Jutut | Artikkelit

Julkaistu:

Uudet kennot kirivät

Kasvit tietävät, miten tehokkaimmin napata auringonvaloa. Ne ovat mallina uusimmille, kolmannen polven aurinkokennoille, joiden valtti edeltäjiin verrattuna on halpa raaka-aine. Hyötysuhteen parantamisessa on urakkaa, mutta se kannattaa: tulevaisuuden energiavaihtoehdoista aurinko on ainoa riittävä.

kolmannen polven aurinkokennoille, joiden valtti edeltäjiin verrattuna on halpa raaka-aine. Hyötysuhteen parantamisessa on urakkaa, mutta se kannattaa: tulevaisuuden energiavaihtoehdoista aurinko on ainoa riittävä.


Kääntelen käteeni annettua pientä muovilevyä varovasti kuin kruununjalokiveä. Sen läpikuultavan punaisesta keskustasta sojottaa kaksi ohutta sähköjohtoa kuin viikset. Muistoissa herää mielleyhtymiä lapsuuden rakennussarjoihin, mutta tällä läpyskällä on vakavampi tehtävä: vuosisadan puoliväliin mennessä se kaltaisineen saattaa tuottaa viidesosan ihmiskunnan tarvitsemasta sähköstä.

- Suomen tutkimuspanokset aurinkoenergiassa ovat pienet, mutta meilläkin on omia kapeita alojamme, joihin erikoistumalla olemme menestyneet, kertoo teknillisen fysiikan professori Peter Lund Teknillisestä korkeakoulusta.
Yhtä menestysalaa edustaa tämä viiksekäs pikku muovineliö, jota kilpailusyistä ei saa valokuvata. Se on nanokenno, aurinkokennojen uusinta ja enimmäkseen vielä tutkimusasteella olevaa sukupolvea. Teknillisellä korkeakoululla on maailmanennätys muovisten väriainenanokennojen hyötysuhteen parantamisessa.

Nanokennoja tutkitaan myös Jyväskylän yliopistossa. Tampereen teknillisessä yliopistossa puolestaan on syvennytty orgaanisiin materiaaleihin, jotka ovat toinen uusi keino valjastaa aurinko sähköntuotantoon.

- Ne toimivat lähes samalla periaatteella kuin led-valot, mutta vastakkaiseen suuntaan, kertoo Helge Lemmetyinen, kemian professori ja Tampereen teknillisen yliopiston ympäristötekniikan osaston johtaja. Ledit tuottavat valoa, kun niihin syötetään sähköä. Lemmetyisen tutkimissa valokennoissa vastaavat reaktiot pistetään töihin toisin päin, jolloin auringon valo saa aikaan elektronien liikettä eli sähköä.

Printaten hinta putoaa

Nanokennojen ja orgaanisten puolijohteiden houkuttelevin puoli on, että jahka tekniikka saadaan kehitettyä teollisen tuotannon asteelle, sillä voidaan tuottaa aurinkokennoja halvalla ja paljon.

- Nanoteknologian avulla kehitetään keinoja printata aurinkokennoja mustesuihkutulostimella, Lund kertoo. - Printteriin laitetaan erikoispaperi ja pari kasettia materiaaleja ja valitaan oikea tulostusohjelma, ja siitä tulee ulos aurinkokennoja.

Joka kodin aurinkokennoprintterin lisäksi tavoitteena ovat isot painolaitokset, jotka suoltaisivat aurinkokennoja massatuotantona. Auringonvalosta sähköä tuottavaa "kangasta" voisi sitten ostaa halvalla metritavarana.

Esimakua on jo saatu. EU:n rahoittamassa H-Alpha-Solar-tutkimusohjelmassa toimivat ruotsalaiset ja hollantilaiset tutkijat saivat viime vuonna aikaan orgaanisen puolijohdekalvon, jota voi ommella vaikka takin selkämykseen ja joka lataa aurinkosähköllä kantajansa kännykän tai mp3-soittimen. Keski-Euroopassa sen ennakoidaan tulevan kauppoihin vuoden 2008 tienoilla, ja takinselkään riittävän palasen hinnaksi ennakoidaan pariakymmentä euroa.

- Jos nanokennojen ja orgaanisten puolijohteiden tutkimukseen satsataan nyt riittävästi, niillä tuotetaan vuonna 2050 ehkä noin 10-20 prosenttia maailman sähköstä, Lund arvioi. - Mutta se 30 vuotta panostusta todella tarvitaan, jotta tekniikka kaupallistuisi. Jos ei nyt tehdä mitään, niin se ei tule.

Nyt eletään piikautta

Aurinkosähkötekniikat jakautuvat kolmeen eri sukupolveen. Nyt käytettävistä aurinkokennoista noin 95 prosenttia on vielä ensimmäistä sukupolvea, jonka keskeinen raaka-aine on pii. Hyötysuhde on parhaimmillaan parikymmentä prosenttia, eli tämä osa kennoon osuvasta auringon energiasta saadaan muutettua sähköksi.

- Hyötysuhde vaikuttaa suoraan hintaan, Lund selittää. - Mitä parempi hyötysuhde, sitä vähemmän tarvitaan kennopintaa ja raaka-aineita.

Hyötysuhteen parantuessa ja tuotannon kasvaessa kennojen hinnat ovat laskeneet vuosi vuodelta. Japanissa, joka on yksi aurinkoenergian suurvalloista, aurinkokennoilla tuotettu sähkö on hinnaltaan jo kilpailukykyistä ilman yhteiskunnan tukia. Myös Portugalissa ja Italiassa aurinkosähkö alkaa jo pärjätä sähkömarkkinoilla omillaan.

Suurimmassa osassa maailmaa juuri hinta on yhä piipohjaisten kennojen pullonkaula. Pii itsessään on yleinen alkuaine, mutta sen erottaminen piidioksidista eli kvartsista on kallis prosessi. Tähän asti aurinkosähköteollisuus on saanut puolijohdeteollisuudesta eräänlaista jätepiitä, joka ei laadultaan yllä piirilevyjen vaatimuksiin mutta sopii mainiosti aurinkokennoihin. Nyt tuotanto on kuitenkin kasvanut niin suureksi, että ylijäämäpii ei enää riitä, vaan kennoihin joudutaan ostamaan myös moninkertaisesti kalliimpaa raaka-ainetta suoraan piivalmistajilta. Nämä tosin ovat vastanneet tilanteeseen hyökkäämällä hintakilpailuun keskenään, joten priimapiin hinta saattaa lähivuosina pudota. Tällöin aurinkokennoista voi yllättäen tulla kilpailukykyinen sähköntuottaja monessakin maailmankolkassa.

Kolmas polvi tulee kovaa

Ratkaisuksi kalliin piin ongelmaan on kehitetty aurinkokennojen toinen sukupolvi, niin kutsutut ohutkalvokennot. Niiden raaka-aineena käytetään amorfista piitä, joka on halvempaa, tai kupari-indium-galliumselenidikalvoa, jolloin puhutaan CIGS-kennoista. Tämänhetkinen hyötysuhde on kymmenisen prosenttia, eli perinteisten piikennojen tasoon on vielä matkaa. Osuus maailmanmarkkinoista on niin ikään toistaiseksi pieni, vain nelisen prosenttia.

Kolmas polvi - nanokennot ja orgaaniset puolijohteet - suoltaa sähköään vielä enimmäkseen laboratorioissa. Hyötysuhteita on pakko parantaa, koska Teknillisen korkeakoulun maailmanennätyskennossakin ne jäävät vielä alle viiden prosentin. Silti joitain kaupallisia käyttökohteita jo on: kennolaskimen omistajat kantavat taskussaan kolmannen polven aurinkoenergiatekniikkaa, ja sotateollisuus on niin ikään jo ehtinyt ottaa sen käyttöönsä.

- Tämä on kiinnostavaa aikaa aurinkosähkölle, Lund sanoo. - Tuotantovolyymit ovat suuria, ja markkinat kasvavat niin, että kaupallinen läpimurto lähestyy. Kukaan ei vielä tiedä, tekevätkö sen ensimmäisen polven piikennot vai hypätäänkö suoraan uusiin tekniikoihin.

Vedonlyöjille vinkkiä voi hakea siitä, että kolmannella polvella on hallussaan valtti, johon kaksi ensimmäistä eivät ehkä koskaan yllä: sekä nanokennon pääraaka-ainetta titaanidioksidia että orgaanisiin puolijohteisiin käytettäviä  polymeereja on helppo valmistaa suurina määrinä halvalla.

Nanokenno syntyy helposti

Titaanidioksidi on monikäyttöinen aine, jota katselemme usein arkipäivämme aikana. Se antaa valkoista väriä muun muassa hammastahnalle, maalille ja paperille. Nanokennoissa se on pikkuriikkisinä hiukkasina, joiden läpimitta on kymmenen nanometriä eli millimetrin miljoonasosaa. Nanokennon pohjaksi laitetaan sähköä johtava muovi- tai metallilevy, jolle levitetään hyvin ohut kerros titaanidioksidia: noin kymmenen mikrometriä eli millimetrin sadasosa.

- Sitten se leivotaan uunissa noin kolmensadan asteen lämpötilassa, minkä jälkeen huokoisen titaanidioksidikerroksen sisään uutetaan väriaine, Lund kuvailee. - Kun auringonvalon fotoni osuu väriaineeseen, se aiheuttaa siinä elektronin virittymisen, ja elektroni lähtee liikkeelle.

Elektronien virta eli sähkö soljuu sitten titaanidioksidikerroksen kautta kennosta ulos sähköjohtoon, sähköä käyttävään laitteeseen ja sieltä taas takaisin. Elektronien paluun ylläpitämiseksi reseptiin on lisätty vielä jodia.

Kennon muovi- tai metallipohja toimii miinusnapana ja päällimmäiseksi laitettu elektrodi plusnapana. Sitten vain läpinäkyvä suoja päälle.

- Näissä uusissa, kolmannen sukupolven kennoissa otamme mallia  luonnosta, siitä miten kasvit ja niiden fotosynteesi toimivat, Lund sanoo. - On jännittävää havaita, että kun luonnon prosesseja ymmärretään syvällisemmin, teknisistä ratkaisuista saadaan yksinkertaisempia. Nanokennojakin pystyvät meillä tekemään opiskelijat harjoitustöinään. Pari tuntia, ja kenno on valmis.

Valo vipisyttää kalvoja

Tampereella on niin ikään nautittu yksinkertaisuuden kauneudesta. Muovin kaltaisia orgaanisia puolijohteita on tuotettu 1970-luvulta alkaen, ja niiden valmistus on halpaa. - Pääosin käytämme kaupallisia, helposti saatavia puolijohteita, Lemmetyinen kertoo. - Valmistamme ohuita kalvoja, joiden rajapintojen lävitse syntyy elektronien liikettä, kun rakenteita säteilytetään valolla.

Jotta elektroniliikenne sujuisi mahdollisimman tehokkaasti, tamperelaiset rakentavat kennoihinsa elektroneja luovuttavien ja  vastaanottavien molekyylien kerroksittaisia yksiköitä. Elektroninsa liikkeelle lähettävänä aineena käytetään erilaisia porfyriineja, jotka ovat klorofyllin eli lehtivihreän johdannaisia. Vastaanottajana on fullereeni eli hiilen suurimolekyylisin muoto.

- Teemme vielä perustutkimusta emmekä ole alkaneet maksimoida kokonaistehoa, Lemmetyinen kertoo. Prototyyppi kuitenkin on tamperelaisillakin valmiina, ja hyötysuhteen parantamisessa on askellettu eteenpäin.

Teoreetikkojen laskelmissa häämöttää jo aurinkosähkön neljäs polvi. Uusia mahdollisuuksia avaa erityisesti kvanttifysiikan kehitys.

Valo koostuu fotoneista, ja yhdellä fotonilla on yleensä enemmän energiaa kuin tarvitaan yhden elektronin sysäämiseen liikkeelle. Kvanttifysiikka saattaa tulevaisuudessa tarjota keinot siihen, että jokainen aurinkokennoon osuva fotoni suistaakin raiteiltaan kaksi elektronia yhden sijaan, jolloin kennosta soljuva elektronien virta eli siitä saatava sähkö siis kaksinkertaistuisi kertaheitolla.

- Tämä on kuitenkin vielä teoreettisella tasolla, Lund huomauttaa. - Fysiikka ymmärretään jo, mutta sen muuttaminen laitteeksi ei ole vielä onnistunut.

Pitää nähdä pitemmälle

Onko tulevaisuus siis aurinkoinen? Tuleeko kolmannen polven massatuotantokennoista ja muista aurinkoenergian mahdollisuuksista totta?

Suomalaisia päättäjiä aurinkoenergia ei ole sytyttänyt; ilmastonmuutokseen havahtuminenkaan ei vielä mainittavasti näy aurinkoenergian tutkimusrahoituksessa. Kuitenkin meidän pitäisi olla haitekkimyönteistä kansaa, jonka päätä ei palellut silloinkaan, kun kännyköille aukeavaa globaalia markkinarakoa alettiin täyttää. Mistä siis johtuu suomalaispoliitikkojen laimea suhde aurinkoenergiatekniikkaan?

- Ensimmäinen jarru on, ettei ymmärretä mistä on kysymys, Peter Lund huokaa. - Tässä on kyse teknologioista, jotka saattavat pitkällä aikavälillä olla yksi niistä lopullisista energiaratkaisuista. Poliitikoilta puuttuu visio siitä.

Toinen hidaste on Lundin mukaan kulttuurissamme vallitseva tapa ajatella  riskittömästi: kaupallisen mitan sovelluksia pitäisi syntyä nopeasti. - Mutta ilman riskejä ei tule voittoja eikä läpimurtoja. Meidän innovaatiojärjestelmämme on tehty isoille toimijoille - aurinkoenergiateknologian kehittämisessä taas tarvittaisiin pieniä juttuja, riskijuttuja, ja pitkäjänteisyyttä. Perustutkimustakin kaivattaisiin vielä kipeästi lisää.

Lemmetyinenkin perää pitkää sihtiä. - Kansallisella ja osin kansainväliselläkin tasolla maailma kulkee nykyään kvartaalitaloudessa. Politiikassa ei ole tapana sanoa, että kun näin tehdään, niin 30-40 vuoden päästä on hyvä, hän huomauttaa.

- Aurinkoenergian tekniset ongelmat ovat ratkaistavissa, mutta se edellyttää laajoja kansallisia ja kansainvälisiä ohjelmia ja yhteistyötä. Samoin kuin nyt on olemassa Kioton sopimus, pitäisi maailmanlaajuisesti sopia aurinkoenergiasta: siitä, että ihmiskunta panostaa tehokkaasti sen tutkimiseen.

Helena Telkänranta on vapaa tiedetoimittaja ja tietokirjailija. Tämän artikkelin tiedonkeruutyöhön hän on saanut apurahan Suomen tiedetoimittajain liitto ry:ltä.


Isoin reaktori on välttämätön

Miksi energiantuotannossa kannattaa olla kiinnostunut nimenomaan aurinkoenergiasta? Siksi, että se on tulevaisuudessa ainoa riittävä energian lähde.

- Jos Kiina, Intia sekä Etelä- ja Väli-Amerikan maat jatkavat kehittymistään nykyistä vauhtia, ihmiskunnan energiankulutus kasvaa seuraavien kolmenkymmenen vuoden aikana nykyisestä 14 terawatista noin 45 terawattiin, kemian professori Helge Lemmetyinen laskee.

- Jos energian säästössä ja biopolttoaineiden käytössä edistytään, tarve voi jäädä 40 terawattiin. Siinäkin on 25 TW:n lisäys nykyiseen. Mistä se otetaan?

Ilmastonmuutoksen takia fossiilisten polttoaineiden käyttöä ei voi lisätä nykyisestä. Jos taas merkittävä osa ihmiskunnan sähkönkulutuksesta yritetään kattaa ydinvoimalla, päädytään lukuihin, jotka ovat suorastaan absurdeja:

- Vaikka uraanin oletettaisiin riittävän, 25 terawatin lisäys edellyttää, että maapallolle rakennetaan uusia 1 000 megawatin voimaloita 25 000. Se vastaa 833:a ydinvoimalaa vuodessa tai 2,3:a ydinvoimalaa joka päivä seuraavien 30 vuoden ajan!

Yhden megawatin tuulivoimaloita puolestaan tarvittaisiin 25 miljoonaa, siis 2 300 uutta tuulivoimalaa joka päivä huomisesta alkaen.

Entä fuusio? Jos fuusiotekniikka joskus saadaan kaupalliselle asteelle, se on turvallisempaa kuin nykyinen fissiovoima, mutta sen tehokkaampia voimalat eivät ole. - Ei niitäkään ole mahdollista rakentaa niin suuria määriä, että ne ratkaisisivat koko maailman energiahuollon. Maapallolla ei yksinkertaisesti ole sellaista varantoa, jolla voisi tuottaa tuon määrän energiaa, Lemmetyinen tiivistää.

Ainoa tarpeeksi iso reaktori on se, joka loimuaa avaruudessa. Auringosta maapallolle lankeavan säteilyn teho on 172 500 terawattia. Se on lähes 7 000-kertainen verrattuna niihin 25 terawattiin, jotka ihmiskunnan pitää keksiä jostain.

Saloilla ja saarissa

- Noin 60 000 suomalaista kesämökkiä saa sähkönsä aurinkopaneeleista. Saaristossa ja sisämaan syrjäseuduilla tämä on halvin ratkaisu, jos sähköä ei tarvita talvella.

- Parituhatta suomalaista majakkaa ja väyläloistoa toimii aurinkoenergialla.

- Lapin erämaapuhelinten voimanlähteenä aurinko on niin ikään yleistynyt.

Auringosta sähköä ja lämpöä

Auringosta säteilevän energian voi valjastaa käyttöön monella eri tavalla. Nykyään kolme yleisintä keinoa ovat seuraavat:

- Aurinkokeräimet vangitsevat auringon säteilyä ja kuumentavat sillä putkissa virtaavan veden. Se pannaan kiertämään lämpöpattereissa tai käytetään talousvetenä. Erilaisista aurinkoenergiatekniikoista tämä on maailmassa laajimmalle levinnyt.

- Aurinkokennot muuttavat auringon säteilyä sähköksi. Aurinkokennot ovat sähköä tuottavien aurinkopaneelien sydän. Yhdessä paneelissa on monta kennoa, jotta saadaan aikaan riittävä sähkövirta.

Kysyntä ja valmistus kasvavat teollisuusmaiden lisäksi etenkin nopeimmin kehittyvissä kehitysmaissa, kuten Intiassa. Vuoden 2005 aikana maailmassa valmistettiin aurinkopaneeleja 1 400 megawatin edestä, mikä on suunnilleen sama kuin Olkiluotoon rakennettavan uuden ydinvoimalan teho.

Aurinkokennoilla tuotetulla sähköllä voidaan hajottaa vettä vedyksi ja hapeksi ja kuljettaa vety putkia pitkin. Tekniikka, jolla ratkaistaisiiin energian siirto, on vielä kehittelyasteella.

- Aurinkovoimalat ovat tavallisia sähköä tuottavia höyryturbiinivoimaloita. Erona on, miten turbiinia pyörittävä vesihöyry saadaan aikaan: aurinkovoimalassa vesi höyrystetään keskittämällä auringon säteily vesisäiliöön isojen peilien avulla.

Aurinkovoimaloita on muun muassa Australiassa ja Yhdysvaltain eteläosassa. Maailmassa on tähän mennessä rakennettu niitä noin 600 megawatin edestä.

Tätä Suomi vie

Aurinkoenergian tutkimuspanokset ovat Suomessa pieniä, mutta on meillä silti jokunen kansainvälisesti merkittävä yritys. Alan kotimarkkinat ovat 5-7 miljoonaa euroa vuodessa, vienti vuosittain 35-40 miljoonaa euroa.

- NAPS (Neste Advanced Power Systems) on ollut alalla vuosikymmeniä. Se myy sähköverkon ulkopuolella olevien talojen energiaratkaisuksi sopivia aurinkosähköjärjestelmiä. NAPSin myyntiluvut kasvavat hitaammin kuin sen tärkeimpien ulkomaisten kilpailijoiden, jotka panostavat tuotteidensa kehittämiseen suomalaisia enemmän.

- Luvata (entinen Pori Copper, sitä ennen Outokumpu) tekee kuparia aurinkokeräimiin ja joihinkin aurinkosähköpaneelien osiin. Euroopassa valmistettavista aurinkokeräimistä noin puolella on uumenissaan suomalaista kuparia. Luvatan kuparin happipitoisuus on tavallista pienempi, mikä vaikuttaa korroosioherkkyyteen ja pinnoittumisominaisuuksiin.

- Espoolainen Endeas Oy tekee aurinkosimulaattoreita aurinkopaneelitehtaille. Endeasin "tekoaurinko" ampuu valopulsseja ja analysoi, kuinka hyvin aurinkopaneeli toimii. Endeas on hyvä esimerkki siitä, että pienikin yritys voi olla merkittävä, kun se löytää hyvän markkinaraon.

Kommentoi kirjoitusta

Kommentit

Keskusteluun osallistuminen vaatii kirjautumista.
Tieteen tarjous
MBnet