Momenteel zijn veruit de meeste panelen van het type kristallijn silicium. Silicium is nu dus ook de cruciale grondstof voor de PV-sector, maar dat kan veranderen. Zo wordt er bijvoorbeeld gewerkt aan andere technologieën, zoals ‘dunne film’ panelen. Ook wordt opslag steeds belangrijker, en moeten fabrikanten circulair gaan produceren om aan nieuwe regelgeving te voldoen. Wat betekenen die ontwikkelingen voor het materiaalgebruik van de PV-sector? 

Dit is het derde deel van een reeks over de grondstoffen voor PV. In het eerste deel stelde Solar365 vast dat er op globaal niveau voldoende van de belangrijkste grondstoffen – aluminium, koper, silicium en zilver – aanwezig zijn om de wereld van zonnestroom te voorzien. In het tweede deel kwamen andere knelpunten aan bod: de dominantie van China, de milieu-impact van grondstofwinning en vertragingen in het opschalen van de productieketen.

Voorspellingen doen is ingewikkeld, zeker op het gebied van technologie. In de eerste delen van deze reeks hebben we ons gericht op de grondstoffen die het belangrijkst zijn voor kristallijn silicium (c-Si) zonnepanelen. Dit deel richt zich op de toekomst en ontwikkelingen die de status quo kunnen ontwrichten en het grondstofgebruik van PV zouden veranderen.

In feite gaat het over drie belangrijke ‘wat als’-vragen. Wat als andere types panelen steeds efficiënter worden en een groter aandeel van de markt gaan opeisen? Wat als de uitrol van zonnestroom afhankelijk wordt van accu’s en de grondstoffen die daarvoor nodig zijn? Wat als overheden ervoor kiezen meer in te zetten op circulair produceren?

De informatie voor dit artikel komt grotendeels uit een aantal rapporten: de Mineral Commodity Summaries 2023 van het United States Geological Survey (USGS), Minerals for Climate Action van de Wereldbank, en Energy Technology Perspectives 2023 en The Role of Critical Minerals in Clean Energy Transitions van het Internationaal Energieagentschap (IEA).

Blijft kristallijn silicium dominant?
Hoewel er een grote kans is dat kristallijn silicium het dominante type zonnecel blijft, houden experts rekening met scenario’s waarin andere technologieën belangrijker worden. Twee van deze technologieën komen hier aan bod: ‘dunne film’ panelen en perovskiet.

De eerste dreiging voor kristallijn silicium zijn ‘dunne film’ panelen, waarvan er drie types zijn: Cadmium telluride (CdTe), koper-indium-gallium-diselenide (CIGS) en amorf silicium (a-Si). De Wereldbank gaat in hun model er vanuit dat het aandeel ‘dunne film’ panelen gaat groeien van 20 procent naar 50 procent. Het IEA aan de andere kant, voorziet slechts een hele kleine toename in het marktaandeel van dit type panelen.

Mochten ‘dunne film’ panelen wel populairder worden zou dat gevolgen hebben voor het materiaalverbruik. Deze panelen vervangen namelijk zilver en silicium voor cadmium en tellurium (CdTe) of indium, gallium en selenium (CIGS). Dit zijn zeldzamere en duurdere grondstoffen dan silicium, maar hier staat tegenover dat deze panelen aanzienlijk dunner zijn en dus minder materiaal nodig hebben.

Toch zou de vraag naar indium volgens de Wereldbank met wel 172 procent kunnen toenemen in een scenario waar CIGS-panelen een groot marktaandeel innemen. Deze grondstoffen worden gewonnen als bijproduct van koper (tellurium, selenium), zink (cadmium, indium) en bauxiet (gallium), dus de schaarste ervan hangt grotendeels samen met de winning van die metalen.

Het andere materiaal dat een rol kan gaan spelen in de PV-sector is perovskiet. Experts bij onder andere TNO verwachten dat perovskiet de potentie heeft hoge rendementen mogelijk te maken, omdat het delen van het lichtspectrum kan benutten dat siliciumcellen niet gebruiken. Maar hoewel perovskiet potentie heeft, is dat vooralsnog vooral in combinatie met silicium in zogenaamde ‘tandemcellen’. Deze bestaan uit twee lagen – een siliciumlaag zoals die in de meeste panelen zit en een dun laagje perovskiet – die gezamenlijk een betere efficiëntie hebben.

Kan de grondstoffencrisis voor accu’s worden opgelost?
Een ander knelpunt in de uitrol van zonnestroom is een gebrek aan netcapaciteit, met name tijdens de piekmomenten van opwek. Een veelgehoorde oplossing hiervoor is het uitbreiden van de opslagcapaciteit door middel van accu’s, maar de vraag naar accu’s is al enorm gegroeid door de stijgende verkoop van elektrische auto’s. Zo schat de Wereldbank in dat 90 procent van de toename in materiaalverbruik door accu’s als een gevolg van elektrische auto’s gaat komen, en slechts 10 procent door stationaire opslag.

De exploderende vraag naar accu’s is op verschillende vlakken problematisch voor grondstofgebruik. De dominante technologie voor opslag is momenteel de lithium-ion accu (Li-ion). Voor de productie van deze accu’s is lithium nodig en – afhankelijk van het specifieke type – meestal ook nikkel of kobalt. Elk van deze grondstoffen heeft een eigen set uitdagingen.

Lithium is in tegenstelling tot wat je vaak hoort niet schaarser aan het worden – tot nu toe worden nieuwe reserves sneller ontdekt dan oude leeggehaald worden. Wel voorspelt het IEA dat de vraag voor de energietransitie de huidige productie snel gaat ontstijgen. Ook zijn lithiumwinning en reserves geconcentreerd in een handjevol landen, waaronder Australië, Chili en China. Wat betreft verwerking en productie is China veruit de grootste speler.

Voor nikkel en kobalt geldt dat ze verwisselbaar zijn; verschillende types accu zijn afhankelijk van de een of de ander. Met name de problemen rondom de winning van kobalt krijgen veel aandacht. Kobalt is vrijwel alleen in de Democratische Republiek Congo te vinden, waar de winning ervan vaak gepaard gaat met mensenrechtenschendingen en onethische praktijken. Deels om die reden zijn alternatieve accu’s die nikkel gebruiken populairder geworden, maar nikkel is ook een metaal dat in veel andere duurzame technologieën cruciaal is. Nikkel wordt door de Wereldbank dan ook een ‘cross-cutting mineral’ genoemd, omdat het in een brede selectie technologieën gebruikt wordt en naar verwachting dus hoe dan ook een grote vraag zal hebben.

Kan een circulaire aanpak de druk op grondstofwinning verlagen?
Recyclen gaat een steeds bepalendere rol spelen met betrekking tot materiaalverbruik. In maart 2023 presenteerde de EU de ‘Critical Raw Materials Act’, waarin doelen werden gesteld om te zorgen dat Europa toegang houdt tot een aantal cruciale, strategische grondstoffen. Een van die doelen is het voorzien in 15 procent van eigen consumptie door middel van recyclen. Nederland presenteerde aan het begin van dit jaar ook een eigen plan: het Nationaal Programma Circulaire Economie 2023-2030, waarmee een start moet worden gemaakt richting volledig circulair in 2050.

Zonnepanelen zijn nog een uitdaging, als het op circulariteit aankomt. TNO stelt dat in de EU nog jaarlijks 4000 ton aan materiaal van zonnepanelen op milieuonvriendelijke wijze wordt vernietigd. Een van de redenen hiervoor is de manier waarop de materialen bij een zonnepaneel aan elkaar worden gebonden. Om de levensduur te verlengen gebeurt dit op een manier die ze erg moeilijk van elkaar te scheiden maakt, wat erin resulteert dat de materialen elkaar vervuilen en moeilijker te recyclen zijn.

Circulair ontwerp gaat steeds belangrijker worden voor panelen. Zo werkt TNO aan een nieuw type ‘inkapseling’, met hechtfolie. Dit zou een betere scheiding van materialen mogelijk moeten maken aan het einde van de levensduur van het paneel. Nederlandse producent Solarge gaat panelen produceren waarin polymeren de rol van aluminium en glas overnemen, waardoor ze een lage milieu-impact hebben en volledig te recyclen zijn.

Wat is dan de potentie van circulair materiaalgebruik momenteel? Hoewel de data op globaal niveau (en voor alle grondstoffen) moeilijk precies te achterhalen is, kunnen we aluminium als voorbeeld nemen. De Wereldbank schat in dat 35 procent van de huidige aluminiumconsumptie van ‘secundaire productie’ (gerecycled materiaal) komt (het IEA legt dat percentage wat lager, rond de 25 procent). Als al het beschikbare aluminium dat elk jaar vrijkomt wordt gerecycled zou dat volgens de Wereldbank in 61 procent van de aluminiumvraag voorzien. Beschikbaar materiaal is in dit geval materiaal waarvan we in staat zijn het volledig te recyclen, dus dat percentage zou nog hoger kunnen worden als we bijvoorbeeld in meer gevallen circulair ontwerp toepassen.

Verschillende routes mogelijk
Alternatieve paneeltypes, opslagcapaciteit en circulariteit zijn allemaal voorbeelden van hoe de PV-sector van de toekomst nog kan veranderen. Definitieve uitspraken doen over hoe het uitpakt is moeilijk, des te meer omdat een toename van de vraag naar één grondstof vaak weer een alternatief aantrekkelijker maakt. Als bijvoorbeeld kobalt voor batterijen duurder wordt omdat de ethische winning ervan moeilijk is, neemt de vraag naar nikkel toe en wordt dat weer duurder.

Mogelijk kan de verbetering van ‘dunne film’ panelen op die manier de druk op de vraag naar silicium en zilver verlagen. Of kan het inzetten van perovskiet en tandemcellen ertoe leiden dat er minder silicium nodig is om dezelfde energie op te wekken.

De verkoop van elektrische auto’s legt veel druk op de markt voor lithium, nikkel en kobalt. Hierdoor is het onwaarschijnlijk dat de grondstoffen voor opslag op korte termijn veel goedkoper worden. Ook zijn op dit vlak de risico’s van geografische concentratie groot, aangezien het gros van het kobalt op onethische wijze in de Democratische Republiek Congo wordt gewonnen en China een groot deel van de lithiumproductie in handen heeft.

Tot slot bieden hergebruik en recycling perspectief, door de noodzaak van primaire grondstofwinning (mijnen) te verlagen. Hoewel de potentie van die aanpak vooralsnog limieten heeft, is er op het vlak van PV een hoop te winnen door deze principes toe te passen. Voor een regio als de EU, die de primaire grondstofwinning vrijwel niet in handen heeft, kan dit uitkomst bieden.