Fotovoltaïsche systemen hebben een energieterugverdientijd van slechts 1,7 jaar!

De productie van fotovoltaïsche modules laat een ongekende stijging zien, met een groei van 80 MWp per jaar in 1995 naar 1700 MWp per jaar in 2005. Met deze indrukwekkende groeicijfers, en in het licht van de mogelijkheden van zonnecellen als een bron van duurzame energie, wordt een grondige analyse van de huidige en toekomstige milieuprestaties van fotovoltaïsche systemen steeds belangrijker. Een dergelijke prestatieanalyse heet Levenscyclusanalyse (LCA)*.

LCA-studies op het gebied van fotovoltaïsche systemen zijn reeds eerder gepubliceerd, de onderzochte technologie stamt echter uit einde jaren '80. Sinds die tijd hebben er grote technologisch ontwikkelingen op het gebied van fotovoltaïsche zonne-energie plaatsgevonden. De hoogste tijd voor nieuwe milieuprestatieanalyses.

Het Energieonderzoek Centrum Nederland (ECN) en het Copernicus Instituut van de Universiteit Utrecht hebben recentelijk een LCA-studie op het gebied van kristallijn silicium zonnecelsystemen afgerond. Drie hoofdstromen binnen de silicium technologie zijn onder de loep genomen, te weten mono-, multi- en ribbon-kristallijn silicium. Gezamenlijk vormden deze drie technologieën circa 94 procent van de wereldmarkt in 2004. De resultaten van de genoemde studie zijn derhalve representatief voor de huidige fotovoltaïsche technologieën.

Deze LCA-studie is uitgevoerd in het kader van het Europese Integrated Project CrystalClear, dat de prestatieverbetering en kostenreductie van kristallijn silicium zonnecellen en -modules tot doel heeft. De studie is met veel enthousiasme ontvangen als zijnde het resultaat van een unieke samenwerking tussen elf vooraanstaande bedrijven en onderzoeksinstituten in Europa en de Verenigde Staten. Voor het eerst werden details over het energie- en materiaalverbruik binnen het productieproces van zonnecelsystemen gebruikt.

Productie van drie typen kristallijn silicium zonnecelsystemen en de systeembegrenzing binnen de nieuwe LCA-studie. Ribbons worden uit gesmolten silicium direct in de juiste vorm gekristalliseerd. Doordat het silicium niet uit blokken gezaagd wordt, betekent dit een enorme beperking van materiaalverlies.

De gepresenteerde LCA-studie richt zich op het vaststellen van broeikasgasemissie voor de gehele levenscyclus, en op de energiegerelateerde terugverdientijd van de fotovoltaïsche systemen. Deze gegevens zijn van groot belang aangezien de benodigde energie voor de productie de grootste invloed heeft op het milieueffect van fotovoltaïsche systemen.

De energiegerelateerde terugverdientijd werd berekend voor op daken geïnstalleerde fotovoltaïsche systemen, aangesloten op het elektriciteitsnetwerk, in twee regio's te weten Zuid- en Midden Europa, met een gemiddelde jaarlijkse zonlichtinstraling van respectievelijk 1700 en 1000 kWh per vierkante meter. De berekende energiegerelateerde terugverdientijden lopen uiteen van 1,7 tot 4,6 jaar. Het exacte cijfer is afhankelijk van de jaarlijkse zonlichtinstraling en het type silicium technologie. Deze terugverdientijd is vele malen kleiner dan de levensduur van de fotovoltaïsche systemen, die op dit moment circa 30 jaar bedraagt.

In figuur 2 worden de CO2-emissies tijdens de totale levenscyclus voor verschillende energietechnologieën vergeleken (in g-CO2-eq/kWh geproduceerd). Zoals verwacht presteren fotovoltaïsche systemen beter in vergelijking met op fossiele brandstoffen gebaseerde technologieën. Verdere verbetering is noodzakelijk wanneer fotovoltaïsche systemen moeten concurreren met bijvoorbeeld windenergie.

Broeikasgasemissies van fotovoltaïsche systemen gebaseerd op drie silicium technologieën vergeleken met andere energietechnologieën. NB: de emissie van een kolencentrale (1000 g/kWh) stijgt vér boven de Y-as uit. (Bron: kolen, CC gas, nucleair, biomassa en windenergie gegevens van de Ecoinvent database)

De milieuprestaties van fotovoltaïsche systemen kunnen verder verbeterd worden door de efficiëntie van de module te verhogen naar 16 procent, de dikte van de wafer te verlagen naar 150 µm en om te schakelen naar een nieuw productieproces voor polykristallijn silicium (gebaseerd op de Fluidised Bed Reactor technologie). In bovenstaand geval, kan een energiegerelateerde terugverdientijd van circa 1 jaar en een broeikasgasemissie tijdens de totale levenscyclus van 20 g/kWh voor de multi-kristalijn silicium module, geïnstalleerd in Zuid Europa, worden gerealiseerd. Gezien de huidige ontwikkelingen in PV systemen, kan een dergelijke efficiëntie waarschijnlijk over circa drie jaar behaald worden.

Informatie:
U kunt het gehele rapport, in het Engels, downloaden via onze website http://www.ecn.nl/library/reports/2006/c06002.html
Een uitgebreide versie van dit artikel kunt u, wederom in het Engels, downloaden via
http://www.ecn.nl/nieuws/newsletter/first-quarter-2006/photovoltaic-systems-now-have-energy-pay-back-times-as-low-as-17-years/

Contact:
Mariska de Wild-Scholten
ECN Zonne-energie
m.dewild@remove-this-part-ecn.nl

Erik Alsema
Copernicus Instituut, Universiteit van Utrecht
e.a.alsema@remove-this-part-chem.uu.nl

^{* In een Levenscyclusanalyse (LCA) studie worden de milieu effecten van een product geëvalueerd door middel van een inventarisatie van benodigde energie en materialen, als ook de emissies naar de omgeving. Een 'van de wieg tot het graf' insteek wordt hiertoe gebruikt, dat wil zeggen de complete levenscyclus van een product wordt hierin meegenomen van de winning van grondstoffen tot en met de afvalverwerking. Voor fotovoltaïsche systemen voorziet men in de gebruiksperiode geen implicaties. Recycling van PV systemen vindt op dit moment slechts plaats in demonstratieprojecten. Derhalve zijn deze twee faseringen uit de huidige studie weggelaten. De energiegerelateerde terugverdientijd is het aantal jaren dat het systeem energie moet produceren teneinde de bij de fabricage gebruikte energie te compenseren. De broeikasgasemissie voor de levenscyclus wordt berekend door de totale uitstoot van broeikasgassen over de gehele levenscyclus van het systeem (i.e. voornamelijk door componentproductie) gedeeld door de totale energieopbrengst van het systeem gedurende het gebruik. Met deze indicator kan de bijdrage van de verschillende technologieën aan de vermindering van de uitstoot aan broeikasgassen vergeleken worden. De broeikasgasemissie van de huidige elektriciteitsproductie in Nederland is 570 g/kWh.}