LOW←TECH MAGAZINE Nederlands

Plastic afval in de brandstoftank?

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

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

Van houtgas tot plastic afval

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

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

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

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

Hoe ver kunnen we rijden op plastic afval?

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

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

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

Hoe duurzaam is rijden op plastic afval?

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

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

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

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

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

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

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

Externaliseren van vervuiling

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

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

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

Internaliseren van vervuiling

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

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

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

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

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

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

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

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

Kunnen we de fiets weer duurzaam maken?

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

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

Fietsen is duurzaam, maar hoe duurzaam is de fiets?

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

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

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

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

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

Waar fietsen van gemaakt zijn

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

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

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

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

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

Waar en hoe fietsen worden gemaakt

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

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

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

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

Hoe lang fietsen meegaan

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

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

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

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

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

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

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

Hoe fietsen worden aangedreven

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

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

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

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

Vrachtfietsen

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

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

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

Hoe fietsen worden gebruikt

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

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

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

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

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

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

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

Niet elke fiets vervangt een auto

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

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

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

Hoe kunnen we fietsen weer duurzaam maken?

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

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

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

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

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

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

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

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

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. ↩︎