De verborgen uitstoot van zonnepanelen

De verborgen uitstoot van zonnepanelen

Zonne-energie wordt momenteel gezien als één van de drie belangrijkste bronnen van hernieuwbare elektriciteit samen met wind- en bio-energie. Momenteel is 32% van de groene stroom in Vlaanderen afkomstig van zonne-energie. Kunnen we er zomaar van uitgaan dat groene stroom minder CO2-uitstoot heeft dan bijvoorbeeld de stroom van een nieuwe gascentrale? Zon- en windenergie stoten geen CO2 uit als ze operationeel zijn, maar wel via hun grondstoffen, productie, transport, installatie en afbraak. Er is al veel onderzoek gedaan naar de klimaatimpact van zonnepanelen en uitkomsten verschillen van 30 tot meer dan 100g CO2-equivalent per kilowattuur. Windenergie presteert op dat vlak duidelijk beter dan de meeste andere fossiele technologieën, bij zonne-energie is het verschil kleiner. Waar komt de spreiding van de resultaten onder de verschillende onderzoeken dan vandaan?

 

Om de klimaatverandering aan te pakken stelde de EU de 20-20-20 doelstellingen in die tegen 2020 gehaald moeten worden. Dit houdt in dat er over heel Europa 20% minder broeikasgassen uitgestoten mogen worden, 20% van de energie moet van hernieuwbare afkomst zijn en er moet 20% meer energie-efficiëntie zijn ten opzichte van 1990. Om in zijn opzet te kunnen slagen, gaat men ervan uit dat hernieuwbare energie wel degelijk een significant lagere CO2-uitstoot heeft dan andere technologieën. Het is daarom wel interessant om dit onder de loep te nemen.

Een algemeen aanvaarde methode voor het kwantificeren van de impact op het milieu van een bepaald product is de life cycle assessment (LCA). De ‘impact’ omvat de uitstoot van broeikasgassen, maar ook uitstoot van stikstofoxiden, waterverontreiniging, verzilting, uitstoot van fijnstof, … . Dit artikel zal enkel de broeikasgassen bekijken voor  verschillende elektriciteitscentrales (steenkool, gas, zonnepanelen, windmolen, …). De CO2-uitstoot van een elektriciteitscentrale wordt berekend door alle broeikasgassen die het uitstoot over de volledige levensduur van de centrale te delen door de totale elektrische energie opgewekt tijdens zijn operationele levensduur (g CO2 EQ. /kWh). Voor de zonnepanelen zullen vooral de klassieke mono- en polykristallijne silicium varianten besproken worden, die ongeveer 85% van het marktaandeel omvatten.

 

De onrechtstreekse uitstoot

Een eerste belangrijk aspect van de klimaatimpact van zonnepanelen is dus de totale uitstoot tijdens hun levensduur. Zoals eerder al vermeld stoten de zonnepanelen praktisch niets uit terwijl ze elektriciteit opwekken. Dit is een groot verschil met fossiele technologieën (steenkool, aardgas) waarbij het overgrote deel van de CO2-uitstoot gebeurt bij de verbranding. De uitstoot van zonnepanelen komt vooral van de grondstoffen (60%) en het productieproces (30%), de rest (10%)  is afkomstig van overige componenten (vooral de omvormer) en transport. De cijfers hier weergegeven zijn louter indicatief, vanwege de hoge spreiding onder de resultaten van verschillende onderzoeken.

De belangrijkste grondstof van de hier beschouwde zonnepanelen is uiteraard het silicium zelf. Dit is in overvloed aanwezig op aarde onder de vorm van siliciumdioxide (zand), maar bij het chemisch proces om dit om te zetten tot silicium komt CO2 vrij. Daarbovenop gebeurt deze reactie in een vlamboogoven, die gigantisch veel energie verbruikt. Voor de productie van monokristallijn silicium is nog een tweede energie-intensief proces nodig, namelijk het Czochralski-proces. Om een idee te geven, een zonnepaneel moet ongeveer anderhalf jaar op uw dak liggen om zijn eigen energieverbruik te compenseren.

Het feit dat de benodigde processen zeer veel elektrische energie verbruiken, maakt dat de klimaatimpact van een bepaald zonnepaneel sterk afhangt van de manier waarop deze energie is opgewekt. Voor 2005 was de productie vooral gesitueerd in Europa en de USA, tegenwoordig gebeurt dit praktisch allemaal in China. Daar wordt momenteel nog steeds meer dan 50% van de elektriciteit opgewekt met steenkool. Dit brengt een zeer grote koolstofuitstoot met zich mee die zo wordt toegeschreven aan de zonnepanelen. Momenteel zouden zonnepanelen geproduceerd in Europa ongeveer 15% minder uitstoot met zich meebrengen ten opzichte van Chinese modules. Als in de verre toekomst het opwekken van elektriciteit volledig CO2 vrij zou zijn, dan zal de impact op het klimaat van zonnepanelen totaal verwaarloosbaar zijn. 

Maar er zijn mooie vooruitzichten, door de exponentieel groeiende markt wordt ook veel vooruitgang geboekt op verschillende vlakken waaronder energie-efficiëntere processen en minder silicium nodig per paneel. Daarnaast zijn er de zogenaamde thin-film PV modules, de overige 15% van de markt. Deze omvatten verschillende andere technologieën zoals CdTe, CIGS en amorf silicium. Ze hebben over het algemeen een veel minder energie-intensief productieproces, maar momenteel nog een lagere efficiëntie. Ten slotte kunnen nog gigantische stappen gezet worden als China op termijn een koolstofarme elektriciteitsmix zou gaan gebruiken.

 

Wat brengt zo’n zonnepaneel nu op?

Een tweede aspect is de opbrengst van een zonnepaneel, hoeveel energie hij produceert. Het is opmerkelijk dat voor zonne-energie (en ook wind) dit totaal onafhankelijk is van de uitstoot, en uiterst afhankelijk van de locatie waar ze geïnstalleerd worden. Twee zonnepanelen van dezelfde fabrikant kunnen een totaal verschillende klimaatimpact hebben. Wat zijn de belangrijkste factoren die de opbrengst beïnvloeden?

De eerste en meest voor de hand liggende is natuurlijk ‘ hoe vaak de zon schijnt’ of iets meer wetenschappelijk: de jaarlijkse irradiatie. Het spreekt voor zich dat een zonnepaneel (met een bepaalde uitstoot door zijn productie) een heel andere opbrengst heeft in Zuid-Frankrijk dan in België (ongeveer 50% meer in Zuid-Frankrijk).

Daarnaast is de efficiëntie van de zonnepanelen ontzettend belangrijk. In zonnigere oorden is de temperatuur meestal hoger, en dit heeft een negatief effect op de efficiëntie. Als men modules onder dezelfde omstandigheden, met een temperatuurverschil van 20°C test, resulteert dit in een 10% lagere efficiëntie en 13% hogere klimaatimpact voor de module op hogere temperatuur. Daarbovenop verouderd een zonnepaneel sneller bij hogere temperaturen.

De variatie aan verschillende types zonnepanelen, die elk een ander productieproces hebben, met daarbovenop de grote afhankelijkheid van waar de zonnepanelen geplaatst worden verklaren de grote spreiding in de uitkomsten van voorgaande studies. Een exacte waarde bepalen voor de klimaatimpact van zonnepanelen is enkel mogelijk voor een bepaalde casus.

 

Hoe presteren andere technologieën ?

Toch is het interessant om de waarden die te vinden zijn in literatuur te vergelijken voor verschillende technologieën. Fossiele centrales scoren uiteraard het slechtst, zo’n 800 g CO2 eq. /kWh voor steenkool en 400 g CO2 eq. /kWh voor een gascentrale. De zonnepanelen die tussen ongeveer tussen de 30 en de 100 g CO2 eq. /kWh scoren, doen het duidelijk beter maar de uitstoot is zeker niet te verwaarlozen. Als we het vergelijken met andere hernieuwbare energiebronnen scoort zonne-energie wel duidelijk slechter. Offshore windenergie komt uit op ongeveer 10 g CO2 eq. /kWh en waterkracht op 5 g CO2 eq. /kWh. Verder is het opmerkelijk dat nucleaire centrales ongeveer 5 g CO2 eq. /kWh uitstoten. Voor landen die een lage gemiddelde koolstofuitstoot hebben, zoals Frankrijk (+/- 100 g CO2 eq. /kWh) met een groot aandeel nucleaire energie of Zweden (+/- 40 g CO2 eq. /kWh) met veel waterkracht centrales, is een verlaging van de totale koolstofintensiteit door middel van zonnepanelen moeilijk.

Zonnepanelen presteren dus zeker niet slechter dan de fossiele technologieën, maar hun uitstoot is zeker niet te verwaarlozen. In de toekomst zal deze uitstoot hoe dan ook verlagen. Ten eerste vanwege verbeterende productieprocessen en een hogere efficiëntie en later hopelijk ook vanwege een groter aandeel groene energie in China.

 

YERA vzw


Bronnen:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1361920916307933

https://www-sciencedirect-com.kuleuven.ezproxy.kuleuven.be/science/article/pii/S0301421514002018

https://apps.energiesparen.be/energiekaart/vlaanderen

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2212827117308831

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/

https://www.researchgate.net/publication/327012683_Life_cycle_assessment_on_PERC_solar_modules