Draaien zonnepanelen op kolen?

In NRC Handelsblad verscheen vandaag een artikel van gewaardeerd wetenschapsjournalist Karel Knip onder de titel ‘Voor een zonnepaneel worden kolen verstookt‘. Knip stelt dat er bij zonnepanelen in Duitsland en Zwitserland over de hele levensduur sprake is van een netto verbruik van energie. Ik zocht uit waarop dat is gebaseerd en kwam tot de volgende conclusie: de ‘EROI’ van 0,82 uit het artikel van Ferroni en Hopkirk die Karel Knip aanhaalt in NRC is een uitschieter. Een grote groep wetenschappers stelt dat het artikel van Ferroni en Hopkirk niet deugdelijk is. Ik begrijp niet waarom Karel Knip zich op deze ene uitschieter heeft gebaseerd. En waarom hij niet heeft aangegeven dat de meeste wetenschappelijke studies een hele andere uitkomst laten zien. Hieronder een verslag van mijn zoektocht.

Naschrift 26 oktober 2016: Goede krant dat NRC Handelsblad!

Inmiddels heeft Karel Knip de fout herstelt in een sterk artikel onder de kop ‘Zonnecellen leveren echt wel meer energie op dan ze kosten‘. Hij beschrijft daarin de kritiek op het artikel van zaterdag, welke uitkomsten andere studies laten zien en wat de verschillen zijn. Hij heeft de Nederlandse expert prof. Wim Sinke gesproken en geeft in het artikel de visie van Sinke weer. Hij heeft ook contact gehad met dhr. Ferroni om zijn weerwoord op de kritiek van prof. Sinke en anderen te horen. Kortom kwaliteitsjournalistiek zoals ik dat van Knip en NRC Handelsblad gewend ben. Hulde!

Naschrift 6 januari 2017: artikel van Ferroni en Hopkirk weerlegt in Energy Policy

Op 4 januari 2017 heeft Energy Policy een artikel gepubliceerd van een grote groep wetenschappers  (Raugei et al.) met een diepgaande reactie op het artikel van Ferroni en Hopkirk. De wetenschappers hebben de methode en aannames van Ferroni en Hopkirk minutieus geanalyseerd en komen tot de conclusie dat er meerdere ernstige fouten in het artikel zitten (‘several critical methodological and calculation flaws’). Raugei et al. hebben ook berekend hoeveel energie zonnepanelen in Zwitserland over hun levensduur produceren vergeleken met de energie die nodig was voor de productie en komen tot een ‘EROI’ van 9-10. Moderne zonnepanelen produceren in Zwitserland dus volgens deze grondige analyse 9 tot 10 keer zoveel energie als er nodig is als input voor de productie en installatie ervan.

raugei-et-al-rebuttal-on-ferroni-and-hopkirk-on-eroi-solar-pv-v2

Verslag van mijn zoektocht na het originele artikel in NRC Handelsblad

De titel van het originele artikel in NRC Handelsblad (‘Voor een zonnepaneel worden kolen verstookt‘) is niet zo gek, veel zonnepanelen worden in China gemaakt en daar komt een groot deel van de elektriciteit nog uit kolen. De cruciale vraag is natuurlijk hoeveel kolen er worden verstookt bij de productie van een zonnepaneel. En hoe zich dat verhoudt tot de stroomproductie tijdens de levensduur van het zonnepaneel. In het artikel schrijft Karel Knip dat de verhouding dermate ongunstig is dat er bij zonnepanelen die geplaatst worden in Duitsland en Zwitserland sprake is van een netto verbruik aan energie. De zonnepanelen zouden meer energie verbruiken dan ze opleveren. Zou dat kloppen?

Bij windmolens bleek het een broodje aap

Dit lijkt op het eerste gezicht een broodje aap: over windenergie wordt ook met enige regelmaat gezegd dat het produceren van al dat staal voor de windmolens meer CO2 kost dan de windmolens tijdens hun levensduur besparen. Dat is niet het geval: een windmolenpark verdient alle CO2 die nodig is voor de bouw ervan in 3 tot 6 maanden terug. Anders gezegd: de CO2-uitstoot van windenergie over de hele levenscyclus is ongeveer 10 tot 20 gram per kilowattuur (kWh) geleverde elektriciteit. Terwijl het van een gascentrale gemiddeld 400 tot 550 gram per kWh is en van een kolencentrale 880 tot 1100 gram/kWh.

Ik vermoed daarom dat het verhaal voor zonnepanelen ook niet klopt. Maar Karel Knip is niet de eerste de beste en hij verwijst naar een artikel uit het wetenschappelijke blad Energy Policy, dus besluit ik er toch maar wat verder in te duiken. Het is per slot van rekening herfstvakantie.

Het artikel in het wetenschappelijke blad Energy Policy

Het artikel (open access) van Ferroni en Hopkirk in het wetenschappelijk blad Energy Policy  stelt inderdaad dat zonnepanelen die geplaatst worden in Duitsland of Zwitserland over de hele levensduur meer energie kosten dan dat ze opleveren. Wat nu? Ik zie vier opties: 1) Een wetenschappelijk artikel zegt het, dus laten we maar aannemen dat het waar is; 2) Het artikel uitpluizen om te kijken of er vreemde aannames inzitten (met het risico verdwaald te raken in allerlei details); 3) Uitzoeken of er reacties van andere wetenschappers zijn gepubliceerd die de conclusies weerleggen; of 4) Bekijken welke andere studies er op dit gebied zijn.

Optie 1 is me te makkelijk gezien het knagende gevoel dat er iets niet klopt. Optie 3 is daarna het makkelijkst en de manier waarop wetenschappelijke publicaties werken: wetenschapper A publiceert iets en als wetenschapper B het er niet mee eens is, dan publiceert hij een artikel waarin hij de conclusies weerlegt. Als iemand dat al gedaan heeft, dan zijn we snel klaar.

Het artikel lijkt nog niet geciteerd in andere wetenschappelijke artikelen

Helaas, volgens de database van ScienceDirect is het artikel nog nooit geciteerd (zie screenshot hieronder. Het artikel is uit juli 2016, dus dat is niet zo vreemd. Maar wel jammer, want nu moeten we een van de meer arbeidsintensieve opties gebruiken.

zonnepanelen artikel (2).PNG

CAPS LOCK in de conclusie van een wetenschappelijk artikel?

Ik overweeg even om optie 2 toe te passen en het artikel helemaal uit te gaan pluizen. Goed om de geest te slijpen. Het eerste wat me opvalt zijn de eerste 2 zinnen van de samenvatting van het artikel: “Many people believe renewable energy sources to be capable of substituting fossil or nuclear energy. However there exist very few scientifically sound studies, which apply due diligence to substantiating this impression.”  Beweren de auteurs hier nu dat er weinig degelijk wetenschappelijk onderzoek is gedaan naar duurzame energie als alternatief voor fossiele energie? Volgens mij zijn er bibliotheken over vol geschreven. En de artikelen die ik ken over dit onderwerp zijn over het algemeen degelijk. Iets anders dat me opvalt is het gebruik van hoofdletters in de conclusie van het artikel. Er staat twee keer met hoofdletters ‘NET ENERGY LOSS’, ofwel ‘NETTO ENERGIEVERLIES’. Het is lang geleden dat ik mijn wetenschappelijke training kreeg en op de universiteit werkte, maar dit wekt op mij meer indruk van iemand die zijn gelijk wil halen, dan een droge wetenschappelijke analyse.

conclusie-zonnepanelen-artikel

Via twitter wees Kees van der Leun me erop dat in het artikel de arbeidskosten worden omgerekend naar energiegebruik (omdat mensen die geld verdienen aan zonnepanelen dat uitgeven aan dingen die ook energie kosten??). Ik krijg de indruk dat het artikel nogal onconventioneel is. Dat is belangrijk in de wetenschap, dat er mensen zijn die bestaande theorieën ter discussie stellen en daarover publiceren. Dan is het aan andere wetenschappers om daarop verder te bouwen of te reageren. Of niet, soms is een artikel kennelijk niet relevant en gebeurt er niets mee. Ik geloof niet dat het aan mij in mijn herfstvakantie is om die taak op me te nemen. Dus tijd om verder te kijken voordat ik vastloop in de tijdrovende klus om alle aannames in het artikel op een rij te zetten en te kijken of ze kloppen en wat anderen over die specifieke punten gepubliceerd hebben.

De PVV schiet te hulp

Ik besluit via Google te kijken of er op internet al reacties zijn gepubliceerd op het artikel. En wat schetst mijn verbazing: er zijn al Kamervragen over gesteld in de Eerste Kamer. De PVV vroeg Minister Kamp om het artikel van Ferroni en Hopkirk te betrekken bij het beleid. In het antwoord op de Kamervragen blijkt dat er vanuit de wetenschappelijke wereld stevige kritiek is op het artikel. Voor het gemak neem ik hieronder het hele antwoord van de Minister op dit punt over:

Het artikel van Ferroni en Hopkirk heeft met deze conclusies ook de aandacht getrokken van internationale deskundigen op het gebied van levenscyclusanalyses en energiesystemen. Een gezelschap van 23 wetenschappers, waaronder twee Nederlandse, van diverse wetenschapsinstituten heeft in reactie op het artikel van Ferroni en Hopkirk een gedetailleerd response paper ingediend bij het blad ‘Energy Policy’ . In een begeleidend schrijven aan de redacteuren van ‘Energy Policy’ geven zij aan dat ze zich afvragen hoe het artikel van Ferroni en Hopkirk een degelijk peer review proces heeft doorstaan. In hun response paper bekritiseren en verwerpen zij de analyse en conclusies van Ferroni en Hopkirk. Zij stellen dat sprake is van inconsistente, slecht onderbouwde en misleidende cijfers. Zo:

  • worden cijfers van zonnepanelen uit de jaren ’80 en ’90 van de vorige eeuw gebruikt;
  •  wordt de levensduur van zonnepanelen ingeschat op 17 jaar in plaats van de gebruikelijke 25-30 jaar;
  • wordt de energieopbrengst van zonnepanelen bijna half zo hoog ingeschat als uit onderzoek blijkt;
  • worden de kosten van arbeid en kapitaal om panelen te produceren veel hoger ingeschat dan realistisch is;
  • worden (hoge) kosten van (veel) energieopslag in het toekomstige energiesysteem toegerekend aan zon pv;
  • wordt geen rekening gehouden met recycling van zonnepanelen.

Deze deskundigen wijzen er op dat uitgebreid onderzoek laat zien dat de gemiddelde energieopbrengst van de meest gebruikte (multikristallijn silicium) zonnepanelen 11,6 zo hoog is als de energie die het kost om ze te produceren.

Voor zover ik kan nagaan is de reactie waar hier naar verwezen wordt nog niet gepubliceerd (naschrift januari 2017: inmiddels is de reactie van Raugei et al. gepubliceerd in Energy Policy). Het antwoord van de Minister lijkt mijn vermoeden te bevestigen dat het artikel van Ferroni en Hopkirk niet zo degelijk is als de auteurs beweren. Maar zolang de reactie niet gepubliceerd is, blijft het nog wat onbevredigend. Soms duurt de publicatie van wetenschappelijke artikelen langer dan je zou willen. Gelukkig gaat het schrijven van een blog sneller. Daarom toch ook nog maar even aan de slag met optie 4: wat is er eerder al over dit onderwerp gepubliceerd?

Levenscyclusanalyse: minutieus CO2-uitstoot van elke stap in kaart brengen

Voor zover ik weet, zijn er twee relevante benaderingen om de milieuprestatie van energiebronnen over de hele levensduur in kaart te brengen: de uitstoot van CO2 over de hele levensduur per kilowattuur geleverde energie en de energieopbrengst per eenheid energie ‘input’ (beter bekend als ‘energy return-on-investment’ of EROI). De eerste benadering ken ik beter dan de tweede, dus laten we daarmee beginnen.

De opmerking van Karel Knip ‘de laatste jaren is er steeds meer aandacht voor de vraag hoe de energie-input zich eigenlijk verhoudt tot de output die het paneel in zijn leven levert’ is niet terecht. Er worden al zeker sinds de jaren ’90 gedetailleerde studies gedaan naar deze vraag. In Nederland onder andere bij het ECN (link via de onvolprezen Peter Segaar) en de Universiteit Utrecht.  Zie bijvoorbeeld dit artikel uit 2000 in hetzelfde tijdschrift Energy Policy. Internationaal zijn er honderden wetenschappelijke artikelen geschreven over dit onderwerp.

Er is een gespecialiseerde tak van wetenschap die onderzoek doet naar milieuprestatie van producten over de hele levensduur: levenscyclusanalyse of LCA. Minutieus wordt elke stap in kaart gebracht: van de winning van de grondstoffen tot en met het opruimen van het product aan het einde van de levensduur. Wat mij betreft een doodvermoeiende tak van wetenschap, maar dit ‘monnikenwerk’ is zeer relevant. In LCA studies wordt de ‘due diligence’ toegepast waar Ferroni en Hopkirk om vragen. Zie bijvoorbeeld dit  rapport van het Internationaal Energie Agentschap uit 2011 waarin methodologische richtlijnen worden beschreven voor de levenscyclusanalyse van zonnepanelen. Karel Knip wijst er terecht op dat dit gecompliceerde berekeningen zijn en dat daarbij vaak nogal wat aannames gedaan moeten worden. Naar de uitstoot van broeikasgassen van verschillende energiebronnen zijn honderden LCA studies gedaan. Die geven bij elkaar een behoorlijk goed overzicht van alle mogelijke aannames. En het goede nieuws: er is een gedegen overzicht gemaakt van die studies.

CO2-uitstoot zonnepanelen over hele levensduur 30-80 gram CO2 per kilowattuur

Een aantal jaar geleden gaf het Amerikaanse ministerie van energie opdracht aan het gerenommeerde onderzoeksinstituut NREL om een overzicht te maken van alle LCA-studies van elektriciteitsproductie uit verschillende energiebronnen. De resultaten werden gepubliceerd in een speciaal nummer van het wetenschappelijke tijdschrift Industrial Ecology. Voor kristallijne zonnepanelen werd door NREL een groot aantal LCA studies. beoordeeld. Na een kwaliteitscontrole lag de CO2-uitstoot per geproduceerde kilowattuur (kWh) tussen de 20 en 217 gram CO2. Na een harmonisatie van de aannames lag de mediane waarde op 45 gram per kWh.

CO2-uitstoot zonnepanelen over hele levenscyclus veel lager dan van fossiel 

In 2012 publiceerde IPCC een uitgebreide studie over duurzame energie en klimaatverandering. Daarin is de  CO2-uitstoot van verschillende energiebronnen over hun hele levensduur weergegeven op basis van het werk van NREL. De samenvattende grafiek die hieronder is weergegeven. Voor elke bron is de mediane waarde weergegeven en de spreiding van de studies. Voor zonnepanelen (‘Photovoltaics’) zijn in de grafiek 26 studies meegenomen. De grafiek maakt duidelijk dat de CO2-uitstoot over de hele levensduur van zonnepanelen iets hoger ligt dan van andere duurzame energiebronnen en dat de spreiding van de uitkomsten van de studies groter is. Tegelijk is ook duidelijk dat de CO2-uitstoot van zonnepanelen over de hele levensduur in alle studies (veel) lager ligt dan van elektriciteit uit gas, olie of kolen.

ipcc-lifecycle-ghg-footprint-electricity-sources-high-res-2

Energie-opbrengst vergeleken met input (EROI)

Een andere manier om naar de (milieu)prestatie van energiebronnen te kijken is door de energie-opbrengst te vergelijken met de energie die ervoor nodig is, de ‘energy return-on-investment’ of EROI. Deze EROI is wat Ferroni en Hopkirk in hun artikel berekenen. Zij komen op een EROI voor zonnepanelen in Zwitserland en Duitsland van 0,82. Dat betekent dat zij menen dat voor elke kWh energie die er in zonnepanelen gestoken word, er maar 0,82 kWh aan zonnestroom geproduceerd wordt.

Andere studies vinden EROI van 5 tot 17 voor meest gebruikte types zonnepanelen

In 2013 stond in Scientific American een mooi overzicht van de EROI van verschillende bronnen van elektriciteit, zie hieronder (dank aan Bob Brand voor de link). Voor zonnepanelen kwam de auteur op een EROI van 6 (zie hier voor zijn verantwoording van de bronnen).

eroi-elektriciteitsbronnen-uit-scientific-american

In dit wetenschappelijke artikel uit 2015 (via Pepijn Vloemans)  is een nieuwe metastudie gemaakt van 232 studies naar de energie-terugverdientijd en EROI van zonnepanelen (slechts 11 respectievelijk 23 studies komen door de screening, kennelijk zijn er nogal wat zwakke studies?). In de grafiek hieronder uit het artikel een overzicht van de EROI volgens deze studies. Voor de meest gebruikte types zonnepanelen (mono-kristallijn en poly-kristallijn) komt deze metastudie op een EROI van gemiddeld 8,7 respectievelijk 11,6.

eroi-zonnepanelen-artikel-2015

Voor zover ik kan nagaan komen alle degelijke wetenschappelijke artikelen op een EROI tussen de 5 en 17 voor de meest gebruikte typen zonnepanelen (mono-Si en poly-Si). De uitkomst van Ferroni en Hopkirk van 0,82 is dus een enorme uitschieter.

Zonnepanelen verdienen energie die nodig was voor productie in 1 tot 4 jaar terug

De grafiek hieronder van het Duitse onderzoeksinstituut Fraunhofer-ISE (via Amelie Veenstra) laat de energie-terugverdientijd zien van zonnepanelen in Duitsland. Dat geeft aan hoe lang een zonnepaneel stroom moet produceren om de energie die nodig was voor de productie ‘terug te verdienen’. Het laat op basis van dit wetenschappelijke artikel zien welke onderdelen van de productie het meeste energie kosten.

energy-payback-time-solar-pv-in-germany

Het Internationale Energie Agentschap IEA verwacht dat de energie-terugverdientijd van zonnepanelen in de toekomst verder zal verbeteren, zie de grafiek hieronder.

future-ebpt-zonnepanelen

Conclusie van mijn zoektocht: Karel Knip baseerde zijn conclusie op een artikel dat een uitschieter is met een EROI van 0,82 in een onderzoeksgebied waar veel degelijke wetenschappelijke artikelen gepubliceerd zijn die een EROI tussen de 5 en 17 laten zien voor zonnepanelen. 

Zonnepanelen hebben over hele levenscyclus CO2-uitstoot die veel lager is dan van fossiele brandstoffen. De opmerking van Karel Knip ‘de laatste jaren is er steeds meer aandacht voor de vraag hoe de energie-input zich eigenlijk verhoudt tot de output die het paneel in zijn leven levert’ is niet terecht. Er worden al jaren gedetailleerde studies gedaan naar deze vraag. Volgens alle degelijke studies die ik heb kunnen vinden ligt de verhouding tussen de ‘geïnvesteerde’ energie en de geproduceerde energie (EROI) op 5 tot 17 voor de meest gebruikte types zonnepanelen. De EROI van 0,82 uit het artikel van Ferroni en Hopkirk die Karel Knip aanhaalt in NRC is een uitschieter (outlier). Een grote groep wetenschappers stelt dat het artikel van Ferroni en Hopkirk niet deugdelijk is. Ik begrijp niet waarom Karel Knip zich op deze ene uitschieter gebaseerd heeft en waarom hij niet heeft aangegeven dat de meeste wetenschappelijke studies een hele andere uitkomst laten zien.

Advertenties