LOW←TECH MAGAZINE Nederlands

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. ↩︎

Hoe ontwerp je een zeilschip voor de 21ste eeuw?

Tue, 11 May 2021 00:00:00 +0000

Aan boord van het schip *Garthsnaid*. Foto: Allan C. Green, circa 1920.

Het zeilschip is een schoolvoorbeeld van duurzaamheid. Gedurende 4.000 jaar hebben zeilschepen passagiers en vracht over zeeën en oceanen vervoerd zonder een druppel fossiele brandstoffen te verbruiken. Als we wereldwijd willen blijven reizen en handel voeren in een koolstofarme samenleving, zijn zeilschepen het evidente alternatief voor containerschepen, bulkschepen en vliegtuigen.

Het zeilschip is echter geen klimaatneutrale technologie per definitie. Gedurende het grootste deel van de geschiedenis werden zeilschepen uit hout gebouwd, maar daar werden vaak volledige wouden voor omgehakt, en die kregen niet altijd de kans om zich te herstellen. In de late negentiende en vroege twintigste eeuw werden zeilschepen steeds vaker uit staal gebouwd, en daar hoort ook een aanzienlijke ecologische voetafdruk bij.

De koolstofneutraliteit van zeilen in de 21ste eeuw is nog minder vanzelfsprekend. Dat komt omdat wij grondig veranderd zijn sinds de hoogdagen van de zeilvaart. In vergelijking met onze voorouders stellen we veel hogere eisen op het vlak van veiligheid, comfort, gemak en netheid. Deze hogere standaarden zijn moeilijk te bereiken als een zeilschip geen dieselmotor aan boord heeft.

Heropleving van de zeilvaart

Het zeilschip staat sinds een jaar of tien weer in de belangstelling, voornamelijk voor het transport van goederen. In 2009 begon het Nederlandse bedrijf Fairtransport met het vervoer van vracht tussen Europa en Amerika met de Tres Hombres, een zeilschip dat gebouwd werd in 1943. Het bedrijf is nog steeds actief en heeft sinds 2015 een tweede schip in dienst, de Nordlys (gebouwd in 1873).

Sindsdien hebben andere bedrijven zich op de zeilvracht geworpen. In 2016 begon het Duitse bedrijf Timbercoast met het vervoer van vracht met de Avontuur, een schip gebouwd in 1920. ¹ In 2017 startte de Franse Blue Schooner Company met het transport van vracht met de Gallant, een zeilschip uit 1916. ² Al deze zeilschepen werden gebouwd in de negentiende of twintigste eeuw, en werden later gerestaureerd. Maar als we terug op grote schaal zeilschepen in willen zetten, dan zullen we ook nieuwe schepen moeten bouwen. ³

De *Noach*, gebouwd in 1857.

Momenteel worden er tenminste twee geheel nieuwe zeilschepen ontwikkeld: de Ceiba en de EcoClipper500. Het eerste schip wordt gebouwd in Costa Rica door het bedrijf Sailcargo. Het schip wordt gebouwd uit hout en is geïnspireerd door een Fins schip uit de twintigste eeuw. Het tweede schip wordt gebouwd door het bedrijf EcoClipper, dat geleid wordt door één van de stichters van het Nederlandse FairtTransport, Jorne Langelaan. Hun EcoClipper500 is een stalen replica van een Nederlands clipperschip uit 1857: de Noach.

“Een historisch ontwerp is niet noodzakelijk beter”, zegt Jorne Langelaan, “maar je weet wel zeker dat het werkt. Een nieuw design is meer een gok. Bovendien is de ontwikkeling van zeilschepen in de 20ste en 21ste eeuw vooral gericht op snelle zeiljachten, wat een heel ander verhaal is vergeleken met schepen die vracht moeten kunnen vervoeren. ”

Deze twee schepen – één in aanbouw en één in de ontwerpfase – hebben het potentieel om het vrachtvervoer per zeilschip een stuk goedkoper te maken. Dat komt omdat ze een veel grotere laadcapaciteit hebben dan de zeilschepen die nu worden ingezet. Naarmate een schip langer wordt, neemt de laadcapaciteit meer dan evenredig toe.

De EcoClipper500 is een replica van de Noach.

De 46 meter lange Ceiba wordt aangedreven door 580 m2 zeiloppervlak en kan 250 ton vracht meenemen. De 60 meter lange EcoClipper500 wordt aangedreven door bijna 1.000 m2 zeiloppervlak en kan 500 ton vracht meenemen. Ter vergelijking, de Tres Hombres is met haar lengte van 32 meter niet zo veel korter, maar kan slechts 40 ton vracht meenemen – twaalf keer minder dan de EcoClipper500. Een groter schip is ook sneller en heeft in verhouding minder manschappen nodig. De Tres Hombres vaart met een bemanning van 7 personen, terwijl de EcoClipper500 slechts een iets grotere bemanning van 12 personen heeft.

Levenscyclusanalyse van een zeilschip

Hoewel de EcoClipper500 nog in de ontwerpfase zit, is het schip de focus van dit artikel. De reden daarvoor is dat het bedrijf een levenscyclusanalyse van het schip heeft uitgevoerd alvorens het te bouwen. ⁴ Voor zover ik weet, is dit de eerste levenscyclusanalyse van een zeilschip. Het onderzoek besluit dat het ongeveer 1.200 ton CO2 kost om het schip te bouwen.

De helft van die emissies wordt veroorzaakt tijdens de staalproductie, en ongeveer een derde ontstaat tijdens de werkzaamheden op de scheepswerf. Verf en elektrische en elektronische systemen zijn elk verantwoordelijk voor ongeveer 5% van de uitstoot. De emissies die ontstaan bij de productie van de zeilen zijn niet inbegrepen omdat er geen wetenschappelijke data voorhanden zijn, maar een snelle berekening (voor zeilen op bases van aramide vezels) leert dat hun bijdrage tot de totale uitstoot erg klein is. ⁵

De EcoClipper500 heeft een CO2-voetafdruk van 2 gram CO2 per tonkilometer, vijf keer minder dan de CO2-voetafdruk van een containerschip.

Als deze 1.200 ton emissies worden uitgespreid over een verwachte levensduur van 50 jaar, dan heeft de EcoClipper500 een CO2-voetafrduk van ongeveer 2 gram CO2 per ton-kilometer vracht, besluit onderzoeker Andrew Simons, die de levenscyclusanalyse uitvoerde. Dat is ongeveer vijf keer minder dan de CO2-voetafdruk van een containerschip (10 gram CO2/ton-km) en drie keer minder dan een die van een bulkschip (6 gram CO2/ton-km). ⁶

Aan boord van de 'Parma'. Alan Villiers, 1932-33. Het werk van Villiers documenteert de zeilvaart in het begin van de twintigste eeuw, vlak voor ze verdween.

Het vervoer van 1 ton vracht over een afstand van 8.000 km (ruwweg de afstand tussen de Caribische eilanden en Nederland) zou met de EcoClipper500 16 kg CO2 kosten. Met een containerschip wordt dat 80 kg en met een bulkschip 48 kg. De verhoudingen zijn gelijkaardig voor andere milieu-factoren, zoals aantasting van de ozonlaag, ecotoxiciteit, luchtverontreiniging, enzovoort.

Hoewel het zeilschip een overtuigend voordeel behaalt, is het niet zo groot als je zou verwachten. Ten eerste, zoals Simons uitlegt, is er het verschil in schaalgrootte. Een containerschip of bulkschip geniet ten opzichte van de EcoClipper500 dezelfde voordelen als de EcoClipper500 geniet ten opzichte van de Tres Hombres. Het kan veel meer vracht vervoeren – gemiddeld 50.000 ton in plaats van 500 ton – en heeft slechts een iets grotere bemanning van 20-25 mensen nodig. ⁷

Ten tweede zijn schepen op fossiele brandstoffen sneller dan zeilschepen, wat betekent dat er minder schepen nodig zijn om een bepaalde hoeveelheid vracht over een bepaalde tijdspanne te vervoeren. Het oorspronkelijke schip waarop de EcoClipper500 is gebaseerd, legde de afstand tussen Nederland en Indonesië af in 65 tot 78 dagen, terwijl een containerschip het vandaag in ongeveer de helft van de tijd doet (via een kortere weg door het Suezkanaal).

Een vloot van zeilschepen

Er zijn twee manieren om de CO2-uitstoot van een zeilschip verder te verlagen. De eerste manier is het schip uit hout te bouwen, zoals de Ceiba. Als het bos de kans krijgt om zich te herstellen (wat de bouwers van de Ceiba hebben beloofd), dan kan zo’n schip zelfs CO2 uit de atmosfeer halen. Er is echter een goede reden waarom de EcoClipper500 uit staal wordt gebouwd: het bedrijf wil niet 1 zeilschip bouwen, maar een hele vloot zeilschepen. Jorne Langelaan: “Er zijn tegenwoordig maar weinig scheepswerven die houten schepen kunnen bouwen. Staal maakt het makkelijker om in een kortere periode een vloot op te bouwen. ”

Een mogelijk compromis zou een composietconstructie zijn, waarbij een stalen skelet is bekleed met een houten kiel, planken en dek. Andrew Simons: “Dit zou de ecologische voetafdruk van de bouw met ongeveer de helft verminderen. Het zou ook haalbaar kunnen zijn om de bovenbouw en sommige mastsecties en andere delen van het tuigage te maken van hout in plaats van staal.”

Op het dek van de 'Parma' tijdens een storm. Alan Villiers, 1932-33.

Naar de toekomst toe is er een tweede mogelijkheid om de emissies van een zeilschip verder te verlagen: nog grotere schepen bouwen. Terwijl de EcoClipper500 een veel grotere laadcapaciteit heeft dan de zeilschepen die nu worden gebruikt, gaat het zeker niet om het grootste zeilschip dat ooit werd gebouwd. Historische schepen zoals de Great Republic (5.000 ton laadvermogen), de Parma (5.300 ton), de France II (7.300 ton), en de Preussen (7.800 ton), waren meer dan 100 meter lang en konden meer dan tien keer zoveel vracht meenemen als de EcoClipper500. Langelaan droomt al van een EcoClipper3000.

Passagiers

De meeste zeilende vrachtschepen die tegenwoordig over de oceanen reizen, kunnen ook een aantal passagiers vervoeren. Als de EcoClipper500 volledig is geladen met vracht biedt het schip plaats aan 12 bemanningsleden, 12 passagiers en 8 stagiaires (passagiers die leren zeilen). Indien het bovendek niet voor vracht wordt gebruikt, kunnen nog 28 stagiaires mee, zodat het schip tot 60 mensen aan boord kan hebben (met een kleiner laadvolume: 480 m3 in plaats van 880 m3).

De CO2-voetafdruk voor passagiers bedraagt 10 g per passagierskilometer, vergeleken met ongeveer 100 g per passagierskilometer in een vliegtuig.

Bijgevolg, en aangezien oceaanstomers zijn verdwenen, wordt de EcoClipper500 ook een alternatief voor het vliegtuig. Volgens de resultaten van de levenscyclusanalyse bedraagt de CO2-voetafdruk voor passagiers op de EcoClipper500 10 gram per passagierskilometer, vergeleken met ongeveer 100 gram per passagierskilometer in een vliegtuig. Het vervoeren van één passagier levert dus evenveel CO2-uitstoot op als het vervoeren van 1 ton vracht.

Wel of geen motor?

Belangrijk is dat de levenscyclusanalyse van de EcoClipper500 ervan uitgaat dat er geen dieselmotor aan boord is. Op een zeilschip kan een dieselmotor twee doelen dienen, die kunnen worden gecombineerd. Ten eerste kan het schip worden voortbewogen als er geen wind is of als de zeilen niet kunnen worden gebruikt, bijvoorbeeld bij het verlaten of binnengaan van een haven. Ten tweede kan een dieselmotor in combinatie met een generator elektriciteit produceren voor het dagelijks leven aan boord van het schip.

Tijdens het grootste deel van de geschiedenis was het energieverbruik aan boord van een zeilschip niet al te problematisch. Er was brandhout om te koken en te verwarmen, en er waren kaarsen en olielampen als verlichting. Er waren geen koelkasten voor voedselopslag, geen douches of wasmachines om te wassen en schoon te maken, geen elektronische instrumenten voor navigatie en communicatie, geen elektrische pompen in geval van lekkage of brand.

In deze tijd hebben we echter hogere normen op het gebied van veiligheid, gezondheid, hygiëne, thermisch comfort en gemak. Het probleem is dat deze hogere normen moeilijk haalbaar zijn als het schip geen motor heeft die op fossiele brandstoffen draait. Moderne verwarmingssystemen, kooktoestellen, warmwaterketels, koelkasten, diepvriezers, verlichting, veiligheidsapparatuur en elektronische instrumenten hebben allemaal energie nodig om te werken.

Bemanningslid van de 'Parma' met een model van het schip. Alan Villiers, 1932-33.

Moderne zeilschepen gebruiken vaak een dieselmotor om die energie te leveren (en indien nodig het schip voort te bewegen). Een voorbeeld is de Avontuur van Timbercoast, die een motor van 300 pk, een generator van 20 kW en een brandstoftank van 2.330 liter heeft. Grote zeilende opleidingsschepen en cruiseschepen hebben meerdere motoren en generatoren aan boord. De 48 meter lange Brig Morningster heeft bijvoorbeeld een motor van 450 pk en drie generatoren met een totaal vermogen van 100 kW, terwijl de 56 meter lange Bark Europa twee motoren van 365 pk en drie generatoren heeft – en honderden liters olie per dag verstookt.

Afhankelijk van de levensstijl van de mensen aan boord, kan de uitstoot per passagierskilometer stijgen tot of zelfs hoger liggen dan die van een vliegtuig.

Bij het berekenen van de ecologische voetafdruk van een zeiltocht moet uiteraard ook rekening worden gehouden met de emissies en andere vervuilende stoffen van deze motoren. Afhankelijk van de levensstijl van de mensen aan boord, kan de uitstoot per passagierskilometer stijgen tot of zelfs hoger liggen dan die van een vliegtuig. In mindere mate verhoogt het elektriciteitsverbruik aan boord ook de uitstoot van vrachtvervoer.

Energieverbruik aan boord van een zeilschip

De EcoClipper500 heeft geen dieselmotor aan boord, wat een tweede reden is om ons op dit schip te concentreren. Het is duidelijk dat een zeilschip zonder motor haar reis niet kan voortzetten als er geen wind is. Dit is eenvoudig op de ouderwetse manier op te lossen: de EcoClipper500 blijft waar ze is totdat de wind terugkeert. Een schip zonder motor heeft ook sleepboten nodig – die meestal op fossiele brandstoffen werken – om havens in en uit te varen. Voor de EcoClipper500 zijn deze sleepdiensten goed voor 0,3 g/tkm van de totale CO2-voetafdruk van 2 g/tkm.

Zonder dieselmotor moet het schip ook alle energieverbruik aan boord opwekken uit lokale energiebronnen, en dat is de grootste uitdaging. Hernieuwbare energie is niet altijd beschikbaar en heeft een lage vermogensdichtheid in vergelijking met fossiele brandstoffen, wat betekent dat er meer ruimte nodig is om een bepaalde hoeveelheid stroom op te wekken. Dat is op zee nog problematischer dan op land.

Onderhoudswerken aan boord van de 'Parma'. Alan Villiers, 1932-33.

Om de EcoClipper500 zelfvoorzienend te maken in termen van energieverbruik, besliste EcoClipper om niet al het energieverbruik elektrisch te maken. Dat is vooral belangrijk voor de productie van hoge temperaturen, die niet kunnen worden geleverd door elektrische warmtepompen. Het schip zal een pelletkachel aan boord hebben om de ruimte te verwarmen, evenals een biovergister – nooit eerder op een schip gebruikt – om afval om te zetten in gas om te koken. Thermische isolatie van het schip is een andere prioriteit.

Niettemin, zelfs met pelletkachel en biovergister (die zelf elektriciteit nodig hebben om te werken), en met thermische isolatie, kan het energieverbruik op het schip oplopen tot 50 kilowattuur elektriciteit per dag (een vermogen van gemiddeld 2 kW). Het betreft een “worst case normale operatie” scenario, waarbij het schip bij koud weer vaart, met 60 mensen aan boord. Het stroomverbruik zal lager zijn bij warmer weer en/of wanneer er minder mensen worden meegenomen. Tijdens een noodsituatie kan de vermogensbehoefte oplopen tot 8 kW, terwijl er in slechts drie uur tijd meer dan 24 kWh aan energie nodig kan zijn.

Hydrogeneratoren

Hoe kan deze energie lokaal worden geproduceerd? Zonnepanelen en windturbines zijn maar een klein deel van de oplossing. Voor het produceren van 50 kWh energie per dag zou minimaal 100 vierkante meter aan zonnepanelen nodig zijn, waarvoor op een 60 meter lang zeilschip weinig ruimte is. Kwetsbaarheid en beschaduwing door de zeilen zorgen voor extra problemen. Windturbines kunnen in het tuigage worden bevestigd, maar hun vermogen is ook beperkt. Het lage potentieel van zonne- en windenergie wordt gedemonstreerd door het eerder genoemde zeilschip Avontuur. Dat heeft een generator van 20 kW, aangedreven door de dieselmotor, maar slechts 2,1 kW aan zonnepanelen en 0,8 kW aan windturbines.

De hydrogenerator is de enige hernieuwbare lokale energiebron die een groot zeilschip van voldoende energie kan voorzien voor het gebruik van moderne technologie aan boord.

De hydrogenerator is de enige hernieuwbare lokale energiebron die een groot zeilschip van voldoende energie kan voorzien voor het gebruik van moderne technologie aan boord. Hydrogeneratoren worden onder de romp bevestigd en werken als een omgekeerde scheepspropeller. In plaats van dat de propeller het schip aandrijft, drijft het schip de propeller aan, die een generator laat draaien die elektriciteit produceert. Ondanks naam en uiterlijk is de hydrogenerator eigenlijk een vorm van windenergie: de zeilen drijven de propellers aan. Dit werkt natuurlijk alleen maar als het schip snel genoeg vaart.

Aan boord van de Parma. Alan Villiers, 1932-33.

De EcoClipper500 zal worden uitgerust met twee grote hydrogeneratoren, waarvoor Simons het vermogen bij verschillende snelheden heeft berekend, rekening houdend met het feit dat de extra weerstand die ze produceren het schip enigszins vertraagt. Hij concludeert dat de EcoClipper500 met een snelheid van minimaal 7,5 knopen moet varen om voldoende elektriciteit op te wekken. Bij die snelheid produceren de hydrogeneratoren ongeveer 2.000 watt aan vermogen, wat neerkomt op ongeveer 50 kWu elektriciteit per dag (24 uur varen).

Bij een lagere snelheid van 4,75 knopen produceren de generatoren 350 watt, wat neerkomt op 8,4 kWu energie over een periode van 24 uur – slechts 1/6 van de maximaal benodigde energie. Langs de andere kant produceren de hydrogeneratoren bij hogere snelheden meer energie dan nodig is. Met een snelheid van bijna 10 knopen leveren ze 120 kWhu/dag, bij een snelheid van 12 knopen wordt dit 182 kWu/dag – 3,5 keer meer dan nodig is.

Zoutwaterbatterijen

De EcoClipper500 kan een topsnelheid behalen van iets meer dan 16 knopen – het dubbele van de minimumsnelheid die nodig is om voldoende vermogen te genereren. Deze topsnelheid zal maar zelden behaald worden, omdat ze een kalme zee en een harde wind uit de goede richting vereist. Desalniettemin vaart het schip bij goede windcondities gemakkelijk snel genoeg om alle elektriciteit voor gebruik aan boord te produceren.

Goede windcondities kunnen dagen duren, vooral op zee, waar de wind krachtiger en voorspelbaarder is dan op het land. Ze zijn echter niet gegarandeerd, en het schip zal bij momenten ook met een lagere snelheid varen, of zich in een windstilte bevinden – en dan zijn hydrogeneratoren net zo nutteloos als zonnepanelen in het midden van de nacht.

Als er geen wind is, heeft de EcoClipper500 een dubbel probleem: het schip kan de reis niet voortzetten én heeft geen energie om het leven aan boord te onderhouden.

Als er geen wind is, heeft de EcoClipper500 een dubbel probleem: het schip kan de reis niet voortzetten én heeft geen energie om het leven aan boord te onderhouden. Het eerste probleem is eenvoudig op te lossen, maar het tweede is dat niet. Het leven aan boord gaat door, en dus is er een voortdurende behoefte aan stroom. Om hierin te voorzien heeft het schip energieopslag nodig.

Om genoeg energie te hebben tijdens drie dagen windstilte bij koud weer zou een energieopslag van 150 kilowattuur nodig zijn, zonder rekening te houden met laad- en ontladingsverliezen. Voor vijf of zeven dagen energieverbruik aan boord is 250 tot 350 kilowattuur opslag nodig. Voor noodgebruik is nog eens 25 kilowattuur aan energieopslag nodig.

Onderhoud aan boord van de 'Parma'. Alan Villiers, 1932-33.

Het ontbreken van een motor, generator en brandstoftank bespaart ruimte aan boord, maar dit voordeel kan snel weer verloren gaan wanneer men begint met het toevoegen van batterijen voor de hydrogeneratoren. Lithium-ionbatterijen zijn erg compact, maar kunnen niet als duurzaam worden beschouwd en brengen veiligheidsrisico’s met zich mee. Daarom zien Jorne Langelaan en Andrew Simons meer potentieel in – heel toepasselijk – zoutwaterbatterijen. Die zijn niet-ontvlambaar, niet-giftig, makkelijk te recyclen, en gaan meer dan 15 jaar mee. Net als de biovergister zijn ze nog nooit eerder op een zeilschip gebruikt.

In tegenstelling tot lithium-ionbatterijen zijn zoutwaterbatterijen groot en zwaar. Een zoutwaterbatterij met een energieopslag van één kilowattuur weegt 60 kilogram. Voor een energieopslag van 150 kilowattuur zijn dus 9 ton batterijen nodig, voor een energieopslag van 350 kilowattuur wordt dat 21 ton. Toch steekt dit gunstig af bij het totale laadvermogen (500 ton) en kunnen de accu’s als ballast dienen als ze in het onderste deel van de scheepsromp worden geplaatst. De benodigde ruimte is ook niet al te problematisch. Zelfs een energieopslag van 350 kilowattuur vereist slechts 29 m3 ruimte, wat beperkt is in vergelijking met het laadvolume van 880 m3.

De emissies die vrijkomen bij de fabricage van de hydrogeneratoren, biovergister en batterijen worden niet meegenomen in de levenscyclusanalyse van het schip, omdat er geen gegevens beschikbaar zijn. Deze emissies moeten echter relatief klein zijn. Hydrogeneratoren hebben een veel hogere vermogensdichtheid dan windturbines en zonnepanelen, en dus een relatief laag energieverbruik voor de productie. Een snelle berekening leert dat de CO2-voetafdruk van 350 kilowattuur zoutwaterbatterijen ongeveer 70 ton CO2 bedraagt (tegenover1.200 ton CO2 voor het volledige schip). ⁸

Menskracht

Er is nog een hernieuwbare energiebron en energieopslag aan boord van de EcoClipper500, en dat zijn de mensen zelf. Net als de pelletkachel en de biovergister kan het gebruik van menskracht de behoefte aan elektriciteit verminderen. Tegenwoordig hebben vrachtschepen en de meeste grote zeilschepen elektrische of hydraulische lieren, pompen en stuurinrichting, waardoor handarbeid wordt bespaard ten koste van een hoger energieverbruik. EcoClipper houdt daarentegen zoveel mogelijk vast aan een manuele bediening van het schip.

De bemanning van de Parma bedient de kaapstander voor het anker. Alan Villiers, 1932-33.

Daarbij overwegen Simons en Langelaan de toevoeging van enkele roeimachines, gekoppeld aan generatoren, om op die manier noodstroom te produceren. Twee roeimachines kunnen ongeveer 400 watt aan vermogen leveren. Als ze de klok rond in ploegen worden bediend, zouden ze het schip kunnen voorzien van 9,6 kilowattuur energie per dag (energieverliezen buiten beschouwing gelaten) – een vijfde van het totale maximale elektriciteitsverbruik.

Ik vertel Simons en Langelaan dat tien roeimachines die continu in ploegendienst worden bediend evenveel vermogen leveren als de hydrogeneratoren met een snelheid van 7,5 knopen. En als er 60 mensen aan boord zijn en iedereen zou minder dan een uur per dag stroom opwekken, dan zijn er helemaal geen hydrogeneratoren en batterijen meer nodig. “Een heel interessante gedachte”, antwoordt Simons, “maar welke indruk maken we daarmee?”

Warme douches?

Zelfs met biovergister, hydrogeneratoren, accu’s en roeimachines zouden de passagiers en bemanning aan boord van de EcoClipper500 geen luxeleven leiden. Als bijvoorbeeld 60 mensen aan boord van het schip dagelijks een warme douche zouden nemen – waarvoor op land gemiddeld 2,1 kilowattuur energie en 76,5 liter water nodig is – dan zou het totale elektriciteitsverbruik per dag 126 kilowattuur bedragen, meer dan het dubbele van de energie die het schip produceert bij een snelheid van 7,5 knopen.

Het schip zou deze energie bij een hogere snelheid kunnen leveren, maar er zou ook 4.590 liter water per dag nodig zijn, een hoeveelheid die alleen uit zeewater geproduceerd zou kunnen worden – en dat is een proces dat veel energie vraagt. Zelfs een bemanning van 12 die dagelijks een warme douche neemt, zou 25,2 kilowattuur energie per dag nodig hebben, de helft van wat de hydrogeneratoren produceren bij een vaarsnelheid van 7,5 knopen. De Bark Europa is het enige in dit artikel genoemde zeilschip met warme douches in elke (gedeelde) kajuit, maar het is ook het schip met de grootste generatoren en het hoogste brandstofverbruik.

Uitrusten op de Parma. Alan Villiers, 1932-33.

Andrew Simons: “Op de EcoClipper500 moet er een compromis worden gezocht tussen energieverbruik en comfort. Het energieverbruik aan boord zal actief moeten worden gemanaged. Hulpbronnen zijn eindig, net als voor de planeet. In veel opzichten is een zeilschip een microkosmos van uitdagingen die de hele wereld moet aangaan en waar oplossingen voor moeten worden gevonden."

Jorne Langelaan: “Op zee ben je in een andere wereld. Het maakt niet meer uit of je dagelijks kunt douchen of niet. Waar het om gaat zijn de mensen, de bewegingen van het schip en de uitgestrekte wildernis van de oceaan om je heen”.

De juiste dingen meten

Dit artikel heeft het zeilschip vergeleken met het gemiddelde containerschip, bulkschip en vliegtuig in termen van emissies per ton- of passagierskilometer. Deze waarden zijn echter abstracties die veel belangrijker informatie verdoezelen: de totale uitstoot die wordt geproduceerd door alle passagiers en alle vracht, over alle kilometers.

Het internationale vrachtvervoer per schip steeg van 4 miljard ton vracht in 1990 naar 11,2 miljard ton in 2019, wat resulteerde in meer dan 1 miljard ton CO2-uitstoot. Het aantal internationale vliegtuigpassagiers groeide van 1 miljard in 1990 tot 4,5 miljard in 2019, wat resulteerde in een CO2-uitstoot van 915 miljoen ton. Bijgevolg is het verlagen van de uitstoot per ton- en reizigerskilometer noch een noodzaak, noch een garantie voor een vermindering van de uitstoot.

Als we vijf keer minder vracht per schip zouden vervoeren, en tien keer minder passagiers per vliegtuig, dan zou de uitstoot van alle containerschepen en vliegtuigen lager zijn dan de uitstoot van alle zeilschepen die 11,2 miljard ton vracht en 4,5 miljard passagiers vervoeren. Omgekeerd, als we overstappen op zeilschepen, maar steeds meer vracht en passagiers over de planeet blijven vervoeren, zouden we uiteindelijk net zoveel uitstoot produceren als vandaag.

Aan boord van de 'Grace Harwar'. Alan Villiers, 1932-33.

Dit zou natuurlijk nooit gebeuren. De hoeveelheid vracht die in 2019 over de oceanen werd getransporteerd, komt overeen met de vrachtcapaciteit van 22,4 miljoen EcoClippers. Als we ervan uitgaan dat de EcoClipper500 2-3 reizen per jaar kan maken, dan zouden we minstens 7,5 miljoen schepen moeten bouwen, met een totale bemanning van minstens 90 miljoen mensen. Die schepen zouden maar 0,5 miljard passagiers kunnen vervoeren (12 passagiers en 8 stagiaires per schip), dus hebben we nog eens miljoenen schepen en bemanningsleden nodig om het internationale luchtverkeer te vervangen.

We moeten ons niet laten misleiden door abstracte relatieve metingen, die alleen dienen om de focus op groei en efficiëntie te houden.

Dit alles is technisch mogelijk en, zoals we hebben gezien, zou het minder uitstoot opleveren dan de huidige alternatieven. Het is echter waarschijnlijker dat een overstap naar zeilschepen gepaard gaat met een afname van het vracht- en passagiersverkeer, en dat heeft veel te maken met schaalgrootte en snelheid. Veel vracht en passagiers zou niet onderweg zijn zonder de hoge snelheden en lage kosten van de huidige vliegtuigen en containerschepen.

Het zou weinig zin hebben om iPhones-onderdelen, Amazon-waren, sweatshopkleding of citytrippers met zeilschepen te vervoeren. Een zeilschip is meer dan een technisch vervoermiddel: het impliceert een andere kijk op consumptie, productie, tijd, ruimte, vrije tijd en reizen. Zo reist veel vracht nu voor elke volgende verwerkingsfase in verschillende richtingen voordat het als eindproduct wordt afgeleverd. Daarentegen nemen alle in dit artikel genoemde zeilvrachtbedrijven alleen vracht aan die niet lokaal geproduceerd kan worden, en die rechtstreeks van producent naar consument gaat. ⁹

Dit betekent ook dat als zeilschepen dieselmotoren aan boord hebben, ze nog altijd de totale uitstoot voor vracht- en passagiersverkeer aanzienlijk zouden verminderen, simpelweg omdat hun lagere snelheid en kleinere schaal het absolute aantal passagiers, vracht en kilometers zouden verminderen. We moeten ons niet laten misleiden door abstracte relatieve metingen, die alleen dienen om de focus op groei en efficiëntie te houden.

Meer over de EcoClipper500. De meeste beelden: Alan Villiers collection.

Tussen 1978 en 2004 werd de Avontuur als zeilvrachtschip geëxploiteerd onder kapitein Paul Wahlen. De Apollonia, oorspronkelijk gebouwd in 1946, is een ander zeilend vrachtschip dat sinds 2014 in gebruik is. Het is 19,5 meter lang en kan 10 ton vracht vervoeren. ↩︎
Zeer recent werd Grain de Sail gebouwd en gelanceerd voor de transatlantische verzending van wijn en cacao. Het is een modern zeilschip zonder motor, gebouwd van aluminium en kan 35 ton vracht vervoeren. ↩︎
Andrew Simons: “Er zijn veel historische zeilschepen, maar ze zijn ofwel erg duur om in de vaart te worden genomen als een vrachtschip dat aan de regelgeving voldoet, ofwel worden ze nog steeds voor andere doeleinden worden gebruikt, ofwel ze zijn niet geschikt.” ↩︎
De studie kan worden gedownload wanneer u zich abonneert op de nieuwsbrief van EcoClipper. Het onderzoek is gebaseerd op een typische levenscyclusanalyse, maar het is geen peer-reviewed onderzoek. ↩︎
Helaas raakte ik de berekening kwijt. ↩︎
Bij de EcoClipper wordt de meeste uitstoot geproduceerd tijdens de bouw van het schip, terwijl deze bij bulkschepen en containerschepen vooral tijdens het varen en de brandstofproductie ontstaat. ↩︎
De grootste containerschepen kunnen 190.000 ton vracht meenemen. ↩︎
Er zijn niet veel gegevens beschikbaar over zoutwaterbatterijen, maar ze zijn minder energie-intensief om te bouwen dan veel andere soorten batterijen. De berekening is gebaseerd op een schatting van 66 kg CO2 / kWh opslagcapaciteit en drie generaties batterijen over een periode van 50 jaar. ↩︎
Bijna een derde van alle vracht vervoerd door schepen zijn fossiele brandstoffen. ↩︎

Kan het verbranden van biomassa weer duurzaam worden?

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

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

Hoezo is het omhakken van bomen duurzaam?

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

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

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

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

Hakhout: hout oogsten zonder bomen te doden

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

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

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

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

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

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

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

Een korte kapcyclus

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

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

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

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

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

Biodiversiteit

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

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

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

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

Multi-inzetbare bomen

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

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

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

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

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

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

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

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

Knotbomen & kaphagen

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

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

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

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

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

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

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

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

Lijnbeplantingen

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

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

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

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

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

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

Een heg. Foto: Geert Van der Linden.

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

Hakhoutstoven in een weiland. Foto: Jan Bastiaens.

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

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

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

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

Locatie is belangrijk

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

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

Kaphaag in België. Foto: Geert Van der Linden.

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

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

Door schaarste gevormd

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Kan hakhout gemechaniseerd worden?

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

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

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

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

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

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

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

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

Het verleden leeft verder

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

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

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

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

Kathy Vanhout hielp bij de Nederlandse vertaling van dit artikel.

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