Aurinkoenergia

Aurinkokennoilla tuotettua sähköä on alettu nykyään markkinoida kovasti myös pientaloihin. Aurinkoenergiaa sinänsä on käytetty pientaloissa jo vuosikymmenien ajan lämpimän veden tuottamiseen. Tällöin puhutaan aurinkolämmöstä. Näissä aurinkolämpökeräimissä on alustalle kiinnitettyjä putkia, joissa kiertävään nesteeseen kerätään aurinkoenergiaa. Neste taas vuorostaan ohjataan esimerkiksi vesisäiliössä olevaan lämmönvaihtimeen ja näin tuotetaan taloon lämmintä vettä.

Aurinkosähkössä kyse taas on siitä, että katolla olevien aurinkokennojen avulla tuotetaan suoraan sähköä, joka ohjataan talon sähköverkkoon. Kyse on siten kahdesta täysin erilaisesta ratkaisuista. Aurinkolämpöratkaisut vaikuttavat nykyään jäävän paljolti aurinkosähkön jalkoihin. Lomamatkoilla etelän aurinkorannoilla on helppo bongata sikäläisiä aurinkolämpöjärjestelmiä useimpien talojen katoilla.

Tässä artikkelissa annetaan maallikkotasoista yleistä perustietoa näistä kahdesta ratkaisusta, painon ollessa pientaloissa ja aurinkosähkössä. Lopussa on esitetty kirjallisuutta ja runsaasti Internet-linkkejä, joiden kautta kiinnostuneet voivat hakea yksityiskohtaisempaa lisätietoa.

Veden lämmitystä aurinkoenergialla Kreetalla, jossa aurinkoenergiaa on saatavissa lähes tuplaten Suomeen verrattuna.

Aluksi muutama perustieto auringon energiasta

Auringon säteilymäärä vaakasuoralle pinnalle Helsingissä on vuoden aikana noin 980 kWh/m² ja Sodankylässä noin 790 kWh/m². Kun paneelit suunnataan noin 45 asteen kulmassa etelään päin, voidaan hyödynnettävän säteilyn määrää lisätä vuositasolla Etelä-Suomessa 20 % ja Pohjois-Suomessa 30 % verrattuna vaakasuoraan asennukseen. Tällöin Helsingin säteilymääräksi tulee noin 1200 kWh/m²ja Sodankylän noin 1000 kWh/m². Tästä energiamäärästä on sitten mahdollista saada jonkinmoinen määrä hyödyksi joko suorana lämpönä (aurinkolämpö) tai sähkönä (aurinkosähkö).

Aurinkosähkö

Aurinkosähköjärjestelmiä mainostetaan monenlaisilla iskulauseilla, joista muutama esimerkki: ”Sähkölasku pienemmäksi omilla aurinkopaneeleilla”, ”Tuottoisaa, verotonta ja sähkönsiirtomaksutonta aurinkosähköä kotiisi”, ”Aurinkosähkö kasvattaa talosi arvoa”, ”Aurinkosähkö on pudasta energiaa” jne. Tottahan nämä toki ovat, mutta asiaan kannattaa perehtyä tarkemmin ennen lopullisen hankintapäätöksen tekemistä. Toki aurinkosähköä pidetään yhtenä tärkeänä osana tulevaisuuden energiaratkaisuja, joten sen kehittämiseen panostetaan kovasti.

Ammattilaiset puhuvat hyvin yleisesti PV-voimaloista ja PV-paneeleista, kun tarkoitetaan auringosta saatavaa sähköä. Lyhennys PV tulee englanninkielisestä ilmauksesta Photovoltaic.

Miten sitä sähköä saadaan auringosta

Auringonsäteily koostuu hiukkasista (fotoneista), jotka kuljettavat auringon säteilyenergiaa. Kun hiukkaset osuvat aurinkopaneeleihin, ne luovuttavat energiansa kennoihin, jolloin muodostuu sähkövirta aurinkokennojen virtajohtimiin. Aurinkokennot tuottavat tasasähköä. Sähköä voidaan käyttää sellaisenaan, mutta yleensä tasasähkö muutetaan invertterin avulla vaihtosähköksi. Vaihtosähköä voidaan sitten hyödyntää talon sähkölaitteissa (kodinkoneet, lämminvesivaraaja ym.) ja haluttaessa syöttää ylijäämäsähkö yleiseen sähköverkkoon. Aurinkosähköä voidaan varastoida myös akkuihin esimerkiksi sähköverkoista erossa olevissa rakennuksissa (mökkisähköjärjestelmä), jolloin omaa sähköä on saatavilla myös silloin, kun aurinko ei paista.

Aurinkosähkökennoja on kahta perustyyppiä

Markkinoiden selkeänä valtavirtana ovat piikidekennot, jotka valmistetaan yksi- tai monikiteisestä piistä. Kennojen hyötysuhteeksi esitetään lukemia 15 %:sta runsaaseen 20 %:iin. Yksikidepaneelit (monocrystalline) ovat väriltään tasaisen tummia (musta/tumman sinertävä), ja niissä saattavat näkyä selvästi yksittäiset, kulmistaan lovetut piikennot . Yksikidepaneelin hyötysuhde on hieman parempi, mutta valmistuskustannus korkeampi kuin monikidepaneelin. Monikidepaneeli (polycrystalline) on ulkonäöltään ruutuihin jaettu yhtenäinen levy (värisävy on sininen). Paneeli pystyy hyödyntämään yksikidepaneelia paremmin hajasäteilyä, eli ottamaan talteen aurinkoenergiaa pilviselläkin ilmalla. Ero ei kuitenkaan ole kovinkaan merkittävä.

Toinen, melko uusi tyyppi on ohutkalvokenno, joka valmistetaan lisäämällä pohjamateriaalin (lasi, teräs tai muovi) pintaan valoherkkää ainetta. Näiden kennojen (paneelien) hyötysuhteeksi esitetään noin 9-11 %, eikä niistä ole vielä kovinkaan paljoa käyttökokemuksia. Kennojen käyttöikä nykyisellään on varsin rajallinen.

Piikidekennojen kohdalla puhutaan usein, että ne ovat ensimmäisen sukupolven aurinkokennoja ja ohutkalvokennot toisen polven kennoja. Kehitystyön kohteena nykyään ovat nanotekniikkaan perustuvat kennot, joita kutsutaan kolmannen sukupolven kennoiksi.

Aurinkopaneelityyppejä a) yksikiteinen, b) monikiteinen ja c) tasokeräin (ohutfilmi). /Jasmin Luostarinen. Aurinkosähkön tekninen potentiaali Jyväskylässä. Pro gradu -tutkielma, 2014. Jyväskylän yliopisto, Fysiikan laitos./

Aurinkosähköjärjestelmän teho ja tuotto

Aurinkopaneelien nimellisteho ilmoitetaan piikkiwatteina (W_p). Tämä nimellisteho, eli kyseisen kennon huipputeho, määritetään laboratoriossa standardiolosuhteissa, jossa auringon säteilymäärä on 1000 W/m² ja kennon lämpötila 25 celsiusastetta. Paneelien huipputehot ovat suurusluokaltaan 200 – 350 W_p. Hankintaa varten aurinkopaneeleista on muodostettu eritehoisia järjestelmiä, jotka koostuvat useista paneeleista. Esimerkiksi markkinoilla on teholtaan 2 750 W_p:n järjestelmä, joka koostuu 10:stä 275 W_p:n paneelista.

On tärkeätä huomata, että piikkiwatti (huipputeho) tarkoittaa sitä tehoa, jonka kyseinen paneeli kykenee tuottamaan kyseisessä testiolosuhteessa. Katolle asennettuna, todellisissa olosuhteissa Suomessa vuosittainen kokonaistuotto jää luonnollisesti paljon alhaisemmaksi. Paneelien ja järjestelmien keskinäisessä vertailussa piikkiwatin hinta toimii kuitenkin hyvänä vertailuperusteena.

Nyrkkisääntönä voidaan pitää, että 1 000 W_p:n paneelimäärällä voidaan parhaimmillaan tuottaa yhden vuoden aikana sähköä Etelä-Suomessa noin 700 – 1000 kWh ja Pohjois-Suomessa noin 600 – 900 kWh.

Paneeleihin kohdistuva varjostus alentaa tuottoa varsin paljon. Jos varjostusta on paljon ja sitä ei voi vähentää esimerkiksi puustoa kaatamalla, niin paneelien hankinta ei ehkä ole lainkaan kannattavaa. Tosin on olemassa paneelistoon kytkettäviä lisälaitteita, joilla yksittäisten paneeleiden varjostuksen merkitystä koko järjestelmän tuotolle voidaan vähentää.

Verkkoon kytketyn aurinkosähköjärjestelmän periaatekuva.

Aurinkosähkön hankintahinta pientaloissa

Aluksi on erityisesti painotettava, että aurinkosähköjärjestelmä tulee mitoittaa siten, että likimain kaikki saatava sähkö voidaan hyödyntää omassa kiinteistössä. Yleiseen verkkoon myytävästä ylijäämäsähköstä saatava korvaus on yleensä varsin alhainen (sähköpörssin spot-hinta), joten sillä ei järjestelmän kannattavuutta juurikaan paranneta. Tosin jotkut markkinoijat tarjoavat kaupan mukana niin sanottua verkkoakkua (virtuaaliakku), jolloin verkkoon toimitettavan sähkön saa ostohintaan takaisin. Tosin tällöin joudutaan siirtymään tietyn sähköyhtiön asiakkaaksi ja hyväksymään heidän hinnoittelunsa myös ostettavan sähkön osalta. Ennen sopimuksen tekemistä kannattaa tarkoin selvittää nämä hinnat ja verrata ainakin oman käytössä olevan sähköyhtiön hintoihin.

Kannattavuuteen vaikuttaa myös sähköyhtiön käyttämä mittaustapa. Hyvin monet sähköyhtiöt käyttävät vaihekohtaista mittausta, jolloin saatetaan joutua tilanteeseen, että sähköä myydään verkkoon, vaikka omaakin tarvetta olisi. Tämä voitaisiin välttää vaiheet netottavalla mittarilla, jolloin aurinkosähkön tuotantoa verrataan kulutukseen ja niiden erotus on verkkoon myytävää sähköä. Sähköyhtiöt käyttävät jompaa kumpaa menettelyä, eikä siihen voi yksittäinen asiakas vaikuttaa ja tuskinpa asiakas edes tietää, mitä menettelyä käytetään. Kiinteistön kaikkien kolmen sähkövaiheen mahdollisimman tasaisen kuormituksen kautta voidaan pyrkiä välttämään ”turhaa” sähkönmyyntiä verkkoon. (Lisätietoja FinSolar-hankkeen sivuilta)

Aurinkosähköjärjestelmien kestoiäksi ilmoitetaan varsin pitkiä aikoja, noin 30-40 vuotta. Ylläpitokustannuksista suurin osa muodostuu invertterin uusimisesta, jonka kestoikä on noin 15 vuotta.

Aurinkosähkön hankintahinta on FinSolar -hankkeen mukaan ollut 1600 – 2500 euroa/ kW_p vuosina 2014-2015. Aurinkosähkön tuotantohinnaksi 30 vuoden ajalta saatiin samaisen hankkeen laskelmien mukaan 7 – 12 senttiä/kWh. Hankkeen mukaan uusilla järjestelmillä (kennojen korkeampi hyötysuhde ja edullinen hinta) olisi ehkä tulevaisuudessa päästävissä selvästi alempiin tuotantohintoihin.

Esimerkiksi marraskuussa 2019 aurinkosähköjärjestelmiä oli saatavilla avaimet käteen toimituksena hintaluokkaan 1700 – 2500 euroa/ kW_p. Yleensä järjestelmän koon kasvaminen alentaa yksikköhintaa. Vuoden 2021 alkupuolella omakotitalojärjestelmiä oli saatavilla hintaan 1500 euroa/kW_p, eli hinnat ovat jonkun verran laskeneet viimeisen vuoden aikana (ks. nettisivuston Aurinkosähköä kotiin tarjoushinnat).         

Hyvissä olosuhteissa investoinnin tuottoprosentiksi koko käyttöajalle esitetään 3-8 %, eli kyllähän se hakkaa reippaasti nykyiset pankkitalletukset. Käytännössä järjestelmän kannattavuutta arvioidaan yleisesti takaisinmaksuajan kautta. Tosin se ei ole kovinkaan sopiva menettely näin pitkäkestoisiin investointeihin. Takaisinmaksuajat ovat varsin pitkiä; järjestelmän koosta, tuotosta ja korvattavan ostosähkön hinnasta riippuen 15 – 25 vuotta ilman kotitalousvähennystä.

Aurinkolämpö

Aurinkolämpöjärjestelmässä auringon lämpöä otetaan talteen aurinkokeräimessä kiertävään nesteeseen. Lämpö kuljetetaan nesteen mukana yleensä vesivaraajaan, missä se pääasiassa lämmittää käyttövettä. Mikäli rakennuksessa on vesikiertoinen lämmönjako (patteri- tai lattialämmitys), voidaan aurinkolämpöä käyttää myös tilojen lämmittämiseen.

Tällä tavoin auringon lämpöä on hyödynnetty jo todella pitkään ja se on edelleen varteen otettava vaihtoehto. On huomattava, että aurinkolämpökeräimien hyötysuhde on suuruusluokkaa 50 % (lopullinen hyötysuhde), kun se aurinkosähköjärjestelmissä on ”vain” 10-20 %. Näin ollen aurinkolämmössä riittää pienempi paneelipinta-ala tuottamaan saman energiamäärän verrattuna aurinkosähköön. Aurinkolämmön tuottamisessa lievä varjostuskaan ei haittaa kovin paljon.

Aurinkolämpökeräimet

Keräimiä (paneeleita) on pientalojen käyttöön kahta perustyyppiä tyhjiöputkikeräin (normaali tyhjiöputki tai heat-pipe -lämpöputki) ja tasokeräin. Tuotetun energian hinnan osalta näiden järjestelmien välillä ei ole kovinkaan suuria eroja. Keski- ja Etelä-Euroopassa ylivoimaisesti suosituimpia ovat tasokeräimet. On syytä huomata, että keräinten energiantuotto (hyötysuhde) vaihtelee tuotemerkeittäin melko paljon, joten hankintapäätöstä tehtäessä kannattaa myyjiltä udella näitä asioita tarkemmin.

Aurinkolämpö. Tyhjiöputkikeräimiä talon katolla.

Tuotto ja kannattavuus

Parhaimmillaan aurinkokeräin voi tuottaa keskikesällä noin 3 kWh lämpöenergiaa vuorokaudessa keräinneliömetriä kohti. Tällä energiamäärällä voidaan 50 litran vesimäärän lämpötilaa nostaa noin 50 astetta. Vuositasolla keräimen tuottama aurinkolämpö on luokkaa 400 – 500 kWh/keräin-m².

Aalto-yliopiston selvityksen mukaan on saatu seuraavia arvoja (laskelmissa käytetty keräimen tuottona 400 kWh/m2 vuodessa, hintataso vuoden 2015 mukainen). Aurinkolämmön tuotantokustannukset ovat 30 vuoden ajalle laskettuna pientaloissa luokkaa 4 – 8 senttiä/kWh. Laitteiston hankintahinta ja asennus ovat suuruusluokaltaan 500 – 1000 euroa/keräin- m², ilman lämminvesivaraajaa /Aalto yliopisto 2016/. Hankintapäätöstä tehtäessä on oleellista vertailla eri järjestelmien tuottaman tehon hintaa, jolloin järjestelmät saadaan yhteismitallisiksi. Kyse on samantyyppisestä vertailusta kuin aurinkosähkönkin kohdalla (euroa/huipputeho).

Pientaloon riittävä aurinkokeräinten määrä on luokkaa 5 – 10 m². Keräinten määrään vaikuttaa muun muassa perheen koko, eli kulutettavan lämpimän veden määrä (noin 50 l/henkilö, vuorokaudessa), keräimen teho ja asennuspaikka (ilmansuunta, varjostus ym.), johon pätevät pitkälti samat periaatteet, kuin aurinkosähkössä. Järjestelmä mitoitetaan siten, että kesäkuukausina saadaan liki kaikki lämmin vesi auringosta. Keskitalvella ei auringosta saada lainkaan energiaa, joten silloin joudutaan turvautumaan ostoenergiaan.

Lisätietoa järjestelmistä löytyy Motivan sivuilta sekä kaupallisten toimijoiden sivuilta. Järjestelmän suunnittelussa ja rakentamisessa kannattaa aina käyttää ammattilaisia, jotka osaavat mitoittaa järjestelmän käyttökohteen mukaisesti ja tehdä asennustyön laadukkaasti.

Aurinkolämmön periaate. Aurinkokeräimestä energia kuljetaan jäätymättömään nesteen välityksellä varaajaan. Varaajasta lämminvesi johdetaan käyttövesiverkostoon ja muihin käyttökohteisiin. (Motiva)

Luvat aurinkojärjestelmien asentamiseen

Aurinkosähköjärjestelmä tarvitsee aina liittämisluvan sähköverkkoyhtiöltä. Sähköyhtiöiltä on saatavissa myös muuta, erittäin tähdellistä tietoa aurinkosähköjärjestelmistä. Myyvätpä monet sähköyhtiöt näitä järjestelmiä avaimet käteen toimituksenakin. Sähköyhtiöön kannattaa olla yhteydessä jo ennen järjestelmän hankintaa. Järjestelmien suunnittelussa ja asentamisessa on syytä aina käyttää ammattilaisia.

Paikallisesta rakennusvalvonnasta tulee kysyä, millaisia lupia aurinkopaneeleiden ja -keräinten asentamiseen vaaditaan. Kuntien rakennusjärjestyksessä on yleensä otettu kantaa aurinkojärjestelmien rakentamiseen. Mikäli paneelien tai keräinten määrä on vähäinen ja ne asennetaan pihan puolelle ja katon lappeen myötäisesti ei lupia yleensä vaadita. Joissakin kunnissa vaaditaan vähintäänkin toimenpidelupa. Esimerkiksi Oulussa vaaditaan toimenpidelupa, kun taas naapurikunnassa Kempeleessä lupia ei pääsääntöisesti tarvita lainkaan. Esimerkiksi Oulun rakennusvalvonnan nettisivuilta löytyy lupatietojen ohella myös muuta hyödyllistä tietoa aurinkoenergiasta.

Lähteitä

Tahkokopi, Marko (toim.). Aurinkoenergia Suomessa. 2016. Into. 207 s. (Aurinkoenergian hyödyntäminen eri tavoilla)

Perälä, Rae. Aurinkosähköä. Espoo 2017. 152 s. (Monipuolista tietoa aurinkosähköstä, tekniikasta ja eri järjestelmistä)

Aurinkosähköjärjestelmien suunnittelu ja toteutus. ST-käsikirja 40. Espoo 2017. Sähkötieto ry. 136 s. (Hyvää ja asintuntevaa teknistä tietoa aurikojärjestelmistä)

SFS-käsikirja 607:2019. Aurinkosähköjärjestelmät. Helsinki 2019. 216 s. (Sisältää 5 aurinkosähköjärjestelmiin liittyvää standardia. Lisätty blogiin 13.11.2019)

Käpylehto, Janne. Auringosta sähköä. Kotiin, kerrostaloon ja yritykseen. 2016. Into. 207 s. (Käytännönläheistä tietoa aurinkosähköstä)

Luostarinen, Jasmin. Aurinkosähkön tekninen potentiaali Jyväskylässä. Pro gradu -tutkielma, 2014. Jyväskylän yliopisto, Fysiikan laitos.

FinSolar:Aurinkoenergian markkinat kasvuun Suomessa. Liiketoimintaympäristö -Investointien kannattavuus – Rahoitus-ja hankintamallit – Politiikkasuositukset. Karoliina Auvinen, Raimo Lovio, Mikko Jalas, Jouni Juntunen, Lotta Liuksiala, Heli Nissilä, Julia Müller. 2016. Aalto-yliopisto, Kauppakorkeakoulu, Johtamisen laitos. (Julkaisu löytyy alla olevan FinSolar-hankkeen julkaisuja-valikon kautta)

FinSolar-hankkeen aurinkoenergiatietoa. https://finsolar.net/

Motiva. Aurinkosähkö. https://www.motiva.fi/ratkaisut/uusiutuva_energia/aurinkosahko

Motiva. Aurinkolämpö. https://www.motiva.fi/ratkaisut/uusiutuva_energia/aurinkolampo

Tyhjiökeräinten testituloksia löytyy muun muassa SolarSimulator-yrityksen sivuilta (Sosifi-kirjasto). http://www.solarsimulator.com/

Tyhjiöputkikeräimien vertailutesti vuodelta 2009. https://sosifi.com/testaustulokset/aurinkokerain-tyhjioputkikerain-aurinkolampokerain/

Oulun Rakennusvalvonta. Aurinkopaneelilupa ja muutakin tietoa aurinkoenergiasta. https://www.ouka.fi/oulu/rakennusvalvonta/aurinkopaneeli

Sun Energia. Aurinkosähkön testausohjelma (kannattaisiko siirtyä aurikoenergiaan). https://sunenergia.com/

EU:n aurinkosähkötyökalu, jolla voidaan laskea eri maantieteellisten paikkojen sähkötuotto. https://re.jrc.ec.europa.eu/pvg_tools/en/tools.html

Energiasääennuste eri paikkakunnilla Suomessa (aurinkosähkö ja tuuli). http://www.bcdcenergia.fi/energiasaa/

Muita nettilinkkejä

Aurinkosähköä kotiin -nettisivusto. https://aurinkosahkoakotiin.fi/

Smart energy transition. Suomen Akatemian ja Strategisen tutkimuksen neuvoston rahoittama hanke. http://smartenergytransition.fi/fi/etusivu/

Naps. Aurinkosähkö. https://www.napssolar.fi/

Valoe. Aurikosähkö. https://www.valoe.fi/

Savosolar. Aurinkolämpökeräimet. https://savosolar.com/fi/

Oulun energia (Oomi). https://oomi.fi/aurinkopaneelit/

Helen. https://www.helen.fi/aurinko

Turun energia. https://www.turkuenergia.fi/sahko/aurinkopaneelit-kotiin/