Aurinkolämpö, päästötön ja edullinen kaukolämmön lähde

Suomalainen Savosolar Oyj on toimittanut maailmalle lukuisia järjestelmiä, joilla tuotetaan lämpöä kaupunkien kaukolämpöverkkoihin. Aurinkolämpö on päästötöntä, helposti varastoitavaa ja sen tuotantoon ei tarvita polttoainetta. Aurinko on loppumaton energianlähde, jonka soveltaminen kaukolämmön tuottamiseen on edullista ja tehokasta.

Ilmastonmuutos on tämän hetken suurin ihmiskunnan tulevaisuutta uhkaava tekijä. Kaikessa polttamisessa syntyy hiilidioksidia, joka on kasvihuonekaasu, ja hidastaa lämmön haihtumista avaruuteen. Seurauksena on maapallon lämpötilan nopea nouseminen, jolla on merkittäviä haitallisia vaikutuksia.

Aurinko lämmittää tehokkaasti

Aurinko on tärkein – melkeinpä ainoa – energianlähteemme. Myös tuulivoima ja bioenergia ovat välillisesti peräisin auringosta. Aurinkoenergian hyödyntäminen antaa mahdollisuuden vähentää polttamista ja pysäyttää ilmastonmuutos.

Pariisin ilmastosopimuksen mukaisesti maailma tavoittelee hiilineutraaliutta vuoteen 2050 mennessä ja ilmakehän lämpenemistä enintään 1,5 asteella verrattuna esiteolliseen aikaan. Hiilineutraalius tarkoittaa, että hiilidioksidipäästöjä tuotetaan korkeintaan sen verran kuin niitä voidaan sitoa ilmakehästä hiilinieluihin.

Kun puhutaan aurinkoenergiasta, ajatellaan useimmiten aurinkosähköä (PV). Aurinkosähkö ja aurinkolämpö ovat kuitenkin täysin eri asiat. PV-paneelissa auringon säteilyn fotonien energia irrottaa aurinkokennon puolijohdemateriaalin elektroneja, joista muodostuu sähkövirta. Aurinkolämpökeräimessä säteilyenergia absorboituu keräimen pinnoitteeseen ja muuttuu suoraan lämmöksi.

PV-paneelissa auringon säteilyenergiasta suuruusluokkaa 15% muuttuu sähköenergiaksi, aurinkokeräimen hyötysuhde on 4–6 kertaa parempi – jopa 90% säteilyenergiasta voidaan saada lämpöenergiana talteen. Tämä tarkoittaa käytännössä esimerkiksi sitä, että samalta maapinta-alalta aurinkolämpökeräimellä saadaan tuo yllä mainittu 4-6 kertaa enemmän energiaa kuin pv-paneeleista.

Maailma tarvitsee paljon energiaa

Hallitustenvälinen ilmastopaneeli IPCC arvioi, että enintään 1,5 asteen lämpenemisen aiheuttamat vaikutukset ovat luultavasti vielä hallittavissa. Pysyminen enintään 1,5 asteen lämpenemisessä on kuitenkin erittäin kova haaste ja edellyttää todella voimakkaita ja nopeita toimenpiteitä.

Maailman energiankulutus vuonna 2019 oli 13.813 öljymegatonniekvivalenttia (Mtoe) eli 160.645 terawattituntia (TWh). Vuotuinen kasvu on prosentin tai parin luokkaa. Öljy on suurin 33% osuudella, sitten kivihiili 27%.

Maailmanlaajuisesti noin 50% koko energiankulutuksesta liittyy asumisessa ja teollisuudessa käytettyyn lämpöön. Aurinkolämpöjärjestelmä tuottaa tyypillisesti 300 – 600 kilowattituntia keräinneliömetriä kohti vuodessa (kWh/m2*a).

Kymmenien megawattien suuruisten laitosten toteutunut rakennuskustannus on ollut suuruusluokkaa 210 – 350 €/m2 eli 0,50 – 0,85 € vuotuista yhden kilowattitunnin kapasiteettia kohti. Lämmön hinnaksi on muodostunut noin 40 €/MWh eli 4 eurosenttiä kilowattitunnille (IEA SHC Task 52, Solar Thermal in Energy Supply Systems in Urban Environments). Gigawattiluokan laitoksissa neliömetrikustannus varmasti vielä alenee tästäkin merkittävästi.

Aurinkolämpö on globaali kasvumarkkina

Vuonna 2019 otettiin käyttöön kaukolämmön tuotannossa 22 suuren mittakaavan (>500m2) aurinkolämpölaitosta, näistä 22 Tanskassa (66.800m2), 6 Saksassa (14.700m2) ja yksi Latviassa (21.700m2). Euroopan ulkopuolella suurin kasvumarkkina on Kiina, jonne asennettiin 3 laitosta (yhteensä 57.386m2).

Suurten aurinkolämpöjärjestelmien kasvu on ollut nopeaa, vuosina 2010 – 2019 maailmanlaajuinen kapasiteetti kasvoi keskimäärin yli 20% vuosittain. (Solar Heat Worldwide: Edition 2020.) Toiseen merkittävään uusiutuvan energian lähteeseen, tuulivoimaan verrattuna kasvu on selkeästi nopeampaa, kapasiteetin vuosikasvun ollessa lähes kaksikertainen tuulivoiman vuosittaiseen kasvuun (noin 12,5%) verrattuna.

Kansainvälinen kasvupotentiaali on merkittävä, esimerkiksi Saksan lämmön kokonaistarpeesta 3 – 11% eli 15 – 60TWh arvioidaan voitavan tuottaa aurinkolämmöllä. Vähimmilläänkin tämä vastaisi noin 10 miljardin euron investointipotentiaalia.

Tämä valtava mahdollisuus investoinneille yhdessä lämpövarastojen, lämpöpumppujen sekä älykkäiden energiajärjestelmien kehityksen ja leviämisen kanssa tekee aurinkolämmöstä erittäin houkuttelevan tulevaisuuden teknologian sekä yrityksille että yhteisöille.

Helsinki haluaa olla tiennäyttäjä

Helsingin kaupunki haluaa olla hiilineutraali vuoteen 2035 mennessä. Yli puolet Helsingin lämmitysenergiasta tuotetaan tällä hetkellä kivihiilellä, jonka käyttö energiantuotannossa Suomessa on kiellettyä toukokuusta 2029 lähtien.

Löytääkseen parhaan ratkaisun kivihiilen korvaajaksi, on Helsinki järjestänyt Helsinki Energy Challenge -kilpailun, jonka voittajalle on luvassa miljoonan euron palkinto. Tavoitteena on löytää lämmityksen hiilidioksidipäästöjen lopettamiseksi ratkaisu, jossa poltetaan mahdollisimman vähän biomassaa. Ilmoittautuminen kilpailuun päättyi syyskuun lopussa ja osallistujia tuli 252 tiimiä, 35 eri maasta.

Aurinkolämpö on varteenotettava vaihtoehto yhdessä geolämmön, lämpöpumppujen ja muiden päästöttömien lämmönlähteiden sekä lämmön kausivarastojen rinnalla muodostamaan nykyaikaisen hajautetun kaukolämpö- ja kaukokylmäjärjestelmän.

Helsinki Energy Challenge -kilpailun voittajaehdotus julkaistaan helmikuussa 2021 ja useat suurkaupungit kuten Toronto, Vancouver, Amsterdam ja Leeds ovat ilmoittautuneet haastekilpailun tukijoiksi ja odottavat oppeja sekä ratkaisuja hyödynnettäväksi omassa ilmastotyössään.

Kattaakseen 20% Helsingin kaukolämmön vuotuisesta 7 TWh:n tarpeesta auringolla, keräimiä tarvittaisiin noin 3 km2 ja asennustilaa siten, että keräimet eivät varjosta toisiaan, yhteensä noin 8 km2. Toteutuksen kustannus olisi ehkä alle 500 miljoonaa euroa.

Helsingin koko pinta-ala on reilut 200 km2 ja rakennusten kattopintaa yli 35 km2. Useimmissa tapauksissa tila ei ole ongelma, koska riittävästi keräinkentille ja lämpövarastoille soveliasta tilaa löytyy riittävän läheltä kulutuskeskittymää. Esimerkiksi Tanskassa on kymmeniä alueellisia kaukolämpölaitoksia, jotka hyödyntävät merkittävässä määrin aurinkolämpöä. Tunnetusti Tanska on suhteellisen pieni maa, mutta sielläkin tila keräimille on löytynyt.

Lämpöä on edullista varastoida

Aurinkoenergialle on Euroopassa ominaista, että sitä kertyy kesäkautena enemmän kuin talvella. Lämmityksen tarve puolestaan on talvella jopa 10 kertaa suurempi kuin kesällä, joten energia pitää varastoida kesästä talveen. On tunnettua, että akkuvarastot ovat edelleen kovin kalliita, suuruusluokkaa 100 – 200 €/kWh.

Akuissa kuitenkin varastoidaan sähköä! Lämmön varastoiminen on oleellisesti edullisempaa. Yhteen kuutiometriin (m3) vettä voidaan helposti varastoida 50 kWh lämpöenergiaa. Tähän tarvitaan vain noin 43 celsius-asteen (°C) lämpötilanmuutos.

Maailmalla on rakennettu paljon erilaisia lämpövarastoja, alkaen terässäiliöistä, maanalaisiin luoliin ja kallioon porattuihin reikiin. Esimerkiksi Tanskassa on rakennettu useita kausivaraajia, joissa maahan kaivetaan suuri kuoppa, se vuorataan eristävällä materiaalilla kuten kevytsoralla ja vedenpitävällä kalvolla. Päälle kelluva eristekansi ja varaaja on valmis.

Suurimmat altaat ovat yli 150 000 m3:n suuruisia ja rakennuskustannus noin 30 €/m3. Siis 0,60 €/kWh. Yhteen varaajaan on mahdollista varastoida jopa 10 gigawattituntia (GWh) lämpöenergiaa.

Eurooppa hallitsee aurinkokaukolämpöä

Tanskassa ja Ruotsissa sekä Saksassa, Itävallassa, Espanjassa ja Kreikassa suuria aluelämmitykseen kytkettyjä aurinkolämpölaitoksia on ollut käytössä 1980-luvulta lähtien. Suurten laitosten markkina oli keskittynyt Eurooppaan aina vuoteen 2016 asti, minkä jälkeen uusia järjestelmiä on alettu rakentaa ennen muuta Kiinassa.

Vuoden 2019 lopussa oli käytössä noin 400 suurta järjestelmää, kooltaan yli 350 kW tai 500 m2. Asennettu keräinpinta-ala oli 2,3 miljoonaa m2 ja kapasiteetti 1.615 MW. Valtaosa järjestelmistä on kytketty kaukolämpöön. Tanska on tämän alueen markkinajohtaja suurella etumatkalla seuraaviin, sekä Euroopassa, että koko maailmassa. Maailman kakkonen on Kiina ja Euroopassa Saksa.

Tanskan osuus yllä olevasta on 123 laitosta, yli 1,5 miljoonaa m2 keräinpinta-alaa ja runsaat 1.000 MW lämpötehoa. Tämän hetken suurin laitos on teholtaan 110 MW, joka tuotetaan noin 155.000 m2 keräimillä. Tässä ja useissa muissa suurissa laitoksissa käytetään varaajana suurta maahan kaivettua allasta ja laitokset tuottavat noin puolet alueen vuotuisesta lämmöntarpeesta.

Savosolar on toimittanut Tanskan laitoksiin noin 70.000 m2 keräimiä. Lisäksi yhtiö on toimittanut suuria järjestelmiään Ranskaan, Saksaan ja Suomeen. Järjestelmät tuottavat sekä kaukolämpöä että lämpöä teollisiin prosesseihin.

Ilmastonmuutos vaatii monta ratkaisua

Uusiutuvaa energiaa – kuten kaikkea muutakin energiaa – koskee yksi asia: yksi ratkaisu ei sovellu kattamaan kaikkia tarpeita. Uusiutumattomina energianlähteitä on käytetty öljyä, kivihiiltä ja kaasua, sekä turvetta ja ydinvoimaa.

Uusiutuvina energianlähteinä käytetään tällä hetkellä esimerkiksi aurinkoa, tuulta, geolämpöä, biokaasua sekä biomassaa.

Yksi asia on kuitenkin varma: lopullinen ratkaisu – ehkä monien välivaiheiden kautta – tulee olemaan aurinko. Siitä yksinkertaisesta syystä, että sen potentiaali on satoja tai tuhansia kertoja suurempi kuin minkään muun vaihtoehdon.

Auringon energia verrattuna muihin energianlähteisiin. Kaavion laatinut Richard Perez käyttää tässä kätevää energiamäärän yksikköä, terawattivuotta, joka siis vastaa 8766 terawattituntia. Uusiutuvien osalta luvut kuvaavat vuotuista saantoa, fossiilisten osalta koko varantoa. Auringon osalta luku on avoimille mantereille osuva säteilyenergia, oletuksena 65% häviöt ilmakehässä ja pilvissä. Lähde: R. Perez et al.
Aurinkoa käyttävässä kaukolämpöjärjestelmässä suuri kenttä aurinkolämpökeräimiä syöttää lämpöä paikalliseen kaukolämpöverkkoon. Järjestelmää tukee lämpökeskus, joka tuottaa lisälämpöä kaikkien lämmitystarpeiden kattamiseen joka tilanteessa.
Suuri lämmön kausivarasto voidaan rakentaa suureen eristettyyn kuoppaan. Toteutuksia on tehty maailmalla lukuisia. Tanskan suurin kausivarasto on tilavuudeltaan 210 000 m3 ja sen rakennuskustannus oli vain 24 €/m3.
Euroopassa lämpöä tarvitaan talvella suunnilleen kymmenen kertaa enemmän kuin kesällä. Toukokuusta elokuuhun aurinko kattaa koko lämmitystarpeen ja kaukolämpökattila voidaan sulkea, mikä pidentää merkittävästi sen käyttöikää. Kesän ylimääräinen lämpö voidaan varastoida kausivarastoon talven käyttöä varten.