Gebrek aan grondstoffen kan groot probleem vormen voor vervolg energietransitie

Wereldwijd worden er nog altijd veel zonnepanelen geïnstalleerd. Ook in Nederland, al heeft de markt de afgelopen jaren een flinke dreun gehad. Maar daarbij rijst wel een belangrijke vraag. Zullen we in de toekomst nog wel genoeg kritieke grondstoffen hebben om zonnepanelen te blijven produceren? De Photovoltaic Materials and Devices groep van TU Delft heeft dit onderzocht in het rapport Primary and Secondary Material Flows for the Future Global Deployment of Silicon-based Photovoltaic Systems.

Het rapport focust zich voornamelijk op de grondstoffen die nodig zijn voor siliciumzonnepanelen, omdat deze voor 98 procent op de globale markt gebruikt worden. De onderzoekers beginnen het rapport ook met de verwachting dat de vraag naar de kritieke grondstoffen de komende jaren zal blijven toenemen, omdat het doel om CO2 terug te dringen gelijk staat met de productie van onder meer zonnepanelen.

En dat kan de komende jaren voor problemen gaan zorgen. De onderzoekers voorzien een jaarlijkse globale piek van 40 procent in de vraag naar zonnepanelen van silicium. Om daaraan te voldoen is er respectievelijk 44 en 25 procent van de zilver- en koperproductie nodig. Zonder verdere materiaalbesparing en vervanging van schaarse grondstoffen kan de vraag vanuit de PV-sector een aanzienlijk deel van de wereldwijde productie en reserves opslokken.

Vooral koper komt in het onderzoek dus naar voren als de grondstof waar de meeste problemen mee kunnen ontstaan. De wereldwijde PV-sector zou tussen 2025 en 2050 cumulatief 145 tot 280 miljoen ton koper nodig hebben.

Koper en zilver

De reden dat er zoveel koper nodig is komt vooral door de benodigde kabels binnen de energietransitie: 75 procent van de totale vraag. Ook omvormers kennen een grote kopervraag, 13 procent van het totaal gaat hier naartoe. Als dit zo blijft, zal er tot halverwege de jaren 2040 elk jaar 7 tot 15 miljoen ton aan koper nodig zijn. En dat staat weer gelijk aan 30 tot 65 procent van de huidige jaarlijkse wereldwijde productie in de mijnen.

Daar komt nog eens bij dat de vraag naar koper wereldwijd door de elektrificatie van transport, industrie en elektriciteitsnetten al groeiende is. Volgens eerdere studies groeit de mondiale mijnbouwcapaciteit voor koper momenteel met ongeveer 3 procent per jaar, terwijl voor 2035 al een aanbodtekort van 10,5 tot 11,5 miljoen ton wordt voorspeld.

Ook voor silicium kan de PV-sector een groot beslag leggen op de beschikbare productiecapaciteit. De jaarlijkse vraag naar silicium van zonnekwaliteit kan rond 2040 uitkomen op 3 tot 6 miljoen ton, tegenover een huidige wereldwijde capaciteit van ongeveer 3 miljoen ton. De onderzoekers verwachten echter dat de risico’s hier waarschijnlijk minder groot zijn dan bij koper, onder meer door aanhoudende overcapaciteit in China en nieuwe productiecapaciteit die momenteel in ontwikkeling is.

Knelpunten en mogelijkheden tot verbetering

Een ander belangrijk knelpunt is indium, een cruciaal element voor dunne-film zonnecellen. De totale vraag kan naar verwachting tussen 2025 en 2050 oplopen tot 60.000 à 160.000 ton. Als dat gebeurt schatten de onderzoekers in dat de wereldwijde reservevoorraad halverwege de jaren 2040 al wordt overschreden. Dat is wel gebaseerd op cijfers uit 2009, dus nader onderzoek zou wellicht een ander beeld geven.

Ook zilver vormt dus een aandachtspunt. De totale vraag daarvoor kan tussen 2025 en 2050 uitkomen op 100.000 tot 200.000 ton.

De onderzoekers geven wel aan dat de materiaalvraag juist zou kunnen veranderen door technologische ontwikkelingen. De toekomstige vraag naar zilver zal namelijk sterk afhankelijk zijn van de mate waarin koper metallisatie van zilver overneemt en de hoeveelheid zilverpasta per zonnecel verder wordt verlaagd. Als dat geleidelijk al gaat, hoeft er geen beleid te worden gemaakt.

Ook recycling kan de vraag naar grondstoffen verminderen, al zal het probleem er niet volledig door kunnen worden opgelost. Tussen 2025 en 2050 komt naar verwachting slechts 15 tot 20 procent van de totale hoeveelheid benodigde materialen beschikbaar uit afgedankte PV-systemen uit diezelfde periode.

De lange levensduur van zonnepanelen is daarvoor een belangrijke reden. Materialen die nu in nieuwe panelen worden verwerkt, komen immers pas tientallen jaren later beschikbaar voor recycling. Daarnaast kan de zuiverheid van teruggewonnen materialen een beperking vormen voor directe herinzet in nieuwe PV-productie.

Voor zilver is het recyclingpotentieel wel groter. De hoeveelheid zilver in toekomstige afvalstromen van siliciumgebaseerde PV kan volgens het onderzoek 30 tot 45 procent van de cumulatieve vraag tussen 2025 en 2050 dekken. Voor indium ligt dat anders: meer dan 90 procent van de cumulatieve vraag zit in 2050 naar verwachting nog in zonnepanelen die in gebruik zijn.

Materiaalefficiëntie naast productie stimuleren

De onderzoekers benadrukken daarom dat het opschalen van de productie van grondstoffen niet voldoende zal zijn om de groei van zonne-energie mogelijk te maken. Materiaalefficiëntie en materiaalvervanging moeten volgens hen een vergelijkbare plaats krijgen in het energiebeleid.

Technologische ontwikkelingen kunnen de hoeveelheid materiaal per watt verder verlagen. Tegelijkertijd kunnen nieuwe technologieën, zoals TOPCon, heterojunctie, IBC en perovskiet-siliciumtandemcellen, de materiaalbehoefte van toekomstige zonnepanelen veranderen.

Momenteel stimuleren de Europese Unie, de Verenigde Staten en India de opbouw van binnenlandse PV-productieketens. De onderzoekers benadrukken dat deze landen dus niet alleen maar moeten kijken naar hoe ze de productie- en verwerkingscapaciteit kunnen vergroten, maar de focus ook leggen op efficiëenter materiaalgebruik, alternatieven ontwikkelen voor schaarse grondstoffen en recycling naar een hoger niveau tillen.