Dit artikel geeft een overzicht over de energieterugverdientijden van de verschillende (duurzame) energieopties. Energieterugverdientijd (in het Engels: energy payback time) betekent hoe lang het duurt voordat de beschouwde energieoptie zijn energie die het gekost heeft voor het winnen van de grondstoffen, produceren, vervoer, installeren, onderhoud, afbraak en recycling, weer heeft terugverdiend. Voor een duurzame energievoorziening is het zaak dat we die opties kiezen die een netto energiebalans hebben, dat wil zeggen opties die meer energie opleveren gedurende hun levensduur dan dat ze gekost hebben! In dit verband is het ook nuttig om te weten wat de verhouding is tussen de opgeleverde hoeveelheid energie en de hoeveelheid die erin gestoken moet worden, die we EPR noemen (Energy Profit Realized).
Voor de lange termijn is de EPR van een energieoptie misschien wel de belangrijkste parameter, zeker belangrijker dan de ingeschatte financiële terugverdientijd. Het gaat er namelijk bij duurzaam om dat we netto er energie aan overhouden. Een voorbeeld: wanneer het ons 2 kWh aan energie kost om 1 kWh te genereren, zullen we dus zo al onze energie verstoken om er zelf minder aan over te houden! Dit klinkt stom om te doen, maar we gaan het waarschijnlijk wel doen; kernenergiecentrales kosten meer energie dan ze zullen opwekken, wanneer de grondstof uranium gewonnen moet worden in zeer uraniumarme ertsbronnen. Zie ook dit artikel op OliNo.
Hierbij een tabel van de energieopties en hun verwachte energieterugverdientijd en/of EPR. Deze tabel zal verder uitgebreid worden met meer energieopties waneer ik ze heb doorgewerkt.
Let op, deze tabel rekent de energie terugverdientijd uit, en niet de financiële terugverdientijd!
| energieoptie | energieterugverdientijd | EPR | referenties |
|---|---|---|---|
| 600 kW Deense windturbine | 4 maanden | 60 | Danish Wind Industry Association |
| netgekoppeld PV paneel, multicristallijn | 6 jaar | 3.3 | Levenscyclus analyse PV, Utrecht, 2002 |
| CSP trogspiegel | 4,5 maanden | 67 | Energiebalans CSP |
| CSP Fresnelspiegel | 6,7 maanden | 45 | Energiebalans CSP |
| CSP FLATCON | 9 maanden | 32 | FLATCON product |
Windturbines op het land
Een mooi rapport wat ik heb kunnen vinden is van de Danish Wind Industry Association. Het dateert al uit 1997, maar is zo goed uitgewerkt dat ik er toch graag naar refereer.
Globaal direct en indirect gebruik van energie
Een concept van input-output analyse is genomen. Dit wil zeggen dat bepaald wordt welke sectoren allemaal een bijdrage hebben in de gehele levenscyclus van een windmolen. Mbt energiegegevens van Danmarks Statistik (Deens Centraal Bureau voor de Statistiek) is bepaald hoeveel energie deze sectoren nodig hebben voor hun aandeel in de levenscyclus van een windmolen.
Componenten
Er wordt uitgegaan van een 600 kW windturbine (gebruikt op land) geproduceerd in 1995. In tabellen wordt uitgelegd dat de hoeveelheid energie nodig voor produceren is verminderd over de jaren 1987 – 1991. Deze efficiencyverbetering is ook aangenomen voor de jaren 1991-1995, aangezien de werkelijke getallen voor 1995 nog niet bekend waren.
Het eindresultaat van de hoeveelheid benodigde energie voor de turbine is beter betrouwbaar dan een individueel subcomponentresultaat, wat een resultaat is van de input-output methode; eventuele verschillen middelen elkaar uit op het totaalresultaat.
Herbij de gegevens:
| kosten turbine | energiegebruik productie turbine |
|---|---|
| 400 k€ | 1,9 TJ |
TJ is Tera Joule = 109 Joule = 109 Watt seconde.
Turbine installatie
Er wordt uitgegaan van de kosten van installatie voor individuele particulieren. Voor windenergieprojecten waarbij windparken worden geplaatst, zullen de kosten lager uitvallen, omdat dan wegaanleg etc gedeeld worden over meerdere molens.
| kosten installatie | energiegebruik installatie turbine |
|---|---|
| 95 k€ | 0,49 TJ |
Turbine gebruik
Een Deens onderzoek uit 1993 liet zien dat jaarlijkse onderhoudskosten 3 % van de nieuwprijs van de molen waren. Omdat de molens steeds meer energie leveren waarbij de onderhoudskosten nagenoeg gelijk blijven, is de inschatting nu 1.5 – 2,5% van de nieuwprijs.
Hieronder het resultaat van 20 jaar gebruik en onderhoud.
| kosten onderhoud | energiegebruik onderhoud turbine |
|---|---|
| 240 k€ | 0,77 TJ |
Recyclen van de turbine
Wanneer niet gekozen wordt tot het reviseren van de windturbine, begint men na 20 jaar met het afbreken en recyclen van de windturbine. In dit rapport is ervan uitgegaan dat alleen de transformator aan het net is geacht te worden hergebruikt. Alle andere componenten (inclusief fundering) worden gerecycleerd voor zover economisch interessant, waaronder de rotorbladen, fundering, olie (wordt verbrand), metalen (vooral koper levert op in energiebalans). Omdat er geen tabellen voorhanden waren vwb energieverbruik met ontmantelen en fragmenteren, is de input-output analyse niet gebruikt en uitgegaan van ruwere inschattingen.
| item | energiegebruik (-/- is opleveren) |
|---|---|
| ontmantelen, kraangebruik | 0,36 TJ |
| onderdelen fragmenteren | 0,07 TJ |
| transport onderdelen | 0,09 TJ |
| staal, koper, aluminium etc | -/- 0,69 TJ |
| transformator | -/- 0,04 TJ |
| totaal | -/- 0,21 TJ |
EPR
Het totaal aan energie kan nu uit de voorgaande hoofdstukken worden opgeteld.
Dit levert 2,96 TJ aan energiekosten op voor een 600 kW windturbine (gebruikt op land).
Nu levert een 600 kW windturbine een 1,13 GWh op aan energie (wanneer geplaatst in een omgeving met ruwheid klasse 2 (agrarisch land met wat huizen, max 8 meter hoog en op ongeveer 500 m afstand, zie eventueel ook hier)). Deze 1,13 GWh komt neer op 1,13 * 3600 = 4 TJ per jaar.
Dus het duurt dan 2,96 / 4 is ongeveer 8 maanden voordat deze windturbine zelf de energie heeft opgewekt die het in zijn hele levensduur kost. Maar lees even verder…
Het voorgenoemde rapport maakt een iets andere vergelijking. Ze gaan ervan uit dat een gewone energiecentrale de energie zou moeten opwekken die een windmolen zou opwekken per jaar. Dus de genoemde 4 TJ, indien opgewekt door een gewone energiecentrale (met een rendement van 43,5 %), zou 9,4 TJ aan energie kosten. Zo geteld duurt het slechts 4 maanden. Misschien is dit wel een realistischere vergelijking, omdat met dit rendement ook is gerekend toen de energiebepaling werd gedaan voor de productie, installatie, onderhoud en afbraak werd bepaald. Hierdoor is de vergelijking wel gerechtvaardigd en is dus in een kortere tijd de energie terugverdiend: 2,96 / 9,4 komt neer op 4 maanden.
Aangezien een windturbine 20 jaar meegaat, is de EPR dat deze windturbine een factor 60 x de energie oplevert in zijn levensduur.
Zonnepanelen
Hier een verzameling van documenten die ik heb doorgewerkt en mijn opmerkingen.
| PV optie | energieterugverdientijd | referentie | opmerking |
|---|---|---|---|
| PV paneel, monokristallijn | 4 jaar | National Center of Photovoltaics | summier, zie [1] |
| PV paneel, monokristallijn | < 4,6 jaar | ECN Nieuwsbrief mei 2006 | zie [2] |
| PV paneel, multikristallijn | < 5,6-6,5 jaar | Levenscyclus analyse PV, Utrecht, 2002 | zie [3] |
Ad [1]
Dit rapport uit dec 2004 gaat in op de kosten van verschillende PV systemen; mono/multi-kristallijn en dunne film. De resultaten zijn resp. 4 en 3 jaar die het kost om een zonnepaneel zijn eigen energie die het kostte om te maken, terug te verdienen. Jammer vind ik dat het rapport niet ingaat op de kosten van recycling en installatie en vervoer. Naar verwachting zullen dit ook niet de hoogste kosten zijn, omdat het gaat om lichte onderdelen, en installatie ook niet veel voorsteld. Blijft dan over de recycling, die, gelet op de ervaringen met de windmolens, wellicht energieneutraal kan zijn. Maar dan zouden de panelen wel met een statiegeld optie moeten worden verkocht, zodanig dat de bezitters ze terugbrengen na gebruik.
Ad [2]
Dit rapport beschouwt ook alleen de productiekosten en niet de installatie, onderhoud en recyclekosten. Het rapport gaat erg goed in op de verschillende technologieën: te weten mono-, multi- en ribbon-kristallijn silicium. Gezamenlijk vormden deze drie technologieën circa 94 procent van de wereldmarkt in 2004. 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.
Uitgaande van Nederland, midden Europa, zal de energieterugverdientijd 4,6 jaar zijn, en met een levensduur van 30 jaar is de balans 30 / 4,6 = 6,5. De netto energiebalans is dan 5,5.
Ad [3]
In dit onderzoek is een milieugerichte LevensCyclus Analyse (LCA) uitgevoerd voor zes fotovoltaïsche systemen in dakopstelling. De nadruk lag hierbij op analyse van de bijdrage van de Balance-of-System (BOS) componenten, dat wil zeggen ondersteuning, inverter en bekabeling, aan de milieu-impact van de PV systemen. Voor de PV modules is vooral gebruik gemaakt van al bestaande gegevens aangaande de productie en de energiekosten die het met zich meebrengt (onderzoeken van de Universiteit Utrecht [Alsema, 2000a, b, Phylipsen and Alsema, 1995], en gegevens uit de IVAM LCA-database).
Er is uitgegaan van een levensduur van 20 jaar voor de panelen, en 10 jaar voor de inverters (dus twee inverters gebruikt gedurende de levensduur), verder van gebruik van multicristallijne silicium fotocellen. Er is zelfs uitgegaan van een uitvalpercentage van 10 %!
Berekeningen van hoeveel elektriciteit de productie kost en hoeveel de vermeden elektriciteitsproductie is geweest, wordt gedaan door uit te gaan van het rendement van elektriciteitsproductie in Nederland, in het jaar 1997 (ongeveer 38 %).
Voor PV modules is geen recycling proces beschouwd, omdat er momenteel nog onvoldoende informatie beschikbaar is over eventuele recyclingprocédés op commerciële schaal. Afgedankte PV modules worden daarom behandeld als gewoon (niet-gevaarlijk) afval. Het glas wordt voor 70% gerecycled en voor 30% gestort, de kunststof wordt verbrand en voor de cellen is geen specifiek verwerkingsproces verondersteld.
Het is een interessant rapport, dat vertelt over de millieu-effecten (o.a. Broeikaseffekt, Verzuring, Terrestrische ecotoxiciteit, Energie (primair), Niet-gevaarlijk afval) van de verschillende BOS componenten, bijvoorbeeld: de ondersteuningsconstructie en inverters veelal de hoogste milieubelasting veroorzaken, of een belangrijke oorzaak voor verzuring zijn SO2-emissies bij de productie van koper. Het gebruik van kunststoffen in frames leidt tot eeen hoog energieverbruik.
Hoofdstuk 4.6 in het document geeft een mooie samenvatting voor waar ik in dit artikel ben geïnteresseerd: “deze terugverdientijden voor de huidige generatie systemen op 5,5 à 6,5 jaar ligt, waarbij de bijdrage van de BOS enkele maanden tot ruim één jaar bedraagt.” en “In de tweede plaats kan worden opgemerkt dat bij toepassing van amorf silicium modules de terugverdientijd voor de laminaten met zo’n 40% zou verminderen maar voor BOS zou verdubbelen. Netto zou de terugverdientijd voor het PVsysteem dan op ca. 4.5 jaar uitkomen.” en “In de derde plaats willen we opmerken dat de gegeven energieterugverdientijden alleen gelden onder Nederlandse omstandigheden, op locaties met een hogere instraling zal de terugverdientijd naar rato verminderen.”
Dus kom ik op de volgende waardes:
energie terugverdientijd: 6 jaar, en EPR (bij 20 jaar modulegebruik): 3.3.
7 reacties op “Energiebalans”
Een opmerking die ik via Jeroen binnenkreeg, en die ik ook wilde vermelden, is de benaming uit het Engels: EROEI en EPR. EROEI staat voor Energy Returned On Energy Invested, en geeft aan hoeveel energie er netto overgehouden wordt wanneer de optie wordt gebruikt. Dit is interessant, omdat het aangeeft hoeveel energie we netto aan de optie overhouden. De waarde moet dus positief zijn. Dan EPR staat voor Energy Profit Ratio, de deling tussen de hoeveelheid opgeleverde energie door de hoeveelheid gekoste energie. Deze waarde moet dus groter dan 1 zijn. Ik ga meedoen aan deze laatste benaming en pas het artikel erop aan. De EROEI is ook interessant, en waar bekend zal ik hem ook vermelden.
Aluminium frames zijn in de BOS de grootste boosdoener wat energetische terugverdientijd betreft. Er is al jaren een “wirefree” project gaande om frames te elimineren, en er zijn natuurlijk frameloze modules voor mooie gevelbekleding. Dan moet er wel goed gesealed worden aan de randen, want daar zijn soms problemen mee.
Dunnelaag technologieën moeten zich nog bewijzen waar het de lange termijn betreft, maar er is op alle fronten gigantisch veel innovatie en onderzoek gaande om het nog beter te doen. Hoe het er over een jaar uitziet kan niemand voorspellen, wel dat het nog beter zal zijn.
Mensen die zonnestroompanelen “miljeuverwoestende apparaten” noemen (die zijn er, helaas) moeten opgesloten worden in Endegeest…
Voor offhore windparken zit t.o.v. de op land gebouwde molens een aanzienlijke hoeveelheid staal in de fundering (c.a. 400ton per molen). Daarmee zal de benodigde “productie energie” en dus ook de “terugverdientijd” toenemen. Zijn hierover gegevens beschikbaar?
mvdsteen said 126 days later:
JB, ik heb eens op de website van de Danish Wind Industry Association gekeken, waar ik het windenergierapport van windmolens op land vandaan heb. Hier haal ik het volgende voor windturbines op zee:
Hieruit lees ik dat ondanks het extra materiaal benodigd voor de fundering, de energie terugverdientijd zelfs sneller is vanwege de extra energie generatie en minder slijtage.
TJ is Tera Joule = 109 Joule = 109 Watt seconde.
moet zijn:
TJ is Tera Joule = 109 kJoule = 109 kWatt seconde.
Sorrie, de ‘superscript’ blijkt niet te werken op de site, zodat er 109 werd afgedrukt i.p.v. 10^9.
Op de site staat:
TJ is Tera Joule = 10^9 Joule = 10^9 Watt seconde.
Dit moet zijn:
TJ is Tera Joule = 10^9 kJoule = 10^9 kWatt seconde.
Bij off-shore kan men na de levensduur van 25 of 30 jaar van de molens, natuurlijk wel gewoon de duur-om-aan-te-leggen fundering van de oude molens gebruiken om nieuwe molens op te zetten. Op die manier kunnen de kosten voor off-shore windmolens op lange termijn dus omlaag.