuoleiset aurinkopaneelit. Kaupallisessa tuotannossa kaksipuoleisuutta hyödynnetään tyypillisesti paneelin takapinnalle osuneen valon tuoman lisätuotannon avulla.
Toinen vaihtoehto on asentaa paneelit pystyyn itä-länsi suuntaan, aitamaiseksi rakenteeksi. Tällä tavalla saavutetaan tuotantohuiput aamulla ja illalla keskipäivän sijasta. Erityisesti Suomen olosuhteissa tämä on houkutteleva ratkaisu, sillä aurinko on pitkän aikaa matalalla horisontin yläpuolella, jolloin pystysuora pinta kerää tehokkaasti säteilyä.
Pelkästään aurinkovoiman tuotantoon tarkoitetussa laitoksessa pystyasennuksen haasteena on se, että paneelirivit langettavat pitkät varjot, minkä vuoksi rivien pitää olla kaukana toisistaan. Tämä korostaa maa-alueen kaksoiskäytön hyötyjä: pystysuuntainen aurinkopaneelirivi on maankäytön kannalta aita, jollaisia voidaan sijoittaa sekä urbaaniin että maaseutumaiseen ympäristöön sopiviin paikkoihin. Näin ei haitata esimerkiksi liikennettä tai maataloutta.
Kasvusta on hyvä napata kiinni
Aurinko- ja tuulivoiman kasvu muuttaa Suomen energiajärjestelmää ja luo tarvetta tasapainottamiselle kysynnän joustojen sekä säädettävän sähköntuotannon, kuten vesivoiman, avulla. Kun näihin yhdistetään aurinkopaneeleilla tuotettavan sähkön sopiva ajoitus, koossa on aurinkosähkön vahvan kasvun eväät. Tulevaisuudessa myös energian varastointi ja päästöttömästi valmistettu vety tuovat tasapainoa.
Aurinkosähkön tuotannon kasvu pitää suunnitella osaksi koko energiajärjestelmää, ei yksittäisenä palasena. Tämä on Suomessa mahdollista juuri nyt, kun aurinkosähkön osuus kotimaisesta sähköntuotannosta on toistaiseksi pieni, mutta kasvaa nopeasti.
Kirjoitus on julkaistu MustRead Akatemiassa 23.5.2023
Sami Jouttijärvi on materiaalitekniikan tutkija ja yliopisto-opettaja Turun yliopistossa. Hänen erikoisalojaan ovat uusiutuva energia, kaksipuoleiset aurinkopaneelit, sähköverkkomallinnus, aurinkokennot ja polttokennot.
