Expert Talk: hoe duurzaam is zonne-energie?

Nieuws22-02-2022

Het is algemeen bekend dat fotovoltaïsche (PV) zonne-energie de leider van de mondiale energiemarkten zal worden. Dit is een stellige bewering die wordt gesteund door het Internationaal Energieagentschap (IEA), dat uitgaat van de huidige snelste groei van fotovoltaïsche zonne-energie in twee decennia, met een naar verwachting nog veel sneller tempo in de komende jaren [1]. De lage kosten van zonne-energie worden expliciet genoemd als de drijvende kracht achter de wereldwijde vraag naar duurzame energie. In feite is zonne-energie momenteel goedkoper dan om het even welke energiebron ooit tevoren.

Het is echter niet zo goed bekend hoe duurzaam PV-energieproductie eigenlijk is. Daarom deze Expert Talk over de duurzaamheid van zonne-energie.

Geschreven door Bart Vermang, professor bij EnergyVille/UHasselt/imec en Ivan Gordon, Manager Photovoltaic Technology and Energy Systems bij EnergyVille/imec.

Energieterugverdientijd (EPBT)

Momenteel levert fotovoltaïsche energie een sterk rendement op geïnvesteerde energie op een zeer milieuvriendelijke manier. Eind 2020 bedroeg het totale aantal gecumuleerde PV-installaties wereldwijd meer dan 700 GWp[1], waarvan tussen 135 en 150 GWp in het jaar 2020 zelf werd geïnstalleerd [2]. Aangetoond is dat deze PV-modules veel meer energie leveren dan nodig is voor de productie ervan en dat zij een van de groenste technologieën voor elektriciteitsopwekking zijn.

  • PV-systemen hebben gewoonlijk ongeveer 1 jaar nodig om de toegevoerde energie te balanceren, hetgeen betekent dat zij minstens twintig maal de energie kunnen produceren die nodig is om ze te produceren (d.w.z. uitgaande van – slechts! – 20 jaar levensduur, wat tegenwoordig de minimum levensduur is die door installateurs wordt gegarandeerd). De energieterugverdientijd (EPBT) is de tijd die een energiesysteem nodig heeft om de hoeveelheid energie op te wekken die gelijk is aan de hoeveelheid die nodig was om het systeem te produceren. Fig. 1(a) geeft een historische trend voor de EPBT van op silicium gebaseerde PV-daksystemen, waaruit blijkt dat telkens wanneer de cumulatieve productie verdubbelde, de EPBT in de afgelopen 24 jaar met meer dan 12,5 % daalde. Fig. 1(b) toont zelfs een wereldkaart voor de EPBT van PV-systemen, waaruit blijkt dat deze afhankelijk is van de lokale instraling (d.w.z. hoe meer zonlicht, hoe korter de terugverdientijd), maar ook van andere factoren zoals de efficiëntie van het net (die in Europa beter is). Al deze EPBT’s liggen nu al dichtbij 1 jaar, en zullen in de komende jaren nog verder afnemen (zie Fig. 1b) [2].
Historische trend en wereldkaart voor Energieterugverdientijd van silicium PV-systemen op daken
Fig. 1: (a) Historische trend en (b) wereldkaart voor Energieterugverdientijd (EPBT) van silicium PV-systemen op daken. Komt uit [2].

Broeikasgasemissies

  • PV-systemen stoten gedurende hun volledige levenscyclus zeer weinig broeikasgassen uit, en PV is dan ook een van de milieuvriendelijkste technologieën voor de opwekking van elektriciteit. De milieuevaluatie van energietechnologieën wordt uitgevoerd met behulp van levenscyclusanalyses (LCA), waarbij rekening wordt gehouden met alle stromen van materialen en energie, afval en emissies, gedurende de gehele levenscyclus van de technologie (d.w.z. van de winning van grondstoffen tot de verwerking aan het eind van de levenscyclus, zoals recycling). Fig. 2 geeft een overzicht voor alle technologieën voor het opwekken van elektriciteit met gebruikmaking van een functionele eenheid, d.w.z. de levering van 1 kWh elektriciteit aan een elektriciteitsnet, op een wereldwijd gemiddelde. Hieruit blijkt dat PV een van de laagste broeikasgasemissies gedurende de levenscyclus vertoont van alle technologieën, waarbij de beste PV-technologieën een uitstoot vertonen van 10 tot 20 g CO2 eq./kWh [3]. Deze emissies zullen de komende jaren nog sterk dalen, aangezien dit momenteel een van de aandachtspunten is van het onderzoek naar en de ontwikkeling van fotovoltaïsche cellen.
Regionale variaties van broeikasgasemissies gedurende de levenscyclus voor het jaar 2020.
Regionale variaties van broeikasgasemissies gedurende de levenscyclus voor het jaar 2020. De variabiliteit wordt verklaard door verschillende factoren: elektriciteitsmix (alle regio's), methaanlekkage (fossiele brandstoffen), belastingsfactoren (hernieuwbare energiebronnen). Kernenergie is gemodelleerd als een wereldwijd gemiddelde, behalve voor back-end. Komt uit [3].

Integratie, ruimtelijke ordening, recycleerbaarheid, gebruik van hulpbronnen en lokale productie

Zoals gezegd is fotovoltaïsche energie klaar voor een immense groei in de komende decennia, die alleen op een duurzame manier kan worden gerealiseerd dankzij voortdurende innovatie. PV wordt algemeen beschouwd als de belangrijkste hernieuwbare energietechnologie voor een kostenoptimale beperking van de klimaatverandering. Naar schatting zal er tot 2050 in totaal 20 tot 80 TWp[2] aan PV geïnstalleerd moeten worden en tot 2100 80 tot 170 TWp om de klimaatverandering te beperken tot 1,5 °C [4]. Dergelijke enorme aantallen zullen een uitdaging vormen voor diverse LCA-effectcategorieën. We zullen kort de kritieke categorieën bespreken: Integratie, ruimtelijke ordening, recycleerbaarheid, gebruik van hulpbronnen en lokale productie. Deze worden allemaal onderzocht in EnergyVille.

  • Aangezien land schaars is en er een enorme groei van PV-installaties zal zijn, moeten fotovoltaïsche systemen naadloos worden geïntegreerd in de stedelijke omgeving en een dubbele functie krijgen (opwekking van elektriciteit plus een andere functie). Traditionele grondgebonden zonne-installaties op landbouwgrond moeten bijvoorbeeld worden vermeden, aangezien akkerland dan aan potentieel landbouwgebruik moet inboeten. In plaats daarvan worden integratie en dubbel (land)gebruik geoptimaliseerd via de ontwikkeling van in de landbouw (agri), in gebouwen (BI), op het water (F) en in de infrastructuur (II) geïntegreerde PV-systemen.
  • Recycling moet worden opgevoerd van de huidige 85% tot 100%. De EU-richtlijn betreffende afgedankte elektrische en elektronische apparatuur heeft betrekking op het afvalbeheer van alle elektronica in de EU, en schrijft momenteel voor dat 85%/80% (terugwinnings-/recyclingpercentage) van de massa van afgedankte PV-modules moet worden gerecycled. De meeste PV-modules zijn dan ook nog niet ontworpen voor volledige circulariteit (d.w.z. gemakkelijk te demonteren, te repareren, op te knappen en te recyclen). Zeer recentelijk zijn er al verschillende initiatieven die 100% recycleerbaarheid claimen (bijv. Solarge in Nederland). Een ander belangrijk aspect is de verlenging van de levensduur van PV-modules, wat altijd gunstig is vanuit milieu-oogpunt [5].
  • Alle bronnen moeten op TW-schaal worden heroverwogen. Op basis van de huidige technologie zou een reusachtige PV-industrie te maken krijgen met beperkingen van hulpbronnen, b.v. energie, floatglas, kapitaalinvesteringen, zilver, indium en bismut. Aangetoond is dat voortzetting van het technologische leerproces in het huidige tempo voldoende zou zijn om binnen de redelijke grenzen van hulpbronnen te blijven. Sterker nog, er worden technologische oplossingen verwacht die een dergelijk leerproces mogelijk maken. Deze technologische verbeteringen zullen naar verwachting de broeikasgasemissies voor PV in de grootteorde van 5 g CO2 eq./kWh brengen [4,6], op één lijn met de waarden voor kernenergie.
  • De productie moet terug naar Europa. De verwachte groei maakt het mogelijk de waardeketen van de Europese fotovoltaïsche industrie op te schalen om in te spelen op de boomende lokale vraag. In 2020 werd in Europa ongeveer 20 GWp geïnstalleerd, en voor het volgende decennium wordt een sterk groeiende Europese markt verwacht. Tegelijkertijd hebben Europese bedrijven en onderzoekscentra wereldwijd toonaangevende cel- en moduletechnologieën ontwikkeld, alsook toepassingen voor gebouwen, water en landbouwgrond. Het European Solar Initiative stelt zich ten doel om in 2025 in Europa 20 GWp PV-productie te herontwikkelen [7].

Voetnoten

[1] GWp staat voor Gigawattpiek. Eén Wattpiek komt overeen met de productie van een elektrisch vermogen van 1 Watt door een zonnepaneel bij standaardtemperatuur en -zonlicht. 1 GWp = 109 Wp

[2] 1 TWp = 1 Terawattpiek = 1012 Wp

Referenties

  1. https://www.iea.org/reports/world-energy-outlook-2020
  2. https://www.ise.fraunhofer.de/content/dam/ise/de/documents/publications…
  3. https://unece.org/sites/default/files/2021-10/LCA-2.pdf
  4. https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/ee/d1ee02497c
  5. N. Rajagopalan, A. Smeets, K. Peeters, S. De Regel, T. Rommens, K. Wang, P. Stolz, R. Frischknecht, G. Heath, D. Ravikumar. 2021. Preliminary Environmental and Financial Viability Analysis of Circular Economy Scenarios for Satisfying PV System Service Lifetime. International Energy Agency (IEA) PVPS Task 12, Report T12-21:2021. ISBN 978-3-907281- 23-9.
  6. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435120300507
  7. https://europeansolarinitiative.eu/
Bart Vermang

Bart Vermang
Professor UHasselt/imec/EnergyVille

Wij maken gebruik van cookies of gelijkaardige technologieën (bv. pixels of sociale media plug-ins) om o.a. uw gebruikservaring op onze website zo optimaal mogelijk te maken. Daarnaast wensen wij analyserende en marketing cookies te gebruiken om uw websitebezoek persoonlijker te maken, gerichte advertenties naar u te verzenden en om ons meer inzicht te geven in uw gebruik van onze website.

Gaat u ermee akkoord dat we cookies gebruiken voor een optimale websitebeleving, opdat wij onze website kunnen verbeteren en om u te kunnen verrassen met advertenties? Bevestig dan met "OK".

Wenst u daarentegen specifieke voorkeuren in te stellen voor verschillende soorten cookies? Dat kan via onze cookie policy. Wenst u meer uitleg over ons gebruik van cookies of hoe u cookies kan verwijderen? Lees dan onze cookie policy.