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. ↩︎

Kunnen we lowtech zonnepanelen bouwen?

Tue, 05 Oct 2021 00:00:00 +0000

George Cove staat naast zijn derde zonnepaneel. Bron: \"Generating electricity by the sun's rays\", Popular Electricity, Volume 2, nr. 12, April 1910, pp.793.

Efficiënter, minder duurzaam

Sinds Bell Labs in de jaren vijftig van de twintigste eeuw het eerste praktische fotovoltaïsche zonnepaneel presenteerde, is de technologische ontwikkeling gericht geweest op verlaging van de kosten en verhoging van het rendement van zonnecellen. Volgens deze normen hebben onderzoekers veel vooruitgang geboekt. De efficiëntie van zonnepanelen is gestegen van minder dan 5% in de jaren 1950 tot meer dan 20% vandaag, terwijl de kosten zijn gedaald van 30 dollar per wattpiek in 1980 tot minder dan 0,2 dollar per wattpiek in 2020. Lagere kosten - waartoe hogere rendementen bijdragen - worden van het allergrootste belang geacht omdat zij het mogelijk maken dat PV-panelen op de markt kunnen concurreren met elektriciteit die wordt opgewekt met fossiele brandstoffen.

Op het gebied van duurzaamheid is er echter nog maar weinig vooruitgang geboekt. Om te beginnen zijn zonnepanelen al sinds de jaren vijftig ongeschikt voor recyclage, met als gevolg een afvalstroom die op stortplaatsen terechtkomt. Deze afvalstroom zal de komende jaren sterk toenemen. Zonnepanelen worden pas na minstens 25 tot 30 jaar weggegooid, en de meeste zijn pas de laatste jaren geïnstalleerd. Tegen 2050 verwachten onderzoekers dat bijna 80 miljoen ton zonnepanelen het einde van hun levensduur zullen bereiken. ¹ ² ³ Dat is een aanzienlijke verspilling van grondstoffen en een gevaar voor het milieu - afgedankte fotovoltaïsche panelen bevatten giftige elementen en vormen een brandgevaar.

De nood aan kapitaalintensieve technologie en lange aanvoerlijnen verhindert de kleinschalige productie van zonnepanelen.

De productie van fotovoltaïsche panelen is al even problematisch. Zij produceert giftig afval en vereist een wereldwijde toeleveringsketen, met kapitaalintensieve fabrieken, complexe machines, gedolven materialen en een gestage toevoer van fossiele brandstoffen. In levenscyclusanalyses van zonnepanelen berekenen wetenschappers hoeveel energie en materialen er nodig zijn om een zonnepaneel te bouwen. Deze onderzoeken negeren echter de enorme hoeveelheid energie en materialen die nodig zijn om de fotovoltaïsche toeleveringsketen zelf op te zetten en te onderhouden. ⁴ ⁵ ⁶ ⁷ ⁸ ⁹ ¹⁰ ¹¹ Bijgevolg onthullen deze studies niet de werkelijke kosten van zonnepanelen in termen van afhankelijkheid van fossiele brandstoffen, emissies, en andere milieuverontreiniging. Bovendien verhinderen de behoefte aan kapitaalintensieve technologie en lange aanvoerlijnen de kleinschalige productie van zonnepanelen, bijvoorbeeld door minder welvarende samenlevingen of autonome gemeenschappen.

Inspiratie vinden in het verleden

Zijn fotovoltaïsche panelen inherent niet-duurzaam, niet-recycleerbaar en afhankelijk van hoogtechnologische en kapitaalintensieve productieprocessen? Of is het mogelijk om ze te bouwen met lokale, recycleerbare en minder energie-intensieve materialen en productiemethoden? Met andere woorden, kunnen we lowtech zonnepanelen bouwen? En zo ja, wat zou dat betekenen voor de kosten en de efficiëntie?

Voordat we deze vraag proberen te beantwoorden, is het belangrijk op te merken dat het beste low-tech alternatief voor een high-tech zonnepaneel vaak niet een low-tech zonnepaneel is, maar direct gebruik van zonne-energie. Dat wil zeggen, zonne-energie gebruiken zonder deze eerst om te zetten in elektriciteit. Een waslijn en een zonneboiler zijn bijvoorbeeld veel efficiënter, duurzamer en zuiniger dan een elektrische droogtrommel en een zonneboiler met PV-panelen. Direct gebruik van zonne-energie is mogelijk met lokale materialen, relatief eenvoudige fabricagetechnologieën en korte aanvoerlijnen.

Toch neem ik in dit artikel de vraag letterlijk: kunnen we low-tech fotovoltaïsche apparaten bouwen, die zonlicht omzetten in elektriciteit? In een vorig artikel hebben we gezien dat de geschiedenis inspiratie biedt voor het bouwen van duurzamere windturbines. Kan de geschiedenis ons ook inspireren om duurzamere zonnecellen te maken?

De voorgeschiedenis van zonnecellen

Het fotovoltaïsche paneel van Bell Labs, dat in 1954 werd gepresenteerd, kwam niet uit de lucht vallen. De silicium zonnecel had zijn wortels in minder complexe apparaten die elektriciteit konden produceren uit licht of warmte.

In 1821 ontdekte Thomas Seebeck dat een elektrische stroom ontstaat in een stroomkring van twee ongelijksoortige metalen, waarvan de verbindingen verschillende temperaturen hebben. Dit “thermo-elektrisch effect” vormde de basis voor de “thermo-elektrische generator” – die warmte (bijvoorbeeld van een houtkachel) rechtstreeks omzet in elektriciteit. In 1839 ontdekte Antoine Becquerel dat licht ook in elektriciteit kon worden omgezet, en in de loop van de jaren 1870 bewezen verschillende wetenschappers dit effect in vaste stoffen, met name in selenium. Dit “foto-elektrisch effect” vormde de basis voor de “foto-elektrische generator” - wat wij nu een “fotovoltaïsche” generator of PV zonnecel noemen. In 1883 construeerde Charles Fritts de eerste fotovoltaïsche module ooit gemaakt, met behulp van selenium op een dunne laag goud. ¹² ¹³ ¹⁴

Gedurende deze periode - en tot de jaren 1950 - waren de praktische toepassingen van thermo-elektrische en foto-elektrische apparaten beperkt. Uitvinders bouwden vele experimentele thermo-elektrische generatoren, gewoonlijk aangedreven door een gasvlam, maar hun efficiëntie bedroeg niet meer dan 1%. Ook het zonnepaneel van Charles Fritts, en de daarna gemaakte selenium zonnecellen, haalden slechts 1-2% rendement bij het omzetten van zonlicht in elektriciteit. ¹⁵ Kortom, de periode vóór de jaren vijftig lijkt op het eerste gezicht niet veel inspiratie te bieden voor het bouwen van duurzamere PV-panelen.

Een vergeten pionier van zonne-energie

Maar zou het kunnen dat de prehistorie van het zonnepaneel onvolledig is? In 2019 ontving ik een mail uit de Verenigde Staten van een lezer van Low-tech Magazine, Philip Pesavento:

“Ik bestudeer al sinds het begin van de jaren negentig een vroege pionier op het gebied van zonneceltechnologie uit het pre-WWI tijdperk. Ik word te oud om hier nog iets mee te doen, en ook al zijn er een of twee wetenschappelijke artikelen over de heer Cove verschenen, ze hebben volledig gemist wat hij heeft bereikt. Ik voeg een PDF bij van een PowerPoint die ik in 2015 in elkaar heb gezet en nooit aan iemand heb gepresenteerd. Als u geïnteresseerd bent om zelf een artikel te schrijven, kan ik u een thumb drive mailen met al het achtergrondmateriaal dat ik heb verzameld.”

Als Philip Pesavento’s historische verslag en hypotheses kloppen, was George Cove van plan om een thermo-elektrische generator te bouwen, maar maakte hij per ongeluk een fotovoltaïsche generator - een PV-zonnecel. Hoewel dit begin 1900 gebeurde, bereikte Cove een vergelijkbaar vermogen en rendement als de Bell Labs wetenschappers in 1954. Zijn ontwerp bereikte ook veel hogere prestaties dan de selenium zonnecellen die tussen de jaren 1880 en de jaren 1940 werden gebouwd. Philip Pesavento:

“Het zou heel opwindend zijn om te bewijzen dat relatief hoog-efficiënte zonnecellen 40 jaar vóór de ontwikkeling van siliciumcellen werden uitgevonden. Belangrijker is dat als blijkt dat er al vóór de Eerste Wereldoorlog een fotovoltaïsch zonnecel- en paneelsysteem bestond, dit ook voordelen zou kunnen hebben met betrekking tot de betaalbaarheid van grondstoffen, het lage energieverbruik om de ertsen om te zetten in metaalhoudende materialen, de efficiëntie van de uiteindelijke PV-cellen, en het gemak van fabricage.”

Met andere woorden, als Philip Pesavento’s historische verslag en hypotheses juist zijn, is het misschien mogelijk om low-tech zonnepanelen te bouwen.

George Cove’s elektrische zonnegenerator

George Cove presenteerde zijn eerste “elektrische zonnegenerator” in 1905 in de Metropole Building in Halifax, Nova Scotia, Canada. Afgezien van een afbeelding zijn er geen gegevens over dit paneel. ¹⁶ Het vermogen en de efficiëntie waren echter opmerkelijk genoeg voor Amerikaanse investeerders om een deskundige naar Halifax te sturen. Op basis van het onderzoek van de machine door deze deskundige brachten zij Cove vervolgens naar de VS (Sommerville, Mass.) om de ontwikkeling van zijn apparaat voort te zetten.

Cove presenteerde daar in 1909 zijn tweede elektrische zonnegenerator. Dit paneel van 1,5 m2 kon 45 watt vermogen produceren en was 2,75% efficiënt in het omzetten van zonne-energie in elektriciteit. Medio 1909 was Cove verhuisd naar New York City, waar hij zijn derde prototype presenteerde, een zonne-installatie bestaande uit vier zonnepanelen van elk 60 wattpiek, die in totaal vijf loodaccu’s oplaadden. Het totale oppervlak was 4,5 m2, het maximale vermogen was 240 watt, en de efficiëntie steeg tot 5% - vergelijkbaar met het eerste zonnepaneel dat door Bell Labs werd gepresenteerd. ¹⁷

Hierboven: Het eerste zonnepaneel van George Cove, gedemonstreerd in 1905. Bron: Technical World Magazine 11, nr.4, June 1909.

Hierboven: Het tweede zonnepaneel van Cove, waarvan een deel ontbreekt. Bron: Technical World Magazine 11, nr.4, June 1909.

Hierboven: Het derde zonnepaneel van George Cove. Bron: \"Harnessing sunlight\", René Homer, Modern Electrics, Vol. II, No.6, September 1909.

Hierboven: Het derde zonnepaneel van George Cove. De panelen zijn nu schuin geplaatst in plaats van horizontaal. Bron: Literary Digest 1909, pp. 1153.

Hierboven: Een van de zonnepanelen van Cove's derde zonnepaneel, met de glazen afdekking verwijderd. Bron: \"Harnessing sunlight\", René Homer, Modern Electrics, Vol. II, No.6, September 1909.

Hoewel George Cove in de meeste historische verslagen over zonne-energie ontbreekt, maakte zijn elektrische zonnegenerator indruk op sommige populaire technische media van die tijd. Zo schreef Technical World Magazine in 1909 dat “zo’n machine goedkoop en onverwoestbaar is als een keukenfornuis. Zelfs in zijn huidige en ietwat ruwe en experimentele staat zal het, gegeven twee dagen zon, voldoende elektrische energie opslaan om een gewoon huis een week lang te verlichten. De uitvinder heeft dit nu maandenlang in zijn inrichting bewezen”. ¹⁸

Pluggen in asfalt

Hoe slaagde George Cove erin een zonnepaneel te bouwen dat zijn tijd 40 jaar vooruit was? Volgens Philip Pesavento, die een achtergrond heeft in halfgeleidertechniek, was Cove van plan een betere thermo-elektrische generator (TEG) te bouwen. Hij stelde zijn generator bloot aan de warmte van een houtkachel en aan directe zonne-energie – Edward Weston had in 1888 de eerste experimentele thermo-elektrische zonnegenerator (of STEG) gemaakt. De bedoelingen van Cove blijken ook duidelijk uit de manier waarop hij zijn apparaat beschreef: “Het frame bevat een aantal ruiten van violet glas, waarachter door een asfaltlaag vele kleine metalen pluggen zijn aangebracht. Eén kant van de pluggen is altijd blootgesteld aan zonlicht, terwijl de andere kant koel en beschut is.”

Het creëren van een zo groot mogelijk temperatuurverschil is de sleutel tot thermo-elektrische energieproductie, dus Cove’s ontwerp is logisch. Het probleem is dat zijn generator niet reageerde op warmte zoals een thermo-elektrische generator verondersteld werd te doen. Aanvankelijk merkt Cove op dat zijn uitvinding zowel warmte als licht gebruikt om elektriciteit te produceren bij blootstelling aan zonne-energie:“Het voornaamste deel van mijn uitvinding is de eigenaardige samenstelling van de metalen pluggen die zodanig door de zon worden beïnvloed dat de stroom niet alleen door warmtestralen wordt opgewekt, maar ook door de violette stralen”.

Na verdere experimenten met zowel de houtkachel als zonne-energie, verklaart Cove echter: “Wanneer het apparaat wordt blootgesteld aan verschillende bronnen van kunstmatige warmte geeft het geen enkele stroom. Behalve de warmtestralen van de zon (kortgolvig infrarood) zijn misschien de violette of ultraviolette stralen actief bij het op gang brengen van de elektrische stroom”.

De primaire cel van het PV-paneel van Cove was een 7,5 cm lange plug of staaf van een legering van verschillende gangbare metalen. Het paneel van 1,5 m2 had 976 staafjes, terwijl de installatie van 4,5 m2 4 keer 1804 staafjes had. De staven aan de ene kant koel en aan de andere kant warm houden - gescheiden door een asfaltlaag - deed er echter niet toe. Wat wel uitmaakte was dat Cove onbewust een metaal-halfgeleidercontact had gemaakt.

De bandkloof van de halfgeleider

George Cove begreep niet hoe zijn zonnegenerator werkte, evenmin als iemand anders in die tijd. Pas met het werk van Einstein over het foto-elektrisch effect (in 1905) en later werk in de kwantummechanica (jaren 1930 en daarna) werd het concept van een halfgeleiderbandkloof gerealiseerd. Elektronen draaien om de kern van een atoom in verschillende “toestanden”, die gebieden vormen die “banden” worden genoemd. Deze banden houden de elektronen stevig op hun plaats. Tussen deze banden bevinden zich “bandkloven” of “verboden zones” - toestanden waarin geen elektron zich kan bevinden.

George Cove begreep niet hoe zijn zonnegenerator werkte, evenmin als iemand anders in die tijd.

In isolatoren (zoals hout, glas, kunststoffen of keramiek) is er een zeer brede bandkloof, die de stroom blokkeert. Geleiders hebben geen bandkloven, en dus stromen er elektronen doorheen. Daarom geleidt bijvoorbeeld een koperdraad elektriciteit. In halfgeleiders ten slotte, is er een relatief smalle bandkloof. Daardoor kunnen ze ofwel als een isolator ofwel als een geleider werken. Halfgeleiders kunnen geleiders worden wanneer zij een “foton” (een elementair lichtdeeltje) absorberen met een energiepotentiaal gelijk aan of groter dan de bandkloof van het halfgeleidermateriaal. ¹⁹

Het inzicht in halfgeleiders leidde tot de geboorte van de moderne fotovoltaïsche cel in de jaren 1950. Het verbeterde ook de prestaties van thermo-elektrische generatoren - zij het om verschillende redenen. Thermo-elektrische generatoren maken geen gebruik van de bandkloof van halfgeleiders. Halfgeleiders hebben echter hogere thermovolumes en lagere thermische geleidbaarheid dan metaal en metaallegeringen zonder bandkloof, waardoor thermo-elektrische generatoren efficiënter zijn.

Schottkydiode

Om een fotovoltaïsch effect op te wekken, moet er inhomogeniteit in het systeem zijn. In de jaren 1950 slaagden Bell Labs wetenschappers erin dit te doen met de zogenaamde p-n junctie, die een grens vormt tussen een positief geladen en een negatief geladen halfgeleider. P-type halfgeleiders hebben een tekort aan elektronen, terwijl N-type halfgeleiders extra elektronen hebben. Op de overgang tussen beide is een elektrische potentiaal.

Het is echter ook mogelijk een PV-cel te maken met een zogenaamde Schottkydiode, die een halfgeleider met een metaal verbindt. In dit geval fungeert het metaal als de n-type halfgeleider. Philip Pesavento:

“Mijn hypothese is dat George Cove op een Schottkydiode fotovoltaïsche cel stuitte, tientallen jaren voordat deze door Walter Schottky werd beschreven. ²⁰ Deze apparaten kunnen zowel een fotovoltaïsche (overwegend) als een thermo-elektrische reactie opwekken. De staafjes waren een legering van zink en antimoon - waarvan we nu weten dat het een halfgeleider is. Ze waren aan de uiteinden afwisselend bedekt met alpaca (een legering van nikkel, koper en zink) en koper. Dit vormde respectievelijk een ohms contact en een Schottky-contact. Dit is een fotovoltaïsch apparaat.”

Toevallige ontdekking

Volgens Philip Pesavento is George Cove waarschijnlijk begonnen met alpaca als negatief materiaal aan beide uiteinden van de pluggen, en een antimoon-zink legering (ZnSb) als positief materiaal. Dit waren de best beschikbare thermo-elektrische materialen in die tijd:

“Waarschijnlijk was het alpaca op en verving hij het door koper om staafjes te maken, omdat het verschil in thermo-elektrische spanning tussen koper en alpaca klein was. Tijdens het testen merkte Cove op dat deze plugs (met een alpaca kapje aan het ene eind en een koperen kapje aan het andere eind) een veel groter voltage gaven: honderden millivolt tegenover de gebruikelijke tientallen millivolt voor een thermo-elektrische generator.”

Door koper te gebruiken, had Cove zonder het te weten een Schottkydiode gemaakt. Dat veranderde zijn thermo-elektrische generator in een “thermofotovoltaïsche generator”. Zo’n apparaat werkt hetzelfde als een fotovoltaïsche zonnecel, maar op een andere golflengte. Het zonnespectrum bestrijkt een gebied van ongeveer 0,5 tot 2,9 elektronvolt (eV), van infrarood tot ultraviolet. Een halfgeleider met een bandkloof tussen 1 en 1,7 eV zet zichtbaar licht efficiënt om in elektriciteit (een fotovoltaïsche generator). Een halfgeleider met een bandkloof tussen 0,4 en 0,7 eV zet kortgolvige infrarode zonne-energie efficiënt om in elektriciteit (een thermofotovoltaïsche generator).

Hierboven: Deze tekening uit [Cove's 1906 patent](https://patentimages.storage.googleapis.com/bc/bb/50/6683e8b44edd4c/US824684.pdf) toont de zink-antimoon legering \"b\"; de alpaca (ohmse) eindkap \"c\"; en de koperen of tinnen (Schottky) eindkap \"f\". Deze zijn allemaal geperst omdat het solderen van de verbindingen het rendement verlaagde.

We weten nu dat ZnSb - het negatieve materiaal in Cove’s pluggen - een halfgeleider is met een bandkloof van 0,5 eV. Dat verklaart grotendeels waarom de uitvinder aanvankelijk vaststelde dat zijn zonnegenerator zowel warmte als licht in elektriciteit omzette. Het spectrum van een thermofotovoltaïsche generator komt niet alleen overeen met de infrarode staart van het zonnespectrum, maar ook met het directe spectrum van een brandende vlam of een roodgloeiend oppervlak dat wordt verwarmd door brandend hout of aardgas. Een thermofotovoltaïsche generator zet ook het lagere gedeelte van het zichtbare spectrum om in elektriciteit, zij het op zeer inefficiënte wijze.

Volgens Philip Pesavento slaagde Cove er vervolgens in de samenstelling van de legering te verfijnen tot dicht bij Zn4Sb3 - een zink-antimoonlegering met verhoudingen van vier delen zink op zes delen antimoon. Dat, zo weten we nu, is ook een halfgeleider. Dit materiaal heeft echter een bandkloof van 1,2 eV - zeer dicht bij de bandkloof van silicium (1,1 eV). Bijgevolg veranderde zijn thermofotovoltaïsche generator in een fotovoltaïsche generator:

“In zijn enthousiasme heeft Cove waarschijnlijk een groter aantal staafjes in elkaar geknutseld en bij één partij de verhoudingen op de een of andere manier “verkeerd” gekozen. Vervolgens heeft hij een nog grotere spanning gemeten. Tenslotte maakte hij een zorgvuldige studie van zink-antimoonlegeringen en ontdekte dat de zinklegering met 40-42% zink het hoogste voltage gaf (vergeleken met 35% zink in ZnSb). Nadat hij - bij toeval - Zn4Sb3 had ontdekt, zorgde de hogere bandkloof van deze halfgeleider ervoor dat de plugs niet meer werkten wanneer ze werden blootgesteld aan de hitte van een houtkachel. Maar ze werkten nog beter wanneer ze aan zonne-energie werden blootgesteld - omdat ze nu veel meer van het zichtbare spectrum van het zonlicht efficiënt in elektriciteit konden omzetten”.

Met behulp van gekleurde glasfilters stelde George Cove vast dat het grootste deel van de respons afkomstig was van het violette deel van het spectrum en slechts een klein beetje van de zogenaamde warmtestraling. Zijn eerdere PV-pluggen hadden even goed gereageerd op warmtestraling als op violette straling, terwijl de oudere thermo-elektrische generatoren (alpaca aan beide zijden) helemaal niet reageerden op de violette straling.

Een nieuwe kans voor de Schottky zonnecel?

Schottkydiode zonnecellen hebben slechts weinig aandacht gekregen van onderzoekers en bedrijven. Bijzonder weinig ontwerpen voor zonnecellen gebruiken metalen in het actieve gebied, tenzij dan voor de contacten. ²¹ Niettemin gelooft Philip Pesavento dat het de moeite waard zou zijn om te proberen enkele Schottky zonnecellen te fabriceren volgens Cove’s ontwerp:

“Als zou kunnen worden aangetoond dat Zn4Sb3 (bandkloof 1,2 eV) kan worden gebruikt in een fotovoltaïsche cel, is er een goede kans dat een dergelijk zonnecelontwerp duurzamer zal zijn. Het is verbazingwekkend dat iedereen dit materiaal en de toepassing ervan in fotovoltaïsche cellen gemist schijnt te hebben en dat er geen ontwikkeling heeft plaatsgevonden. Zelfs niet nadat onderzoekers het in het begin van de jaren tachtig kortstondig als een mogelijke optie hadden onderkend. Het past in de categorie van een premature ontdekking, wat zou moeten betekenen dat het in deze tijd heel snel ontwikkeld zou kunnen worden”.

Naast fotovoltaïsche zonne-energie ziet Philip Pesavento potentieel in thermofotovoltaïsche zonnecellen voor een houtkachel, thermische zonne-energie, of tandem-zonnecellen, waarbij ZnSb wordt gebruikt in plaats van Zn4Sb3. Bovendien denkt hij dat als de plug-type zonnecellen effectief blijken te zijn, ze het mogelijk zouden maken om zonnecollectoren - zoals vacuümbuiscollectoren - te bouwen tegen sterk gereduceerde kosten.

Low-tech fabricage

Het belangrijkste voordeel van het ontwerp van Cove zou de low-tech fabricagemethode zijn. In de jaren 1970 en 1980 onderzochten wetenschappers Zn4Sb3 voor gebruik in fotovoltaïsche energie en kwamen tot de conclusie dat de “duidelijke voordelen van het materiaal de eenvoud en de relatief lage temperatuur van de bereidingsprocedure zijn”. ²² Het smeltpunt voor Zn4Sb3 is 570 graden Celsius, terwijl dat voor silicium 1400 graden is. Er is dus minder energie nodig.

Onderzoekers bestudeerden metaal-halfgeleider junctie zonnecellen gebaseerd op andere soorten halfgeleiders dan Zn4Sb3 in de jaren 1970. Ook hier was hun motivatie de eenvoudige en kosteneffectieve fabricageprocedure in vergelijking met silicium p-n junctie zonnecellen in die tijd. ²³ ²⁴ Schottky cellen vereisen geen hoge-temperatuur fosfor-diffusie stap, die gewoonlijk de n-laag van de p-n junctie in silicium creëert. Dit alleen al vermindert de energie-input in het productieproces van zonnecellen met 35%. ²¹

In de jaren 1980 boekten onderzoekers belangrijke vooruitgang op het gebied van silicium p-n-overgangen, en de belangstelling voor alternatieve configuraties nam af. De laatste jaren is er echter opnieuw belangstelling. Onderzoek naar grafeen/silicium Schottky zonnecellen concludeert bijvoorbeeld dat “eenvoudige en kosteneffectieve apparaatfabricage die geen hoge temperaturen vereist, een van de voordelen is.” ²⁵ In andere recente studies concluderen wetenschappers dat Schottky-type “selenium zonnecellen… extreem eenvoudig en goedkoop te fabriceren zijn”. ²⁶ ²⁷ ²⁸ ²⁹

Makkelijk te recycleren

Een ander voordeel van Schottky-zonnecellen kan zijn dat ze gemakkelijker kunnen worden gerecycleerd. Silicium modules worden ingekapseld tussen twee laminaat lagen (meestal EVA, een ethyleen/vinylacetaat copolymeer). Deze lagen zijn essentieel voor de levensduur van de modules. ¹ ² ³ Om het silicium - de meest waardevolle component van een zonnepaneel - te recyclen, moeten deze lagen worden gescheiden, maar verbranding ervan vernietigt ook de modules. Siliciumcellen kunnen alleen worden gerecycleerd door een combinatie van thermische, chemische en metallurgische methodes. Dat is een duur proces met negatieve gevolgen voor het milieu. Hoewel wordt beweerd dat ongeveer 10% van de zonnepanelen wordt “gerecycleerd”, is het waarschijnlijker dat ze worden “gedowncycled”. De modules worden versnipperd, en het resulterende materiaal wordt gebruikt als vulmateriaal in de asfalt- en cementindustrie. De door George Cove gebouwde zonnecellen waren daarentegen volledig recycleerbaar. Ze hadden geen beschermlaag nodig en bevatten zelfs geen soldeer. Philip Pesavento:

“Als je de cellen precies zo zou bouwen als Cove deed, door de staafjes in te klemmen en ze te omwikkelen met draad zodat ze strak blijven zitten, zouden ze ook gemakkelijker te recyclen zijn. Dat kan dan met een strikt mechanische bewerking, waar geen chemicaliën aan te pas hoeven te komen. Het zou arbeidsintensief zijn om ze in elkaar te zetten en weer uit elkaar te halen, maar het zou ook geautomatiseerd kunnen worden.”

Pesavento denkt dat het ook mogelijk is om platte zonnecellen te maken van Cove’s materiaal. Maar of die een beschermlaag nodig hebben die het recyclen bemoeilijkt, valt nog te bezien. In de jaren zeventig hadden Schottky-zonnecellen op basis van andere materialen niet altijd beschermlagen nodig om een levensduur van meer dan 20 jaar te bereiken. ²³

Efficiëntie

Als we meer low-tech zonnepanelen zouden kunnen bouwen, hoe efficiënt zouden we ze dan kunnen maken? Volgens Philip Pesavento zijn Schottky cellen iets minder efficiënt voor dezelfde materialen dan p-n juncties, omdat p-n juncties een hogere spanning genereren. Ze krijgen meer energie uit de fotonen die ze absorberen. “Als elk beetje efficiëntie telt, doe je dat. Als het je doel is om zonnecellen te maken met behulp van handmatige of ambachtelijke methoden, zou de Schottky-diode een logischer keuze zijn.” Aan de andere kant is het misschien mogelijk om Schottky-cellen dunner te bouwen dan siliciumzonnecellen - en dat zou hun efficiëntie verhogen. Philip Pesavento: “Ik heb de specifieke getallen voor de parameters - dragersnelheid, recombinatielevensduur, absorptiecoëfficiënt - niet gevonden om dit eenduidig te kunnen zeggen. Maar het feit dat Cove zulke lange, dunne cellen maakte en zo’n hoog rendement haalde, is een goed voorteken om ze dunner te kunnen maken.”

Recent onderzoek naar Schottky-cellen op basis van andere materialen lijkt dit te bevestigen. Zo brachten recente experimenten met Schottky seleniumcellen de laagdikte terug tot slechts 100 µm, vergeleken met 200 tot 500 µm voor siliciumcellen. ²⁶ ³⁰ Wetenschappers bereikten ook 17% experimenteel rendement voor een grafeen/silicium Schottky-cel, tegenover 1,5% tien jaar eerder. ²⁵

We kunnen ook vraagtekens zetten bij de huidige obsessie met hogere rendementen. Veel mensen zullen argumenteren dat als low-tech zonnepanelen minder efficiënt zijn, we meer zonnepanelen nodig zouden hebben om dezelfde stroomopbrengst te produceren. Bijgevolg zouden de grondstoffen die door low-tech productiemethoden worden bespaard, tenminste gedeeltelijk worden gecompenseerd door de extra grondstoffen om meer zonnepanelen te bouwen. Efficiëntie is echter alleen van cruciaal belang wanneer we de vraag naar energie als vanzelfsprekend beschouwen, kan het opofferen van een beetje efficiëntie ons veel opleveren op het gebied van duurzaamheid.

Wat is er met George Cove gebeurd?

Als het zonnepaneel van Cove zo revolutionair was, waarom is het dan vergeten? Over deze vraag leest het onderzoeksmateriaal van Philip Pesavento als een misdaadroman. Cove’s poging om zijn zonne-energie apparaat te produceren en op de markt te brengen mislukte op mysterieuze wijze.

De uitvinder raakte verwikkeld in een fraudezaak. Elmer Burlingame gaf in 1909 en 1910 aandelen uit van bedrijven die niet van hem waren, waaronder Cove’s start-up de Sun Electric Generator Company. In oktober 1909 werd Cove naar verluidt ontvoerd en bedreigd als hij niet zou stoppen met de ontwikkeling van zijn uitvinding. De politie deed de ontvoering van Cove echter af als een hoax. In 1911 werden zowel Cove als Burlingame gearresteerd wegens aandelenfraude en brachten een jaar in de gevangenis door. Hoewel Cove daarna nog aan andere uitvindingen werkte, had geen daarvan betrekking op zonne-energie. ³¹

In oktober 1909 werd Cove naar verluidt ontvoerd en bedreigd als hij niet zou stoppen met de ontwikkeling van zijn uitvinding.

Was George Cove een charlatan? Was hij het slachtoffer van een charlatan? Of werd zijn reputatie vernietigd omdat de elektrische zonnegenerator de belangen van andere bedrijven bedreigde? Er zijn veel historische voorbeelden van onderdrukking van technologische innovaties door grote Amerikaanse bedrijven. George Cove was actief in dezelfde periode als de Edison Electric Illuminating Company of New York, waarvan de gewetenloze praktijken tegen concurrenten goed zijn gedocumenteerd. Als Cove’s elektrische zonne-generator werkte, had hij mogelijk de groeiende vraag naar Edison’s kolen- en oliegestookte elektriciteitscentrales kunnen verminderen. ³¹ Eerder, in de jaren 1880, had Edison het bedrijf gekocht dat op dat moment de beste thermo-elektrische generator produceerde - Clamonds’s Improved Thermopile - en vervolgens de ontwikkeling van de machines gestopt. ³²

Meer mysterie

Hoewel het verleidelijk is om George Cove als slachtoffer te zien, kunnen we alleen maar speculeren. Philip Pesavento’s archiefmateriaal bevat meer mysteries, zoals Cove’s patent - aangevraagd in 1905, toegekend in 1906. De uitvinder beschrijft in detail het maken van zijn Zn4Sb3 pluggen, wat Pesavento hielp bij het berekenen van het vermogen en de efficiëntie van de zonnepanelen. Cove beschrijft deze pluggen echter voor het omzetten van warmte van een houtkachel in elektriciteit, hetgeen niet verenigbaar is met zijn materiaalkeuze. Om de kachelgenerator te laten werken, had hij ZnSb pluggen nodig met een bandkloof van 0,5 eV. Philip Pesavento: “Was dit misleiding van de kant van Cove om te voorkomen dat mensen zijn kachelpatent kopieerden en het werkend kregen? Ik weet het niet.”

Nog verrassender is dat een afbeelding waarop Cove naast een van zijn zonnepanelen staat, ook voorkomt in John Perlin’s historische overzicht van zonne-energie uit 2013: Let It Shine: The 6,000-Year Story of Solar Energy. Het zonnepaneel op de afbeelding wordt echter toegeschreven aan Charles Fritts, de uitvinder van de selenium zonnecel. Bovendien is George Cove zelf uit de afbeelding verdwenen. Fragmenten uit het boek, alsmede de foto, zijn op verschillende websites verschenen.

Philip Pesavento was niet verbaasd toen ik weer contact opnam: “Ik deed deze ontdekking enkele jaren geleden. Ik denk dat iemand dringend een afbeelding nodig had van Fritts’ zonnepanelen, deze afbeelding vond, en er vervolgens George Cove uit weg photoshopte. Cove is immers totaal onbekend en als hij bekend is, zou hij een thermo-elektrische generator op zonne-energie hebben uitgevonden, en geen PV-paneel. Als je goed naar de twee foto’s kijkt, zie je dat de bovenkant van de rechter zuil van het portiek achter hem is weggeknipt en in spiegelbeeld is geplakt op de plaats waar Cove had gestaan, het perspectief is niet helemaal juist.”

Update: Bellingcat ontrafelde het mysterie van de afbeelding.

Weckend, Stephanie, Andreas Wade, and Garvin A. Heath. End of life management: solar photovoltaic panels. No. NREL/TP-6A20-73852. National Renewable Energy Lab.(NREL), Golden, CO (United States), 2016. ↩︎ ↩︎
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. ↩︎ ↩︎
Hornborg, Alf, Gustav Cederlöf, and Andreas Roos. “Has Cuba exposed the myth of “free” solar power? Energy, space, and justice.” Environment and planning E: Nature and space 2.4 (2019): 989-1008. ↩︎
Cederlof, Gustav, and Alf Hornborg. “System boundaries as epistemological and ethnographic problems: Assessing energy technology and socio-environmental impact.” Journal of Political Ecology 28.1 (2021): 111-123. ↩︎
Bartie, N. J., et al. “The resources, exergetic and environmental footprint of the silicon photovoltaic circular economy: Assessment and opportunities.” Resources, Conservation and Recycling 169 (2021): 105516. ↩︎
Powell, Douglas M., et al. “The capital intensity of photovoltaics manufacturing: barrier to scale and opportunity for innovation.” Energy & Environmental Science 8.12 (2015): 3395-3408. ↩︎
Dehghani, Ehsan, et al. “An environmentally conscious photovoltaic supply chain network design under correlated uncertainty: A case study in Iran.” Journal of Cleaner Production 262 (2020): 121434. ↩︎
Carvalho, Maria, Antoine Dechezleprêtre, and Matthieu Glachant. Understanding the dynamics of global value chains for solar photovoltaic technologies. Vol. 40. WIPO, 2017. ↩︎
Dehghani, Ehsan, et al. “Resilient solar photovoltaic supply chain network design under business-as-usual and hazard uncertainties.” Computers & Chemical Engineering 111 (2018): 288-310. ↩︎
Kumar, Abhishek, et al. “Economic viability analysis of silicon solar cell manufacturing: Al-BSF versus PERC.” Energy Procedia 130 (2017): 43-49. ↩︎
Fritts, Charles E. “On a new form of selenium cell, and some electrical discoveries made by its use.” American Journal of Science 3.156 (1883): 465-472. ↩︎
Effect of Light on Selenium During the Passage of An Electric Current*. Nature 7, 303 (1873). ↩︎
Green, Martin A. “Silicon photovoltaic modules: a brief history of the first 50 years.” Progress in Photovoltaics: Research and applications 13.5 (2005): 447-455. ↩︎
Perlin, John. Let it shine: the 6,000-year story of solar energy. New World Library, 2013. ↩︎
Extrapolerend van de prestaties van het volgende paneel, kunnen we gokken dat dit paneel een vermogen had van ongeveer 25W en een rendement van net geen 3%. ↩︎
Cove beweerde een nog groter paneel van 9 m2 te hebben gebouwd, maar daar is geen afbeelding van bewaard gebleven. Het zou een vermogen hebben gehad van 768 watt bij 8% rendement uitgaande van 100 W/ft2 zonne-insolatie. Deze array bestond uit 8 panelen met een totaal van 14.432 stekkers. ↩︎
Winthrop Packard, Technical World Magazine 11, nr.4, June 1909. ↩︎
Waarom gebruiken we geen geleiders voor zonnepanelen? Wanneer licht een geleidend oppervlak raakt, weerkaatst het meestal, en wordt er weinig of geen energie geabsorbeerd. Bovendien bewegen in geleiders de vrije elektronen willekeurig, er is geen stroom, geen richtingsvermogen. ↩︎
Cove was echter niet de eerste. De zonnecel van Charles Fritts was ook gebaseerd op een Schottkydiode. ↩︎
Byrnes, Steve. “Schottky junction solar cells.” (2008). ↩︎ ↩︎
Tapiero, M., et al. “Preparation and characterization of Zn4Sb4.” Solar Energy Materials 12.4 (1985): 257-274. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/0165163385900516. See also: Mozharivskyj, Yurij, et al. “A promising thermoelectric material: Zn4Sb3 or Zn6-δSb5. Its composition, structure, stability, and polymorphs. Structure and stability of Zn1-δSb.” Chemistry of Materials 16.8 (2004): 1580-1589. https://lib.dr.iastate.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=1787&context=chem_pubs ↩︎
Rothwarf, A., and K. W. Böer. “Direct conversion of solar energy through photovoltaic cells.” Progress in Solid State Chemistry 10 (1975): 71-102.. ↩︎ ↩︎
Anderson, W. A., A. E. Delahoy, and R. A. Milano. “An 8% efficient layered Schottky‐barrier solar cell.” Journal of Applied Physics 45.9 (1974): 3913-3915. ↩︎
Yavuz, Serdar. Graphene/Silicon Schottky Junction Based Solar Cells. University of California, San Diego, 2018. ↩︎ ↩︎
Todorov, Teodor K., et al. “Ultrathin high band gap solar cells with improved efficiencies from the world’s oldest photovoltaic material.” Nature communications 8.1 (2017): 1-8. ↩︎ ↩︎
Selenium can be deposited by thermal evaporation at only 200°C. This temperature is within easy reach of solar thermal technologies, which means that in principle these processes could be run by direct use of solar energy. ↩︎
Hadar, Ido, et al. “Modern processing and insights on selenium solar cells: the world’s first photovoltaic device.” Advanced Energy Materials 9.16 (2019): 1802766. ↩︎
Ferhati, H., F. Djeffal, and D. Arar. “Above 14% efficiency earth-abundant selenium solar cells by introducing gold nanoparticles and Titanium sub-layer.” Optical Materials 86 (2018): 24-31. ↩︎
Zhu, Menghua, Guangda Niu, and Jiang Tang. “Elemental Se: fundamentals and its optoelectronic applications.” Journal of Materials Chemistry C 7.8 (2019): 2199-2206. ↩︎
Meer details in “George Cove’s solar energy device”, Dennis Bartels, 1997. ↩︎ ↩︎
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 (2014): 1260-1267. ↩︎

De heruitvinding van de kleine windturbine

Sun, 02 Jun 2019 00:00:00 +0000

Een houten winturbine. Foto: InnoVentum.

De productie van commercieel verkrijgbare kleine windturbines kost vaak meer energie dan de machines tijdens hun levensduur kunnen opwekken. Door kleine windturbines (opnieuw) uit hout te bouwen, kan dit probleem worden aangepakt.

Dankzij hun esthetische aantrekkingskracht en de mogelijkheid tot lokale productie verhogen ze bovendien de acceptatie van windenergie. Tot slot vergemakkelijken innovatieve, houten torens de installatie van kleine windturbines.
Experimenten hebben uitgewezen dat commercieel verkrijgbare, kleine windturbines gedurende hun levensduur niet altijd voldoende elektriciteit opleveren om de energie te compenseren die nodig was voor de productie ervan. Daar zijn drie redenen voor. Ten eerste zijn er de wetten van de fysica. De energieopbrengst van een windturbine neemt sneller toe dan de hoogte en de rotordiameter van de machine, wat betekent dat als een windturbine kleiner wordt, de energieopbrengst meer dan evenredig daalt.

Ten tweede worden de wieken meestal gemaakt uit met glasvezel versterkt plastic, een materiaal waarvan de productie veel energie kost. Ten derde is het onderhoud van een kleine windturbine afhankelijk van de beschikbaarheid van reserve-onderdelen. In tegenstelling tot zonnepanelen hebben windturbines veel bewegende onderdelen en is de kans dus groter dat er reparaties nodig zijn. Helaas hebben de producenten van kleine windturbines vaak een nog kortere levensduur dan hun producten. ¹

Met de hand gesneden wieken

De wetten van de fysica kunnen we niet veranderen, maar de andere twee factoren kunnen wel worden aangepakt. Dat wordt al twintig jaar bewezen door de Schotse ingenieur Hugh Piggott, die kleine windturbines bouwt met massieve, houten wieken. De rotordiameter bedraagt 2 tot 4 meter en het maximale vermogen bedraagt 1 tot 2 kilowatt. ²

Met de hand gemaakte windmolenwieken. Bron: [^5]

De wieken kunnen machinaal worden geproduceerd, maar ze kunnen ook lokaal met de hand worden gesneden, gebruikmaken van eenvoudige gereedschappen en technieken. In beide gevallen kost de productie van de wieken veel minder energie dan de productie van wieken gemaakt uit met glasvezel versterkte plastic. Dat verhoogt de kans dat een windturbine over de volledige levensduur beschouwd netto energie produceert.

Daarbij komt dat het ontwerp van Piggott betrouwbaarheid belangrijker acht dan efficientie. Zo wordt de machine stilgelegd bij een windsnelheid van 8 meter per seconde (5 Beaufort), terwijl de meeste commerciële modellen ook bij hogere windsnelheiden blijven draaien. Maar hoe sneller de wieken draaien, hoe sneller de onderdelen van de windturbine zullen verslijten. ³

Een studie die een vergelijking maakt van Piggott’s windturbines met een aantal commerciële modellen komt tot de conclusie dat de hogere energieopbrengst bij windsnelheden boven de 8 meter per seconde grotendeels verloren gaat, omdat veel van die extra energie wordt opgewekt op momenten dat de batterijen al vol zijn. De studie besluit ook dat het Schotse ontwerp ongeveer 20% goedkoper is, als zowel de kapitaalkosten als de operationele kosten in rekening worden gebracht. ³

Foto: Windturbines in Nepal, naar het ontwerp van Hugh Piggott. Bron: [^5]

Het open source ontwerp van Piggott heeft duizenden doe-het-zelf windturbines voortgebracht die over de hele wereld staan opgesteld. Het ontwep vormt ook de basis voor op windkracht gebaseerde initiatieven voor elektricificatie van het platteland in Mongolië, Nepal, Peru en Nicaragua. ⁴⁵⁶⁷ In het globale Zuiden vormt de mogelijkheid om de energiecentrales zelf te bouwen en te onderrhouden een groot voordeel in vergelijking met commerciele windturbines of zonnepanelen.

Commerciele turbines met houten wieken

Het gebruik van massieve houten wieken – lange tijd standaard voor kleinere windmolens en windturbines – kent sinds kort een heropleving.⁸⁹ Een eerste voorbeeld is het Nederlandse bedrijf EAZ Wind, dat in 2014 door vier jonge windsurfers werd gesticht. De firma, die nu al meer dan 40 werknemers heeft, verkoopt windturbines met massieve houten wieken aan boerderijen en energiecoöperaties in Groningen. Met een rotordiameter van 12 meter en een vermogen van 10 kilowatt zijn de turbines een stuk groter en krachtiger dan die van Hugh Piggott.

Een windturbine van EAZ Wind.

De wieken worden gemaakt van massieve houten balken die aan elkaar worden gelijmd en dan worden geschuurd om de gewenste vorm te verkrijgen. Ze worden afgewerkt met een beschermlaag van epoxy om ze tegen vocht te beschermen. Volgens de fabrikant produceren de windturbines – die op 15 m hoge torens staan opgesteld – ongeveer 30.000 kilowattuur elektriciteit per jaar, wat overeenkomt met het elektriciteitsverbruik van tien Nederlandse huishoudens.

De windturbine kost 46.000 euro, wat ze goedkoper maakt dan een zonne-installatie (4.600 euro per huishouden, of minder dan de helft van de prijs voor een PV-installatie). De financiële terugverdientijd bedraagt 7 tot 10 jaar. Let wel: deze cijfers zijn van toepassing op Groningen, een winderige regio. Op minder optimale plekken zullen de energieopbrengst lager en de financiële terugverdientijd langer zijn.

Publieke acceptatie

Opmerkelijk is dat de keuze voor houten wieken niet zozeer is bedoeld om het energieverbruik tijdens de productie te verlagen. De missie van EAZ Wind is het ontwerpen van windturbines die door het publiek makkelijker worden aanvaard. Net zoals in veel andere landen is er in Nederland veel tegenkanting tegen de plaatsing van grote windturbines.

De installatie van een windturbine met houten wieken. EAZ Wind.

Houten wieken helpen de acceptatie van windenergie op twee manieren. Enerzijds zien de molens er een stuk mooier en natuurlijker uit. Anderzijds kunnen ze lokaal worden geproduceerd, zodat de investering in een windturbine ook de lokale economie stimuleert. Het hout voor de wieken komt uit een nabijgelegen provincie en wordt bewerkt door bedrijven in de regio.

EAZ Wind wil het platteland – vooral boerderijen maar ook kleine gemeenschappen – zelfbedruipend maken op het vlak van energieproductie. De aanpak lijkt te werken, want het bedrijf verkocht al meer dan 400 windturbines. Wordt er een windturbine op een boerderij geplaatst, dan zijn de buren meestal de volgende klanten.

Houten torens

De windturbines van EAZ Wind hebben houten wieken, maar stalen torens. Het Zweedse bedrijf InnoVentum heeft een andere aanpak: hun windturbines hebben plastic wieken, maar houten torens. De 12 tot 20 meter hoge torens zijn gebouwd volgens een uniek ontwerp. Ze worden samengesteld uit kleinere modules die op de grond op een paar uur tijd in elkaar kunnen worden geschroefd.

Foto: Een houten toren voor een windturbine. InnoVentum.

Omdat ze over meerdere poten beschikken, vereisen de torens geen of veel minder beton voor de fundering. Ook dat bespaart geld en energie. Bovendien kunnen ze zonder een kraan worden rechtgezet – in plaats daarvan kunnen een touw en een lier worden gebruikt. InnoVentum installeerde ongeveer vijftien van deze torens sinds 2012. Net zoals EAZ Wind wil het bedrijf vooral mooiere windturbines bouwen om de acceptatie van windenergie te verhogen.

Foto: De installatie van de toren, met behulp van een lier. InnoVentum.

Natuurlijk kunnen beide benaderingen worden gecombineerd, resulterend in kleine windturbines waarvan zowel de wieken, de torens als andere structurele elementen uit hout worden gebouwd. Daarmee gaat het energieverbruik tijdens de productie verder omlaag. Bovendien kan zo’n windturbine CO2 opslaan die door de bomen uit de atmosfeer werd gehaald.

Combinatie van wind en zon

De nieuwste producten van zowel EAZ Wind als InnoVentum integreren wind- en zonne-energie. Omdat de windturbine en de zonnepanelen gebruik kunnen maken van dezelfde structuur, hetzelfde elektrische systeem, en dezelfde energieopslag, bespaart deze aanpak zowel geld als energie en andere grondstoffen. De combinatie van wind en zon verhoogt ook de kans dat er voldoende energieopbrengst is op eender welk moment, zodat er minder nood is aan energieopslag – de minst duurzame component van een autonome energie-installatie.

Zonnepanelen en een windturbine gebruiken dezelfde toren. Foto's: InnoVentum.

In het hybride zon-wind model van EAZ Wind is de capaciteit van de windturbine dubbel zo groot als de capaciteit van de zonne-insatllatie, aangezien de installatie bedoeld is voor een winderig maar niet zo zonnig klimaat. De toevoeging van zonnepanelen doet de jaarlijkse energieopbrengst stijgen naar 45,000 kwh (in Groningen), wat overeenkomt met het verbruik van veertien Nederlandse huishoudens. Langs de andere kant verhoogt de toevoeging van zonnepanelen de ingebedde energie van de installatie, zodat de energetische en financiële terugverdientijd langer wordt.

Gedecentraliseerde energieproductie

Kleine windturbines bieden bijkomende voordelen die eigen zijn aan alle vormen van gedecentraliseerde energiebproductie. Het feit dat ze worden betaald door dezelfde mensen die er de vruchten van plukken, verhoogt hun publieke acceptatie. Kleinschalige windturbines elimineren ook de nood aan transmissielijnen.

Hoe meer elektriciteit er ter plekke worden opgewekt en geconsumeerd, hoe kleiner de uitdaging wordt om windkracht in het centrale elektriciteitsnetwerk te integreren. Tot slot stimuleert de connectie tussen de vraag en het aanbod van energie een levensstijl die minder energie-intensief is..

Schrijf je in voor onze nieuwsbrief

Als je wil reageren, stuur dan een mailtje naar solar (at) lowtechmagazine (dot) com.

Bronnen

Kostakis, Vasilis, et al. “The convergence of digital commons with local manufacturing from a degrowth perspective: two illustrative cases .” Journal of Cleaner Production 197 (2018): 1684-1693. ↩︎
“How to build a wind turbine”. High Piggott, 2003. ↩︎
Sumanik-Leary, Jon, et al. “Locally manufactured small wind turbines: how do they compare to commercial machines.” Proceedings of 9 th PhD Seminar on Wind Energy in Europe. 2013. ↩︎ ↩︎
Mishnaevsky, Leon, et al. “Materials for wind turbine blades: an overview.” Materials 10.11 (2017): 1285. ↩︎
Mishnaevsky Jr, Leon, et al. “Strength and reliability of wood for the components of low-cost wind turbines: computational and experimental analysis and applications.” Wind Engineering 33.2 (2009): 183-196. ↩︎
Mishnaevsky Jr, Leon, et al. “Small wind turbines with timber blades for developing countries: Materials choice, development, installation and experiences.” Renewable Energy 36.8 (2011): 2128-2138. ↩︎
Sinha, Rakesh, et al. “Selection of Nepalese timber for small wind turbine blade construction.” Wind Engineering 34.3 (2010): 263-276. ↩︎
Clausen, P. D., F. Reynal, and D. H. Wood. “Design, manufacture and testing of small wind turbine blades.” Advances in wind turbine blade design and materials. Woodhead Publishing, 2013. 413-431. ↩︎
Pourrajabian, Abolfazl, et al. “Choosing an appropriate timber for a small wind turbine blade: A comparative study.” Renewable and Sustainable Energy Reviews 100 (2019): 1-8. ↩︎