TNO: behalve goedkope hernieuwbare zonnestroom ook duurzaam materiaalgebruik

Gebruik  van zonnepanelen groeit explosief
Het gebruik van zonnepanelen (Photo Voltaische systemen, PV) groeit heel snel.

Eind 2020 stond er mondiaal zo’n 700GWp opgesteld, goed voor ruim 4% van de mondiale elektriciteitsvraag. Dat kan in 2050 uitgegroeid zijn tot 10.000 – 80.000 GWp, beetje afhankelijk van wie je  gelooft. 60.000GWp lijkt een redelijk safe waarde.
Wat helpt is dat zonnestroom steeds goedkoper wordt. In gunstige gebieden heb je tegenwoordig een kWh  zonnestroom voor minder dan 2 €cent

In Nederland stond er eind 2020 ruim 10GWp, goed voor grofweg 10 miljard kWh, ca 35PJ. Dat is ruim 8% van de Nederlandse electriciteitsvraag (ruim 1% van het totale Nederlandse energiebudget, want dat is veel groter dan alleen elektriciteit – een veelgemaakte fout). Ook weer afhankelijk van wie je gelooft zal dat stijgen tot ca 100 a 200GWpin 2050. De laatste waarde zou dan goed zijn voor ergens rond de 750PJ, te realiseren op (bij het huidige rendement van 20%) ca 1000km2 netto. Bruto is dat meer, maar dat  hangt sterk van de constellatie af.
Het is lastig in te schatten of (orde van grootte) 750PJ genoeg is voor de stroomvraag in 2050. De huidige stroomvraag is 420PJ, maar die zal sterk stijgen, oa door warmtepompen, elektrische auto’s en de verduurzaming van de industrie.

Duurzaam is meer dan alleen maar goedkope groene stroom
Bij een dergelijke explosieve groei is het onverbiddelijk nodig naar het grotere plaatje te kijken, en niet alleen maar naar zoveel mogelijk stroom voor zo weinig mogelijk geld. .
Het moet ook gaan over de productie en over de sloop, en het moet niet alleen maar over geïnvesteerde en geoogste stroom gaan, maar ook over geïnvesteerde en teruggeoogste materialen.

De Nederlandse Publiek-Private Samenwerkingsorganisatie TNO (Toegepast Natuurwetenschappelijk Onderzoek) heeft in een recente publicatie “Tijd voor duurzame zonne-energie” een onderzoeksagenda opgezet om deze ruimere context in kaart te  brengen. Eindverantwoordelijk is de Nederlandse zonnestroomgoeroe, prof. Wim Sinke. Hij organiseerde er een webinar over op 09 december 2022, samen met zijn medewerkers Mara Hauck (ook werkzaam bij de TU/e) en Mirjam Theelen.
Het paper is te vinden op https://www.tno.nl/nl/aandachtsgebieden/energietransitie/roadmaps/hernieuwbare-elektriciteit/zonne-energie/pv/recyclebare-zonnemodules/ .
Het paper onderscheidt onderwerpen  die je als een technische evolutie kunt zien, technologische onderwerpen die een breuk zijn met wat er was (revolutionair), en maatschappelijke  inbedding, al dan niet combi.

Bij ‘stroom’ kan men op techneutenwijze blijven denken, met dien verstande dat vanaf nu ook de CO2 – footprint van het maken van het paneel meegeteld moet worden. Dat is een uitvoerbare exercitie en dat levert, na wat versimpelingen, op dat zonnepanelen in hun leven ongeveer 20* zoveel energie opleveren als het maken gekost heeft. Welk CO2 -getal bij die energie hoort, hangt er van af  met welke stroommix je vergelijkt.

In deze getallen zit verwerkt de productie en 25 jaar exploitatie, niet de afdankfase (die zou overigens minder dan 10% toevoegen). Een state of the art en in China geproduceerd paneel, dat 25 jaar in Noordwest-Europa dienst doet, heeft over die periode 55 gr CO2 per kWh  aan zijn jas hangen. Toekomstige systemen doen het beter en zelfs nog beter dan de aangegeven worst case-variant, omdat de toekomstige stroommix gunstiger zal zijn dan de huidige.

Bij stroom is ontwikkeling mogelijk op basis ‘business as usual’. Zonne-energie is nog niet uitontwikkeld en men vindt nog steeds nieuwe technieken (nieuwe materialen of meerlaags-panelen) die bijvoorbeeld het rendement verder opdrijven (nu ca 20%, kan 25 a 30% worden). Tot nu toe was het criterium vooral ‘meer stroom voor minder geld’, maar dat moet dus ruimer opgevat gaan worden. Geen techneut die in de stress schiet.

Opbouw van een PV-paneel

Bij materialen ligt het een stuk moeilijker dan bij stroom. Die zijn of worden schaars, zitten maar in een paar landen, en de winning gaat vaak met flinke milieuvervuiling mee gepaard. Of dwangarbeid, zoals gerapporteerd bij de fabricage van heel zuiver silicium.
Schaarste zit vaak waar men het niet verwacht. Dat koper en zilver (voor de contactstripjes) schaars zullen worden, ligt in de lijn der verwachtingen. Maar ook zoiets simpels als glas en silicium groeit tot een probleem  uit: er is zand zat op de wereld, maar lang  niet alle zand is zuiver genoeg. Bovendien vreet de productie van glas, en nog meer van zuiver silicium, energie.
On enig gevoel te krijgen: 2TWp (het dubbele van wat de wereld binnenkort haalt), bij 25% rendement, vraagt om 8000km2 glas. Dat is bijna evenveel als nu in de bouw en verwante sectoren gebruikt wordt.
De logistiek moet over de hele keten goed zijn en goed blijven

Recycling in de gebruikelijke zin des woords, zelfs als die goed werkt, zal de eerste decennia maar een klein deel (voorlopig een paar procent) van de oplossing zijn om de eenvoudige reden dat  er bij de huidige groei zeer veel meer panelen uitgaan dan terugkomen. (Ik heb eerder over recycling van PV-panelen geschreven, zie https://www.bjmgerard.nl/recycling-van-zonnepanelen-op-komst/ ).

TNO hanteert de “R-ladder”.

De R-ladder
  • R1 en R2 hebben daarbij betrekking op langere levensduren en minder materiaalgebruik. Dunne film-folies hebben per kWh minder materiaal nodig. Men kan daaraan in de ontwerpfase al werken.
  • R3 en R4 hebben betrekking op hergebruik (vandaar de lus in de schets0: repareren, onderhoud, opknappen en moderniseren. Dienstig zijn tweedehandsmarkten, revisie en ‘retrofitten’.
  • R5 en R6 hebben betrekking op ‘End of life’- scenario’s. ‘Recycling’ betekent hier het terugwinnen van materialen (zie het verhaal bij ROSI), R6 betekent meestal verbranden.

De EU probeert ook invloed uit te oefenen met minimumeisen voor eco-ontwerp en energielabeling en een systeem van ‘Groene publieke aanbesteding’. Er wordt nu gewerkt aan een eerste versie van een document met dergelijke grootheden.
In de recente Europese Groene Taxonomie zijn PV-systemen in praktijk altijd duurzaam. Een technisch advies uit eigen gelederen om een bovengrens te stellen aan de CO2 – footprint en die dan stapsgewijze in de toekomst te laten dalen, haalde het niet.

TNO vindt dat Europa weer zijn eigen zonnepanelen zou moeten gaan produceren en heeft dat opgeschreven in een artikelin de Volkskrant. Zie https://www.tno.nl/nl/aandachtsgebieden/energietransitie/roadmaps/hernieuwbare-elektriciteit/zonne-energie/europa-zonnepanelen-produceren/ .

Verwerkingsschema, specifiek voor zonnepanelen

Maatschappelijke aspecten
Toepassing in gebouwen en functies is het populairst. Daar kan meer dan alleen maar starre standaardpanelen op een dak zetten. Er  zijn interessante trends om PV integraal in constructies te verwerken, eventueel zelfs als bouwmateriaal (woningen, fietspaden, geluidsschermen). TNO verwijst hier naar een eerdere publicatie “Zonpositief: zonne-energie op weg naar impact” ( https://publications.tno.nl/publication/34637826/ZvsyVf/tno-2021-zonpositief.pdf ).

Ook als het om zonneparken op de grond gaat, nodig om voldoende omvang en snelheid te bereiken om de klimaatdoelen te halen, moet nagedacht worden om het goed te doen. Bijvoorbeeld landschapsinrichting en multifunctionaliteit.

Zonnepanelen, geïntegreerd in een gevel of in dakpannen.
De flats links zijn De Willem en De Zwijger in Best, de eerste Nul op de Meterflats in de sociale huursector. Het is vervangende nieuwbouw. Op de site van de NBA is informatie te vinden op https://www.nbarchitecten.nl/portfolio-items/de-willem-en-de-zwijger/ .

Een ander soort maatschappelijk probleem is dat de productgebonden verwijderingsbijdrage in 2014 is afgeschaft. In plaats daarvan werkt men nu met een omslagstelsel: de verwijderingskosten van bijvoorbeeld televisies die nu richting afval gaan, wordt omgeslagen over de televisies die nu nieuw worden verkocht.
In een min of meer statische markt werkt dat, maar in een exploderende markt als die van zonnepanelen niet: de verkoop is nu, maar de verwijderingskosten duren nog decennia. Dat systeem moet anders.

Update

Er wordt nagedacht om voor zonnepanelen en omvormers opnieuw een vorm van verwijderingsbijdrage te definieren.

De producentenorganisaties van zonnepanelen en omvormers, witgoed, consumentenelektronica, verlichting, gereedschappen en ICT richtten in januari 2020 de Stichting Organisatie Producentenverantwoordelijkheid E-waste Nederland (OPEN) op.
In een uitvoerig artikel in Solar van 07 jan 2022 ging de Stichting OPEN op de problematiek in. Ze legde uit dat de verwerking van zonnepanelen zichzelf niet uit de opbrengsten van de teruggewonnen materialen bedruipen kan en dat er dus op enigerlei wijze geld bij moet, en dat er nu zo weinig panelen terugkomen dat het niet loont om daar nu een serieuze fabriek voor te bouwen. Er is nog even tijd om geld, gebouwen en processen te realiseren.
Intussen volgt de Stichting Open wat er in het buitenland gebeurt en ook wat het lokale initiatiefCaparis Leeuwarden doet.
Verder benadrukt de Stichting OPEN dat als ereen verwijderingsbijdrage komt, iedereen verplicht mee moet doen.
De tekst van het artikel is hierna te lezen.


Recycling van zonnepanelen op komst

Het artikel in MIT
MIT Technology Review van 19 aug 2021 schrijft over de recycling van zonnepanelen die er dringend moet komen. Immers, die dingen gaan 25 tot 30 jaar mee en er valt dus binnen afzienbare tijd een exponentieel groeiende stroom  afgedankte panelen te verwachten.

Exponentiële groei van de massa aan panelen in Europa (in ton = 1000kg)

Mondiaal noemt MIT 8 miljard kg, opgeteld in 2030, en 80 miljard kg, opgeteld in 2050.

In de VS bestaat op federaal niveau geen recycleverplichting. Daarom wordt slechts 10% van de panelen gerecycled – voor wat dat op dit moment waard is. Maar het materiaal, dat in afgedankte zonnepanelen zit, kon in 2050 wel eens $2 miljard per jaar waard zijn- nog afgezien van de taferelen die men soms in de mijnbouw ziet.
Op niveau van de afzonderlijke staten begint wel wetgeving te komen, zoals van Wahington State ( ( https://ecology.wa.gov/Waste-Toxics/Reducing-recycling-waste/Solar-panels ). Maar die ziet vooral op het inzamelen, niet op wat er daarna precies gebeurt.

Tweedehands gebruik ligt volgens MIT niet echt voor de hand (althans, in de VS). Als een nieuw paneel $55 kost, kost een tweedehands paneel typisch $22 en de som van de componenten nog minder. Maar omdat de paneelkosten hooguit de helft zijn van de totale kosten van het leggen van zonnepanelen, en omdat de prestatie van zonnepanelen jaarlijks met ca 0,5 tot 2% afneemt, is  de vraag of een gebruiker financieel veel wijzer wordt van een na 25 jaar afgedankt paneel.

Wat  niet opnieuw gebruikt wordt (nog steeds in  de VS), gaat naar de stort of wordt primitief gerecycled, hetgeen betekent dat de aluminium lijst er af gesloopt wordt en de rest met de grote hoop mee vermalen, waarna men voor  het gruis nog een paar dollar hoopt te vangen als bouwmateriaal.

Wat zit er in een zonnepaneel?
In het overgrote deel van de commercieel verkrijgbare PV-panelen is de actieve stof uiterst zuiver silicium, beheerst verontreinigd met geringe hoeveelheden drie- en vijfwaardige elementen als gallium of fosfor (respectievelijk p- en n-doping). Om de stroom in te zamelen lopen er dunne zilverdraden over de oppervlakte, die die stroom vervolgens afleveren aan koperen bedrading. De zonnecellen zitten in een transparant plastic, over het geheel zit aan de voorkant speciaal glas en aan de achterkant beschermend plastic (bijv. PET).

ROSI
Omdat MIT Technology Review al snel uitgepraat is over de VS, gaat het grootste deel van het artikel vervolgens over recycling in de EU, waar wel wetgeving bestaat (de Waste Electrical and Electronic Equipment (WEEE) Directive (2012/19/EU) ).
Een lezenswaardig artikel is te vinden op https://www.newenergysolar.com.au/renewable-insights/renewable-energy/solar-panel-recycling en op https://www.greenmatch.co.uk/blog/2017/10/the-opportunities-of-solar-panel-recycling . In de EU moet de recycling van zonnepanelen bijdragen aan het recente initiatief “European Raw Materials Alliance”. Zie European Raw Materials Alliance (ERMA) .
Veolia heeft in de buurt van Parijs een verwerkingsinrichting specifiek voor zonnepanelen, maar die doet nog steeds alleen maar mechanische recycling, hoewel wel beter dan in de VS, want gespecialiseerd.

De ster in opkomst is echter de startup  ROSI ( https://www.rosi-solar.com/ ) , die in 2022 een fabriek in Grenoble hoopt te bouwen.  Daarover gaat de rest van het MIT-verhaal, maar dat haal ik dan liever bij ROSI zelf. IK geef de beweringen weer zoals ze er staan: ik kan niet controleren in hoeverre ROSI de volledige waarheid spreekt.

ROSI werkt samen met Envie 2E Aquitaine, welk laatste (sociaal) bedrijf de inzameling doet, repareert en  kijkt of de panelen  nog ergens als zodanig te gebruiken zijn, en die, indien niet, die het voortraject doet (aluminium en glas eraf). ROSI doet het silicium, zilver en koper.
De opdrachtgever is SOREN, de publieke non-profit onderneming die in Frankrijk belast is met de inzameling en behandeling van gebruikte zonnepanelen ( https://www.soren.eco/ ). Van 2015 tot 2020 heeft SOREN 15000 ton afgedankte PV-panelen ingenomen.

De website van ROSI legt uit dat het loont om naar de Life Cycle assessment (LCA) van zonnepanelen te kijken. Het prepareren van silicium is een uiterst energievretend proces. Elke  MW zonnepaneel brengt voor het siliciumdeel 200 ton CO2 de lucht in.
Als die 1MW in Nederland geplaatst zou zijn, en als de jaarproductie daarvan dezelfde hoeveelheid energie uit gas zou vervangen, heb je de energetische investering in dat silicium er in ongeveer een jaar uit. De eenmalige energetische investering is dus geen argument tegen zonnepanelen.
Voor een LCA-benadering echter is het wel relevant om naar deze eenmalige investering te kijken.

Let wel dat hier de financieële waarde van de materialen staat en niet hun massa!
(Samenstelling in gewichts%. Dit verhaal gaat over Silicon based PV-panels. De afbeelding komt uit https://www.greenmatch.co.uk/blog/2017/10/the-opportunities-of-solar-panel-recycling ).

Zo ook voor de materialen. Gangbare serieuze recycling (bijvoorbeeld Veolia, maar ROSI noemt geen namen) haalt het glas, het aluminium en het koper uit het afval, samen goed voor 35% van de waarde. ROSI  wil de rest van de waarde eruit halen (silicium en zilver).

ROSI wil twee afvalstromen bewerken.
De eerste heet ‘KERF’ . Bij het in dunne plakken zagen van het  PV-grade silicium verdwijnt 40% van dat dure spul als gruis met de zaagspoeling. ROSI wil dat poeder (gewoon dus fijngemalen  hoogwaardig silicium) weer in de productie brengen. IN 2019 zou dat ongeveer 200.000 ton afval geweest zijn, goed voor een mondiaal verlies van ca $1,5 miljard.
Het tweede betreft de eigenlijke panelen op het einde van hun levensduur. ROSI zegt de lagen in die panelen  van elkaar af te kunnen prutsen met mechanische, thermische en chemische methodes (welke chemische methodes niet agressief zouden zijn). ROSI legt niet uit of het n-silicium en p-silicium kan scheiden of zuiveren.

Deutsche Umwelthilfe (DUH)
De Deutsche Umwelthilfe is een grote milieuorganisatie met een breed takenpakket. Ook de DUH heeft aandacht gewijd aan de recycling van zonnepanelen. Dat heeft tot een witboek geleid dat te vinden is op https://www.duh.de/projekte/photovoltaikmodule/ of (rechtstreeks) op. https://www.duh.de/fileadmin/user_upload/download/Pressemitteilungen/Kreislaufwirtschaft/210310_Wei%C3%9Fbuch_Kreislaufwirtschaft_Solarmodule_st%C3%A4rken_DEU_FINAL.pdf .

De drie belangrijkste bottlenecks:

  1. Vanwege de kosten en inspanningen zijn bestaande inzamelingsprocessen vaak niet aantrekkelijk voor eigenaren van gebruikte PV-panelen, zodat zij op zoek gaan naar alternatieven zoals illegale export, wat leidt tot negatieve milieueffecten
  2. Gebruikte modules zijn vaak nog functioneel, maar worden vernietigd door inadequate behandeling en kunnen niet worden hergebruikt.
  3. Modules zijn moeilijk te recyclen en de recycling van modules leidt vaak tot verlies van waardevolle materialen en downcycling, hoewel er betere technische mogelijkheden kunnen worden ontwikkeld.

Marktwerking
Het financiële succes van ondernemingen als ROSI hangt van de grondstofprijzen af. Een hoge zilverprijs is voor ROSI veel winstgevender als een lage. Grondstoffenprijzen wisselen nog al eens.

Als je vindt dat silicium essentieel is, zoals EU-president Von der Leyen zegt, en als je daarmee ook vindt dat een essentiële onderneming niet mag falen, moeten die niet op marktgerichte basis worden opgezet. Dan moet men ze tot Nutsbedrijf (of tot iets wat daarmee in praktijk gelijk te stellen is) verklaren en op basis van bijvoorbeeld een heffingssysteem laten werken.

En essentieel is de sector. Zonder circulariteit op termijn geen energietransitie.