LOW←TECH MAGAZINE Nederlands

Hoe ontsnappen we uit het ijzeren tijdperk?

Wed, 03 Apr 2024 00:00:00 +0000

Afbeelding: Constructie van stalen wapening voor de betonnen fundering van een windturbine in Gilliam County, VS. Foto door Goose Chap, Wikimedia Commons (CC BY-SA 4.0)

Gevangen in het ijzeren tijdperk

In 1836 onderscheidde de Deense antiquair en conservator Christian Jürgensen Thomsen drie prehistorische tijdperken op basis van de dominante materialen die werden gebruikt voor wapens en snijwerktuigen: het stenen tijdperk, het bronzen tijdperk en het ijzeren tijdperk.¹ Thomsen’s classificatie verwijst naar het verleden, maar volgens zijn criteria zijn we nooit verder geëvolueerd dan het ijzeren tijdperk. Zelfs in de 21ste eeuw blijft ijzer het dominante materiaal, niet alleen voor wapens en snijwerktuigen, maar voor vrijwel elke moderne technologie.

We gebruiken nu het meeste ijzer in de vorm van staal. Volgens de criteria van Thomsen kunnen we echter niet spreken van een “Staaltijdperk”. Ten eerste is staal slechts een legering van ijzer (>98%) en koolstof (<2%). Ten tweede produceren mensen al staal sinds het begin van de IJzertijd. Dat is een weinig bekend feit in de westerse wereld, waar de staalproductie pas in de negentiende eeuw op gang kwam met fossiele brandstoffen. Aziatische en Afrikaanse metallurgisten ontwikkelden echter al veel eerder staal van hoge kwaliteit, en deze kennis stelde de Europeanen uiteindelijk in staat hetzelfde te doen - op veel grotere schaal.²

In 2021 bedroeg de wereldwijde ijzer- en staalproductie 1.950 miljoen ton (Mt). Dat is 22 keer meer dan de gecombineerde productie van aluminium en koper (88 Mt). De wereldwijde ijzer- en staalproductie komt overeen met vijf keer de wereldwijde productie van kunststoffen (391 Mt) en doet de wereldwijde productie van silicium (8,5 Mt) en lithium (0,1 Mt) in het niet vallen.³⁴ Staal is het fundamentele materiaal van industriële samenlevingen. Zonder kunststoffen, lithium of silicium leven we nog steeds in een industriële samenleving. Zonder ijzer en staal worden we 3000 jaar teruggeworpen in het Bronzen Tijdperk.

Waar is al dat staal?

De massale aanwezigheid van staal in de industriële samenleving is niet zo evident.⁵ Thuis vinden we verschillende stalen apparaten zoals de koelkast, wasmachine, waterkoker, badkuip en kook-, verwarmings- en koelapparatuur. Slechts 2-3% van de totale staalproductie eindigt echter in huishoudelijke apparaten.⁶⁷⁸ Buitenshuis is er veel staal in de vorm van voertuigen. Dit zijn vooral personenauto’s die ongeveer 10% van al het staal wereldwijd gebruiken (20% in rijke landen). Bussen, vrachtwagens, treinen en schepen voegen daar nog eens 4-5% aan toe. Bij elkaar is dat nog steeds minder dan 20% van de wereldwijde staalproductie.

Het meeste staal is ingebed in andere materialen, bevindt zich ondergronds of ver weg van woongebieden.

Het meeste staal is ingebed in andere materialen, bevindt zich ondergronds of ver weg van woongebieden. Meer dan de helft van de wereldwijde staalproductie gaat naar de bouw, waaronder gebouwen (residentieel, commercieel, industrieel) en infrastructuur (bruggen, tunnels, havens, kanalen, landingsbanen, booreilanden, raffinaderijen, pijpleidingen, elektriciteitscentrales, transmissielijnen, spoorwegen, enzovoort). Veel van dat staal is ingebed in beton. Gewapend beton is het belangrijkste bouwmateriaal ter wereld en beton is het enige materiaal dat de productie van staal kan evenaren (1.819 Mt in 2021).

Ongeveer 15% van de wereldwijde staalproductie dient om machines te maken, waaronder werktuigmachines, industriële apparatuur, elektrische hardware en machines voor de bouw, mijnbouw en landbouw. Zelfs producten gemaakt van andere materialen - zoals andere metalen, kunststoffen en hout - worden gemaakt met behulp van stalen gereedschappen.⁵ De resterende 15% van de staalproductie belandt in een verscheidenheid aan voorwerpen, van schroeven en voedselverpakkingen tot meubels en scheepscontainers.⁶⁷⁸.

Afbeelding: Gewapend beton is het belangrijkste bouwmateriaal ter wereld. Een gat in de Interstate 84, VS. Afbeelding door Tony George, Oregon Department of Transportation, Wikimedia Commons (CC BY 2.0).

De milieubelasting van de staalindustrie

Staal wordt vaak voorgesteld als een van de meest duurzame materialen. In tegenstelling tot kunststoffen kan staal gerecycleerd worden zonder kwaliteitsverlies. De staalindustrie heeft grote vooruitgang geboekt op het gebied van energie-efficiëntie, meer dan veel andere industrieën. Voor het maken van een ton ruw staal is nu gemiddeld ongeveer 20 gigajoule (GJ) primaire energie nodig - drie keer minder dan in 1950.⁹ Dit steekt zeer gunstig af bij andere materialen zoals aluminium (175 GJ/t), kunststoffen (80-120 GJ/t) of koper (45 GJ/t).⁷ In tegenstelling tot kunststoffen is staal een biologisch afbreekbaar materiaal.¹⁰ Tenslotte is er geen tekort aan ijzererts. Het maakt 5 procent van de aardkorst uit en is het vierde meest voorkomende element.¹¹ Ter vergelijking, koper maakt slechts 0,01% uit.⁵

Ondanks al deze voordelen verbruikt de wereldwijde ijzer- en staalindustrie meer energie en produceert ze meer koolstofemissies dan enige andere industrie. Het totale primaire energieverbruik van de productie van ruw staal bedroeg 39 exajoule (EJ) in 2021, wat overeenkomt met 7% van alle energie die in dat jaar wereldwijd werd gebruikt (595 EJ). De uitstoot van broeikasgassen is zelfs nog hoger omdat ongeveer 75% van het energieverbruik afkomstig is van steenkool - de brandstof met de hoogste koolstofuitstoot. In 2021 produceerde de ijzer- en staalindustrie 3,3 Gt aan koolstofemissies, ongeveer 9% van het wereldwijde totaal (36,3 Gt).¹² De betonindustrie volgt op de voet met 8%.

De ijzer- en staalindustrie verbruikt meer energie en produceert meer koolstofemissies dan enige andere industrie.

Bovenstaande schattingen zijn afkomstig van de World Steel Association en het Internationaal Energieagentschap. Deze gegevens zijn beschikbaar voor alle metalen en zijn gedocumenteerd over een lange periode, waardoor historische vergelijkingen mogelijk zijn. Ze hebben echter alleen betrekking op het smelten van het metaal. Ze omvatten niet het energieverbruik en de koolstofuitstoot voor de ontginning en het transport van ijzererts, steenkool, kalksteen, schroot en staalproducten. Ze omvatten ook niet de energie en emissies voor de productie van cokes en de ertsvoorbereiding - allemaal essentieel voor het staalproductieproces.⁷

Wetenschappelijke studies die de grenzen voor de ijzer- en staalindustrie ruimer hebben gesteld, concluderen dat de energiekosten van de staalproductie met 50% tot 100% toenemen.¹³ Eén rapport concludeert dat alleen al de methaanemissies van metallurgische kolenwinning de emissies met 27% kunnen doen toenemen. Een andere studie schat dat het vervoer van ijzererts en staal over zee 10-15% extra emissies met zich meebrengt.¹⁴¹⁵ De productie van ijzer en staal veroorzaakt ook andere milieuproblemen, zoals een hoog waterverbruik, de productie van vast afval en aanzienlijke lucht- en waterverontreiniging.

De CO₂-uitstoot van de ijzer- en staalindustrie is onverenigbaar met de huidige ambities om de netto koolstofuitstoot tegen 2050 te elimineren, en al helemaal niet omdat de staalproductie hoogstwaarschijnlijk nog verder zal groeien. De staalproductie is sinds 1950 vertienvoudigd en tussen 2000 en 2020 verdubbeld, een snellere groei dan veel onderzoekers hadden voorspeld.¹⁶ Bovendien zijn de efficiëntiewinsten afgenomen en bestaat er wetenschappelijke consensus dat de huidige technologieën hun thermodynamische grenzen hebben bereikt.⁷⁹¹⁷ De afgelopen twee decennia is het gemiddelde energieverbruik voor de productie van 1 ton staal rond de 20 GJ/t gebleven.⁹¹⁸.

Hoe maken we staal zonder fossiele brandstoffen?

Er zijn twee manieren om staal te maken, en de ene is veel duurzamer dan de andere.¹⁹ Aan de ene kant is er het oxystaalproces in de hoogoven, waarbij staal wordt gemaakt van ijzererts en kolen. Deze technologie is - in zijn essentiële vorm - 2000 jaar oud. Anderzijds is er de vlamboogoven, waarin staal wordt gemaakt van staalschroot en elektriciteit. De vlamboogoven, een relatief nieuwe technologie, verbruikt veel minder energie dan de hoogoven, maakt gebruik van een gerecycleerde bron (er hoeft geen ijzererts te worden gedolven) en werkt zonder direct gebruik van kolen of andere fossiele brandstoffen (de elektriciteit kan worden geleverd door zonne-, wind- of atoomenergie).

De meest energie-efficiënte vlamboogovens verbruiken nu minder dan 300 kilowattuur elektriciteit per ton geproduceerd staal.⁹²⁰ Hypothetisch: als we al het staal in 2021 (1.950 Mt) in dergelijke ovens hadden geproduceerd, zou het totale stroomverbruik van de wereldwijde ijzer- en staalindustrie slechts 585 terawattuur (Twh) zijn geweest. Dat komt overeen met een derde van alle elektriciteit die in hetzelfde jaar wereldwijd door windturbines wordt opgewekt (1.848 Twh). Helaas werd meer dan 70% van de wereldwijde staalproductie gemaakt in hoogovens die gevoed werden met kolen en ijzererts.⁹²⁰ Een hoogoven verbruikt twintig keer meer energie en kan niet door elektriciteit worden aangedreven omdat kolen zowel de brandstof als het chemische reductiemiddel zijn. De verbranding van steenkool produceert koolmonoxide dat het ijzer uit het erts reduceert.⁷

Niet genoeg schroot beschikbaar

De oplossing lijkt voor de hand te liggen: laten we al dat staal produceren in vlamboogovens. Dit is echter onmogelijk. Er is niet genoeg schroot beschikbaar: de voortdurende groei van de wereldwijde staalproductie maakt een circulaire stroom van grondstoffen onmogelijk.²¹ Het duurt tientallen jaren voordat het meeste staal beschikbaar komt voor recyclage. Er zit bijvoorbeeld 543 Mt staal opgeslagen in schepen.²² Het schroot dat beschikbaar is voor recyclage in 2021 komt overeen met het productieniveau van 1965, toen de wereldwijde staalproductie minder dan een kwart bedroeg van wat het nu is (450 Mt).⁹¹⁰¹⁵²³ Bijgevolg moet de andere driekwart geproduceerd worden in hoogovens met behulp van kolen en vers gedolven ijzererts.

Afbeelding: Auto's voor de sloop in de haven van Cardiff. Gareth James via Wikimedia Commons (CC BY-SA 2.0).

Tegenwoordig produceert China ruwweg de helft van al het staal ter wereld en doet dat bijna uitsluitend (+90%) in hoogovens die steenkool en ijzererts gebruiken. Veel andere staalproducerende landen hebben een groter aandeel vlamboogovens. Het heeft echter weinig zin om met de vinger naar China te wijzen. Ten eerste hebben de VS en Europa sinds de jaren 2000 veel van hun industrieën overgebracht naar China, een trend die perfect overeenkomt met de groeiende staalproductie in dat land. Bovendien gebruikte China twintig tot veertig jaar geleden nauwelijks staal. Bijgevolg is er bijna geen schroot beschikbaar. China heeft geen andere keuze dan hoogovens te gebruiken.²⁴

Steeds betere staalsoorten

Een tweede obstakel is de voortdurende ontwikkeling van hoogwaardiger staalsoorten. Er zijn nu meer dan 2500 verschillende soorten staal met verschillende eigenschappen, zoals verhoogde stevigheid, tolerantie voor hoge temperaturen of corrosiebestendigheid.⁷⁹²³²⁵ Hoewel deze staalsoorten van hogere kwaliteit geproduceerd kunnen worden in vlamboogovens, worden ze niet gemaakt van schroot en verbruiken ze veel meer energie.

Staal dat beschikbaar is voor recyclage bestaat uit een mix van staalsoorten. Die mix is geschikt voor het maken van gewoon staal, maar niet voor hooggelegeerd staal, waarvoor schroot met vergelijkbare kwaliteiten nodig is. Dat schroot is echter niet beschikbaar. Roestvrij staal bijvoorbeeld, de meest geproduceerde speciale staalsoort, heeft een recyclagepercentage van slechts 15%. In 2021 werd bijna 60 Mt roestvrij staal geproduceerd, vergeleken met slechts 4 Mt in 1980.²⁶ Roestvrij staal werd traditioneel gebruikt in bestek, chirurgisch gereedschap en medische en voedselverwerkende apparatuur. Het wordt nu echter ook gebruikt in de bouw van tunnels en buitenmeubilair, afvalwaterbehandeling, ontzilting van zeewater, nucleaire techniek en de productie van biobrandstoffen.⁷

Het lage recyclagepercentage en de noodzaak om extra elementen zoals chroom en nikkel te winnen, maken de productie van hoogwaardige staalsoorten energie-intensiever. Voor de productie van roestvrij staal is bijvoorbeeld bijna 80 GJ per ton nodig, vier keer zoveel als voor de productie van gewoon staal.⁷²³ De voortdurende ontwikkeling van staal van hogere kwaliteit wordt gestimuleerd door milieuwetgeving (zoals het gebruik van lichter staal in auto’s) en door concurrentie van andere materialen, voornamelijk aluminium en kunststof composieten.⁷⁹²³²⁵ Ironisch genoeg maakt de concurrentie met deze materialen, die nog meer energie verbruiken, staal steeds minder duurzaam.

Staal en hernieuwbare energie

De staalindustrie is sterk afhankelijk van de energievoorziening, maar de energievoorziening is ook sterk afhankelijk van de staalindustrie. Bijna 10% van de wereldwijde staalproductie gaat naar de bouw en het onderhoud van de infrastructuur voor de energievoorziening. Dat komt overeen met de volledige staalproductie in 1950. Een groot deel van dat staal gaat naar gas- en olie-infrastructuur.²⁷. De productie en het transport van olie en gas vereisen staal voor offshore boorplatformen, pijpleidingen, raffinaderijen, tankers en opslagtanks. Kolenwinning is afhankelijk van staal voor snijders, laders, transportbanden, graafmachines en vrachtwagens.⁷

Helaas zullen de geplande omschakeling naar koolstofarme energiebronnen en de elektrificatie van verwarmings- en transporttechnologieën onze afhankelijkheid van de staalindustrie niet verminderen - integendeel. Een koolstofarm elektriciteitsnet vereist veel meer staal (en andere materialen) dan een infrastructuur op basis van fossiele brandstoffen. Wind- en zonne-energie zijn zeer diffuse energiebronnen in vergelijking met fossiele brandstoffen. Daarom zijn er veel meer materialen (en land) nodig om dezelfde energie te produceren. In jargon hebben wind- en zonne-energie een lage “vermogensdichtheid” of hoge “materiaalintensiteit”.²⁸²⁹³⁰³¹³²

Voor een koolstofarm elektriciteitsnet is veel meer staal nodig dan voor een infrastructuur op basis van fossiele brandstoffen.

De “staalintensiteit” van thermische gas- en kolencentrales ligt tussen de 50 en 60 ton staal per megawatt geïnstalleerd vermogen.³³ Waterkrachtcentrales hebben een lagere staalintensiteit, met 20-30 ton staal per MW.⁷³³ De staalintensiteit van atoomenergie is ook lager, tussen de 20 en 40 ton staal per geïnstalleerde MW. ³³³⁴ Aan de andere kant vereist zon-PV tussen de 40 en 170 ton staal per geïnstalleerde MW.³³³⁵ Hoewel er weinig of geen staal in de zonnepanelen zelf zit, is staal het materiaal bij uitstek voor de draagstructuren.

Staal en windenergie

De moderne windturbine is met voorsprong de meest staalintensieve energiebron. De staalintensiteit van een windturbine hangt af van de omvang. Een enkele, grote windturbine heeft aanzienlijk meer staal nodig per megawatt geïnstalleerd vermogen dan twee kleinere windturbines.³⁶ Zo vereist een 3,6 MW windturbine met een 100-meter hoge toren 335 ton staal (83 ton/MW), terwijl een 5 MW windturbine met een 150-meter hoge toren 875 ton staal nodig heeft (175 ton/MW).³⁷ De trend gaat in de richting van grotere windturbines en dus een hogere staalintensiteit.

Afbeelding: Stalen torens voor windturbines in de haven van Rotterdam. Foto: Melle Smets.

Het staalverbruik neemt verder toe voor offshore windturbines. Windturbines op land hebben een fundering van gewapend beton, maar offshore windturbines hebben massieve staalconstructies nodig zoals stalen palen en “jackets”.³⁸ De staalintensiteit voor offshore windturbines is berekend op ongeveer 450 ton per MW voor een turbine van 5 MW - acht keer hoger dan de staalintensiteit van een thermische elektriciteitscentrale.³⁶. Naarmate deze windturbines groter worden en in dieper water komen, neemt hun staalgebruik verder toe.

De populairste offshore windturbines hebben tegenwoordig een vermogen van 7 MW, terwijl de grootsten een vermogen hebben van 14 MW.³⁶ Als we een conservatieve schatting maken op basis van bovenstaande gegevens (de staalintensiteit verdubbelt voor elke verdubbeling van het vermogen), zou een 14 MW offshore windturbine 1.300 ton staal per MW nodig hebben, of 18.200 ton in totaal. Zo’n windturbine verbruikt dus 24 keer meer staal dan een kolen- of gascentrale met hetzelfde vermogen.

Kortere levensduur

Het verschil tussen hernieuwbare energiebronnen en fossiele brandstoffen wordt nog groter als de staalintensiteit wordt berekend per eenheid energie in plaats van vermogen (megawattuur in plaats van megawatt). In tegenstelling tot kolen- en gascentrales is de output van wind- en zonne-energiecentrales afhankelijk van het weer en produceren ze niet altijd hun maximale vermogen. Daarom vereist de vervanging van 1 MW fossiele elektriciteitsopwekkingscapaciteit de installatie van (gemiddeld) 4 MW zonne-energie of 2 MW windenergie.³⁹ Een 14 MW offshore windturbine heeft dus een staalintensiteit die bijna 50 keer hoger is dan een fossiele elektriciteitscentrale voor elke kilowattuur geproduceerde elektriciteit.⁴⁰

Een 14 MW offshore windturbine heeft voor elke kilowattuur geproduceerde elektriciteit bijna 50 keer meer staal nodig dan een elektriciteitscentrale op fossiele brandstoffen.

Zonne- en windenergiecentrales hebben ook een kortere levensduur (20-30 jaar) in vergelijking met thermische energiecentrales (30-60 jaar).³¹ Hoewel dit geen invloed heeft op de staalintensiteit per MW geïnstalleerd vermogen, verhoogt het wel de staalintensiteit per eenheid geproduceerde energie in de loop van de tijd. Dat leidt niet altijd tot een verdubbeling van het staalgebruik, omdat funderingen voor offshore windturbines en structuren voor zonnepanelen een langere levensduur kunnen hebben dan de energiebronnen die ze dragen en dus hergebruikt kunnen worden.⁴¹

Infrastructuur voor elektriciteitstransmissie

Bovenstaande gegevens hebben alleen betrekking op het staal dat in de energiecentrales zelf wordt gebruikt. Voor energiecentrales op fossiele brandstoffen omvatten ze niet het staal dat wordt gebruikt in de pijpleidingen, boorplatforms, kolengraafmachines en dergelijke. Hetzelfde geldt echter voor hernieuwbare energiebronnen. Omdat ze veel meer grondstoffen nodig hebben dan thermische krachtcentrales (staal, maar ook andere metalen en materialen), zijn ze afhankelijk van een wereldwijde mijnbouw- en transportinfrastructuur die net zo staalintensief is als de toeleveringsketen voor fossiele brandstoffen.

Omdat het bovendien diffusere energiebronnen zijn met een onregelmatige en onvoorspelbare energieproductie, die zich vaak ver van de energieverbruikscentra bevinden, stimuleren hernieuwbare energiecentrales de uitbreiding van de transmissie-infrastructuur. Die infrastructuur is ook gebaseerd op staal - van schakelapparatuur over hoogspanningsmasten tot stroomkabels.²⁸²⁹³⁰³¹³²⁴².

Tot slot hebben koolstofarme elektriciteitscentrales ook een grote nood aan speciale staalsoorten, waarvan de productie energie-intensiever is. Staal voor offshore-windturbines moet bestand zijn tegen corrosie, en roestvrij staal wordt steeds meer gebruikt voor draagconstructies voor zonnepanelen.⁴³ Elektrisch laminaatstaal (ijzer-silicium) is onmisbaar voor transformatoren in het elektriciteitsnet.⁷ Kerncentrales hebben weliswaar een relatief lage staalintensiteit, maar zijn volledig opgebouwd uit energie-intensief speciaal staal. Voor de bekleding van splijtstofelementen is bijvoorbeeld zirkoniumstaal nodig, terwijl alle structurele elementen worden gemaakt van austenitisch roestvrij staal.⁷⁴⁴

Koolstofarm elektriciteitsnet kan niet worden gemaakt van gerecycleerd staal

De hoge staalintensiteit van koolstofarme energiebronnen confronteert ons met een zogenaamde “catch-22”, een situatie waarin er geen ontsnapping aan een probleem lijkt te zijn, wat we ook doen. We hebben veel meer staal nodig als we thermische energiecentrales vervangen door hernieuwbare bronnen. Omdat er niet genoeg staalschroot beschikbaar is, kunnen we dat extra staal alleen maken van ijzererts in hoogovens die fossiele brandstoffen verbranden. Om de klimaatverandering aan te pakken, moeten we snel en massaal koolstofarme krachtcentrales bouwen. Maar om circulaire materiaalstromen te bereiken en koolstofarme energiebronnen uit schroot en hernieuwbare elektriciteit te bouwen, zouden we het tegenovergestelde moeten doen: de ontwikkeling van een koolstofarm elektriciteitsnet vertragen.

Afbeelding: Stalen funderingen voor offshore windturbines. Foto door Glen Wallace, Wikimedia Commons (CC BY 2.0).

Een vaak geciteerde studie uit 2013 concludeerde dat als wind- en zonne-energie 25.000 Twh aan elektriciteit zouden leveren - wat overeenkomt met de totale wereldwijde vraag naar elektriciteit in 2021 - we ongeveer 3.200 Mt staal nodig hebben om alleen al de energiecentrales te bouwen.³³⁴⁵ De wereldwijde vraag naar elektriciteit zal naar verwachting groeien tot 52.000 tot 71.000 terawattuur in 2050, wat de extra vraag naar staal zou doen toenemen tot 6.400 tot 8.960 Mt. ⁴⁶ Uitgespreid over de levensduur van zonnepanelen en windturbines (25 jaar), zouden we bijgevolg 256 tot 358 Mt extra staal per jaar moeten produceren om windturbines en zonnepaneelstructuren te maken - vergelijkbaar met de staalvraag voor personenauto’s (195 Mt) en andere transportmodi (98 Mt) samen.

Dat is nog steeds een zeer optimistische schatting. De vraag naar elektriciteit maakt slechts ongeveer 20% uit van de totale vraag naar energie. Als de totale vraag naar energie (177.000 terawattuur in 2021) geleverd zou worden door wind- en zonne-energie, zouden we 22.400 Mt staal nodig hebben. Dat is 896 Mt extra staal per jaar - evenveel als de wereldwijde productie aan het begin van de jaren 2000. Je zou kunnen aanvoeren dat elektriciteit efficiënter kan worden gebruikt dan fossiele brandstoffen, bijvoorbeeld in auto’s en verwarmingssystemen. Tegelijkertijd wordt echter verwacht dat de totale vraag naar energie verder zal stijgen, waardoor de winst van de toegenomen energie-efficiëntie teniet wordt gedaan.

De hightech oplossingen

De staalindustrie rekent op technologische oplossingen om de staalproductie koolstofneutraal te maken. Eén optie is om kolen te vervangen door gas, een aanpak die al gebruikelijk is in het Midden-Oosten en Noord-Amerika. Staalproductie op basis van gas resulteert in iets lagere koolstofemissies, maar die zijn nog steeds veel hoger dan bij de vlamboogoven. Daarom gaat de meeste aandacht uit naar waterstof, dat gezuiverde steenkool (cokes) kan vervangen als chemisch reductiemiddel.⁴⁷ Op waterstof gebaseerde staalproductie biedt echter geen uitweg uit de catch-22, omdat het de behoefte aan een staalintensieve infrastructuur verder vergroot.

De productie van waterstof is energie-intensief. Het kost 50-55 kilowattuur om 1 kg waterstof te maken en 60 kg waterstof om 1 ton staal te maken.⁴⁷ De productie van 1 ton staal uit waterstof verbruikt dus 3000 kWh elektriciteit, wat tien keer zoveel is als het elektriciteitsverbruik van een vlamboogoven die staal maakt uit schroot. Voor staalproductie op basis van waterstof zijn dus ruwweg tien keer zoveel windturbines en zonnepanelen nodig als voor staalproductie op basis van schroot - en dus tien keer zoveel staal. Daarbij komt nog het staal voor de bouw van de pijpleidingen en opslagtanks die deel uitmaken van de waterstofinfrastructuur.

Afbeelding: Arbeider in een hoogoven. Bundesarchiv, B 145 Bild-F079044-0020 / CC-BY-SA 3.0.

Koolstofafvang en -opslag, waarbij de koolstofemissies van staalfabrieken worden afgevangen en vervolgens ondergronds worden opgeslagen, kampt met dezelfde problemen. Het vereist een staalinfrastructuur en extra energie, waardoor het gebruik van fossiele brandstoffen indirect toeneemt. Terugkeren naar oudere, pre-industriële staalproductieprocessen is ook niet de oplossing. De hoogoven van vandaag is in wezen nog steeds de hoogoven uit vroeger eeuwen, alleen veel energie-efficiënter.⁷

De lowtech oplossingen

Het hierboven geschetste beeld lijkt weinig hoop te bieden voor koolstofneutrale staalproductie en elektriciteitsopwekking. Er is echter een lowtech oplossing die dit zou kunnen bereiken. We zouden de staalproductie kunnen aanpassen aan de beschikbare hoeveelheid en kwaliteit van het schroot. Op die manier zouden we al het staal uit schroot kunnen produceren in vlamboogovens, waardoor het energieverbruik drastisch zou dalen en bijna alle koolstofemissies zouden verdwijnen. Natuurlijk moet het niet de bedoeling zijn om staal te vervangen door plastic composieten en aluminium, omdat de productie daarvan nog energie-intensiever is. De enige oplossing is om het materiaalgebruik in het algemeen te verminderen.

We kunnen onze staalproductie aanpassen aan de beschikbare hoeveelheid en kwaliteit van het schroot.

Het verlagen van de staalproductie en het gebruik van meer gangbare staalsoorten zou ons niet terugbrengen naar het Bronzen Tijdperk. Zoals vermeld kwam er in 2021 wereldwijd ongeveer 450 miljoen ton ferroschroot beschikbaar, waarmee we ruwweg een kwart van de huidige staalproductie zouden kunnen produceren. Bovendien zal het schrootaanbod de komende 40 jaar blijven stijgen, waardoor we elk jaar meer staal zouden kunnen produceren. Tegen 2050 zal de beschikbaarheid van schroot naar verwachting groeien tot ongeveer 900 Mt, bijna de helft van de huidige wereldwijde staalproductie. ⁴⁸ Al dat extra staal zou geïnvesteerd kunnen worden in de uitbreiding van het koolstofarme elektriciteitsnet zonder eerst de emissies te verhogen.

Er is veel ruimte om de staalintensiteit van de moderne samenleving te verminderen. Al onze basisbehoeften - en nog veel meer - zouden kunnen worden vervuld met veel minder staal. We zouden bijvoorbeeld auto’s lichter kunnen maken door ze kleiner te maken. Dat zou energiebesparingen opleveren zonder de behoefte aan energie-intensief hoogwaardig staal. We zouden auto’s kunnen vervangen door fietsen en openbaar vervoer, zodat meer mensen minder staal delen. Zulke veranderingen zouden ook de behoefte aan staal in het wegennet, de energie-infrastructuur en de verwerkende industrie verminderen. We zouden minder werktuigmachines, zeecontainers en gebouwen van gewapend beton nodig hebben. Telkens wanneer de staalintensiteit afneemt, werken de voordelen door in het hele systeem. Het voorkomen van corrosie en het meer lokaal produceren van staal zouden ook het energieverbruik en de uitstoot verminderen.¹⁰¹⁴

Het is de voortdurende groei van de staalproductie - de toenemende staalintensiteit van de moderne samenleving - die duurzame staalproductie onmogelijk maakt. Geen enkele technologie kan dat veranderen omdat het geen technologisch probleem is. Net zoals bosbouw alleen duurzaam kan zijn als de vraag naar hout niet groter is dan het aanbod, is staal al dan niet duurzaam afhankelijk van de balans tussen (schroot)aanbod en (staal)vraag. We kunnen misschien niet ontsnappen aan de ijzertijd, maar we hebben wel een optie om te ontsnappen aan de catch-22 die staalproductie onlosmakelijk verbindt met fossiele brandstoffen.⁴⁹

Thomsen, Christian Jürgensen. “Cursory View of the Monuments and Antiquities of the North.” Guide to Northern Archaeology by the Royal Society of Northern Antiquaries of Copenhagen (1848): 25-104. See also: Eskildsen, Kasper Risbjerg. “Christian Jürgensen Thomsen (1788–1865): Comparing Prehistoric Antiquities.” History of Humanities 4.2 (2019): 263-267. And: Briggs, C. Stephen. “From Genesis to Prehistory: the archaeological Three Age System and its contested reception in Denmark, Britain, and Ireland. By Peter Rowley-Conwy. 226mm. Pp xix+ 362, 55 b&w ills. Oxford: Oxford University Press, 2007. ISBN 9780199227747.£ 65 (hbk).” The Antiquaries Journal 88 (2008): 474-478. ↩︎
Artikel in ontwikkeling, Kris De Decker, Low-tech Magazine. ↩︎
Idoine, N. E., et al. “World mineral production 2017-21.” (2023). https://nora.nerc.ac.uk/id/eprint/534316/1/WMP_2017_2021_FINAL.pdf ↩︎
Katz-Lavigne, Sarah, Saumya Pandey, and Bert Suykens. “Mapping global sand: extraction, research and policy options.” (2022). https://repository.uantwerpen.be/docman/irua/1428b3/183490cc.pdf ↩︎
Colás, Rafael, and George E. Totten, eds. Encyclopedia of iron, steel, and their alloys (Online version). CRC Press, 2016. ↩︎ ↩︎ ↩︎
https://www.steelonthenet.com/consumption.html. Ondertussen zijn de data op deze pagina geactualiseerd voor 2023. ↩︎ ↩︎
Smil, Vaclav. Still the iron age: iron and steel in the modern world. Butterworth-Heinemann, 2016. ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
“Steel in buildings and infrastructure”, World steel association. https://worldsteel.org/steel-topics/steel-markets/buildings-and-infrastructure/ ↩︎ ↩︎
Conejo, Alberto N., Jean-Pierre Birat, and Abhishek Dutta. “A review of the current environmental challenges of the steel industry and its value chain.” Journal of environmental management 259 (2020): 109782. ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
Tussen 25 en 33% van de jaarlijkse staalproductie roest weg. Zie: Iannuzzi, M., and G. S. Frankel. “The carbon footprint of steel corrosion.” npj Materials Degradation 6.1 (2022): 101. https://www.nature.com/articles/s41529-022-00318-1.pdf ↩︎ ↩︎ ↩︎
“Iron”, Encyclopedia Britannica ↩︎
The potential of hydrogen for decarbonising steel production. European Parliament: https://www.europarl.europa.eu/RegData/etudes/BRIE/2020/641552/EPRS_BRI(2020)641552_EN.pdf ↩︎
Lenzen, Manfred, and Christopher Dey. “Truncation error in embodied energy analyses of basic iron and steel products.” Energy 25.6 (2000): 577-585. & Oda, Junichiro, et al. “International comparisons of energy efficiency in power, steel, and cement industries.” Energy Policy 44 (2012): 118-129. Both found in: Smil, Vaclav. Still the iron age: iron and steel in the modern world. Butterworth-Heinemann, 2016. ↩︎
“Pedal to the metal”, Caitlin Swalec, Global Energy Monitor, June 2022. https://globalenergymonitor.org/wp-content/uploads/2022/06/GEM_SteelPlants2022.pdf ↩︎ ↩︎
Yellishetty, Mohan, P. G. Ranjith, and A. Tharumarajah. “Iron ore and steel production trends and material flows in the world: Is this really sustainable?.” Resources, conservation and recycling 54.12 (2010): 1084-1094. ↩︎ ↩︎
Zie, bijvoorbeeld: Hatayama, Hiroki, et al. “Outlook of the world steel cycle based on the stock and flow dynamics.” Environmental science & technology 44.16 (2010): 6457-6463. In deze studie wordt voorspeld dat de vraag naar staal pas rond 2025 1,8 miljard ton zal bedragen. ↩︎
De Beer, Jeroen. Potential for industrial energy-efficiency improvement in the long term. Vol. 5. Springer Science & Business Media, 2013. ↩︎
Wang, R. Q., et al. “Energy saving technologies and mass-thermal network optimization for decarbonized iron and steel industry: A review.” Journal of Cleaner Production 274 (2020): 122997. ↩︎
Ongeveer 5% van het wereldwijde staal wordt geproduceerd met een derde methode: directe ijzerreductie op basis van gas. Deze ovens gebruiken gas in plaats van kolen en hebben daardoor een lagere koolstofuitstoot. De uitstoot is echter nog steeds veel hoger dan bij de vlamboogoven. Staalproductie op basis van gas vindt voornamelijk plaats in het Midden-Oosten en Noord-Amerika. ↩︎
He, Kun, and Li Wang. “A review of energy use and energy-efficient technologies for the iron and steel industry.” Renewable and Sustainable Energy Reviews 70 (2017): 1022-1039. This source gives a value of 1-1.5 GJ/ton of crude steel. ↩︎ ↩︎
Dit geldt ook voor veel andere materialen. Zie: “Ook circulaire economie pleegt roofbouw op de planeet”, Kris De Decker, Low-tech Magazine, November 2018. https://qelnixcor.cloud/nl/2018/11/how-circular-is-the-circular-economy/ ↩︎
Kong, Xianghui, et al. “Steel stocks and flows of global merchant fleets as material base of international trade from 1980 to 2050.” Global Environmental Change 73 (2022): 102493. ↩︎
ODPADKA, PROIZVODNJA JEKLA IZ JEKLENEGA. “Scrap-based steel production and recycling of steel.” Materiali in tehnologije 34.6 (2000): 387. ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
In het Westen vond de uitbreiding van het staalgebruik plaats over een periode van 150 jaar, gelijk opgaand met de technologische evolutie. China daarentegen heeft deze technologische evolutie in slechts enkele decennia samengeperst: scheepvaart en spoorwegen, elektrificatie, stalen gebouwen, de auto en het vliegtuig, het internet en hernieuwbare energieproductie. Er zijn nog grote delen van de wereld waar de staalintensiteit van de samenleving erg laag is, zoals India en Afrika. Er is dus nog veel ruimte voor groei van de staalproductie. Bron: Smil, Vaclav. Still the iron age: iron and steel in the modern world. Butterworth-Heinemann, 2016. ↩︎
AHHS Application Guidelines, WorldAutoSteel. ahssinsights.org/news/intro ↩︎ ↩︎
Sverdrup, Harald Ulrik, and Anna Hulda Olafsdottir. “Assessing the long-term global sustainability of the production and supply for stainless steel.” BioPhysical Economics and Resource Quality 4 (2019): 1-29. ↩︎
Conseil, Laplace. “Impacts of energy market developments on the steel industry.” 74th Session of the OECD Steel Committee, Paris, France (2013). Found in: Smil, Vaclav. Still the iron age: iron and steel in the modern world. Butterworth-Heinemann, 2016. ↩︎
Deetman, Sebastiaan, et al. “Projected material requirements for the global electricity infrastructure–generation, transmission and storage.” Resources, Conservation and Recycling 164 (2021): 105200. ↩︎ ↩︎
Hoe duurzaam is een duurzaam elektriciteitsnet?, Kris De Decker, Low-tech Magazine, September 2017. https://qelnixcor.cloud/nl/2017/09/how-not-to-run-a-modern-society-on-solar-and-wind-power-alone/ ↩︎ ↩︎
Kleijn, René, et al. “Metal requirements of low-carbon power generation.” Energy 36.9 (2011): 5640-5648. ↩︎ ↩︎
Weißbach, Daniel, et al. “Energy intensities, EROIs (energy returned on invested), and energy payback times of electricity generating power plants.” Energy 52 (2013): 210-221. ↩︎ ↩︎ ↩︎
Chen, Zhenyang, Rene Kleijn, and Hai Xiang Lin. “Metal requirements for building electrical grid systems of global wind power and utility-scale solar photovoltaic until 2050.” Environmental Science & Technology 57.2 (2022): 1080-1091. ↩︎ ↩︎
Vidal, Olivier, Bruno Goffé, and Nicholas Arndt. “Metals for a low-carbon society.” Nature Geoscience 6.11 (2013): 894-896. The data are in the supplementary info: https://www.nature.com/articles/ngeo1993#Sec5 ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
“Energy”, American Iron and Steel Institute. https://www.steel.org/steel-markets/energy/ ↩︎
“Steel is the power behind renewable energy”, Arcelor Mittal. https://constructalia.arcelormittal.com/en/news_center/articles/steel-is-the-power-behind-renewable-energy#:~:text=Steel%3A%20a%20key%20material%20in%20a%20less%20carbon%2Dintensive%20world&text=Without%20steel%2C%20none%20of%20the,Schrijver%2C%20CEO%20of%20ArcelorMittal%20Projects. ↩︎
Topham, Eva, et al. “Recycling offshore wind farms at decommissioning stage.” Energy policy 129 (2019): 698-709. ↩︎ ↩︎ ↩︎
Gervásio, Helena, et al. “Comparative life cycle assessment of tubular wind towers and foundations–Part 2: Life cycle analysis.” Engineering structures 74 (2014): 292-299. & Rebelo, Carlos, et al. “Comparative life cycle assessment of tubular wind towers and foundations–Part 1: Structural design.” Engineering structures 74 (2014): 283-291. ↩︎
Assessing the significance of steel to the global wind industry, S&P Global, Commodity Insights. December 2021. https://www.spglobal.com/commodityinsights/en/ci/research-analysis/assessing-the-significance-of-steel-to-the-global-wind-industry.html ↩︎
Bolson, Natanael, Pedro Prieto, and Tadeusz Patzek. “Capacity factors for electrical power generation from renewable and nonrenewable sources.” Proceedings of the National Academy of Sciences 119.52 (2022): e2205429119. https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2205429119 ↩︎
This result corresponds well with Vidal, Olivier, Bruno Goffé, and Nicholas Arndt. “Metals for a low-carbon society.” Nature Geoscience 6.11 (2013): 894-896. The data are in the supplementary info: https://www.nature.com/articles/ngeo1993#Sec5 ↩︎
Voor offshore windturbines wordt de levensduur van de funderingen geschat op 100 jaar, dus in principe zouden ze kunnen dienen voor vervangende windturbines van dezelfde grootte. Aan de andere kant is het niet vanzelfsprekend dat deze stalen funderingen uiteindelijk worden gerecycleerd. Ten eerste kan slechts ongeveer 10% van de ontmantelingskosten worden terugverdiend door het metaal te recycleren, wat betekent dat het economisch en misschien zelfs energetisch niet interessant is om het te doen. Ten tweede is in sommige gevallen het zeeleven rond de funderingen tot bloei gekomen. De vier offshore windparken die (tot 2019) werden ontmanteld, gingen 15, 18, 20 en 26 jaar mee. Bron: Topham, Eva, et al. “Recycling offshore wind farms at decommissioning stage.” Energy policy 129 (2019): 698-709. ↩︎
https://www.fedsteel.com/insights/steels-role-in-the-us-power-infrastructure/ ↩︎
https://industry.arcelormittal.com/products-solutions/Products_in_the_spotlight/magnelis ↩︎
Maziasz, Philip J., and Jeremy T. Busby. Properties of austenitic stainless steels for nuclear reactor applications. Oak Ridge National Lab.(ORNL), Oak Ridge, TN (United States), 2012. ↩︎
Een deel hiervan is al gebouwd. De onderzoekers gaan uit van de zonne- en windenergieproductie in 2013, die 400 Twh bedroeg, terwijl beide energiebronnen in 2021 2.894 Twh produceerden. ↩︎
Electricity consumption worldwide from 2000 to 2022, with a forecast for 2030 and 2050, by scenario. Statista. https://www.statista.com/statistics/1426308/electricity-consumption-worldwide-forecast-by-scenario/#:~:text=According%20to%20a%20recent%20forecast,on%20the%20energy%20transition%20scenario ↩︎
Bhaskar, Abhinav, et al. “Decarbonizing primary steel production: Techno-economic assessment of a hydrogen based green steel production plant in Norway.” Journal of Cleaner Production 350 (2022): 131339. ↩︎ ↩︎
Scrap use in the steel industry, World Steel Association. May 2021. https://worldsteel.org/wp-content/uploads/Fact-sheet-on-scrap_2021.pdf ↩︎
Een andere motivatie om de staalintensiteit van de moderne samenleving te verminderen is om de gevolgen van geopolitieke conflicten te beperken. Hoe meer staal we produceren voor vreedzame doeleinden, hoe meer staal er beschikbaar komt voor oorlog en vernietiging. Opmerkelijk genoeg komt de productie van militair materieel niet voor in de moderne staalstatistieken, en als deze al wordt genoemd, is het aandeel ervan erg laag. In tijden van oorlog schakelen staalfabrieken echter over op de productie van staal voor militaire doeleinden. De staalindustrie kan dus op elk moment worden omgevormd tot een wapenindustrie en er is nu veel meer staalproductiecapaciteit beschikbaar dan er ooit in de geschiedenis is geweest. ↩︎

Plastic afval in de brandstoftank?

Sun, 19 Nov 2023 00:00:00 +0000

Afbeelding: Deze auto rijdt op plastic. Foto: Gijs Schalkx.

Van houtgas tot plastic afval

Tijdens de Tweede Wereldoorlog werden veel gemotoriseerde voertuigen op het Europese vasteland omgebouwd om op brandhout te rijden. ¹ Dat gebeurde als gevolg van de rantsoenering van fossiele brandstoffen. Voertuigen op houtgas waren een niet zo elegant alternatief voor hun neefjes op benzine, maar hun actieradius was vergelijkbaar met de elektrische voertuigen van vandaag. Alleen al in Duitsland reden tegen het einde van de Tweede Wereldoorlog ongeveer 500.000 auto’s, bussen en vrachtwagens op houtgas. Een nog omslachtiger alternatief was het gaszakvoertuig. ²

Tegenwoordig is er veel minder brandhout beschikbaar dan in de jaren 1940, vooral in geïndustrialiseerde gebieden. Dus wat zou de oplossing zijn voor de onderbreking van benzine of elektriciteit in de Derde Wereldoorlog? De Nederlandse ontwerper Gijs Schalkx vond een andere brandstofvoorraad, die overvloedig aanwezig is: plastic afval. De productie van plastic begon pas in de jaren 1950, na de Tweede Wereldoorlog. Sindsdien is plastic een steeds populairder materiaal geworden, met een wereldwijde jaarlijkse productie van 460 miljoen ton in 2019 - twee keer zoveel als in 2000 en acht keer zoveel als in 1976. ³⁴

Afbeelding: dieselproductie op het dak. Foto: Gijs Schalkx.

Plastic wordt gemaakt van fossiele brandstoffen, en het proces kan worden omgedraaid. Gijs Schalkx heeft een afgedankte Volvo 240 omgebouwd om op diesel te rijden die hij maakt van het plastic afval dat hij verzamelt. Een “de-raffinaderij” zet plastic afval weer om in brandstof en staat op de bagagedrager van de auto. Het voertuig is daarmee onafhankelijk van de infrastructuur voor fossiele brandstoffen. Het plastic afval wordt in een ketel verhit tot ongeveer 700 graden Celsius, waarna het verdampt. Het gas koelt vervolgens af en condenseert op een uur tijd tot brandstof. Gijs verzamelt die in plastic flessen - zelf de grondstof voor de diesel die ze bevatten. De brandstof lijkt op Coca-Cola - een van de grootste producenten van plastic afval.

Hoe ver kunnen we rijden op plastic afval?

Brandstof maken kan terwijl de auto rijdt, maar Gijs heeft de twee activiteiten om veiligheidsredenen gescheiden gehouden. Met een snelheid van 80 km/u rijdt zijn Volvo 240 een afstand van 7 kilometer per kilogram plastic (wat overeenkomt met 14 kg plastic per 100 gereden km). Dat is inclusief de brandstof die wordt gebruikt om het plastic afval op het dak op te warmen (1 kg plastic levert 0,5 liter diesel op), zodat het brandstofverbruik op 7.14 liter per 100 km uitkomt. Plastic afval is een nogal volumineus materiaal, en er zijn meerdere vuilniszakken vol plastic afval nodig om één liter brandstof te maken. Schalkx is van plan om een kleine shredder te gebruiken om het volume van het plastic afval dat hij verzamelt te verminderen, maar voorlopig vertrouwt hij op een voorraad afgedankt plastic granulaat van een buurman, bestaande uit PET en HDPE.

Afbeelding: Gijs Schalkx stopt plastic afval in de stookketel. Foto: Gijs Schalkx.

Hoe ver zouden we kunnen rijden als we al het plastic afval zouden omzetten in brandstof? Nederland produceerde in 2017 ruwweg 1.650 kiloton plastic afval (1.650.000.000 kg), genoeg om 11,55 miljard km (11.550.000.000 km) te rijden. ⁵ Dat komt overeen met ongeveer 1/10e van de kilometers afgelegd door alle Nederlandse personenauto’s in 2021 (114,3 miljard km). ⁶ Op kleinere schaal rijdt het gemiddelde personenvoertuig in Nederland 12.000 km per jaar, waarvoor elke bestuurder en zijn of haar passagiers 1.714 kg plastic zouden moeten inzamelen. Langs de andere kant zou zelfs de huidige hoeveelheid plastic afval per hoofd van de bevolking in Nederland (97 kg) genoeg zijn om 679 kilometer te rijden - misschien voldoende voor degenen die hun auto verstandig gebruiken. De hoeveelheid plastic afval groeit sneller dan het aantal auto’s, zodat we in de toekomst steeds langere afstanden zouden kunnen rijden. ⁷

Hoe duurzaam is rijden op plastic afval?

Een voertuig op plastic afval laten rijden heeft voordelen. Zo kunnen medici bijvoorbeeld ambulances besturen zonder regelmatige brandstoftoevoer in een oorlogsgebied. Maar hoe presteert een voertuig dat op plastic afval rijdt in tijden van vrede? Plastic afval is immers een enorm probleem en de auto van Gijs Schalkx maakt er komaf mee. Aangezien wereldwijd minder dan 10% van het plastic afval wordt gerecycled, zou het dan zinvol zijn om mensen aan te moedigen hun voertuigen om te bouwen om op dieselolie van plastic afval te rijden? Het zou zeker een betaalbaarder alternatief zijn voor elektrische auto’s, maar hoe zit het met de koolstofuitstoot?

Aan de ene kant is de koolstofuitstoot van de Volvo 240 bijna nul: Gijs vond de meeste onderdelen - inclusief de auto zelf - op de vuilnisbelt, andere op de tweedehandsmarkt. ⁸ Daarentegen voegt de productie van nieuwe voertuigen - vooral elektrische - een aanzienlijke koolstofuitstoot toe voordat ze hun eerste kilometer afleggen. Conventionele auto’s hebben ook een uitgebreide infrastructuur nodig voor de productie en distributie van brandstof en elektriciteit, waarvan de bouw en het onderhoud nog meer uitstoot toevoegt. Bij de Volvo ligt de brandstofinfrastructuur op het dak, gebouwd van schroot.

Afbeelding: Gijs Schalkx in zijn auto. Het ontwerp is een knipoog naar de houtgasauto's van andere Nederlanders, Dutch John en Joost Conijn. Foto: Frank Hanswijk.

Afbeelding: Het interieur van de auto. Foto: Frank Hanswijk.

Aan de andere kant is de CO2-uitstoot van de brandstofproductie en -verbranding niet lovenswaardig. Ten eerste is er de verbranding van plastic op het dak van de auto. Om 1 liter diesel te maken, moet 1 kg plastic worden verbrand, wat resulteert in 2-2,7 kg koolstofuitstoot. ⁹ Ten tweede is er de verbranding van de diesel tijdens het rijden, die 2,7 kg kooldioxide per liter uitstoot. ¹⁰ Samen wordt dat 4,7 tot 5,4 kg CO2 per liter. Bij een brandstofverbruik van 7,4 liter per 100 km stoot de Volvo dus 33,6 tot 38,6 kg broeikasgassen per 100 km uit.

Daarentegen bedraagt de uitstoot van de gemiddelde auto op fossiele brandstoffen in Europa 25,8 kg CO2/100 km, inclusief de productie van ruwe olie, de raffinage van brandstof en de productie van het voertuig. ¹¹ De uitstoot van een kleine elektrische auto zoals de Nissan Leaf bedraagt 10,9 kg CO2/100 km in Europa, inclusief de uitstoot van fossiele brandstoffen om elektriciteit te produceren. ¹¹ De Volvo stoot dus 1,5 keer meer CO2 uit dan de gemiddelde auto op fossiele brandstoffen in Europa, en 3 tot 4 keer meer dan een kleine elektrische auto. Het verschil zal iets kleiner zijn, omdat de gegevens voor de andere auto’s niet de uitstoot voor de bouw van de olie- en energie-infrastructuur bevatten. Het is echter onwaarschijnlijk dat dit de balans zal doen doorslaan.

Er zijn verschillende redenen voor de hoge koolstofuitstoot. Ten eerste is de productie van brandstof door het verbranden van plastic op het dak vier keer koolstofintensiever dan de productie van brandstof uit ruwe olie in een raffinaderij. ¹² Ten tweede dateert de Volvo uit 1980, toen auto’s een hoger brandstofverbruik hadden. Gijs Schalkx: “Hypothetisch gezien zou je een nieuwere auto kunnen ombouwen om op plastic afval te rijden en een veel lagere koolstofuitstoot hebben. Ook de raffinaderij is een van de eerste in zijn soort en kan door echte ingenieurs nog efficiënter worden gemaakt. Olieraffinaderijen worden al meer dan 100 jaar ontwikkeld. Nieuwere auto’s hebben echter een elektronische motorsturing die het gebruik van alternatieve brandstoffen verhindert.”

Externaliseren van vervuiling

Koolstofuitstoot is niet de enige zorg. Door de chemicaliën die aan plastic worden toegevoegd, verspreidt de verbranding ervan toxische stoffen in lucht, water en bodem. Kortom, niemand die bij zijn volle verstand is zal het gebruik van plastic afval als brandstof aanmoedigen. Het is echter leerzaam om de motieven achter deze unanieme conclusie te onderzoeken. Veel van het plastic afval dat de Volvo 240 verbrandt, verbrandt sowieso. Niet in auto’s maar in verbrandingsovens. Dat geldt voor 44% van het plastic afval in Europa. ¹³ Uit die plastic verbranding wordt elektriciteit geproduceerd, die vervolgens elektrische auto’s kan opladen. Hoe is dat duurzamer dan plastic verbranden op het dak van je auto?

Afbeelding: Het verbranden van plastic. Foto: Gijs Schalkx.

De koolstofuitstoot is hetzelfde. De luchtvervuiling ook, hoewel het makkelijker is om een rookgasreiniger op honderden verbrandingsovens te plaatsen dan op miljoenen auto’s. Het belangrijkste verschil is dat het verbranden van plastic afval in verbrandingsovens velen van ons in staat stelt om de neveneffecten van autorijden te externaliseren. Een verbrandingsoven staat meestal in een arme buurt, waar hij kanker en andere gezondheidsproblemen veroorzaakt, ondanks de rookgasreiniging. Ondertussen produceert hij elektriciteit voor elektrische auto’s die rondrijden in de milieuzones van welgestelde buurten.

Internaliseren van vervuiling

Schalkx’ Volvo daarentegen internaliseert alle neveneffecten van autorijden. De Volvo is geen plezier om in te rijden, althans niet regelmatig. Hij is vies. Het interieur stinkt naar plastic, wat niet gezond kan zijn - Gijs houdt de ramen van de auto altijd open, ongeacht het weer. Bovendien moet hij veel tijd besteden aan het verzamelen van plastic en het maken van brandstof, en al deze nadelen doen hem twee keer nadenken voordat hij achter het stuur kruipt. Het is onwaarschijnlijk dat Schalkx 12.000 km per jaar zal rijden, en dus zal hij uiteindelijk minder vervuilen dan de bestuurders van duurzaam ogender auto’s die geen van deze problemen kennen.

Op de een of andere manier hebben de Nederlandse autoriteiten, die niet bekend staan om hun toegeeflijkheid, de auto na inspectie officieel goedgekeurd. Schalkx rijdt belastingvrij en mag - dankzij het feit dat zijn auto een oldtimer is - milieuzones in, waar hij naast de nieuwste elektrische SUV parkeert. Rechtvaardigheid is de wereld nog niet uit.

Afbeelding: Plastic flessen met brandstof. Foto: Kris De Decker.

Afbeelding: Een deel van de raffinaderij op het dak, waarop de luchtblazer voor de oliebrander te zien is. Deze is gemaakt van een oude kachelventilator van de Volvo. Foto: Gijs Schalkx.

Afbeelding: Een deel van de raffinaderij op het dak, waarop de oliebrander in Ursutz-stijl te zien is die de raffinaderij heet stookt. Foto: Gijs Schalkx.

Afbeelding: Gijs Schalkx repareerde de auto met schrootstaal. Foto: Gijs Schalkx.

Afbeelding: Gijs Schalkx heeft de auto gestript tot de essentie. Foto: Kris De Decker.

Houtgasauto’s: Brandhout in de brandstoftank, Kris De Decker, Low-tech Magazine, 2010. https://qelnixcor.cloud/2010/01/wood-gas-vehicles-firewood-in-the-fuel-tank/ ↩︎
Gas Bag Vehicles, Kris De Decker, Low-tech Magazine, 2011. https://qelnixcor.cloud/2011/11/gas-bag-vehicles/ ↩︎
https://www.statista.com/statistics/282732/global-production-of-plastics-since-1950/ ↩︎ ↩︎
https://www.oecd.org/environment/plastic-pollution-is-growing-relentlessly-as-waste-management-and-recycling-fall-short.htm ↩︎
https://ce.nl/publicaties/plasticgebruik-en-verwerking-van-plastic-afval-in-nederland/ ↩︎
https://www.cbs.nl/nl-nl/visualisaties/verkeer-en-vervoer/verkeer/verkeersprestaties-personenautos#:~:text=Van%20de%20114%2C3%20miljard,overige%20kilometers%20werden%20zakelijk%20gereden. ↩︎
De kunststofindustrie verbruikt nu 14% van de totale olieproductie, tegenover slechts 4% in 2012. Tegen 2050 zal het aandeel van de kunststofindustrie naar verwachting 20% van de olieproductie bedragen. Bronnen: https://e360.yale.edu/features/the-plastics-pipeline-a-surge-of-new-production-is-on-the-way & https://www.reuters.com/business/environment/big-oils-plastic-boom-threatens-uns-historic-pollution-pact-2022-03-04/ & https://oilprice.com/Energy/Energy-General/How-Much-Crude-Oil-Does-Plastic-Production-Really-Consume.html See also ³ ↩︎
Nieuwe onderdelen in de auto zijn brandstofslangen, koelvloeistofslangen, verf, banden, remleidingen en remblokken. De meeste hiervan waren nodig om door de inspectie te komen. ↩︎
Rubio-Domingo, Gabriela, et al. “Making Plastics Emissions Transparent.” COMET. Last modified February 2022. https://ccsi. columbia. edu/sites/default/files/content/COMET-making-plastics-emissions-transparent. Pdf (2022). https://ccsi.columbia.edu/sites/default/files/content/COMET-making-plastics-emissions-transparent.pdf. ↩︎
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/2307/1/012025/pdf ↩︎
https://www.carbonbrief.org/factcheck-how-electric-vehicles-help-to-tackle-climate-change/ ↩︎ ↩︎
https://publications.jrc.ec.europa.eu/repository/handle/JRC85326 ↩︎
https://www.oecd.org/environment/plastic-pollution-is-growing-relentlessly-as-waste-management-and-recycling-fall-short.htm#:~:text=Another%2019%25%20is%20incinerated%2C%2050,environments%2C%20especially%20in%20poorer%20countries. ↩︎

Kunnen we de fiets weer duurzaam maken?

Tue, 28 Feb 2023 00:00:00 +0000

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

Fietsen is duurzaam, maar hoe duurzaam is de fiets?

Fietsen is een van de meest duurzame vormen van transport. Meer fietsgebruik vermindert het verbruik van fossiele brandstoffen en vervuiling, bespaart ruimte en verbetert de volksgezondheid en veiligheid. De fiets zelf is er echter in geslaagd om milieukritiek te ontlopen. ¹² Als de milieu-impact van de fiets wordt berekend, is dat bijna altijd in vergelijking met autorijden. Het resultaat is voorspelbaar: de fiets is duurzamer dan de auto. Dergelijk onderzoek kan mensen stimuleren om vaker te fietsen, maar zet fabrikanten niet aan om hun fietsen zo duurzaam mogelijk te maken.

Voor dit artikel heb ik academische studies geraadpleegd die verschillende soorten fietsen met elkaar vergelijken of zich richten op het productiestadium van een bepaalde tweewieler. Dat soort onderzoek was tot drie of vier jaar geleden vrijwel onbestaande. Aan de hand van het beschikbare materiaal vergelijk ik verschillende generaties fietsen. In een historische context wordt duidelijk dat het energieverbruik bij de productie van een fiets toeneemt, terwijl de levensduur korter wordt. Het resultaat is een groeiende ecologische voetafdruk. Die trend heeft een duidelijk begin. De fiets ontwikkelde zich heel langzaam tot het begin van de jaren 1980 en onderging toen plotseling een snelle opeenvolging van veranderingen die tot op de dag van vandaag voortduurt.

Er zijn geen studies over fietsen van vóór de jaren tachtig. Levenscyclusanalyses, die het grondstoffengebruik van een product van “wieg” tot “graf” onderzoeken, ontstonden pas in de jaren 1990. De maatstaf voor een duurzame fiets staat echter in de kamer waar ik dit schrijf. Het is mijn Gazelle Champion racefiets uit 1980 - nu 43 jaar oud. Ik kocht hem tien jaar geleden in Barcelona van een lange Duitse man die de stad verliet. Hij had tranen in zijn ogen toen ik ermee weg wandelde. Ik heb een tweede fiets in Barcelona, een Mercier uit 1978. Dat is mijn reservevoertuig voor het geval de andere kapot gaat en ik niet de tijd heb voor onmiddellijke reparaties. Ik heb nog twee racefietsen gestald in België, waar ik ben opgegroeid en waar ik nog steeds een paar keer per jaar naartoe reis (per trein, niet per fiets). Het gaat om een Plume Vainqueur van eind jaren zestig en een Ventura uit de jaren zeventig.

De belangrijkste reden waarom ik voor oude fietsen heb gekozen, is dat ze veel beter zijn dan nieuwe fietsen. De meeste mensen beseffen dat niet, dus ze zijn ook veel goedkoper. Mijn vier fietsen hebben me in totaal slechts 500 euro gekost. Daarmee zou ik slechts één goedkope nieuwe racefiets kunnen kopen, en zo’n tweewieler gaat zeker geen 40 tot 50 jaar mee – zoals we zullen zien. Natuurlijk zijn niet alleen oude racefietsen beter. Hetzelfde geldt voor andere soorten fietsen die gebouwd zijn voor de jaren tachtig. Ik rijd op racefietsen omdat ik relatief lange afstanden afleg, meestal tussen 35 en 50 km heen en terug.

Beeld: De fiets die ik het meest gebruik, een Gazelle Champion uit 1980. Hij heeft minstens 30.000 km afgelegd sinds ik hem kocht in 2013.

Waar fietsen van gemaakt zijn

De eerste belangrijke verandering in de fietsindustrie was de overgang van stalen naar aluminium fietsen. Voor de jaren tachtig waren vrijwel alle fietsen van staal. Ze hadden een stalen frame, wielen, componenten en onderdelen. Tegenwoordig zijn bijna alle fietsframes en wielen gemaakt van aluminium. Hetzelfde geldt voor veel andere fietsonderdelen. Meer recentelijk hebben steeds meer fietsen frames en wielen van koolstofvezelcomposieten. Sommige fietsframes zijn gemaakt van titanium of roestvrij staal. De productie van al deze materialen kost meer energie dan de productie van staal. Bovendien kunnen staal en aluminium worden gerecycleerd en gerepareerd, terwijl composietvezels alleen kunnen worden gedowncycled en slecht kunnen worden gerepareerd. ³

Verschillende studies hebben de energie- en CO2-kosten vergeleken van fietsframes en andere onderdelen van deze verschillende materialen – die allemaal verschillende sterkte-gewichtsverhoudingen hebben. Dat onderzoek heeft enkele beperkingen. Wetenschappers gebruiken ruwe methoden omdat ze geen gedetailleerde gegevens hebben van de productieprocessen van fietsen, en sommige studies zijn afkomstig van fabrikanten die onderzoekers betalen om de duurzaamheid van hun producten te beoordelen. Maar alles bij elkaar zijn de resultaten behoorlijk consistent. Om het kort te houden, concentreer ik me op de uitstoot (CO2 = CO2-equivalenten) en negeer ik andere milieueffecten.

Vóór de jaren tachtig werden vrijwel alle fietsen van staal gemaakt.

Reynolds, een Britse fabrikant die bekend staat om zijn fietsbuizen, ontdekte dat het maken van een stalen frame 17,5 kg CO2 kost, terwijl een frame van titanium of roestvrij staal ongeveer 55 kg CO2 per frame kost – drie keer zoveel. ⁴ Een onderzoek voor Starling Cycles, een zeldzame producent van stalen mountainbikes, concludeerde dat een typisch carbon frame zestien keer meer energie verbruikt dan een stalen frame. ⁵ (Dat zou 280 kg CO2 zijn). Een onafhankelijke studie uit 2014 – de eerste in zijn soort – berekende de voetafdruk van een aluminium racefietsframe met carbon vork van het merk “Specialized”. De onderzoekers stelden vast dat de productie ervan 2.380 kilowattuur primaire energie en meer dan 250 kg CO2 kost – ruwweg veertien keer die van een stalen frame (zonder vork) zoals berekend door Reynolds. ²

Een fiets is meer dan een frame alleen. Levenscyclusanalyses van hele fietsen tonen aan dat de ecologische voetafdruk van alle andere onderdelen minstens even groot is als die van een stalen frame. ⁶ Wetenschappers hebben berekend dat de CO2-uitstoot van een stalen fiets over de gehele levensduur 35 kg CO2 bedraagt, vergeleken met 212 kg CO2 voor een aluminium fiets. ⁷⁸ De meest gedetailleerde levenscyclusanalyse besluit dat een aluminium fiets van 18,4 kg 200 kg CO2 kost, inclusief de reserveonderdelen, voor een levensduur van 15.000 km. De belangrijkste impact is de materiaalproductie (74%; aluminium, roestvrij staal, rubber), gevolgd door de onderhoudsfase (15,5% voor 3,5 nieuwe sets banden, zes remblokken, een ketting en een cassette) en de assemblagefase (5%). ⁹

Waar en hoe fietsen worden gemaakt

Mijn stalen fietsen dateren uit de tijd dat de meeste geïndustrialiseerde landen een binnenlandse fietsindustrie hadden die hun nationale markt bediende. ³ Deze industrieën stortten in Europa en Noord-Amerika in na de neoliberale globalisering aan het eind van de jaren 1970. China stelde zich open voor buitenlandse investeringen en werd al snel de grootste fietsenfabrikant ter wereld. In de afgelopen twee decennia heeft China tweederde van alle fietsen ter wereld gemaakt (60-70 miljoen van de 110 miljoen per jaar). De rest komt grotendeels uit andere Aziatische landen. Europa produceert weer tien miljoen fietsen per jaar, maar de VS produceert jaarlijks slechts 60.000 fietsen. ³

Gedurende de hele twintigste eeuw vereiste de fabricage van fietsen een aanzienlijke inzet van menselijke arbeid. ³ Volgens de Routledge Companion to Cycling “werden wielen handmatig gespaakt en gespannen; frames werden met de hand gebouwd; het maken van zadels was arbeidsintensief; headsets, versnellingsclusters, remkabels en versnellingen werden fysiek vastgeschroefd." Sinds de jaren 2000 heeft automatisering de nood aan menselijke arbeid aanzienlijk verminderd. De grootste Chinese fietsenfabrikant, die een vijfde van alle fietsen ter wereld bouwt, heeft nu 42 fietsassemblagelijnen die 55.000 fietsen per dag maken – bijna net zoveel als de VS in een jaar. ³

De fietsenindustrie in Europa en Noord-Amerika stortte in na de neoliberale globalisering aan het eind van de jaren zeventig.

De globalisering en automatisering van de fietsindustrie maken fietsen minder duurzaam. Ten eerste introduceren ze extra emissies voor transport (van grondstoffen, onderdelen en fietsen) en voor het produceren en gebruiken van robots en andere machines. Ten tweede is de productie van staal, aluminium, koolstofvezelcomposieten en elektriciteit in China en andere fietsproducerende landen energie- en koolstofintensiever dan in Europa en Noord-Amerika. ¹⁰ Het belangrijkste is echter dat grootschalige geautomatiseerde productie verzonken kapitaal vertegenwoordigt dat het grootste deel van de tijd moet werken om de overheadkosten te spreiden, waardoor overproductie ontstaat. ³

Hoe lang fietsen meegaan

Hoeveel energie en andere middelen het kost om een fiets te bouwen is maar de helft van het verhaal. Minstens zo belangrijk is hoe lang de fiets meegaat. Hoe korter de levensduur, hoe meer tweewielers er moeten worden geproduceerd gedurende de levensduur van een fietser, en hoe hoger het verbruik van grondstoffen wordt.

Voor een lange levensduur moeten sommige onderdelen van een fiets af en toe worden vervangen. Dit zijn typisch kleinere onderdelen zoals versnellingen, kettingen en remmen. ¹¹ Tot een paar decennia geleden was compatibiliteit van onderdelen een kenmerk van de fietsfabricage. ¹² Mijn fietsen zijn hier een perfect voorbeeld van. De meeste onderdelen – zoals wielen, versnellingen en remmen – zijn uitwisselbaar tussen de verschillende frames, ook al is elk voertuig van een ander merk en bouwjaar. De compatibiliteit van de onderdelen maakt onderhoud en reparatie makkelijk, waardoor de levensduur van een fiets wordt verlengd. Fietsenwinkels in zelfs de kleinste dorpen kunnen alle soorten fietsen repareren met een beperkte set gereedschap en reserveonderdelen. ¹² Fietsers kunnen thuis kleine reparaties uitvoeren.

Helaas is compatibiliteit nauwelijks nog een kenmerk van de fietsfabricage. Fabrikanten hebben een toenemend aantal eigen onderdelen geïntroduceerd en veranderen voortdurend van standaard, waardoor zelfs voor oudere fietsen van hetzelfde merk compatibiliteitsproblemen ontstaan. ¹³ Als bijvoorbeeld de versnelling van een moderne fiets na enkele jaren gebruik kapot gaat, is er waarschijnlijk geen vervangonderdeel meer verkrijgbaar. Je moet een nieuwe set bestellen van een nieuwe generatie, die niet compatibel zal zijn met je voor- en achterderailleur – die je dus ook moet vervangen. ¹² Voor racefietsen heeft de overgang van cassettes met tien tandwielen (rond 2010) naar cassettes met elf, twaalf, en recentelijk dertien tandwielen veel wielsets incompatibel gemaakt, en hetzelfde geldt voor de rest van de aandrijflijn. ¹²¹

Vóór de jaren tachtig waren de meeste fietsonderdelen uitwisselbaar tussen frames van verschillende merken en generaties.

Schijfremmen, die nu op bijna elke nieuwe fiets zitten, hebben allemaal verschillende asontwerpen, wat betekent dat elke tweewieler nu eigen reserveonderdelen nodig heeft. ¹ Schijfremmen vereisten ook nieuwe shifters, vorken, framesets, kabels en wielen, waardoor dergelijke fietsen niet meer compatibel zijn met eerdere ontwerpen. ¹² De opkomst van merkgebonden onderdelen maakt het steeds moeilijker om een fiets op de weg te houden door onderhoud, hergebruik of renovatie. Naarmate het aantal incompatibele onderdelen toeneemt, wordt het voor fietsenwinkels onmogelijk om een complete voorraad reserveonderdelen te hebben. ¹²

De incompatibiliteit van onderdelen gaat gepaard met een afnemende kwaliteit. Een voorbeeld is het zadel, dat bijna nooit langer meegaat dan een frameset, omdat het scheurt aan de onderkant. ¹² Een beetje extra materiaal zou het eeuwig doen meegaan – zoals bewezen door alle zadels van mijn 40 tot 50 jaar oude racefietsen. Lage kwaliteit treft sommige onderdelen van dure fietsen, maar is vooral problematisch voor goedkope fietsen die volledig uit onderdelen van lage kwaliteit bestaan. Goedkope fietsen – fietsmonteurs noemen ze “built-to-fail bikes” of “fietsvormige objecten” – hebben vaak plastic onderdelen die gemakkelijk breken en niet vervangen of opgewaardeerd kunnen worden. Deze voertuigen gaan meestal maar een paar maanden mee. ¹³¹⁴

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

Hoe fietsen worden aangedreven

Tot nu toe hebben we alleen de volledig door mensen aangedreven fietsen behandeld, maar fietsen met een elektrische motor worden steeds populairder. Het aantal verkochte e-bikes wereldwijd groeide van 3,7 miljoen in 2019 naar 9,7 miljoen in 2021 (10% van de totale fietsverkoop en tot 40% in sommige landen zoals Duitsland). Elektrische trapondersteuning versterkt beide trends die de fiets minder duurzaam maken. Aan de ene kant vereisen elektrische motoren en batterijen extra hulpbronnen zoals lithium, koper en magneten, waardoor het energieverbruik en de uitstoot van de fietsfabricage toenemen. Onderzoekers hebben berekend dat de productie van een aluminium e-bike 320 kg broeikasgassen uitstoot. ⁸ Dit staat tegenover 212 kg voor de productie van een niet-ondersteunde aluminium fiets en 35 kg voor een niet-ondersteunde stalen fiets.

Anderzijds is de levensverwachting van een elektrische fiets korter dan die van een ongemotoriseerde tweewieler omdat er meer onderdelen stuk kunnen gaan. Dat leidt tot een kortere levenscyclus omdat er weinig compatibiliteit bestaat. Een academische studie over circulariteit in de fietsindustrie constateert een aanzienlijke toename van defecte onderdelen in vergelijking met fietsen zonder ondersteuning en concludeert dat “de grote dynamiek van de markt door regelmatige innovaties, productvernieuwingen en het gebrek aan reserveonderdelen voor oudere modellen het langdurig gebruik door klanten veel moeilijker maakt dan voor conventionele fietsen.” ¹⁵.

Elektrische trapondersteuning versterkt beide trends die de fiets minder duurzaam maken.

Daar komt nog bij dat elektrische fietsen elektriciteit nodig hebben voor hun werking, waardoor het gebruik van hulpbronnen en de uitstoot verder toenemen. Deze impact is relatief klein in vergelijking met de productiefase. De mens levert immers een deel van de energie, en het elektriciteitsverbruik van een elektrische fiets (25 km/u) bedraagt slechts ongeveer 1 kilowattuur per 100 km. De gemiddelde koolstofintensiteit van elektriciteitsopwekking in Europa bedroeg in 2019 275 gCO2/kWh. ¹⁶ Als een e-bike 15.000 km meegaat, voegt het opladen van de batterij slechts 41 kg CO2 toe, tegenover 320 kg voor de productie van de (aluminium) fiets. Zelfs in de VS en China, waar de koolstofintensiteit van het elektriciteitsnet 50-100% hoger is dan de Europese waarde, domineert de productie van elektrische fietsen de totale uitstoot en het energieverbruik.

Vrachtfietsen

De combinatie van energie-intensieve materialen, een korte levensduur en ondersteuning door een elektromotor kan de emissies tijdens de gehele levensduur tot verrassende niveaus doen stijgen, vooral voor vrachtfietsen. Deze voertuigen zijn groter en zwaarder en hebben krachtigere motoren en accu’s nodig. Er zijn erg weinig onderzoeken naar de ecologische voetafdruk van vrachtfietsen. Een recente studie berekende de levenscyclusemissies per kilometer voor een vrachtfiets uit koolstofvezel op 80 gCO2 – slechts de helft van die van een elektrische bestelwagen (158 gCO2/km). ¹⁷ De onderzoekers verklaren dit door het verschil in levensduur – 34.000 km tegenover 240.000 km voor de bestelwagen – en de koolstofvezelcomposieten in vele onderdelen, waaronder het chassis van het voertuig. De levenscyclusemissies van de vrachtfiets, inclusief de elektriciteit die wordt gebruikt om de accu op te laden, bedragen 2.689 kg. Dat is bijna 40 keer de levenscyclusuitstoot van twee stalen fietsen (elk met een levensduur van 15.000 km).

Het verlengen van de levensduur van elektrische fietsen heeft minder impact op de levenscyclusemissies in vergelijking met fietsen zonder ondersteuning. Dat komt omdat de batterij elke 3 tot 4 jaar en de motor elke tien jaar moet worden vervangen, waardoor het gebruik van reserveonderdelen toeneemt. ¹¹ Dit wordt aangetoond door een levenscyclusanalyse van een elektrische vrachtfiets uit staal met een veronderstelde levensduur van 20 jaar. ¹⁸ Tijdens zijn levensduur gebruikt het voertuig vijf batterijen (die elk 8,5 kg wegen), twee motoren en 3,5 sets banden. De meeste emissies tijdens de levenscyclus worden veroorzaakt door deze reserveonderdelen, waarbij de batterijen alleen al 40% voor hun rekening nemen. In vergelijking zijn de emissies voor het stalen frame bijna onbeduidend. ¹⁸ Deze vrachtfiets werd gebouwd voor Afrikaanse wegen en is niet helemaal representatief voor de gemiddelde vrachtfiets, vooral vanwege de zware banden.

Vrachtfietsen hebben nog een nadeel. Zowel personenfietsen en auto’s vervoeren gewoonlijk slechts één persoon, wat betekent dat één passagierkilometer op een fiets min of meer gelijk is aan één passagierkilometer in een auto. Voor vracht is de vergelijking van tonkilometers echter ingewikkelder. Als de lading relatief licht is – meestal tot ongeveer 150 kg – zal de elektrische vrachtfiets minder koolstofintensief zijn dan een bestelwagen. Voor zwaardere ladingen zijn echter meerdere vrachtfietsen nodig om één bestelwagen te vervangen, waardoor de emissies verveelvoudigen. ¹⁸ Overschakelen op vrachtfietsen zonder de hoeveelheid vracht aanzienlijk te verminderen zal de uitstoot dus niet verminderen. Vrachtfietsen met stalen frames en zonder elektrische motoren en batterijen - nu nog de meerderheid - zullen uiteraard veel minder koolstof uitstoten tijdens hun levensduur.

Hoe fietsen worden gebruikt

De laatste jaren hebben veel steden gedeelde fietsdiensten geïntroduceerd. In theorie kunnen deelfietsen het aantal geproduceerde fietsen verminderen en zo de milieu-impact van de fietsproductie verminderen. Echter, het bouwen en exploiteren van fietsdeeldiensten voegt een aanzienlijk energieverbruik toe en leidt dus tot hogere emissies. Bovendien gaan gedeelde fietsen niet zo lang mee als fietsen in privébezit. Gedeelde fietsdiensten versterken dus de trends die fietsen minder duurzaam maken.

Een studie uit 2021 vergelijkt de milieueffecten van gedeelde en particuliere fietsen, met inbegrip van de infrastructuur die elke optie vereist. Het onderzoek concludeert dat persoonlijke fietsen duurzamer zijn dan gedeelde fietsen. ⁸ Het onderzoek is gebaseerd op het Vélib-systeem in Parijs, dat 19.000 voertuigen telt, waarvan ongeveer de helft met een elektrische motor. De productie van de voertuigen en de infrastructuur voor het delen van fietsen veroorzaken meer dan 90% van de emissies en het energieverbruik. De resterende emissies zijn onder meer te wijten aan de aanleg van fietspaden (3,5%), het herbalanceren van de fietsen om alle stations optimaal bevoorraad te houden (2%) en de elektriciteit die gebruikt wordt voor het opladen van de batterijen van de elektrische fietsen (0,3%). In totaal heeft een deelfiets van het Vélib-systeem een uitstoot van 32 g CO2/km, wat drie tot tien keer meer is dan de uitstoot van een persoonlijke fiets (tussen 3,5 gCO2/km voor een stalen fiets en 10,5 g CO2/km voor een aluminium fiets. ⁸

Het bouwen en exploiteren van fietsdeeldiensten verhoogt het energieverbruik en de emissies.

De wetenschappers ontdekten dat deelfietsen leidden tot een daling van 15% van het particuliere fietsbezit. Zij berekenden echter ook dat de gemiddelde levensduur van een gedeelde fiets slechts 14,7 maanden bedraagt, met een gemiddelde levensduur van 12.250 km. Ter vergelijking: de gemiddelde levensduur van een persoonlijke fiets in Frankrijk, gebaseerd op een onderzoek uit 2020, bedraagt ongeveer 20.000 km – bijna 50% meer dan voor gedeelde fietsen. Het Vélib-systeem omvat 14.000 fietsdeelstations met een totale oppervlakte van 92.000 m2 en een geschatte levensduur van tien jaar. Elk van de 46.500 “docks” bestaat uit 23 kg staal en 0,5 kg plastic. Het stroomverbruik van elk deelstation bedraagt ongeveer 6.000 kWh per jaar. Door de hoge impact van de infrastructuur zijn de levenscyclusemissies van gedeelde elektrische fietsen slechts 24% hoger dan die van gedeelde niet-elektrische voertuigen. ⁸

De ecologische voetafdruk van fietsdeelsystemen kan aanzienlijk verschillen tussen steden. Een levenscyclusanalyse in de VS vond een koolstofuitstoot van 65g CO2/km – tweemaal zo hoog als in Parijs. ¹⁹ Dit komt grotendeels doordat de Amerikaanse systemen de fietsen verplaatsen met behulp van dieselvoertuigen, terwijl de Franse dienst elektrische trekkers gebruikt. De Amerikaanse studie kijkt ook naar de nieuwere generatie “dockless” fietsdeeldiensten, die nog slechter scoren. Dockless deelfietsen kunnen overal worden geparkeerd en gelokaliseerd via een smartphone-applicatie. Hoewel dit de noodzaak van stations wegneemt, vereist elke fiets energie-intensieve elektronische componenten, en het systeem genereert ook emissies via communicatienetwerken. ¹⁹¹⁰ Bovendien vereisen dockless systemen meer fietsen en moeten die vaker naar een andere plek worden gebracht.

Een levenscyclusanalyse van Chinese fietsdeeldiensten, vooral dockless systemen, toont hoge schadepercentages en lage onderhoudscijfers voor fietsen. Het jaarlijkse schadepercentage bedraagt 10-20% voor versterkte fietsen en 20-40% voor lichtere voertuigen, die steeds vaker worden gebruikt. In de praktijk wordt een gedeelde fiets schroot wanneer het fietsonderdeel met de minste duurzaamheid kapot gaat. Reparatie gebeurt vrijwel niet. ¹⁰ Ten slotte, wanneer de bedrijven failliet gaan, creëert bike sharing bergen afval – inclusief fietsen in goede staat. ¹⁰¹

Image: Koolstofemissies per kilometer tijdens de levensloop van een fiets. Databronnen: [^8][^17][^19][^26]. Grafiek: Marie Verdeil.

Niet elke fiets vervangt een auto

Niets van dit alles zou het fietsen moeten ontmoedigen. Zelfs de minst duurzame fietsen zijn nog steeds aanzienlijk duurzamer dan auto’s. De koolstofvoetafdruk voor de fabricage van een benzine- of dieselauto ligt tussen de 6 ton (Citroën C1) en 35 ton (Land Rover Discovery). ²⁰ Bijgevolg produceert de bouw van één kleine auto zoals de C1 evenveel emissies als het maken van 171 stalen fietsen of 28 aluminium fietsen. Bovendien hebben auto’s ook een hoge uitstoot voor het brandstofgebruik, terwijl fietsen geheel of gedeeltelijk door mensen worden aangedreven. ²¹ Elektrische auto’s hebben een hogere uitstoot bij de productie, maar een lagere uitstoot bij het gebruik (hoewel dat volledig afhangt van de koolstofintensiteit van het elektriciteitsnet).

De fiets blijft zelfs in het voordeel wanneer rekening wordt gehouden met zijn veel kortere levensduur. ²² Benzine- en dieselauto’s halen nu meer dan 300.000 km, het dubbele van hun levensduur in de jaren 1960 en 1970. ²³ Als een fiets 20.000 km meegaat, zouden er vijftien fietsen nodig zijn om 300.000 km af te leggen. Als dat stalen fietsen zijn zonder elektrische motor, is de totale koolstofvoetafdruk voor de fabricage nog steeds zes keer lager dan voor een kleine auto: 1.050 kg CO2. Zijn de fietsen van aluminium en hebben ze een elektrische motor, dan groeit de uitstoot tot 4.800 kg CO2, nog steeds minder dan de fabricage van een kleine auto.

Niet elke fiets vervangt echter een auto. Dat geldt vooral voor gedeelde en elektrische fietsen: studies tonen aan dat ze vooral de plaats innemen van duurzamere vervoersalternatieven zoals lopen, het gebruik van een niet-ondersteunde of eigen fiets, of reizen met de tram of metro. ¹⁹²⁴ In Parijs hebben deelfietsen een drie keer hogere uitstoot dan elektrisch openbaar vervoer. ⁸ Bovendien worden veel koolstofintensieve fietsen gekocht voor recreatie en zijn ze helemaal niet bedoeld om auto’s te vervangen – ze kunnen zelfs meer autogebruik met zich meebrengen als fietsers de stad uitrijden voor een tochtje in de natuur. In al die gevallen gaan de emissies omhoog, niet omlaag.

Hoe kunnen we fietsen weer duurzaam maken?

Er zijn dus verschillende redenen waarom fietsen minder duurzaam zijn geworden: de overgang van staal naar aluminium en andere energie-intensievere materialen, de schaalvergroting van de fietsindustrie, de toenemende incompatibiliteit en afnemende kwaliteit van onderdelen, het groeiende succes van elektrische fietsen, en het gebruik van deelfietsdiensten. De meeste hiervan zijn op zichzelf niet problematisch. Het is de combinatie van trends die leidt tot aanzienlijke verschillen met fietsen van eerdere generaties.

Op basis van eerder vermelde gegevens zou bijvoorbeeld de productie van een elektrische stalen fiets een koolstofvoetafdruk hebben van 143 kg. Dat is weliswaar vier keer zoveel als de uitstoot van een ongemotoriseerde stalen fiets, maar minder dan de koolstofvoetafdruk van een aluminium fiets zonder elektrische motor (212 kg). Vooral als de accu wordt opgeladen met hernieuwbare energie, kan het rijden op een elektrische fiets dus duurzamer zijn dan op een fiets zonder motor. Evenzo kan een aluminium fiets met een lange levensduur – bijvoorbeeld door compatibiliteit van onderdelen – een lagere koolstofvoetafdruk hebben dan een stalen fiets met een beperktere levensduur.

Veel onderzoekers pleiten ervoor om fietsen weer van staal te maken. Dat zou een aanzienlijke duurzaamheidswinst opleveren in ruil voor iets zwaardere fietsen. Stalen frames zouden ook elektrische en deelfietsen minder koolstofintensief maken. Sommige onderzoekers promoten bamboefietsframes, maar het voordeel ten opzichte van ouderwetse stalen of zelfs aluminium frames is onduidelijk. ²⁵ Een “bamboefiets” vereist nog steeds wielen en vele andere onderdelen van metaal of koolstofvezelcomposieten, en de framebuizen worden gewoonlijk bijeengehouden door koolstofvezel of metalen onderdelen. ⁶ Bovendien wordt het bamboe chemisch behandeld tegen rotting zodat het niet lange biologisch afbreekbaar is. ¹

Een terugkeer naar lokale en minder geautomatiseerde productie is een vereiste voor duurzame fietsen.

Een betere compatibiliteit van onderdelen zou de levensduur van fietsen – ook elektrische – door reparatie en opknappen verlengen. Het zou geen nadelen opleveren voor de consument, integendeel zelfs. Maar in tegenstelling tot een overschakeling op stalen frames zou een betere compatibiliteit van onderdelen de verkoop van nieuwe fietsen doen dalen. Een studie concludeert dat “het loslaten van standaardisatie een winstgevend bedrijfsmodel is omdat het ervoor zorgt dat fietsen maar voor een beperkte tijd gebruikt kunnen worden.” ¹ De afnemende duurzaamheid van fietsen is geen technologisch probleem, en het is niet uniek voor fietsen. We zien het ook bij de productie van andere producten, zoals computers. Een fietsenmaker merkt op: “Het probleem is het kapitalisme; het zijn niet de fietsen.” ¹⁴

Terugkeren naar lokale en minder geautomatiseerde fabricage is een vereiste voor duurzame fietsen. De belangrijkste reden is niet het extra energieverbruik door transport en machines, dat relatief klein is. Het transport vanuit China voegt bijvoorbeeld ongeveer 0,7 tot 1,2 gCO2/km toe voor deelfietsen. ⁸ Belangrijker is dat lokale en manuele productie essentieel is om reparatie de economisch aantrekkelijkste optie te maken. Reparatie is immers per definitie lokaal en manueel, en dus wordt het al snel duurder dan het produceren van een nieuw voertuig in een grootschalige, geautomatiseerde fabriek. ¹⁰ Lokaal gemaakte fietsen zouden de aankoopprijs voor de consument verhogen. Een betere repareerbaarheid zou echter zorgen voor een langere levensduur en lagere kosten op de lange termijn. Het aanpakken van fietsendiefstal en parkeerproblemen is ook essentieel omdat deze vaak een reden zijn om goedkope fietsen met een korte levensduur te kopen. ²⁶

Ten slotte kunnen gedeelde fietsdiensten hun plaats hebben, en we zullen waarschijnlijk verdere verbeteringen zien in de efficiëntie ervan – de nieuwste deelstations in Parijs hebben hun stroomverbruik al met een factor zes verminderd. ⁸ Het is echter onwaarschijnlijk dat gedeelde fietsen duurzamer zullen worden dan particuliere fietsen, omdat ze altijd extra vervoer en een high-tech infrastructuur nodig hebben om te werken. Bovendien kan gehechtheid aan je fiets een sterke stimulans zijn om er goed voor te zorgen en zo de levensduur te verlengen, zoals ik kan getuigen.

Szto, Courtney, and Brian Wilson. “Reduce, re-use, re-ride: Bike waste and moving towards a circular economy for sporting goods.” International Review for the Sociology of Sport (2022): 10126902221138033. https://journals.sagepub.com/doi/pdf/10.1177/10126902221138033 ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
Johnson, Rebecca, Alice Kodama, and Regina Willensky. “The complete impact of bicycle use: analyzing the environmental impact and initiative of the bicycle industry.” (2014). https://dukespace.lib.duke.edu/dspace/bitstream/handle/10161/8483/Duke_MP_Published.pdf ↩︎ ↩︎
Norcliffe, Glen, et al., eds. Routledge Companion to Cycling. Taylor & Francis, 2022. https://www.routledge.com/Routledge-Companion-to-Cycling/Norcliffe-Brogan-Cox-Gao-Hadland-Hanlon-Jones-Oddy-Vivanco/p/book/9781003142041 ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
Cole, Emma. “What’s the environmental impact of a steel bicycle frame?” Cyclist, November 7, 2022. https://www.cyclist.co.uk/in-depth/11003/steel-bike-frame-environmental-impact ↩︎
Mercer, Liam. “Starling Cycles publishes environmental footprint assessment and policy.” Off-road.cc, July 2022. https://off.road.cc/content/news/starling-cycles-publishes-environmental-footprint-assessment-and-policy-10513 ↩︎
Chang, Ya-Ju, Erwin M. Schau, and Matthias Finkbeiner. “Application of life cycle sustainability assessment to the bamboo and aluminum bicycle in surveying social risks of developing countries.” 2nd World Sustainability Forum, Web Conference. 2012. https://sciforum.net/manuscripts/953/original.pdf ↩︎ ↩︎
Chen, Jingrui, et al. “Life cycle carbon dioxide emissions of bike sharing in China: Production, operation, and recycling.” Resources, Conservation and Recycling 162 (2020): 105011. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0921344920303281 ↩︎
De Bortoli, Anne. “Environmental performance of shared micromobility and personal alternatives using integrated modal LCA.” Transportation Research Part D: Transport and Environment 93 (2021): 102743. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S136192092100047X ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
Roy, Papon, Md Danesh Miah, and Md Tasneem Zafar. “Environmental impacts of bicycle production in Bangladesh: a cradle-to-grave life cycle assessment approach.” SN Applied Sciences 1 (2019): 1-16. https://link.springer.com/article/10.1007/s42452-019-0721-z ↩︎
Mao, Guozhu, et al. “How can bicycle-sharing have a sustainable future? A research based on life cycle assessment.” Journal of Cleaner Production 282 (2021): 125081. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0959652620351258 ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
Leuenberger, Marianne, and Rolf Frischknecht. “Life cycle assessment of two wheel vehicles.” ESU-Services Ltd.: Uster, Switzerland (2010). https://treeze.ch/fileadmin/user_upload/downloads/Publications/Case_Studies/Mobility/leuenberger-2010-TwoWheelVehicles.pdf ↩︎ ↩︎
Erik Bronsvoort & Matthijs Gerrits. “From marginal gains to a circular revolution”. Paperback (full-colour): 160 pages, ISBN: 978-94-92004-93-2, Warden Press, Amsterdam. https://circularcycling.nl/product/from-marginal-gains-to-a-circular-revolution/ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
US petition that calls for end o built to fail bikes gaining support in BC. https://vancouversun.com/news/local-news/u-s-petition-that-calls-for-end-of-built-to-fail-bikes-gaining-support-in-b-c ↩︎
Aaron Gordon. “Mechanics Ask Walmart, Major Bike Manufacturers to Stop Making and Selling ‘Built-to-Fail’ Bikes”, Vice, January 13, 2022. https://www.vice.com/en/article/wxdgq9/mechanics-ask-walmart-major-bike-manufacturers-to-stop-making-and-selling-built-to-fail-bikes ↩︎ ↩︎
Koop, Carina, et al. “Circular business models for remanufacturing in the electric bicycle industry.” Frontiers in Sustainability 2 (2021): 785036. https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/frsus.2021.785036/full ↩︎
https://www.eea.europa.eu/data-and-maps/indicators/overview-of-the-electricity-production-3/assessment ↩︎
Temporelli, Andrea, et al. “Last mile logistics life cycle assessment: a comparative analysis from diesel van to e-cargo bike.” Energies 15.20 (2022): 7817.. https://www.mdpi.com/1996-1073/15/20/7817 ↩︎
Schünemann, Jaron, et al. “Life Cycle Assessment on Electric Cargo Bikes for the Use-Case of Urban Freight Transportation in Ghana.” Procedia CIRP 105 (2022): 721-726. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2212827122001214 ↩︎ ↩︎ ↩︎
Luo, Hao, et al. “Comparative life cycle assessment of station-based and dock-less bike sharing systems.” Resources, Conservation and Recycling 146 (2019): 180-189. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0921344919301090 ↩︎ ↩︎ ↩︎
https://www.theguardian.com/environment/green-living-blog/2010/sep/23/carbon-footprint-new-car ↩︎
Fietsen worden geheel of gedeeltelijk aangedreven door voedingscalorieën. Sommige mensen beweren dat het energieverbruik van fietsen gedurende de hele levenscyclus hoger is dan die van andere vervoerswijzen, wanneer men rekening houdt met de impact van dit voedsel. De meeste mensen in autogerichte samenlevingen krijgen echter meer calorieën binnen dan hun sedentaire levensstijl vereist. Meer fietsen zou dus leiden tot lagere obesitascijfers, niet tot hogere calorie-innames. ↩︎
Dit is een zuiver theoretische berekening, omdat auto’s veel langere ritten aanmoedigen dan fietsen. ↩︎
Ford, Dexter. “As Cars Are Kept Longer, 200,000 Is New 100,000.” New York Times, March 16, 2012. https://www.nytimes.com/2012/03/18/automobiles/as-cars-are-kept-longer-200000-is-new-100000.html?_r=2&ref=business&pagewanted=all& ↩︎
Zheng, Fanying, et al. “Is bicycle sharing an environmental practice? Evidence from a life cycle assessment based on behavioral surveys.” Sustainability 11.6 (2019): 1550. https://www.mdpi.com/2071-1050/11/6/1550 ↩︎
Een vergelijking van de levenscyclusemissies van een bamboe versus een aluminium fiets liet weinig verschil zien (233 vs. 238 kg CO2). [6] ↩︎
Larsen, Jonas, and Mathilde Dissing Christensen. “The unstable lives of bicycles: the ‘unbecoming’of design objects.” Environment and Planning A: Economy and Space 47.4 (2015): 922-938. https://orca.cardiff.ac.uk/id/eprint/131212/1/M%20Christensen%202015%20the%20unstable%20lives%20of%20bicycles%20ver2%20postprint.pdf ↩︎