Huippuseminaari maalasi aurinkoenergialle valoisaa tulevaisuutta
Tekniikan Akatemia -säätiö jakaa joka toinen vuosi Millenium-teknologiapalkinnon kunnianosoituksena ihmisten elämän laatua parantavan teknologian kehittäjille. Viime vuonna palkinnon sai professori Martin Green Australiasta, ansioistaan aurinkoenergian kehittämisessä. Professori Green toimi seminaarin Keynote-puhujana.
Solar Breakthrough -seminaari avasi nimensä mukaisesti näkymiä aurinkoenergian – ja erityisesti aurinkosähkön – tulevaisuuteen, jossa on luvassa historian kaikkien aikojen nopeimmin kehittyvä energiateknologia ja käsittämättömän halpa sähkön hinta.
PERC-kenno hallitsee markkinoita
Tekniikan Akatemia -säätiön hallituksen puheenjohtaja professori Minna Palmrooth avasi tilaisuuden ja toivotti runsaslukuisen yleisön tervetulleeksi. Otaniemessä Dipolissa pidetyn tapahtuman järjestelyistä vastasivat säätiön lisäksi Aalto-yliopisto, Helsingin yliopisto sekä LUT-yliopisto.
– Aurinkokenno on yksinkertainen puolijohde, totesi professori Green avauspuheenvuorossaan. – Kenno muodostuu p- ja n-tyypin puolijohdekerroksista ja auringon fotonien energia saa elektronit siirtymään kerroksesta toiseen ja tästä seuraa sähkövirta kulutuskohteeseen – noin yksinkertaistettuna.
Piipohjainen aurinkokenno on periaatteessa yksinkertainen puolijohde.
Bell-laboratorio kehitti Greenin mukaan ensimmäiset aurinkokennot 1950-luvulla kun avaruustekniikka tarvitsi yksinkertaisen ja tehokkaan virtalähteen. Laajempi kiinnostus aurinkokennoihin heräsi 1970-luvulla. Martin Green aloitti akateemisen uransa vuonna 1974 Uuden Etelä-Walesin yliopistossa Sydneyssä, missä hänen johtamansa ryhmä alkoi kehittää piipohjaisia aurinkokennoja.
Vuosien kuluessa kennojen hyötysuhdetta onnistuttiin parantamaan 25 prosentin (%) tasoon ja ylikin. Tämän päivän valtavirta on PERC-kenno, joka tuottaa paremman hyötysuhteen ja on mahdollista valmistaa samoilla laitteilla kuin varhaisemman tekniikan kennot. Kehitys aurinkoalalla voi olla äärimmäisen nopeaa ja vain runsaan viiden vuoden aikana PERC-teknologia on valloittanut yli 90% markkinaosuuden aurinkopaneeleissa. Professori Green on palkittu lukuisilla palkinnoilla innovaatioistaan – viimeksi suomalaisella Millenium-teknologiapalkinnolla vuonna 2022.
Hintakehitys ja uudet teknologiat
Aurinkopaneeleiden hintakehitys on niiden yleistymisestä vuodesta 1975 lähtien ollut voimakkaasti laskeva, 1980-luvun alusta lähtien keskimäärin 7% vuodessa. Viimeiset 15 vuotta – PERC-kennojen kaupallisesta esiinmarssista lähtien – hintojen pudotus on ollut jopa yli 20% vuodessa.
Piin hinta on yksi keskeinen vaikutin paneelien hinnassa ja se on käynyt pari vuotta suhteellisen korkealla. Tämän vuoden aikana tapahtunut hinnan voimakas lasku on tuonut myös paneelien hinnan alle 0,20 USD/Wp tasolle, Kiinassa kesän keskimääräinen veroton myyntihinta PERC-paneeleille oli suuruusluokkaa 0,15 USD/Wp.
Aurinkopaneelien teknologian kehitys ei kuitenkaan ole vielä saavuttanut kliimaksiaan – päinvastoin – se on vasta aivan alkumetreillään. Markkinoille pyrkii monia uusia toteutuksia, kuten useasta ohuesta kerroksesta muodostettuja kennoja. Niiden ideana on hyödyntää entistä laajemmin auringon säteilyn koko spektriä – jopa pimeässä lämpösäteilyä auringon päivällä lämmittämistä kohteista.
Materiaalitekniikan tutkimusta tehdään uutterasti, koska materiaalin pitää olla runsaasti saatavilla, myrkytöntä, kestävää ja tehokasta (saavuttaen yli 20% hyötysuhteen). Monikerroksisissa rakenteissa voidaan lopulta luopua piistä ja toteuttaa luonnollisesti myös kaksipuolisia paneeliratkaisuja.
Pitkän tähtäimen kehitys pitää sisällään monia mahdollisuuksia, erilaisia kokoonpanoja ja eri materiaaleja.
Perovskiitti on yksi tiiviin tutkimuksen kohteena olevista uusista materiaaleista. Paremminkin kuin yhdestä aineesta, perovskiitissa on kysymys aineen kiderakenteesta, joka voi käsittää erilaisia vaihtoehtoisia atomeja. Perovskiittikennon tuotantokustannus on lähtökohtaisesti hyvin edullinen, mutta haasteita on toistaiseksi hyötysuhteessa ja materiaalien pitkäaikaisessa kestävyydessä.
Yhteenvetona professori Green totesi kehityksen etenevän vääjäämättä kohti käsittämättömän halpaa sähköä. Uusia teknologioita kehitetään ja aurinko tulee näyttelemään merkittävää roolia ilmaston lämpenemisen lievittämisessä.
Auringosta energiaa ja melkein mitä tahansa
Seminaarin seuraavan puheenvuoron piti Aalto-yliopiston professori Peter Lund, joka on SARYn (aikaisemmin ATY) perustajajäsen ja ensimmäinen tutkija, joka on tehnyt väitöskirjan aurinkoenergiasta Suomessa. Hän painotti kestävän kehityksen ja ilmastonmuutoksen määrittävän kulumassa olevaa vuosisataamme.
Kuluvan vuoden investoinnit energiasektorille ovat Lundin mukaan 2,8 biljoonaa USD (miljoonaa miljoonaa, tai tera $) josta 60% käytetään puhtaaseen energiaan. Sähkösektorin osuus on lähes USD 1,2 T ja aurinkosähkön investoinnit ylittävät öljyn tuotantoon käytetyt.
Suuren mittakaavan aurinkosähkö on löytämässä tiensä myös Suomeen. Viime vuoden lopussa asennettu kapasiteetti oli yhteensä noin 650 MW ja ylittänee 1 GW tänä vuonna. Suunnitteilla on 8–12 GW vuoteen 2030 mennessä. Vain yhtenä esimerkkinä Lund mainitsee Lapualle suunnitteilla olevan 100 MWp voimalan, joka on tarkoitus sijoittaa 140 ha:n alueelle, entiselle turvesuolle. Paljon suurempiakin laitoksia on suunnitteilla.
Havainnekuva Lapualle, entiselle turvesuolle suunnitellusta aurinkovoimalasta. Kuva: EPV Energia
Lundin visiossa uusiutuvien osuus maailman sähköntuotannossa voi nousta vuoden 2020 29%:sta lähes 90%:iin vuonna 2050. Auringon ja tuulen yhteenlaskettu osuus saattaa olla 70% kokonaisuudesta.
Käsittämättömän halpa sähkö tarkoittaa myös sitä, että koko kemian teollisuus kokee mullistuksen. Auringon avulla voidaan hajottaa vettä hapeksi ja vedyksi. Vety sinällään soveltuu polttoaineeksi, energiavarastoksi ja moneen muuhun tarkoitukseen, ja hapella on tietysti omat käyttöalueensa. Vetyä ja hiiltä puolestaan voidaan käyttää raaka-aineina erilaisiin kemiallisiin prosesseihin, joilla tuotetaan polttoaineita, lannoitteita, proteiineja ja monia muita kemikaaleja.
Tekniikan ja energiajärjestelmän mullistus
Aalto-yliopiston professori Hele Savin kertoi puheenvuorossaan yliopistolla saavutetuista uusimmista läpimurroista aurinkosähköteknologian tutkimuksessa.
Aurinkokennon hyötysuhde ei voi olla 100%, koska koko spektriä ei saada hyödynnettyä. Oikeilla materiaaleilla ja monikerrosratkaisulla hyötysuhdetta saadaan kuitenkin kasvatettua. Samalla on mahdollista päästä eroon kaikkein kalleimmasta materiaalista, eli piistä, jonka tuotanto aiheuttaa noin puolet kennon kustannuksista.
Savinin ryhmä on myös onnistunut tuottamaan samalla kennolla sähköä täysin pimeässä, hyödyntämällä energianlähteenä kemiallista polttoainetta, kuten vetyä, metanolia, etanolia tai jodia. Tämä teknologia on todistetussa konseptivaiheessa.
Seuraava, teknistaloudellinen puheenvuoro, oli varattu LUT-yliopiston professori Christian Breyerille. Edullinen aurinkosähkö dominoi yhä uusia markkinoita, yhtä toisensa jälkeen. Parhaillaan on vuorossa Power-to-X -kehitys. Vuoden 2022 kasvu oli 38% edellisestä vuodesta, noin 250 GW:n uusien asennusten määrään ja kuluvana vuonna saavutetaan arviolta 320 GW uusien asennusten määrä.
Tämän hetken tärkeimmän raaka-aineen – ”aurinkopiin” – tuotantokapasiteetti saavuttaa BloombergNEF:in mukaan 2,5 miljoonaa tonnia vuonna 2025 ja tämä määrä riittää 940 GW paneelien valmistamiseen – joka vuosi. Mikään muu energianlähde ei ole koskaan tullut käyttöön yhtä nopeasti kuin aurinkosähkö. Tuulisähkö seuraa samaa kehitystä, vain hiukan aurinkoa hitaammin.
Professori Breyerin työryhmä on mallintanut myös Suomen energiajärjestelmän vuoteen 2050. Sähköistysaste on hyvin korkea, sähköä tavitsee varastoida vain vähän ja lähes ainoa tuontipolttoaine on uraani.
Edullinen aurinkosähkö johtaa Breyerin mukaan kustannusneutraaliin energiasiirtymään kohti vuotta 2050. Tämä tarkoittaa noin 63 TW:n aurinkosähkökapasiteettia energiajärjestelmää varten ja 75 TW:n kapasiteettia kemianteollisuuteen ja vastaavaan. 2040-luvun asennusmäärät tulevat olemaan luokkaa 3 TW vuodessa ja 4 TW/a 2050-luvulla. Tämä näkemys on nyt yleisesti hyväksytty aurinkosähköasiantuntijoiden piirissä.
Seminaarin viimeisen esityksen piti Helsingin yliopiston tohtori Marianna Kemell, joka kertoi perovskiittikennojen kehityksen tilanteesta. Hänen ryhmänsä on ratkaissut perovskiittikennojen ongelmia ALD atomikerroskasvatuksen avulla ja käyttämällä epäorgaanisia perovskiittimateriaaleja. Tutkimuksissa on saavutettu erinomaiset optoelektroniset ominaisuudet ja korkea hyötysuhde.
Perovskiittikennojen kaupalliset sovellukset antavat vielä odottaa itseään ja ilmeistä on, että perovskiitti ei tule kilpailemaan piipohjaisten aurinkokennojen kanssa suuren mittakaavan sovelluksissa. Sen sijaan ne saattavat tulla käyttöön uusissa ja erikoissovelluksissa, joissa tarvitaan esimerkiksi kevyitä ja joustavia kennoja.
Maailma ei ole valmis vuonna 2050
Monet skenaariot pysähtyvät vuoteen 2050, johon mennessä tavoitellaan kasvihuonekaasujen netto-nollapäästöjä. Tällä on Pariisin sopimuksen ja arvioiden mukaan mahdollista päästä 1,5 asteen (°C) tai joka tapauksessa reilusti alle 2,0°C ilmaston lämpenemiseen.
Professori Breyerin ryhmä katsoo tämän olevan kuitenkin vasta alkua. Seuraava askel on 1,0°C lämpeneminen, jonka siis olemme jo nyt ohittaneet. Tämä tarkoittaa hiilidioksidin vähentämistä ilmakehässä. Tämä saattaa vaatia 200 TW aurinkosähkökapasiteettia – tai enemmänkin – vuoteen 2100 mennessä.
Kokonaisuus tulee vaatimaan energiavarastoja, elektrolyysereitä, monia uusia innovaatioita ja sitoutunutta kehitystyötä. Seminaarin tärkein anti oli ehkä siinä, että sitoutunutta kehitystyötä todella tehdään ja monia teknologisia innovaatioita näyttää odottavan aivan kulman takana. Auringolla on kirkas tulevaisuus!
teksti Jouko Lampila
