LOW←TECH MAGAZINE Nederlands

Zinkstukken: als vlechtwerk uit de hand loopt

Wed, 03 Nov 2021 00:00:00 +0000

Beeld: Het afzinken van een zinkstuk voor de sluizen te Den oever. Bron: Dienst Zuiderzeewerken, CC BY 3.0 NL. Datum onbekend.

Kust- en rivierverdediging

Klimaatverandering vormt een bedreiging voor dichtbevolkte kust- en riviergemeenschappen overal ter wereld. Eeuwenlang hebben mensen verdedigingswerken gebouwd om overstromingen en erosie te voorkomen: zeeweringen, golfbrekers, strandhoofden, dijken en waterkeringen. Tegenwoordig bouwen we deze constructies meestal ten minste gedeeltelijk met energie- en koolstofintensieve materialen: gewapend beton (het meest voorkomend), geotextiel, staal, metaalgaas, asfalt. Mensen hebben echter lange tijd adequate rivier- en kustverdedigingswerken gebouwd zonder op langere termijn bij te dragen aan de stijging van de zeespiegel.

Inspiratie komt uit Nederland. Dat is niet verrassend, want de zee vormde in de Lage Landen al lang voor de huidige klimaatverandering een bedreiging. De Nederlanders bouwden hun land deels op de bodem van de zee, pompten het droog met windmolens en omringden het met dijken. De Nederlandse kust heeft een fijnkorrelige, zandige bodem die weinig weerstand biedt tegen de wrijving van het water. Stromingen, golven en de schroeven van schepen schuren de bodem uit en kunnen zo leiden tot het bezwijken van dijken, oevers, kades, sluizen en keermuren.

Afbeelding: dijkdoorbraak in Zeeland, bij Kats op Noord-Beveland, 1966. Publiek domein.

Het zinkstuk

In het geval van stilstaand of langzaam stromend zoet of brak water kan het planten van riet op de waterlijn de rivieroevers beschermen. Bij zout water werkt deze aanpak echter niet, en ook schade door grote golven wordt er niet mee voorkomen. Minstens 400 jaar geleden kwamen de Nederlanders met een oplossing: het zinkstuk. Een zinkstuk bestaat uit duizenden fijne twijgjes, voornamelijk van wilgenbomen: “rijshout”. Dit rijshout wordt samengevlochten tot een stevige mat die op de bodem van een kanaal, riviermonding of rivier wordt neergelegd. Een zinkwerk kan ook gedeeltelijk op de oever of de dijk liggen.

Zinkstukken waren vaak rechthoekig en van grote afmetingen: meestal tussen 20 en 30 meter breed en tot 150 meter lang (soms meer). De constructies werden op het land gemaakt, naar hun plaats gesleept en vervolgens naar de bodem afgezonken door ze te verzwaren met puin. Alles gebeurde met de hand. Nabijgelegen hakhoutplantages – “grienden” – leverden het rijshout om de zinkstukken te vlechten.

Afbeelding: Het maken van een zinkstuk, Haringvliet, 1956. Publiek domein.

Levensverwachting: eeuwen

Het is niet duidelijk wanneer de Nederlanders precies begonnen met het gebruik van zinkstukken. De oudste afbeelding is een schilderij uit 1676 van Matthias Withoos, waarop de reparatie van een dijk is afgebeeld. Er zijn echter al in de zestiende eeuw verwijzingen naar rijshout constructies in de waterbouw. Vele zinkstukken zijn vandaag, eeuwen na hun constructie, nog steeds functioneel. Wilgenhout wordt keihard onder water en vergaat bijna niet. Onderzoek aan het eind van de jaren zestig heeft uitgewezen dat de meeste zinkstukken die meer dan 100 jaar onder water hebben gelegen – sommige dateren van het begin van de jaren 1820 – intact zijn gebleven. Een aantal was aangetast door paalworm.

We weten niet hoeveel zinkstukken nog steeds hun functie vervullen op de bodem van de Nederlandse wateren, maar ze zijn in principe overal. De meeste gegevens zijn beschikbaar uit de periode na de Tweede Wereldoorlog, toen de Nederlanders de technologie op grote schaal gebruikten. In 1953 werd Nederland getroffen door catastrofale overstromingen. Dat leidde tot de Deltawerken, een reeks ambitieuze bouwwerken om het land beter tegen de zee te beschermen.

Afbeelding: Zinkstukken in de Biesbosch, 1968. Publiek domein.

Zinkstukken vormden een essentieel onderdeel van dit plan. Zo hebben de Nederlanders tussen 1960 en 1966 ongeveer 200.000 m2 zinkwerken aangebracht in het Waddengebied. Tussen 1954 en 1967 hebben zij bij werkzaamheden aan de rivieren in het hele land 1.200.000 m2 rijshoutmatten naar de bodem laten zinken.

Het vlechten van een zinkstuk

Het maken van een zinkwerk was een ambacht dat voornamelijk knopen en vlechten inhield. In getijdengebieden vlechtten de werkmannen de constructies op slikken die bij eb droogvielen. Dit betekende dat het werk snel moest gebeuren. Als de vloed kwam, moest de constructie stevig genoeg zijn om niet uit elkaar te drijven. De afwerking van het zinkstuk kon tijdens het volgende laagwater gebeuren of zelfs terwijl het bouwwerk dreef.

De ambachtslieden begonnen met het weven van rijshout tot bundels of stroken die “wiepen” werden genoemd. Wiepen waren tot 50 m lang, hadden een diameter van ongeveer 30-50 cm, en werden met dunne twijgjes aan elkaar gebonden. De wiepen dienden om een lager raamwerk te bouwen, dat de basis vormde van de hele structuur. De bundels werden kruiselings op ongeveer een meter van elkaar gelegd en op de kruispunten vastgezet met touw en een paal.

Bovenop dit raamwerk kwam een “vulling” van 30-40 cm van twee lagen rijshout over elkaar. Daartussen kwam een rietlaag, die het zinkstuk zanddicht maakte. Vervolgens werd bovenop de “vulling” een bovenste roosterwerk van wiepen gebouwd, identiek aan het onderste raamwerk. Het geheel werd dan aan de palen vastgemaakt. Er waren ongeveer zes mannen nodig om 100 m2 zinkstuk te bouwen.

Afbeelding: Een zinkstuk. Door Jan Muijs, Rijkswaterstaat, 1974, CC BY 3.0 nl.

Afbeelding: Tekening van een klassiek zinkstuk gemaakt van wilgenhout voor de bescherming van een waterloop. Bron: Hollands' Rijshout, Van Breen (1920).

Afbeelding: Het maken van wiepen, 1945. Onbekende fotograaf / Anefo, CC0, via Wikimedia Commons

Afbeelding: Het maken van wiepen, 1952. Harry Pot / Anefo, CC0, via Wikimedia Commons.

Afbeelding: Het transport van wiepen, 1953. Joop van Bilsen / Anefo, CC0, via Wikimedia Commons.

Afbeelding: Het vlechten van een zinkstuk, 1956. Harry Pot / Anefo, CC0, via Wikimedia Commons.

Vlechttuinen

Vervolgens vlechtten de ambachtslieden hekwerken bovenop het zinkstuk door meer rijshout rond de palen te vlechten op de punten waar de wiepen elkaar kruisten. Deze palen staken een eind boven het bovenste raamwerk uit. Deze schuttingen – “vlechttuinen” genaamd – hadden twee functies. Ze versterkten de structuur en verhinderden dat puin van het bouwwerk rolde. Dat was een risico tijdens het zinken van het bouwwerk. De vlechttuinen vervulden ook deze functie wanneer het zinkstuk op een steile helling rustte, bijvoorbeeld een dijk. Ze verhinderden bovendien dat kleiner steengruis door de stroom werd meegevoerd. Tenslotte voorzagen de arbeiders een zinkstuk van sleepstutten, zodat de constructie kon worden voortgesleept naar de plek waar ze werd gezonken.

Afbeelding: Het vlechten van \"tuinen\" boven op een zinkstuk, 1950. Door van Oorschot / Anefo, CC0, via Wikimedia Commons.

Afbeelding: het vlechten van de tuinen. Bron: [Zink- en aanverwante werken, benevens het hoe en de wijze waarop](https://repository.tudelft.nl/islandora/object/uuid%3A1ed44c19-ee2a-450d-bc3c-6e377cae54ef), B. Hakkeling, 1970.

Het zinken van een zinkstuk

Nadat een zinkstuk naar de bestemming was gesleept en afgemeerd, lieten de werkmannen het bouwwerk tot op de bodem afzinken. Daartoe verzwaarden ze het met stenen en puin. Dit zware werk gebeurde met de hand. Rijen mannen namen plaats op loopplanken, waarbij zij één voor één stenen van 10 tot 30 kg doorgaven. Arbeiders met kruiwagens vervoerden puin vanaf het land of schepten het rechtstreeks van een boot op het zinkstuk.

Op zee was voor het afzinken van één vierkante meter zinkstuk ruwweg 200 kg steen nodig. Het meeste gewicht werd aan de randen geplaatst om te voorkomen dat het zinkstuk tijdens het zinken zou kantelen. Zodra de structuur de bodem had bereikt, voegde men er nog eens 1.000 kg zwaardere stenen aan toe. Op rivieren was minder gewicht nodig: ongeveer 120 kg per vierkante meter om een zinkstuk te laten zinken en ongeveer 300 kg om het op zijn plaats te houden. Het vinden van voldoende stenen was een stuk problematischer dan het vinden van rijshout, omdat puin en stenen per schip van ver moesten worden aangevoerd.

Zinkstukken konden alleen worden afgezonken in een kalme zee met weinig stroming – de juiste timing was dus cruciaal. Er werd optimaal gebruik gemaakt van stil water, de korte periode tussen eb en vloed. Ook al betekende dit dat er ’s nachts moest worden gewerkt.

Afbeelding: Arbeiders plaatsen zinkstukken voor de aanleg van sluizen in het Haringvliet bij Hellevoetsluis, 1956. Door Anefo, CC0.

Afbeelding: Het afzinken van een zinkstuk, 1968. Nationaal Archief, CC0.

Afbeelding: Versterking van de boulevard van Vlissingen, 1958. Door Anefo, CC0.

Afbeelding: Versterking van de dijk bij Ouwerkerk op Duiveland, 1953. Door Joop van Bilsen / Anefo, CC0.

Afbeelding: het afzinken van een zinkstuk. Bron: [Zink- en aanverwante werken, benevens het hoe en de wijze waarop](https://repository.tudelft.nl/islandora/object/uuid%3A1ed44c19-ee2a-450d-bc3c-6e377cae54ef), B. Hakkeling, 1970.

Voorbereiding van het afzinken van een fascine matras. Bron: [Holland's rijshout](https://repository.tudelft.nl/islandora/object/uuid%3A72029c69-9567-4ad9-8883-ff428cf7d68b), L.G. van Breen, 1920.

Afbeelding: het verankeren van een zinkstuk. De sleepproppen zijn duidelijk te zien in de voorgrond. Joop van Bilsen / Anefo, CC0.

Overlappende zinkstukken

Een zinkstuk op de juiste plaats laten landen was een uitdaging. Het was moeilijk om het bouwwerk met precisie te laten zakken. Volgens sommige bronnen was er vaak 2-5 meter ruimte gepland tussen aangrenzende zinkstukken. Overlappende constructies moesten worden vermeden omdat de stroming het bovenstuk zou kunnen omverwerpen.

Gerrit Jan Schiereck, gepensioneerd hoogleraar waterbouwkunde en oud-medewerker van de Nederlandse dienst Publieke Werken, is het echter niet eens met dit advies: “In tegenstelling tot wat in sommige boeken wordt beweerd, was het noodzakelijk dat zinkstukken elkaar gedeeltelijk overlapten”. ¹

Niet alle zinkstukken waren rechthoeken. Bij aansluiting op bestaande werken, in rivierbochten en bij andere onregelmatigheden konden de constructies de vorm aannemen van een trapezium of een onregelmatige vierhoek. Stukken met inspringende hoeken werden echter zoveel mogelijk vermeden.

Afbeelding: slecht geplaatste zinkstukken in de bocht van een rivier. Bron: [Zink- en aanverwante werken, benevens het hoe en de wijze waarop](https://repository.tudelft.nl/islandora/object/uuid%3A1ed44c19-ee2a-450d-bc3c-6e377cae54ef), B. Hakkeling, 1970.

Afbeelding: een collectie zinkstukken. [Holland’s rijshout](https://repository.tudelft.nl/islandora/object/uuid%3A72029c69-9567-4ad9-8883-ff428cf7d68b), L.G. van Breen, 1920.

Hakhoutplantages

Het gebruik van zinkstukken was nauw verbonden met de grootschalige productie van rijshout op hakhoutplantages. Zoals we in een vorig artikel hebben gezien, oogstten onze voorouders hout door bomen te knotten in plaats van ze om te hakken. De Nederlandse hakhoutplantages - de “grienden” - onderscheiden zich door hun “natte” bodems: hoge rivierstanden of getijdenwerking zetten het land af en toe onder water. In tegenstelling tot de meeste andere boomsoorten verdraagt de wilg zout water en (tijdelijk) natte voeten. De hakhoutplantages konden dus grond gebruiken die niet geschikt was voor landbouw.

In 1915 bestond ruwweg 14.000 hectare (140 km2) bos in Nederland uit getijden- of rivierhakhoutplantages, tegenover 85.000 hectare “gewone” hakhoutplantages, en 155.000 hectare hoog bos. De meeste plantages lagen langs buitendijkse riviermondingen en in de rivierengebieden van Zuid-Holland en Noord-Brabant. Het grootste complex lag in de Biesbosch. Meer dan 200 verschillende soorten wilgen werden gekweekt in getijden- en rivierhakhoutplantages. Op verarmde gronden plantten de Nederlanders elzenbomen tussen de wilgen. De vallende bladeren van de elzen bemestten de bodem en verhoogden de levensduur en de productie van de wilgenbomen.

Vaak werden de buitendijkse grienden omringd door een kade. Dit hield het water buiten tijdens een normaal getij. De plantage overstroomde alleen tijdens stormvloeden in de winter. Kleppen zorgden ervoor dat het water langzaam genoeg wegstroomde om het slib te laten bezinken en zo de bodem te bemesten. Greppels doorkruisten de plantages en dienden voor de afwatering - stilstaand water was schadelijk voor de bomen. De arbeiders gebruikten ook de smalle kanalen om het rijshout per boot van de plantages te vervoeren. Andere grienden lagen binnendijks. Hier bepaalde het grondwaterpeil - beïnvloed door nabijgelegen rivieren - de omgeving voor de bomen.

Het oogsten van het hout was even arbeidsintensief als het vlechten van de zinkstukken. Het onderhoud werd volledig met de hand gedaan en concentreerde zich in de wintermaanden. De plantagearbeiders hakten het rijshout na het vallen van de bladeren en bonden de takken in bundels. Ze stopten ook nieuwe stekken in de grond, baggerden de greppels en verwijderden het hout. De meeste arbeiders op de hakhoutplantages waren dagloners in een periode van het jaar waarin er weinig werk was in de landbouw. Zij sliepen meestal in kleine schuilplaatsen of op kleine bootjes op de plantages. ²

Afbeelding: Buitendijks wilgenveld aan de Oude Maas (Carnisse Grienden). Door Ceinturion, (CC BY-SA 3.0).

Afbeelding: Biesbosch in 1908. Bron: [Willow mapping in the Brabant, Sliedrecht and Dordtse Biesbosch, 2012-2013](http://www.ecologischadviesbureaumaes.nl/429_I.pdf). National Park de Biesbosch, 2014.

Afbeelding: Een griend op de Anna-Jacominaplaat in 1950. Bron: [Wilgenkartering in de Brabantse, Sliedrechtse en Dordtse Biesbosch, 2012-2013](http://www.ecologischadviesbureaumaes.nl/429_I.pdf). Nationaal Park de Biesbosch, 2014.

Afbeelding: in een buitendijkse hakhoutplantage (1930-1950). Bron: [Wilgenkartering in de Brabantse, Sliedrechtse en Dordtse Biesbosch, 2012-2013](http://www.ecologischadviesbureaumaes.nl/429_I.pdf). Nationaal Park de Biesbosch, 2014.

Afbeelding: Een arbeidershut op een terp. Bron: Regionaal Archief Dordrecht. (CC-BY-SA 4.0).

Afbeelding: Woonboot in een hakhoutplantage. Bron: Regionaal Archief Dordrecht. (CC-BY-SA 4.0).

Evolutie in de jaren zestig

Na de catastrofale overstromingen van de jaren vijftig richtten de Nederlanders een werkgroep op om arbeidsbesparende en productieverhogende werkmethoden te onderzoeken. Het weven van de wiepen, een klus die ongeveer een derde van alle uren van het maken van een zinkstuk in beslag nam, was het eerste proces dat werd gemechaniseerd. Een “wiepenmachine” - die op een 2 PK dieselmotor liep - verscheen in 1956.

Deze machine kon 10.000 wiepen per week maken, wat genoeg materiaal opleverde voor 2.300 m2 zinkstukken. Vanaf de jaren 1950 gebruikten de Nederlanders ook kranen en trilgoten voor het verplaatsen van het puin, en ze bouwden kades om de zinkstukken op grote hellingen aan het water te vlechten. Daardoor werd de bouw van een zinkstuk onafhankelijk van de getijden en kon het werk beter worden georganiseerd. Ook de technieken voor het afzinken van de structuren evolueerden.

Ten slotte verminderde de uitvinding van geotextiel als adequaat zandfilter de behoefte aan hakhout. Dit was van cruciaal belang, omdat de bestaande productievelden van rijshout in het land op dat moment niet de hoeveelheden konden leveren die nodig waren voor het Delta-project. De Nederlandse grienden dienden verschillende doeleinden, en zinkstukken vormden slechts een kleine markt. Veel belangrijker was het weven van manden en kratten, en vooral de bouw van hoepels voor het maken van haringtonnen, een belangrijk exportproduct in Nederland in die tijd.

De Nederlanders gebruikten het afvalmateriaal van de hoepelmakerij voor het vlechten van zinkstukken. Na de Eerste Wereldoorlog verdrongen ijzeren banden en andere verpakkingsmaterialen de hoepelmakerij echter van de markt. Bovendien werd het door fossiele brandstoffen gemakkelijker om polders droog te houden, zodat er steeds minder grond beschikbaar was voor hakhoutplantages. Van de 14.000 hectare grienden die in 1915 werden aangeplant, was in 1983 nog slechts 2.000 hectare over.

Het gebruik van traditionele zinkstukken - zonder geotextiel - verdween niet helemaal. Zij worden nog steeds gebruikt in natuurreservaten en genieten de laatste tijd een hernieuwde belangstelling. Bij de productie van staal, beton en plastic komen koolstofemissies vrij en ontstaan ook andere vormen van vervuiling. Traditionele zinkstukken daarentegen onttrekken koolstof aan de atmosfeer en slaan die gedurende enkele eeuwen op de zeebodem op. Zonder enige verontreiniging of fossiele brandstoffen.

Met dank aan Gerrit Jan Schiereck en Bart Schultz.

Bronnen:

De Bruin, Dick, and Bart Schultz. “A simple start with far‐reaching consequences.” Irrigation and Drainage: The journal of the International Commission on Irrigation and Drainage 52.1 (2003): 51-63.

Zink- en aanverwante werken, benevens het hoe en de wijze waarop, B. Hakkeling, 1970.

JW van Westen, Ontwerp en uitvoering van zinkwerken, 1969.

Holland’s rijshout, L.G. van Breen, 1920.

J.A.M. Schepers, Een landelijk overzicht van de grienden, 1988

Getijdenbossen, F.W. Rappard, 1971

Rijshout-, riet- en stroconstructies, J.C Visser 1954

Stroomzinken 1967-1968, H.Y. Wenning

De teelt van griend- en teenhout in nederland en het naburige vlaanderen. DWP Wisboom van Giessendam, 1878.

Geschiedenis van de techniek in nederland. De wording van een moderne samenleving. 1800-1890, deel III. H.W. Lintsen, 1993.

Wilgenkartering in de Brabantse, Sliedrechtse en Dordtse Biesbosch, 2012-2013. Nationaal Park de Biesbosch, 2014.

Telefoongesprek op 2 november 2021. ↩︎
Voor zover ik heb kunnen achterhalen, is het grote zinkstuk vrijwel uitsluitend een Nederlandse technologie. Nederlandse ingenieurs als Johannis de Rijke introduceerden het zinkstuk echter ook in Japan tijdens de Meiji periode (1868-1912). Ze werden gemaakt van bamboe. Enkele jaren geleden gebruikten de Japanners deze technologie nog in de Hokuriku-regio. Ook in het huidige België (rond Bornem) en Polen bestonden getijden hakhoutplantages, maar deze leverden alleen materiaal voor mandenmakers. ↩︎

Kan het verbranden van biomassa weer duurzaam worden?

Sun, 20 Sep 2020 00:00:00 +0000

Knotbomen in Duitsland. Afbeelding: René Schröder (CC BY-SA 4.0).

Hoezo is het omhakken van bomen duurzaam?

Wie tegenwoordig de verbranding van biomassa aanmoedigt als duurzaam alternatief voor het gebruik van fossiele brandstoffen, wordt met pek en veren de stad uitgejaagd. Hier is bijvoorbeeld een greep uit de reacties op (de Engelstalige versie van) het artikel over thermo-elektrische kachels:

“Zoals de recente film “Planet of the Humans” aantoont, is biomassa (m.a.w. dode bomen) absoluut geen hernieuwbare energiebron, ook al wordt het door de E.U. wel op die manier geclassificeerd.”
“Hoezo is het omhakken van bomen duurzaam?”
“Het artikel vergeet te vermelden dat een houtkachel meer CO2 produceert dan een kolencentrale per ton hout/kool die wordt verbrand.”
“Dit is pure waanzin. Bomen verbranden om onze CO2-voetafdruk te verkleinen, is oxymoronisch.”
“De CO2-voetafdruk op zich is al gruwelijk.”
“Het grootste probleem met het verbranden van eender wat, is dat het na verbranding voor altijd verdwenen is.”
“De enige dwaze vraag die ik kan toevoegen aan dit dwaze stuk is: waar komt al dat hout vandaan?”

In tegenstelling tot wat de commentaren suggereren, promoot het artikel niet het gebruik van biomassa als energiebron. Het argumenteert dat wanneer er sowieso hout als energiebron wordt opgestookt – wat voor ongeveer 40 % van de wereldbevolking dagelijkse realiteit is – er net zo goed elektriciteit uit die warmte kan worden gehaald, als bijproduct. Dat kan dus met een thermo-elektrische generator. Maar ook dat deed de critici niet van mening veranderen. Eén van hen schreef: “We moeten proberen om het verbranden van hout globaal te elimineren in plaats van het aantrekkelijker te maken.”

Kortom, biomassa wordt tegenwoordig als een inherent problematische energiebron beschouwd – vergelijkbaar met fossiele brandstoffen. En dat is bizar, want het gaat in tegenstelling tot fossiele brandstoffen wel degelijk over een hernieuwbare brandstof. Voor alle duidelijkheid: de critici hebben gelijk als ze stellen dat de productie van biomassa allesbehalve duurzaam verloopt. Maar die praktijken zijn het gevolg van een relatief recente, industriële vorm van bosbouw. Kijken we naar historische vormen van bosbeheer, dan wordt al snel duidelijk dat biomassa potentieel de meest duurzame energiebron is die er op deze planeet bestaat.

Hakhout: hout oogsten zonder bomen te doden

Vandaag de dag wordt het meeste hout geoogst door bomen te doden. Wij vinden dat normaal, maar voor de Industriële Revolutie werd hout van levende bomen geoogst. Ze werden niet omgehakt, maar geknot. Dit zogenaamde “hakhoutbeheer” is gebaseerd op de natuurlijke capaciteit van veel loofboomsoorten om uit hun stam of wortels nieuwe groei te ontwikkelen, bijvoorbeeld als gevolg van schade door vuur, wind, sneeuw, dieren, pathogenen of (op hellingen) vallende stenen. Voor de productie van hakhout worden bomen laag bij de grond afgezaagd, waarna er uit de basis – de ‘stoel’ of de ‘stoof’ – meerdere nieuwe scheuten ontstaan die samen tot een meerstammige boom uitgroeien.

Afbeelding: Een hakhoutstoof. Bron: Geert Van der Linden.

Een recent gehakte groep eikenbomen. Bron: Henk vD. (CC BY-SA 3.0)

Hakhoutstoven in Surrey, Engeland. Bron: Martinvl (CC BY-SA 4.0)

Wanneer we ons een bos of een houtplantage voorstellen, dan denken wij aan een landschap vol hoge bomen. Maar tot aan het begin van de twintigste eeuw werden ongeveer de helft van alle Europese bossen geknot, wat een heel ander landschap opleverde. ¹ Uit archeologisch onderzoek blijkt dat het gebruik van hakhout terug gaat tot de Steentijd, toen het werd gebruikt om paalwoningen en voetpaden in moerassen aan te leggen. De duizenden takken die daarvoor nodig waren, moesten allemaal even groot zijn, iets wat zonder het beheerst snoeien van bomen onmogelijk was. ²

Kaarten: Schets van de historische verspreiding van hakhoutbossen in Tsjechië (boven) en in Spanje (onder). Bron: \"Coppice forests in Europe\", zie [^1]

Deze techniek vormde sindsdien de standaard aanpak voor (brand)houtproductie –- niet enkel in Europa maar over de hele wereld. Het gebruik van hakhout breidde zich sterk uit in de achttiende en negentiende eeuw omdat de snelgroeiende bevolking en industrie (productie van glas, ijzer, tegel en kalk) de houtreserves onder druk zetten.

Een korte kapcyclus

Omdat de jonge scheuten van een geknotte boom kunnen profiteren van een welontwikkeld wortelsysteem, kan er sneller hout worden geproduceerd dan in het geval van een hoogstammige boom. Of, juister: hoewel het fotosynthetische rendement hetzelfde blijft, produceert een hoge boom meer biomassa ondergronds (in de wortels) terwijl een geknotte boom meer biomassa produceert bovengronds (in de scheuten) – en dat laatste is uiteraard een stuk praktischer. ³ Deels omwille van deze reden was hakhoutbeheer gebaseerd op korte kapcyclussen: er werd meestal om de twee tot vier jaar gekapt, hoewel er ook kortere (om het jaar) en langere (tot 15 jaar) kapcyclussen werden toegepast.

Hakhoutstoven met verschillende kapcyclussen. Foto: Geert Van der Linden.

Dankzij de korte kapcyclussen was een hakhoutbos een snelle, regelmatige en betrouwbare bron van brandhout. Een hakhoutbos werd vaak in verschillende gelijkmatige compartimenten opgedeeld die overeenstemden met het aantal jaren in een cyclus. Werden de scheuten bijvoorbeeld om de drie jaar geoogst, dan deelde men het bos op in drie delen en werd elk jaar uit een ander deel hout geoogst .

Het gebruik van korte kapcyclussen betekende ook dat het slechts enkele jaren duurde vooraleer de koolstofdioxide, vrijgekomen door het verbranden van het hout, gecompenseerd werd door de koolstofdioxide die werd opgenomen door de jongen scheuten. Dat maakte een hakhoutbos werkelijk CO2-neutraal. In erg korte kapcycli kwam het zelfs voor dat de jonge scheuten klaar waren voor de oogst terwijl de vorige oogst net voldoende droog was om te verbranden.

Bij sommige boomsoorten groeien na verloop van tijd steeds minder scheuten uit de ‘stoven’. Deze bomen werden dan omgehakt en vervangen door nieuwe bomen. Een andere mogelijkheid was het overschakelen naar een langere kapcyclus, zodat de bomen meer tijd kregen om nieuwe scheuten te ontwikkelen. Andere boomsoorten blijven dan weer nieuwe scheuten produceren, ongeacht de leeftijd van de boomstam. In een rijke bodem met goede bewatering kunnen ze op die manier eeuwenlang nieuw hout aanleveren. Overlevende houtstoven vandaag kunnen wel meer dan duizend jaar oud zijn.

Biodiversiteit

Hakhoutbeplantingen kunnen zowel een ‘bos’ of een ‘plantage’ worden genoemd, maar in feite zijn ze niet het één en niet het ander. Hoewel ze door mensen onderhouden worden, brengen hakhoutbossen of -plantages geen schade toe aan de omgeving, integendeel. Ze kunnen een rijkere biodiversiteit bezitten dan niet-onderhouden bossen, omdat ze uit verschillende zones bestaan met andere groeistadia en een andere lichtinval. Hakhoutbeplantingen hebben uiteraard ook een rijkere biodiversiteit dan industriële houtplantages, waar weinig of geen dieren en planten voorkomen, en die langere kapcyclussen hanteren.

Houthakstoven in Nederland. Foto: K. Vliet (CC BY-SA 4.0)

Zoete kastanjehoutstoven in Flexham Park, Sussex, England. Foto Charlesdrakew, publiek domein.

Dit alles wil niet zeggen dat onze voorouders nooit grote bomen omhakten. Het verschil is dat ze dat alleen maar deden wanneer grote stammen of planken nodig waren, bijvoorbeeld om schepen, gebouwen, bruggen en windmolens te bouwen. ⁴ Hakhoutbossen konden ook een aantal hoge bomen bevatten, terwijl de andere bomen errond wel regelmatig gesnoeid werden. Bovendien werden hoge bomen soms deels gesnoeid, bijvoorbeeld door het regelmatig oogsten van hun zijtakken.

Multi-inzetbare bomen

De archetypische, industriële houtplantage bevat evenwijdige, regelmatige rijen bomen van dezelfde leeftijd en dezelfde soort. Deze monocultuur genereert ook een voorspelbare output: ofwel hout om mee te bouwen, houtpulp voor papierproductie, of brandstof voor energiecentrales. Een hakhoutbos is daarentegen veel diverser en de bomen hebben meerdere functies tegelijk: ze produceren brandhout, bouwmaterialen én veevoer.

De lengte van de kapcyclus stond in relatie tot de gewenste houtafmetingen, die dan weer bepaald werden door de toepassing van het hout. Aangezien niet elk type hout geschikt was voor elke type gebruik, bestonden hakhoutbossen daarom vaak uit een variëteit aan boomsoorten en bomen met verschillende leeftijden. Er konden zelfs takken van verschillende afmetingen en met verschillende kapcycli op eenzelfde stoof worden gekweekt. Als de economische activiteit veranderde, dan konden ook de kapcycli worden aangepast.

Een klein houtperceel -- een \"geriefhoutbosje\" -- met een mix van hakhout, knotbomen en gewone bomen. Foto: Geert Van der Linden.

Gemeenschappen gebruikten hakhout om nagenoeg alles te bouwen wat ze nodig hadden. ⁵ Jonge wilgenscheuten zijn bijvoorbeeld erg flexibel en dus ideaal om manden en kratten mee te weven. Het snoeisel van de zoete kastanje, dat tijdens het drogen niet uitzet of krimpt, werd gebruikt om allerlei soorten tonnen en vaten mee te maken. Es en boswilg, die groot en stevig hout produceren, werden ingezet om de handvaten van borstels, bijlen, rieken, spaden en andere gereedschappen te vervaardigen.

Jonge takken van de hazelaar werden over hun gehele lengte gesplitst en tussen de houten spijlen van bouwwerken gevlochten (vitselstek) om vervolgens met leem en koeienmest opgevuld en afgewerkt te worden (dat heet in Vlaanderen “plak-en-stak”). Hazelaarscheuten hielden ook strooien en rieten daken bij elkaar. Elzen en wilgen, die onder water heel lang meegaan, werden gebruikt als funderingspalen en oeverversterkingen. Het constructiehout dat uit de hakhoutbossen werd geoogst, had geen negatieve invloed op de voorraad brandhout: omdat de artefacten vaak lokaal werden gebruikt, konden ze aan het einde van hun leven als brandhout worden gebruikt.

Bladvoeding oogsten in de Leikanger commune, Noorwegen. Foto: Leif Hauge. Bron: [^19]

Hakhoutbossen produceerden ook heel wat voedsel. Aan de ene kant voorzagen ze de mensen van fruit, bessen, truffels, noten, paddenstoelen, kruiden, honing en wild. Aan de andere kant vormden ze in de winter een belangrijke bron van veevoeder voor de boerderijdieren. Voor het begin van de Industriële Revolutie werden veel schapen en geiten gevoed met zogenaamd “bladvoeder” of “bladhooi” – blaadjes met of zonder takjes. ⁶

Iepen (olmen) en essen zijn de meest voedzame varianten. Schapen kregen ook linde, hazelaar, vogelkers, berk en zelfs eik te eten, terwijl geiten ook met bladeren van de els gevoed werden. In meer bergachtige regio’s kregen ook paarden, koeien, varkens en zijderupsen bladeren. Bladvoeder werd in cyclussen van drie tot zes jaar geproduceerd, wanneer de takken het hoogste ratio bladeren tegenover hout produceerden. Nadat de dieren de bladeren hadden opgegeten, werden de takken als brandhout gebruikt.

Knotbomen & kaphagen

De jonge scheuten van hakhoutstoven zijn door grazende dieren zeer gegeerd. Daarom werden hakhoutbossen vaak voor dieren afschermd door er grachten, hekken of hagen rond te zetten. Het hoger knotten van bomen liet daarentegen toe om dieren en bomen het land te laten delen. Het enige verschil tussen hakhoutstoven en knotbomen is dat de laatsten niet vlak boven het maaiveld maar op een hoogte van ongeveer twee meter worden geknot. De jonge scheuten zijn dan onbereikbaar voor de grazende dieren.

Verschillende snoeimethoden. Illustratie: Helen J. Read, zie bron [^1].

Geknotte bomen in Segovia, Spanje. Foto: [Ecologistas en Acción](https://www.ecologistasenaccion.org/35724/).

Tijdens de herfst werden varkens in bossen van geknotte eiken gestuurd om er zich te voeden met de gevallen eikels. Dit systeem vormde in Europa eeuwenlang het fundament van de productie van varkensvlees. ⁷ “Hoogstamboomgaarden” combineerden fruitteelt met veeteelt: de geknotte fruitbomen voorzagen de dieren van schaduw zonder dat die het fruit te pakken kregen. Bovendien bemesten de dieren de bodem waarin de bomen groeien.

Bos of weiland? Iets ertussenin. Een “dehesa” (varkensbosboerderij) in Spanje. Foto: Basotxerri (CC BY-SA 4.0).

Vee graast tussen geknotte bomen in Huelva, Spanje. (CC BY-SA 2.5)

Eenhoogstamboomgaard omringd door een levende haag in Rijkhoven, België. Foto: Geert Van der Linden.

Hoewel landbouw en bosbouw nu strikt gescheiden activiteiten zijn, was dat vroeger heel anders: de boerderij was het bos en omgekeerd. Het zou zinvol zijn deze twee opnieuw samen te brengen aangezien landbouw en veeteelt – niet houtproductie – de grootste oorzaken zijn van ontbossing. Als bomen dieren kunnen voeden, dan moeten vlees- en zuivelproductie niet leiden tot grootschalige ontbossing. En als gewassen in velden met bomen kunnen worden gekweekt, dan hoeft ook de landbouw niet tot ontbossing te leiden. Bosboerderijen zouden bovendien dierenwelzijn, bodemvruchtbaarheid en erosiebestrijding bevorderen.

Lijnbeplantingen

Grootschalige hakhoutplantages werden vaak als een gemeenschapsgrond of “meent” onderhouden. Maar hakhoutbeheer werd niet uitsluitend in bossen op grote schaal toegepast. Ook individuele huishoudens plantten hakhout aan. Dat gebeurde vaak als lijnbeplanting rondom boerenerven, velden en weilanden, of naast gebouwen, paden, wegen en waterlopen. Hakhout verscheen hier ook in de vorm van dichtbeplante hagen. ⁸

Haaglandschappen in Normandië, Frankrijk, rond 1940. Foto: W Wolny, publiek domein.

Lijnbeplantingen in Vlaanderen, België. Detail van de Ferraris-kaart, 1771-78.

Hoewel lijnbeplantingen meestal geassocieerd worden met Engeland, kwamen ze in ongeveer heel Europa voor. In 1804 drukte de Britse historicus Abé Mann zijn verbazing uit over het landschap in Vlaanderen: “Alle velden zijn omsloten met hagen, en dichtbeplant met bomen, tot op het punt dat het hele uitzicht van het land, vanop een zekere hoogte aanschouwd, uit één groot bos lijkt te bestaan.” Typisch voor de regio waren de grote hoeveelheden knotbomen. ⁸

Net als hakhoutbossen waren lijnbeplantingen divers van aard en voorzagen ze mensen van brandhout, bouwmaterialen en bladvoer voor dieren. Maar in tegenstelling tot hakhoutbossen hadden ze vanwege hun locatie ook andere functies. ⁹ Eén daarvan was het scheiden van akkers en velden: lijnbeplantingen hielden boerderijdieren op de weide, terwijl ze tegelijk wilde dieren of grazend vee van gemeenschappelijke gronden buiten hielden. De hagen konden met verschillende technieken ondoordringbaar worden gemaakt, zelfs voor kleine dieren zoals konijnen. Rondom weilanden konden rijen van dicht op elkaar geplante knotbomen (“kaphagen”) grote dieren zoals koeien tegenhouden. ⁸

Detail van een taxushaag. Foto: Geert Van der Linden.

Een heg. Foto: Geert Van der Linden.

Een kaphaag in Nieuwekerken, België. Foto: Geert Van der Linden.

Hakhoutstoven in een weiland. Foto: Jan Bastiaens.

Individuele bomen en lijnbeplantingen boden ook bescherming tegen het weer. Lijnbeplanten beschutten velden, boomgaarden en moestuinen tegen de wind, die bodemerosie veroorzaakt en jonge gewassen beschadigt. In warme klimaten beschermden bomen landbouwgewassen tegen de zon en bevruchtten ze tegelijk de bodem. Geknotte lindes, die een erg dichte bladgroei hebben, werden vaak vlak naast bouwwerken geplaatst, om ze te beschermen tegen wind, regen en zon. ¹⁰

Mesthopen werden door één of meerdere bomen beschermd om te voorkomen dat zon of wind de kostbare grondstof deed slinken. Op het erf van een watermolen werd het houten wiel van de molen door een boom afgeschermd opdat het niet zou krimpen of uitzetten in tijden van droogte of inactiviteit. ⁸

Een geknotte boom beschermt een waterrad. Foto: Geert Van der Linden.

Geknotte lindebomen beschermen een boerderij in Nederbrakel, België. Foto: Geert Van der Linden.

Locatie is belangrijk

Langs paden, wegen en waterlopen vervulden bomen en lijnbeplantingen vaak dezelfde locatie-specifieke functies als op boerderijen. Koeien en varkens werden over speciaal daarvoor ingerichte paden geleid, die omlijnd waren door hagen, hakhout en knotbomen. Toen de trein in het landschap verscheen, voorkwamen lijnbeplantingen botsingen met dieren. Langs wegen beschermden rijen van struiken en bomen wandelaars tegen het weer. Bovendien markeerden ze de weg bij sneeuwval. Lijnbeplantingen gingen ook bodemerosie tegen aan oevers en holle wegen.

Deze functies van lijnbeplantingen konden in principe ook door houten hekken worden vervuld, die een aantal voordelen hebben ten opzichte van levende hagen. Ze zijn sneller te bouwen, makkelijker te verplaatsen, nemen minder plaats in, en nemen geen licht en voedsel af van landbouwgewassen op de akkers. ¹¹ Toch was de levende haag in een context van houtschaarste een beter idee, en soms zelfs een verplichting. Een levende haag levert immers voortdurend hout op, terwijl een houten hekwerk net een voortdurende houtconsumptie met zich meebrengt. Hoewel een hek op korte termijn tijd en ruimte bespaart, impliceert het wel dat het hout voor de constructie en het onderhoud elders uit de omgeving moet worden gehaald.

Kaphaag in België. Foto: Geert Van der Linden.

Het lokaal gebruik van hout werd gemaximaliseerd. Zo was de boom die naast het waterrad van een molen werd gepland, niet zomaar eender welke boom. Het was een Rode kornoelje of een iep, omdat het hout daarvan uitermate geschikt was om onderdelen voor het raderwerk te bouwen. Was er een onderdeel aan vervanging toe, dan kon het constructiehout meteen vlak naast de molen worden geoogst. Vanuit eenzelfde idee werden lijnbeplantingen langs zandwegen gebruikt om in het onderhoud van die wegen te voorzien. De jonge scheuten werden in bundels samengebonden en gebruikt als fundering of om gaten mee op te vullen. Omdat de bomen geknot of afgezet werden in plaats van omgehakt, stond het ene gebruik het andere nooit in de weg.

Als mensen vandaag de dag ijveren voor het aanplanten van meer bomen, dan wordt er weinig of geen aandacht besteed aan de precieze locatie van die bomen. Doelstellingen worden geformuleerd in termen van beboste oppervlakte of aantallen bomen. Maar zoals deze voorbeelden aantonen, kan het kiezen van de juiste locatie het potentieel van bomen nog veel groter maken.

Door schaarste gevormd

Hakhoutbeheer is grotendeels verdwenen in industriële samenlevingen, hoewel knotbomen nog wel terug te vinden zijn in straten en parken. Hun snoeisel wordt nu als afval beschouwd, terwijl het vroeger een hele gemeenschap van energie, materiaal en voedsel kon voorzien. Als hakhoutbeheer zo veel voordelen had, waarom is het dan verdwenen? Het antwoord is simpel: fossiele brandstoffen. Onze voorouders maakten gebruik van hakhout omdat ze niet over fossiele brandstoffen beschikten, en wij maken geen gebruik van hakhout omdat we wel toegang hebben tot fossiele brandstoffen.

Om te beginnen hebben fossiele brandstoffen de plaats van hout ingenomen als bron van energie en materialen. Kolen, gas en olie hebben brandhout vervangen om te koken, te verwarmen, en industriële processen uit te voeren. Metaal, beton en baksteen – materialen die al vele eeuwen bestaan – werden pas op grote schaal als alternatief voor hout ingezet toen ze met fossiele brandstoffen konden worden geproduceerd. Later kwam daar ook plastic bij.

Het zijn de beperkingen van menskracht en dierkracht die de methode van hakhoutbeheer hebben gecreëerd en gevormd.

Kunstmest, een product van fossiele brandstoffen, gaf een flinke boost aan het telen van veevoeder, terwijl op fossiele brandstoffen werkende transportmiddelen een wereldwijde handel in veevoeder stimuleerden. Dat maakte bladvoer overbodig. De mechanisering van de landbouw – aangestuurd door fossiele brandstoffen – leidde ertoe dat gewassen op veel grotere schaal kon worden verbouwd, wat betekende dat bomen en lijnbeplantingen plaats moesten ruimen om grotere machines te kunnen inzetten.

Minder vanzelfsprekend, maar minstens even belangrijk, is het feit dat fossiele brandstoffen de bosbouw zelf tot een industrie hebben omgevormd. Het oogsten, bewerken en transporteren van hout is vandaag volledig afhankelijk van fossiele brandstoffen, terwijl hetzelfde werk in vroegere tijden volledig door mensen en dieren werd gedaan – en die haalden hun brandstof zelf uit biomassa. Het zijn de beperkingen van menskracht en dierkracht die de methode van hakhoutbeheer hebben gecreëerd en gevormd.

Het oogsten van hout van knotbomen in België, 1947. Foto : Zeylemaker, Co., Nationaal Archief (CCO)

Brandhout transporteren in het Baskenland. Bron: Notes on pollards: best practices' guide for pollarding. Gipuzkoaka Foru Aldundía-Diputación Foral de Giuzkoa, 2014.

Hout werd manueel geoogst en bewerkt, gebruikmakend van eenvoudige gereedschappen zoals hak- en kapmessen, beugelhaken, bijlen en (later) zagen. Omdat de arbeidsintensiteit van het manuele houthakken toeneemt met de stamdiameter, was het goedkoper en praktischer om meerdere kleine takken te oogsten in plaats van grote bomen om te hakken. Bovendien was het nadien niet nodig het hakhout te splitsen. De scheuten werden op een lengte van 1 meter afgesneden en samengebonden in takkenbossen, wat een handig formaat was.

Voor het transport van brandhout waren onze voorouders afhankelijk van karren die over vaak slechte wegen door dieren werden voortgetrokken. Tenzij het over water kon worden vervoerd, moest brandhout worden geoogst binnen een straal van maximum 15-30 km van de plaats van gebruik. ¹² Voorbij deze afstanden hadden de dieren meer energie nodig dan het vervoerde hout opleverde. In dat geval had het meer zin om brandhout te telen op de grond waarop de trekdieren graasden. ¹³

Er waren enkele uitzonderingen op deze afstandsregel. Sommige industriële activiteiten, zoals de productie van ijzer, konden naar verderliggende bossen verplaatst worden. Het transport van ijzer was economischer dan het transport van het brandhout dat nodig was om het ijzer te produceren. Maar doorgaans bevonden hakhoutbossen (en uiteraard ook lijnbeplantingen) zich in de directe omgeving van gemeenschappen.

Kortom, hakhoutbeheer ontstond in een context van beperkingen. Omwille van de snelle groei en het veelzijdig ruimtegebruik maximaliseerde hakhout de lokale houtvoorraad van een regio. Tegelijk maakten de kleine takken, dicht bij de grond, een manuele oogst en transport zo makkelijk mogelijk.

Kan hakhout gemechaniseerd worden?

Vanaf de twintigste eeuw deed de motorzaag haar intrede, en sinds de jaren 1980 wordt hout steeds vaker geoogst door machines die volledige bomen in slechts enkele minuten kunnen omleggen en in stukken zagen. Fossiele brandstoffen brachten ook sneller en goedkoper transport, dat eerder ontoegankelijke houtreserves bereikbaar maakte. Vandaag kan brandhout aan de ene kant van de wereld worden geproduceerd, en aan de andere kant worden geconsumeerd.

Het gebruik van fossiele brandstoffen produceert CO2 terwijl het bosbeheer uit vroegere tijden een compleet CO2-neutrale activiteit was. Maar nog belangrijker is dat fossiele brandstoffen de houtproductie veel grootschaliger hebben gemaakt. ¹⁴ Fossiel transport heeft de band doorgeknipt tussen vraag en aanbod, terwijl die vroeger de kern vormde van bosbeheer. Als de houtvoorraad beperkt is door de transportmogelijkheden, dan heeft een gemeenschap geen andere keuze dan er voor te zorgen dat vraag en aanbod voortdurend in balans zijn. Lukt dat niet, dan ontstaat er een tekort aan energie, materialen en voedsel.

Mechanisch gestuurde wilgenhoutplantage. Kort na de kap (rechts), drie jaar oude groei (links). Foto: Lignovis GmbH (CC BY-SA 4.0).

Op een vergelijkbare manier heeft de volledig gemechaniseerde bosbouw de schaal in dergelijke mate opgevoerd dat duurzaam en multifunctioneel gebruik van bomen onmogelijk is geworden. Als er grote machines worden ingezet, dan is het volledig omhakken van grote bomen veel economischer dan hakhoutbeheer. In de industriële bosbouw kan één arbeider tot wel 60m³ hout per uur oogsten. De manuele houthak kan niet standhouden in een economisch systeem dat de vervanging van menselijke arbeid door machines aanmoedigt.

Manuele houthak kan niet standhouden in een economisch systeem dat de vervanging van menselijke arbeid door machines aanmoedigt.

Een aantal wetenschappers en ingenieurs hebben dit proberen op te lossen door hakhout-oogstmachines te bouwen. ¹⁵ Maar mechanisatie zet hakhoutbeheer al gauw op glad ijs. De machines zijn enkel praktisch en winstgevend als ze op ietwat grotere terreinen (> 1 ha) bomen kunnen snoeien van dezelfde soort, dezelfde leeftijd en met éénzelfde doel (vaak brandstofhout voor stroomopwekking). Zoals we eerder zagen, sluit dit vele oudere vormen van hakhoutbeheer uit, zoals het gebruik van multifunctionele bomen en lijnbeplantingen. Voeg daar nog een transportvorm aan toe die op fossiele brandstoffen draait, en het resultaat is een type industrieel hakhoutbeheer dat niet noodzakelijk veel beter is dan de huidige industriële houtproductie.

Hakhout langs een beek in 's Gravenvoeren, België. Foto: Geert Van der Linden.

Duurzaam bosbeheer is in essentie lokaal en manueel. Dat betekent niet dat we het verleden exact moeten kopiëren om biomassa weer duurzaam te maken. De straal waarin hout wordt aangeleverd, kan bijvoorbeeld groter worden door transportvormen te gebruiken met een lage energiekost zoals vrachtfietsen of kabelbanen. Die zijn een stuk efficiënter dan paard en kar, en kunnen zonder fossiele brandstoffen werken. Ook handgereedschap is efficiënter en ergonomischer geworden. Motorzagen aangedreven door biobrandstof zijn ook een mogelijkheid. ¹⁶

Het verleden leeft verder

Dit artikel vergeleek de industriële productie van hout met historische vormen van bosbeheer in Europa, maar in feite is het niet nodig om in het verleden inspiratie te gaan zoeken. De gemeenschappen waar mensen nog steeds hout verbranden om te kunnen koken en verwarmen, zijn geen klanten van de industriële bosbouw. Ze oogsten hun brandhout op een manier die heel erg lijkt op hoe wij dat vroeger deden, hoewel de boomsoorten en het klimaat vaak erg kunnen verschillen. ¹⁷

Een studie uit 2017 berekende dat de houtconsumptie door mensen in “ontwikkelingsgebieden” – goed voor 55% van het houtgebruik wereldwijd en 9-15% van het totale globale energieverbruik – slechts voor 2-8% verantwoordelijk is voor de antropogene impact op het klimaat. ¹⁸ Waarom zo weinig? Omdat ongeveer twee-derde van het geoogste hout in ontwikkelingslanden duurzaam wordt geoogst, schrijven de onderzoekers. Mensen verzamelen voornamelijk dood hout, planten meer hout buiten de bossen, knotten en snoeien bomen, en verkiezen multifunctionele bomen, die veel te kostbaar zijn om zomaar om te hakken. De motieven zijn gelijk aan die van onze voorouders: zonder toegang tot fossiele brandstoffen zijn deze mensen afhankelijk van de lokale houtaanvoer, die manueel geoogst en vervoerd moet worden.

Afbeeldingen: Afrikaanse vrouwen dragen brandhout. (CC BY-SA 4.0)

Het probleem is niet dat biomassa op zichzelf een onduurzame energiebron is. Als de hele mensheid zou leven zoals de 40% die vandaag de dag nog steeds afhankelijk is van biomassa, dan zou er geen sprake zijn van een klimaatverandering. Het probleem is een energieslurpende levensstijl. Uiteraard kunnen we geen hoogtechnologische, industriële groeisamenleving ondersteunen met hakhout en lijnbeplantingen. Maar hetzelfde geldt natuurlijk ook voor wind- en zonne-energie, en op wat langere termijn ook voor uranium en fossiele brandstoffen.

Kathy Vanhout hielp bij de Nederlandse vertaling van dit artikel.

Verschillende bronnen: Unrau, Alicia, et al. Coppice forests in Europe. University of Freiburg, 2018. // Notes on pollards: best practices’ guide for pollarding. Gipuzkoako Foru Aldundia-Diputación Foral de Gipuzkoa, 2014. // A study of practical pollarding techniques in Northern Europe. Report of a three month study tour August to November 2003, Helen J. Read. // Aarden wallen in Europa, in “Tot hier en niet verder: historische wallen in het Nederlandse landschap”, Henk Baas, Bert Groenewoudt, Pim Jungerius and Hans Renes, Rijksdienst voor het Cultureel Erfgoed, 2012. ↩︎
Logan, William Bryant. Sprout lands: tending the endless gift of trees. WW Norton & Company, 2019. ↩︎
Holišová, Petra, et al. “Comparison of assimilation parameters of coppiced and non-coppiced sessile oaks”. Forest-Biogeosciences and Forestry 9.4 (2016): 553. ↩︎
Perlin, John. A forest journey: the story of wood and civilization. The Countryman Press, 2005. ↩︎
Handleiding voor het inventariseren van houten beplantingen met erfgoedwaarde. Geert Van der Linden, Nele Vanmaele, Koen Smets en Annelies Schepens, Agentschap Onroerend Erfgoed, 2020. Voor een goede (maar beknopte) referentie in het Engels, zie Rotherham, Ian. Ancient Woodland: history, industry and crafts. Bloomsbury Publishing, 2013. ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
Toen bladvoer over heel Europa gebruikt werd, was het vooral gebruikelijk in bergachtige regio’s zoals Scandinavië, de Alpen en de Pyreneëen. In Zweden in 1850 bijvoorbeeld consumeerden 1,3 miljoen schapen en geiten jaarlijks meer dan 190 miljoen bundels, waarvoor ten minste 1 miljoen hectare aan bladverliezend houtland geëxploiteerd werd, meestal in de vorm van knotbomen. De oogst van bladvoer is ouder dan het gebruik van hooi als wintervoer. Takken konden met stenen werktuigen versneden worden, terwijl gras bronzen of ijzeren gereedschappen vereiste. Terwijl het meeste knotten en hakken in de winter werd gedaan, gebeurde de oogst van de bladval logischerwijze in de zomer. Bundels vol bladvoer werden vaak in de geknotte bomen bewaard om te drogen. Bronnen: Logan, William Bryant. Sprout lands: tending the endless gift of trees. WW Norton & Company, 2019. // A study of practical pollarding techniques in Northern Europe. Report of a three month study tour August to November 2003, Helen J. Read. // Slotte H., “Harvesting of leaf hay shaped the Swedish landscape”, Landscape Ecology 16.8 (2001): 691-702. ↩︎
Wealleans, Alexandra L. “Such as pigs eat: the rise and fall of the pannage pig in the UK”. Journal of the Science of Food and Agriculture 93.9 (2013): 2076-2083. ↩︎
Deze informatie is gebaseerd op verschillende Nederlandstalige publicaties: Handleiding voor het inventariseren van houten beplantingen met erfgoedwaarde. Geert Van der Linden, Nele Vanmaele, Koen Smets en Annelies Schepens, Agentschap Onroerend Erfgoed, 2020. // Handleiding voor het beheer van hagen en houtkanten met erfgoedwaarde. Thomas Van Driessche, Agentschap Onroerend Erfgoed, 2019 // Knotbomen, knoestige knapen: een praktische gids. Geert Van der Linden, Jos Schenk, Bert Geeraerts, Provincie Vlaams-Brabant, 2017. // Handleiding: Het beheer van historische dreven en wegbeplantingen. Thomas Van Driessche, Paul Van den Bremt and Koen Smets. Agentschap Onroerend Erfgoed, 2017. // Dirkmaat, Jaap. Nederland weer mooi: op weg naar een natuurlijk en idyllisch landschap. ANWB Media-Boeken & Gidsen, 2006. // Een goede bron is het Engels is: Müller, Georg. Europe’s Field Boundaries: Hedged banks, hedgerows, field walls (stone walls, dry stone walls), dead brushwood hedges, bent hedges, woven hedges, wattle fences and traditional wooden fences. Neuer Kunstverlag, 2013. // Wanneer lijnbeplantingen voornamelijk werden gebruikt voor houtproductie, werden ze iets verder van elkaar geplant zodat er meer licht doorkon en er dus een hogere houtproductie mogelijk was. Werden ze eerder gebruikt als erf- en weide-afscheidingen, stonden ze dichter opeen geplant; De verminderde houtproductie werd dan gecompenseerd door een vollere groei. ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
In feite konden ook hakhoutbossen een locatie-specifieke functie vervullen: ze konden rondom steden of nederzettingen geplaatst worden om voor de vijand een ondoordringbaar obstakel te vormen, zowelte voet als te paard. De bossen kunnen door lukraak schieten niet even eenvoudig vernietigd worden, wat met muren en omwallingen wel het geval was. Bron: ⁵ ↩︎
Lindebomen werden zelfs gebruikt om brand te voorkomen. Ze werden net naast een bakkerij gebouwd om te voorkomen dat opspringende vonken naar hout- en hooistapels of rieten daken konden overspringen. Bron: ⁵ ↩︎
Het feit dat levende hagen en bomen moeilijker te verplaatsen zijn dan omheiningen van dood hout had ook zijn praktische voordelen. In Europa was er tot aan de Franse bezetting, geen landregister en werden grenzen fysiek in het landschap aangeduid. Het werk van een landmeter werd “ondertekend” met het planten van een boom, wat een stuk moeilijker is om stiekem te verschuiven dan een paal of een hek. Bron: ⁵ ↩︎
En, wanneer het hout wel over water over langere afstanden vervoerd kon worden, moest het hout evenwel niet verder dan 15-30km van de rivier of de kust geoogst kunnen worden. ↩︎
Sieferle, Rolf Pieter. The Subterranean Forest: energy systems and the industrial revolution. White Horse Press, 2001. ↩︎
Over de verschillende schalen van houtproductie, zie ook: Jalas, Mikko, and Jenny, Rinkinen. “Stacking wood and staying warm: time, temporality and housework around domestic heating systems”, Journal of Consumer Culture 16.1 (2016): 43-60. // Rinkinen, Jenny. “Demanding energy in everyday life: insights from wood heating into theories of social practice.” (2015). ↩︎
Vanbeveren, S.P.P., et al. “Operational short rotation woody crop plantations: manual or mechanised harvesting?” Biomass and Bioenergy 72 (2015): 8-18. ↩︎
Daarentegen kunnen kettingzagen een nefast effect hebben op sommige boomsoorten, zoals een verminderde groei or een grotere kans om ziektes over te dragen. ↩︎
Verschillende bronnen die refereren aan traditionele bosbouw-praktijken in Afrika: Leach, Gerald, and Robin Mearns. Beyond the woodfuel crisis: people, land and trees in Africa. Earthscan, 1988. // Leach, Melissa, and Robin Mearns. “The lie of the land: challenging received wisdom on the African environment.” (1998) // Cline-Cole, Reginald A. “Political economy, fuelwood relations, and vegetation conservation: Kasar Kano, Northerm Nigeria, 1850-1915.” Forest & Conservation History 38.2 (1994): 67-78. ↩︎
Meerdere referenties: Bailis, Rob, et al. “Getting the number right: revisiting woodfuel sustainability in the developing world.” Environmental Research Letters 12.11 (2017): 115002 // Masera, Omar R., et al. “Environmental burden of traditional bioenergy use.” Annual Review of Environment and Resources 40 (2015): 121-150. // Study downgrades climate impact of wood burning, John Upton, Climate Central, 2015. ↩︎

De thermo-elektrische kachel: een alternatief voor zonnepanelen?

Tue, 26 May 2020 00:00:00 +0000

Illustratie: [Diego Marmolejo](https://www.instagram.com/ddidak/).

Als de 2000 jaar oude windmolen de voorloper is van de hedendaagse windturbine, dan zijn de open haard en de houtkachel de nog oudere voorlopers van het moderne zonnepaneel. Net zoals zonnepanelen zetten bomen en andere planten zonlicht om in een voor de mens bruikbare energievorm. Een blok hout is niets meer of minder dan gestolde zonne-energie.

Doorheen de geschiedenis heeft het stoken van hout en andere biomassa huishoudens voorzien van thermische energie die gebruikt werd om te koken, te verwarmen, te wassen en te verlichten. Fotosynthese lag ook aan de basis van alle historische bronnen van mechanische energie. Biomassa was de “brandstof” voor mensen en dieren, en hout was ook het bouwmateriaal voor water- en windmolens.

De klassieke windmolen en de houtkachel produceren geen elektriciteit, maar beide kunnen eenvoudig worden aangepast om dat wel te doen. Het volstaat om een windmolen te verbinden met een elektrische generator, en een houtkachel uit te rusten met een thermo-elektrische generator.

De thermo-elektrische generator

Een thermo-elektrische generator (of TEG) lijkt erg op een foto-elektrische generator – wat we nu een “fotovoltaïsche cel” of zonnepaneel noemen. Een zonnepaneel zet licht rechtstreeks om in elektriciteit, terwijl een thermo-elektrische generator warmte rechtstreeks omzet in elektrciteit. ¹

Een thermo-eletrische generator bestaat uit een aantal baarvormige halfgeleiders, met elkaar verbonden door metalen stroken, en samengeperst tussen twee keramische platen die elektrisch isolerend maar thermisch geleidend zijn. ² Ze worden verkocht door producenten als Hi-Z, Tellurex, Thermalforce en Thermomanic.

Een thermoelektrische module. Afbeelding: Gerardtv (CC BY-SA 3.0)

Een thermoelektrische module. Toestemming tot gebruik van afbeelding verkregen, Applied Thermoelectric Solutions LLC, [How Thermoelectric Generators Work](https://thermoelectricsolutions.com/how-thermoelectric-generators-work/).

Als een thermo-elektrische module op het oppervlak van een houtkachel wordt bevestigd, zal hij elektriciteit produceren telkens wanneer de kachel wordt gebruikt om te koken of te verwarmen. In de experimenten die hieronder uitgebreider worden toegelicht, varieert het elektrisch vermogen per module tussen 3 en 19 watt.

Net als bij zonnepanelen kunnen de modules parallel en in serie met elkaar verbonden worden om het gewenste vermogen te krijgen. Tenminste, zolang er ruimte is op het oppervlak van de kachel. Net als bij zonnepanelen wordt de geproduceerde stroom gereguleerd door een laadregelaar en opgeslagen in een batterij zodat er ook stroom beschikbaar is wanneer de kachel niet brandt. Een thermo-elektrische kachel wordt vaak gecombineerd met elektrische toestellen die op gelijkstroom draaien. Dat beperkt het energieverlies van de omvormers.

Thermo-elektrische kachels kunnen bijna overal ter wereld worden gebruikt. Het meeste onderzoek is gericht op het globale Zuiden, waar bijna 3.000 miljoen mensen (40 % van de wereldbevolking) biomassa verbranden om te koken en om water te verwarmen. Sommige van deze huishoudens gebruiken een kachel of haardvuur ook om te verlichten (1.300 miljoen mensen hebben geen toegang tot elektriciteit) en om ruimtes te verwarmen in de koudere periodes van het jaar. Maar er is ook onderzoek gericht op huishoudens in industriële samenlevingen, waar biomassakachels vooral buiten de steden aan populariteit hebben gewonnen.

100% efficiënt

Sinds het thermo-elektrische effect voor het eerst werd beschreven door Thomas Seebeck in 1821, staan thermo-elektrische generatoren bekend om hun lage efficiëntie. ³⁴⁵⁶ Vandaag de dag bedraagt de efficiëntie van een thermo-elektrische module bij het omzetten van warmte in elektriciteit amper 5-6%, ruwweg drie keer lager dan dat van de meestgebruikte zonnepanelen. ⁴

Gecombineerd met een kachel doet de elektrische efficiëntie van zo’n module er echter niet zo toe, omdat de kachel toch al in gebruik is voor andere doeleinden. Als de module in staat is om 5% van zijn input in elektriciteit om te zetten, komt de overige 95 % nog steeds vrij als warmte. Wordt de kachel gebruikt om de ruimte te verwarmen, dan kan deze 95 % warmte niet als verlies beschouwd worden, want ze dient nog steeds haar oorspronkelijke doel. De totale systeemefficiëntie (warmte + elektriciteit) is wat telt . Met een speciaal ontwerp kan de hitte die vrijkomt bij de elektriciteitsomzetting ook hergebruikt worden om te koken of om water te verwarmen.

Betrouwbaarder dan zonnepanelen

Thermo-elektrische modules delen veel voordelen met zonnepanelen: ze zijn modulair, vragen weinig onderhoud, hebben geen bewegende onderdelen, zijn geruisloos en hebben een lange levensverwachting. ⁷ Bovendien hebben thermo-elektrische modules bijkomende voordelen ten opzichte van zonnepanelen, tenminste zolang er een (niet-elektrische) warmtebron aanwezig is die regelmatig wordt gebruikt.

Hoewel thermo-elektrische modules drie keer minder efficiënt zijn dan zonnepanelen, zijn thermo-elekrische kachels een betrouwbaarder bron van elektriciteit. Ze zijn namelijk minder afhankelijk van het weer, de seizoenen en het uur van de dag. In vakjargon: thermo-elektrische kachels hebben een hogere ’netto retentiefactor’ dan zonnepanelen.

Zelfs wanneer een kachel enkel wordt gebruikt om te koken en om water te verwarmen, dan garanderen deze dagelijkse huishoudelijke taken een betrouwbare elektriciteitsopbrengst – ongeacht het klimaat. Bovendien stemt de elektriciteitsproductie goed overeen met de huishoudelijke energievraag: elektrische stroom is meestal nodig wanneer de kachel wordt gebruikt. Zonnepanelen daarentegen produceren amper of geen elektriciteit op momenten waarop het huishoudelijke energieverbruik piekt.

Afbeelding: een thermo-elektrische generator op een petroleumlamp die een radio aandrijft, Soviet-Rusland, 1959. Bron: [The Museum of Retrotechnology](http://www.douglas-self.com/MUSEUM/POWER/thermoelectric/thermoelectric.htm).

Merk op dat al deze voordelen verdwijnen wanneer thermo-eletrische generatoren door direct zonlicht worden aangedreven. Thermo-elektrische generatoren op zonne-energie (“STEGS”), waarin de thermo-elektrische modules verwarmd worden door geconcentreerd zonlicht, zijn net zo afhankelijk van het weer als zonnepanelen. Hun lagere efficiëntie wordt dus niet gecompenseerd door een hogere betrouwbaarheid. ⁸⁹¹⁰

Minder energieopslag

Door de hogere betrouwbaarheid is er in vergelijking met zonnepanelen minder nood aan generatie- en opslagcapaciteit om nachten, donkere seizoenen of slecht weer te compenseren. De capaciteit van de batterij moet enkel groot genoeg zijn om elektriciteit op te slaan tussen twee stookbeurten.

Zonnepanelen en thermo-elektrische kachels kunnen ook worden gecombineerd, wat resulteert in een betrouwbaar autonoom systeem waarin relatief weinig energieopslag nodig is. Zo’n hybride systeem is vooral handig wanneer de kachel enkel gebruikt wordt om de ruimte te verwarmen. De thermo-elektrische modules verzorgen dan de energieproductie in de winter, terwijl de zonnepanelen het in de zomer overnemen.

Goedkoper te installeren, makkelijker te recycleren

Een tweede voordeel van een thermo-elektrische kachel is de eenvoudige installatie. Er moet niets op het dak worden vastgemaakt en er moeten geen kabels van binnen naar buiten lopen – alle onderdelen bevinden zich binnenshuis. Ook dieven krijgen minder kans om er met de energie-installatie vandoor te gaan – iets wat bij zonnepanelen in sommige delen van de wereld een groot probleem vormt.

Al deze factoren zorgen ervoor dat de stroom die een thermo-elektrische kachel produceert goedkoper en duurzamer is dan de energie afkomstig van zonnepanelen. Er is minder energie, materiaal en geld nodig om batterijen, modules en montagesystemen te fabriceren.

In termen van duurzaamheid is er een bijkomend voordeel: in tegenstelling tot zonnepanelen zijn thermo-elektrische modules relatief eenvoudig te recycleren. Hoewel bij zonnepanelen de silicium zonnecellen op zichzelf te recycleren zijn, zijn ze ingekapseld in een plastic film (meestal “EVA” of Ethyleenvinylacetaat/polyvinylacetaat) die absoluut noodzakelijk is om de langetermijnprestatie van de modules te verzekeren. ¹¹ Deze film verwijderen zonder de siliconencellen te vernietigen is technisch mogelijk, maar zo complex dat het recyclageproces zowel vanuit financieel als energetisch standpunt weinig aantrekkelijk is. ¹²¹³ Thermo-elektrische modules daarentegen bevatten helemaal geen plastic. ¹⁴¹⁵¹⁶

De modules koelen

De elektrische efficiëntie van een thermo-elektrische generator is niet enkel afhankelijk van de module zelf. Ze wordt ook in grote mate beïnvloed door het temperatuursverschil tussen de koude en de warme zijde van de module. Met de helft van het temperatuurverschil wordt slechts een kwart van het vermogen geleverd. Bijgevolg is de thermische regulatie van de generator een belangrijk aandachtspunt in het ontwerp van thermo-elektrische kachels. Een groter temperatuurverschil zorgt ervoor dat je met minder modules meer elektriciteit kan produceren.

Enerzijds betekent dit dat de modules best op de warmste plek van de kachel worden bevestigd. Bij de meeste kachels bedraagt de oppervlaktetemperatuur tussen 100 en 300 graden Celsius, terwijl de warme zijde van bismut-telluride modules (het meest betaalbare en efficiënte type) temperaturen verdraagt van 100 tot 350 graden Celsius, afhankelijk van het model.

Anderzijds is het de kunst om de temperatuur aan de koude zijde van de module zo laag mogelijk te houden. Hiervoor bestaan vier mogelijkheden: geforceerde luchtgekoelde of watergekoelde convectie – gebruikmakend van elektrische ventilatoren en pompen – en natuurlijke luchtgekoelde of watergekoelde convectie – gebruikmakend van passieve koeling die geen extra energieverbruik introduceert.

Actieve (geforceerde) koelsystemen hebben doorgaans een hogere efficiëntie – zelfs wanneer het energieverbruik van een ventilator of pomp mee in rekening wordt gebracht. Passieve systemen daarentegen zijn geruisloos en bovendien betrouwbaarder en goedkoper dan actieve koelsystemen. Wanneer een elektrische ventilator het begeeft, kan de module door oververhitting worden beschadigd. ¹⁷

Thermo-elektrische kachel met koellichaam

De eerste thermo-elektrische kachels werden in de vroege jaren 2000 gebouwd, hoewel er in de jaren 1950 reeds een gelijkaardig concept ontstond in de Sovjet-Unie. Daar werden voornamelijk elektrische radio’s door olielampen aangedreven. ⁶ In 2004 bouwde een team Libanese onderzoekers een gietijzeren houtkachel om tot een thermo-elektrische kachel door er een thermo-elektrische module aan te bevestigen. De module had een afmeting van 56 x 56 mm en was door de onderzoekers zelf gemaakt. ¹⁸ Het gaat om een relatief kleine en lichte kachel (52 x 44 x 29 cm, 40 kg) die vooral wordt gebruikt om te koken en om water en ruimtes te verwarmen.

Afbeelding: De gietijzeren kachel gebruikt in het experiment. [^18]

De onderzoekers bevestigden een gladde aluminiumplaat met een dikte van 1 cm op het warmste deel van het kacheloppervlak. Daarop monteerden ze de elektro-thermische module met aan de koude zijde een grote, geribde koelplaat (180 x 136 x 125 mm). Met een houtverbruik van 2,5 kg per uur (zacht dennenhout) bedroeg de vermogensopbrengst 4.2 watt. Als de kachel 10 uur per dag wordt gebruikt, dan kan er dus 42 watt-uur elektriciteit per dag worden geproduceerd – genoeg om de basisbehoeften te bevredigen van een Libanees gezin.

Afbeelding: TEG-installatie: details en plaatsing op de kachel. [^18]

Om de elektriciteitsopbrengst te verhogen, kunnen meerdere modules worden toegevoegd, al is het oppervlak van een kachel uiteraard beperkt. Bovendien verlaagt de efficiëntie naarmate er meer modules toegevoegd worden, omdat er dan minder warme plekken van de kachel moeten worden gebruikt. Een andere manier om de stroomproductie te vergroten is het gebruik van grotere koelelementen en/of duurdere koelelementen die beter warmte geleiden.

Thermo-elektrische kachel met ventilator

De meeste thermo-elektrische kachels die tot nu toe werden gebouwd – en de enigen die voorlopig commercieel verkrijgbaar zijn – gebruiken een elektrische ventilator om de module af te koelen, in combinatie met een veel kleiner koelelement. Hoewel een ventilator stuk kan gaan en een deel van de geproduceerde elektriciteit verbruikt, brengt het gebruik ervan extra voordelen die deze nadelen compenseren. De elektrische ventilator heeft immers een dubbele functie. Hij koelt de module, maar verhoogt ook de efficiëntie van de kachel door hete lucht in de verbradingskamer te blazen. Het verbruik van brandhout en de luchtvervuiling worden zo gehalveerd. Bovendien wordt het op die manier mogelijk om een stoof te installeren zonder een schoorsteen – een horizontale uitlaatpijp volstaat. ¹⁹

Deze door ventilatoren gekoelde thermoelektrische kachels maken het mogelijk om het brandstofverbruik en de luchtvervuiling te verminderen in rurale gebieden waar mensen geen toegang hebben tot elektriciteit, en niet de middelen hebben om een schoorsteen door het dak te bouwen.

Een studie van een kachel met geforceerde trek resulteerde in een vermogensopbrengst van 4,5 watt, waarvan 1 watt nodig is voor de ventilator. ²⁰ De netto energieproductie (3,5 watt) is lager dan die van een thermoelektrische kachel met enkel een koelplaat (4,2 watt), maar de kachel met ventilator verbruikt daarentegen slechts half zoveel brandhout. Met 1 kg hout per uur produceert de module 3,5 watt, terwijl de passief gekoelde kachel elk uur 2,5 kg hout opslokt om 4,2 watt energie te produceren.

Image: Thermo-elektrische kachel met ventilator. [^20]

Er zijn een handvol door een ventilator gekoelde thermo-elektrische kachels op de markt, vaak ontworpen voor rugzaktoeristen. Voorbeelden zijn de kachels van BioLite, Termomanic en Termefor, die een vermogensopbrengst beloven van 3 tot 10 watt, afhankelijk van het design en het aantal modules. ¹⁷

Thermo-elektrische kachel met waterkoeling

De meest efficiënte thermo-elektrische kachels zijn diegenen waar de koude kant van een module (of modules) gekoeld wordt door direct contact met een waterreservoir. Water heeft een lagere thermische weerstand dan lucht en koelt dus doeltreffender. Daarbij kan de temperatuur niet boven de 100 graden stijgen, wat de kans verkleint dat een module oververhit raakt en stuk gaat.

Image: Het werkingsprincipe van de thermo-elektrische kachel met waterkoeling. [^17]

Als thermo-elektrische modules watergekoeld zijn, draagt de restwarmte van de omzetting naar elektriciteit niet bij aan de verwarming van de ruimte, maar wel aan de verwarming van water voor huishoudelijk gebruik. Watergekoelde kachels kunnen actief zijn (gebruik makend van een pomp) of passief (zonder bewegende onderdelen). ¹⁷

De meeste thermo-elektrische kachels met passieve waterkoeling zijn klein en worden gebruikt om relatief kleine hoeveelheden water te verwarmen. Het is zelfs zo dat het vaak niet de kachel maar wel de kookpot is die van thermo-elektrische modules wordt voorzien. De PowerPot is een commercieel voorbeeld van zo’n kookpot voor rugzaktoeristen, waar op de onderkant een thermo-elektrische module is bevestigd. Als de pot op een vuur wordt neergezet, zou de module 5 tot 10 watt elektriciteit produceren.

Image: Multi-functionele houtkachel met passieve waterkoeling. [^22]

Franse onderzoekers ontwierpen een veel grotere thermo-elektrische kachel met passieve waterkoeling. Ze baseerden zich op een grote, multifunctionele houtkachel van Marrokaans ontwerp, gebouwd uit klei. ¹⁹²¹²²²³²⁴ Op de bodem van een ingebouwde wateropslagtank van 30 liter bevestigden de onderzoekers acht thermo-elektrische modules. De watertank doet niet enkel dienst als koelplaat, ze voorziet ook het warm water voor huishoudelijk gebruik. Bovendien is de kachel uitgerust met een elektrische ventilator en een dubbele verbrandingskamer om de efficiëntie van de verbranding te verhogen.

Tests met een prototype leverden een vermogen op van 28 watt bij het gebruik van 2 modules, terwijl er 1,5 kg hout werd verbrand. De ventilator slokte daar 15 watt van op, wat betekent dat er 13 watt overbleef voor andere doeleinden. De kachel leverde ook 60 liter warm water op per uur. Afhankelijk van de duur van twee kooksessies, kon er op één dag tussen de 35 en de 55 wattuur aan energie opgeslagen worden in een batterij. Bij deze berekening hielden de onderzoekers rekening met het verlies in de laadregelaar, de 6V-batterij en de ventilator.

Thermo-elektrische kachel met elektrische pomp

Passieve waterkoelsystemen hebben ook een nadeel. Als de temperatuur van het water in de tank stijgt, daalt het verschil tussen de koude en de warme zijde van de module en daalt dus ook de energie-efficiëntie. Er moet daarom voldoende tijd zijn tussen twee gebruikssessies van de kachel zodat het water opnieuw kan afkoelen, of als wam water wordt gebruikt, bijvoorbeeld om af te wassen of te douchen. In het laatste geval moet de tank uiteraard opnieuw met (koud) water worden gevuld. Een pomp maakt dit een stuk handiger.

Image: Prototype van een thermo-elektrische kachel met waterkoeling en elektrische pomp. [^26]

Een prototype uit 2015, waarbij de houtkachel gebruikt werd om te koken en om de ruimte te verwarmen, werd voorzien van 21 thermo-elektrische modules die gekoeld werden door een waterpompsysteem. Het prototype leverde 25 watt aan stroom bij de verbranding van 1 kg dennenhout per uur. Met vier kilogram hout steeg het geproduceerde vermogen tot 70 watt, en bij 9 kilogram hout werd dat 166 watt. ²⁵ De vermogensopbrengst per module bedraagt 7,9 watt, bijna dubbel zoveel als die van een module op een kachel met passieve luchtkoeling. De pomp verbruikt 5 watt en de ventilator – die de efficiëntie van de verbranding verhoogt – 1 watt. ²⁶²⁷

Thermo-elektrische gasboilers?

In tegenstelling tot de andere types, die vooral bedoeld zijn voor regio’s waar mensen niet of nauwelijks toegang hebben tot elektriciteit, is de thermo-elektrische kachel met actief waterkoelsysteem meer geschikt voor de energie-infrastructuur in geïndustrialiseerde samenlevingen. Het systeem werkt immers op dezelfde manier als een centrale verwarming.

Uiteraard ligt het elektriciteitsverbruik in rijke landen een heel stuk hoger. Maar er kunnen meer modules toegevoegd worden, wat resulteert in een hogere elektriciteitsproductie. Het probleem is dat centrale verwarmingssytemen enkel worden gebruikt om water en ruimtes te verwarmen, en niet om op te koken. Dat maakt de elektricteitsproductie van een thermo-elektrisch systeem veel minder betrouwbaar: ’s winters is er veel meer elektriciteit beschikbaar dan ’ s zomers. Ten tweede draaien de meeste centrale verwarmingssystemen niet op de verbranding van biomassa of houtpellets, maar op gas, olie of elektriciteit.

Prototype van een thermo-elektrische pelletkachel. [^30]

Het heeft uiteraard geen zin om een thermo-elektrische module op een elektrische boiler te bevestigen. Bestaat de energiebron daarentegen uit gas of olie, dan is een thermo-elektrische boiler net zo’n koolstofarme oplossing als zonnepanelen op het dak. ²⁸ Een thermo-elektrisch verwarmingssysteem maakt een huishouden niet onafhankelijk van fossiele brandstoffen, maar dat doet een set zonnepanelen ook niet. Zonnepanelen steunen op een (grotendeels door fossiele brandstoffen aangestuurd) elektriciteitsnet om overschotten en tekorten op te vangen, en worden vaak gecombineerd met een centraal verwarmingssysteem voor warmte en water dat eveneens van fossiele brandstoffen afhankelijk is. Ook de productie van zonnepanelen kost fossiele energie.

Een thermoelektrische generator van 1 kW met een actief waterkoelsysteem voor geothermische warmtebronnen met een lage temperatuur. [^31]

Een thermo-elektrisch verwarmingssysteem dat van fossiele brandstoffen afhankelijk is, heeft ook een voodeel ten opzichte van een grote warmte-krachtcentrale – die de restwarmte van elektriciteitsproductie opvangt en verdeelt naar individuele huishoudens voor water- en ruimteverwarming. In een thermo-elektrisch verwarmingssysteem gebeuren productie en consumptie op dezelfde plaats. Er is geen infrastructuur nodig die de warmte en elektriciteit verdeelt, wat wel het geval is bij een warmte-krachtcentrale. Dat bespaart energie: er moet minder infrastructuur worden gebouwd, en er zijn geen energieverliezen bij het transport van elektriciteit. Die verliezen zijn niet onaanzienlijk: 10 à 20 % voor het vervoer van warmte en 3 tot 10 % voor de distributie van elektriciteit (in sommige regio’s kan dat zelfs veel meer zijn).

Een warmtekrachtcentrale is veel efficiënter (25 tot 40 %) dan een thermo-elektrische kachel in het omzetten van warmte in elektriciteit. Maar aangezien beide zowel warmte als elektriciteit leveren, maakt dat niet uit. Een thermo-elektrisch verwarmingssysteem levert simpelweg een groter aandeel warmte en een kleiner aandeel elektriciteit. Dit is allesbehalve problematisch te noemen als je weet dat gemiddeld 80 % van het energieverbruik in een Europees huishouden wordt besteed aan verwarming, en slechts 20% aan elektricteit.

In beide gevallen kan de werking omgekeerd worden. Elektrische stroom die door een thermo-elektrische module loopt kan zowel ter verwarming of ter afkoeling dienen. Elektrische stroom door een photovoltaïsche cel sturen, produceert licht - dat is het principe van een LED-lamp. ↩︎
Rowe, David Michael, ed. CRC handbook of thermoelectrics. CRC press, 2018. ↩︎
Thermoelectric generators, The Museum of Retrotechnology, accessed May 2020. http://www.douglas-self.com/MUSEUM/POWER/thermoelectric/thermoelectric.htm ↩︎
Polozine, Alexandre, Susanna Sirotinskaya, and Lírio Schaeffer. “History of development of thermoelectric materials for electric power generation and criteria of their quality.” Materials Research 17.5 (2014): 1260-1267. ↩︎ ↩︎
Goupil, Christophe, ed. Continuum theory and modeling of thermoelectric elements. John Wiley & Sons, 2015. ↩︎
Joffe, Abram F. “The revival of thermoelectricity.” Scientific American 199.5 (1958): 31-37. ↩︎ ↩︎
The Stirling engine, another predecessor of the solar PV panel that converts heat into electricity, lacks many of these advantages. ↩︎
Kraemer, Daniel, et al. “Concentrating solar thermoelectric generators with a peak efficiency of 7.4%.” Nature Energy 1.11 (2016): 1-8. ↩︎
Amatya, R., and R. J. Ram. “Solar thermoelectric generator for micropower applications.” Journal of electronic materials 39.9 (2010): 1735-1740. ↩︎
Gayathri, Ms D. Binu Ms R., Mr Vijay Anand Ms R. Lavanya, and Ms R. Kanmani. “Thermoelectric Power Generation Using Solar Energy.” International Journal for Scientific Research & Development, Vol. 5, Issue 03, 2017. ↩︎
Jiang, Shan, et al. “Encapsulation of PV modules using ethylene vinyl acetate copolymer as the encapsulant.” Macromolecular Reaction Engineering 9.5 (2015): 522-529. ↩︎
Xu, Yan, et al. “Global status of recycling waste solar panels: A review.” Waste Management 75 (2018): 450-458. ↩︎
Sica, Daniela, et al. “Management of end-of-life photovoltaic panels as a step towards a circular economy.” Renewable and Sustainable Energy Reviews 82 (2018): 2934-2945. ↩︎
Bahrami, Amin, Gabi Schierning, and Kornelius Nielsch. “Waste Recycling in Thermoelectric Materials.” Advanced Energy Materials (2020). ↩︎
Balva, Maxime, et al. “Dismantling and chemical characterization of spent Peltier thermoelectric devices for antimony, bismuth and tellurium recovery.” Environmental technology 38.7 (2017): 791-797. ↩︎ ↩︎
Wat het gewicht betreft: een thermo-elektrische module van 5 gram bestaat uit alumininiumoxide voor de keramische platen (44%); koper voor de elektrische contacten (28%); tellurium (10%); bismut (6%) en antimoon (2%) voor de thermo-elektrische benen; kleien hoeveelheden tin (om te solderen), selenium (om de bismut telluride te “doppen”) en siliconepasta (het enige polymeer in de module om alles aan elkaar te kleven). In thermo-elektrische modules is de concentratie van de schaarse elementen antimoon, tellurium en bismut veel hoger dan de traditionele grondstoffen, wat het recycleren ervan aantrekkelijk maakt. ¹⁵ ↩︎
Gao, H. B., et al. “Development of stove-powered thermoelectric generators: A review.” Applied Thermal Engineering 96 (2016): 297-310. ↩︎ ↩︎ ↩︎
Nuwayhid, Rida Y., Alan Shihadeh, and Nesreen Ghaddar. “Development and testing of a domestic woodstove thermoelectric generator with natural convection cooling.” Energy conversion and management 46.9-10 (2005): 1631-1643. ↩︎
Champier, Daniel, et al. “Study of a TE (thermoelectric) generator incorporated in a multifunction wood stove.” Energy 36.3 (2011): 1518-1526. ↩︎ ↩︎
Raman, Perumal, Narasimhan K. Ram, and Ruchi Gupta. “Development, design and performance analysis of a forced draft clean combustion cookstove powered by a thermo electric generator with multi-utility options.” Energy 69 (2014): 813-825. ↩︎
Champier, Daniel, et al. “Thermoelectric power generation from biomass cook stoves.” Energy 35.2 (2010): 935-942. ↩︎
Champier, Daniel, et al. “Prototype combined heater/thermoelectric power generator for remote applications.” Journal of electronic materials 42.7 (2013): 1888-1899. https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-02014177/document ↩︎
Champier, Daniel. “Thermoelectric generators: A review of applications.” Energy Conversion and Management 140 (2017): 167-181. ↩︎
Favarel, Camille, et al. “Thermoelectricity-A Promising Complementarity with Efficient Stoves in Off-grid-areas.” Journal of Sustainable Development of Energy, Water and Environment Systems 3.3 (2015): 256-268. ↩︎
Goudarzi, A. M., et al. “Integration of thermoelectric generators and wood stove to produce heat, hot water, and electrical power.” Journal of electronic materials 42.7 (2013): 2127-2133. ↩︎
De onderzoekers suggereren ook een methode die de pomp overbodig maakt: een watertank kan op 1 meter hoogte geplaats worden, waardoor de zwaartekracht haar werk doet en het water in het koelsysteem stroomt terwijl het warm water afkomstig van het koelsysteem in een geïsoleerde tank opgeslagen kan worden. ↩︎
Een ander prototype genereerde gemiddeld 27 Watt met amper twee modules, wat meer dan genoegis om de pomp te doen werken (8W). De entto-productie bedroeg 9,5 Watt per module. Montecucco, Andrea, Jonathan Siviter, and Andrew R. Knox. “A combined heat and power system for solid-fuel stoves using thermoelectric generators.” Energy Procedia 75 (2015): 597-602. ↩︎
De vroegste experimenten met thermo-elektrische verwarmingssystemen dateren van de late jaren 1990. Het doel was om gasboilers te ontwikkelen die zichzelf van stroom voorzagen. Centrale verwarmingssystemen verbruiken gemiddeld 250 tot 400 watt energie om hun elektrische componenten in werking te stellen: ventilators, blazers, pompen en controlepanels. De toevoeging van thermo-elektrische modules garandeert de functionaliteit van het systeem, ook wanneer er lange stroomonderbreking is. In combinatie met zonnepanelen die aangesloten zijn op het elektriciteitsnet is dit enkel mogelijk wanneer de zon schijnt. Allen, D. T., and W. Ch Mallon. “Further development of” self-powered boilers"." Eighteenth International Conference on Thermoelectrics. Proceedings, ICT'99 (Cat. No. 99TH8407). IEEE, 1999. Allen, Daniel T., and Jerzy Wonsowski. “Thermoelectric self-powered hydronic heating demonstration.” XVI ICT'97. Proceedings ICT'97. 16th International Conference on Thermoelectrics (Cat. No. 97TH8291). IEEE, 1997. ↩︎