Zijn er genoeg grondstoffen om de wereld van zonnestroom te voorzien?

01.03.2023 Brendan Hadden

Zijn er genoeg grondstoffen om de wereld van zonnestroom te voorzien?

De energietransitie gaat een hoop materiaal vereisen. Volgens het Internationaal Energieagentschap (IEA) moeten we in 2050 23 keer zoveel zonnestroom opwekken als dat we nu doen, in het Net Zero Emissions-scenario. Zijn daar de benodigde grondstoffen voor? In dit eerste deel van een reeks over de materialen in zonnepanelen analyseert Solar365 welke grondstoffen een kritieke rol spelen en hoe reëel het gevaar is dat er tekorten ontstaan.

Het is een terugkerende angst: een tekort aan grondstoffen voor de energietransitie. Nieuwskoppen spreken regelmatig van een “dreigend grondstoffentekort”, of zelfs het “groeiende tekort aan grondstoffen”. Maar in hoeverre is dit accuraat?

Een onderscheid dat vaak ontbreekt in de discussie is die tussen de aanwezigheid van de benodigde grondstoffen en de aanwezigheid van de benodigde productieketen (in bepaalde landen). Solar365 zocht uit hoe de grondstoffensituatie voor zonnepanelen eruit ziet. Dit eerste deel gaat in op welke materialen van belang zijn voor PV en in hoeverre die op raken. In het tweede deel wordt vervolgens gekeken naar hoe en waar de grondstoffen gewonnen worden: welke landen controleren de productieketen en wat voor gevolgen heeft de winning en productie voor mens en milieu?

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 IEA.

Wat heb je nodig om een zonnepaneel te maken?
Het lijkt een simpele vraag, maar het antwoord is niet eenduidig. Er worden verschillende technologieën gebruikt om zonnepanelen te maken en die gebruiken verschillende grondstoffen. Alle veelvoorkomende technieken maken echter gebruik van aluminium en koper. Dit zijn qua volume dan ook de materialen waarvan de vraag het grootst is op het gebied van PV (85 procent voor aluminium en 11 procent voor koper).

De dominante technologie voor zonnepanelen is momenteel kristallijn silicium (c-Si), dat rond de 95 procent van de markt voor PV inneemt. Voor de cellen van de c-Si panelen wordt silicium en zilver gebruikt. Het IEA verwacht dat deze technologie dominant blijft de komende decennia, vanwege het doorzetten van de huidige trend van dalend materiaalgebruik.

Naast c-Si panelen zijn er nog een aantal ‘dunne film’ panelen: cadmium telluride (CdTe), koper-indium-gallium-diselenide (CIGS) en amorf silicium (a-Si). Een belangrijk bestandsdeel van deze panelen is bijvoorbeeld het zeldzame metaal indium. Hoewel het IEA verwacht dat deze technologieën niche blijven, is het dus goed om in gedachten te houden dat in een situatie waar dat niet zo is indium – een aanzienlijk schaarser metaal – een kritieke rol kan gaan spelen.

In deze analyse wordt echter alleen gekeken naar de vier belangrijkste bestandsdelen van c-Si panelen, op volgorde van schaarste: silicium, aluminium, koper en zilver.

Silicium
Silicium is na zuurstof het meest voorkomende materiaal in de aardkorst, waar het meestal aanwezig is in de vorm van silica of siliciumdioxide – een belangrijk bestandsdeel van zand. In verwerkte vorm wordt silicium veel gebruikt in elektronica, vanwege de uitstekende kwaliteiten die het heeft als halfgeleider.

De aardkorst bestaat voor 28 procent uit silicium, dus het is in theorie allesbehalve schaars en vrijwel overal te vinden. Het USGS schrijft dan ook over silicium dat de reserves “overvloedig” zijn, en “in de meeste producerende landen voldoende om nog vele decennia in de wereldwijde vraag te voorzien.”

Ook zijn er positieve indicaties te zien in de hoeveelheid silicium die panelen nodig hebben. Het IEA noemt dat sinds 2008 de hoeveelheid silicium in panelen gehalveerd is door de ontwikkeling van dunnere wafers. De verwachting is dat deze trend zich doorzet en tot nog eens 25 procent reductie van siliciumgebruik leidt in 2030.

Er zijn echter wel een paar kanttekeningen bij deze overvloed. De belangrijkste hiervan is dat er een intensief verwerkingsproces nodig is om bruikbaar materiaal te krijgen uit de vorm waarin silicium gewonnen wordt. De ruwe silica moet onder hoge temperaturen worden verwerkt, wat het een energie-intensief proces maakt. Het opschalen van deze productieketen kost tijd: volgens het IEA kan het bouwen van een siliciumfabriek 12 tot 42 maanden duren, waarna het nog 6 maanden kan duren om de productie echt op gang te krijgen.

Het grote knelpunt met betrekking tot silicium zit er momenteel in dat vrijwel alle productiecapaciteit momenteel in China geconcentreerd is. Echter, dit is dus niet zozeer een reflectie van de aanwezigheid van silicium, als een gevolg van het tijdig opbouwen van de benodigde productiecapaciteit.

Aluminium
Aluminium is het materiaal waar qua volume het meest van nodig is voor een zonnepaneel, en het wordt zowel in de panelen zelf als in de frames en andere onderdelen gebruikt.

Het goede nieuws is dat aluminium het derde meest voorkomende element in de aardkorst is (8 procent van de aardkorst), na zuurstof en silicium. Aluminium komt niet in haar pure vorm voor in de natuur, maar moet worden gewonnen in de vorm van bauxiet. Vervolgens wordt het in een aantal stappen verwerkt naar aluminium. Het USGS schat de wereldwijde bronnen van bauxiet tussen de 55 en 75 miljard ton en schrijft dat ze voldoende zijn om tot ver in de toekomst in de vraag te voorzien.

Die vraag gaat, mede als gevolg van de solarsector, wel aanzienlijk groeien in de aanloop naar 2050. De Wereldbank schat in dat we in het tweegraden-scenario (2DS) 119 procent meer aluminium nodig hebben voor PV dan nu. Op het gebied van energietechnologie maakt dat zonnepanelen bij uitstek de grootste gebruiker van aluminium (87 procent, zie figuur).

©World Bank | Total Aluminum Demand by Energy Technology Through 2050 (2DS, Base Scenario)

Koper
Na aluminium is koper het materiaal waarvan de zonnesector qua volume het meest van gaat nodig hebben. Koper is een uitstekende geleider van zowel warmte als elektriciteit, waardoor het veel toepassingen heeft in de techniek.

Koper is aanzienlijk schaarser dan aluminium en silicium – volgens het WEF maakt het slechts 0,006 procent van de aardkorst op. Ook is het na ijzer, aluminium en chromium het metaal waar we het meest van winnen.

Toch zijn de wereldwijd bekende reserves van koper groter dan ooit. Volgens het World Copper Factbook van de International Copper Study Group is er tussen 2000 en 2021 ongeveer 373 miljoen ton aan koper gemijnd, maar zijn in diezelfde periode de bekende reserves 447 miljoen naar 880 miljoen ton gegroeid. Kortom, er wordt op een hoger tempo koper in de grond gevonden dan dat het eruit wordt gehaald.

Voor een succesvolle energietransitie is dit belangrijk. In het meest materiaalintensieve scenario dat de Wereldbank heeft, kan de gecombineerde vraag voor aluminium en koper vanuit solar met meer dan 350 procent toenemen (hoewel dit voornamelijk in de vraag naar aluminium zit).

©International Copper Study Group | USGS Reported World Copper Reserves, 1930-2021

Zilver
Het laatste materiaal dat in deze analyse aan bod komt is het meest schaarse. Zilver is met silicium een belangrijk bestandsdeel in de modules van c-Si panelen.

Zilver wordt over het algemeen gewonnen als een bijproduct van andere metalen, zoals lood, koper en goud. Het USGS schat in dat er in 2022 ongeveer 26 miljoen kilo aan zilver is geproduceerd in mijnen en dat de bekende reserves rond de 550 miljoen kilo zijn. Deze reserves zijn niet heel erg geconcentreerd in specifieke gebieden of landen, maar Australië en Mexico hebben de grootste voorraden.

Net als alle eerdergenoemde materialen gaat ook de vraag naar zilver toenemen, maar waarschijnlijk in mindere mate. Het IEA noemt dat net als bij silicium de benodigde hoeveelheid zilver al aanzienlijk gereduceerd is: sinds 2008 met wel 80 procent. Net als bij silicium verwacht het IEA dat deze trend zich ook bij zilver doorzet en in 2030 tot een verdere 30 procent reductie van zilvergebruik zal leiden. In een scenario dat uitgaat van verdere innovatie (het SDS) zou dit zelfs leiden tot het afnemen van de vraag naar zilver (uit zonnepanelen) tussen 2030 en 2040 (zie figuur).

©IEA | Demand for copper, silicon and silver for solar PV by scenario

In theorie voldoende grondstoffen
De vraag naar meer zonnestroom gaat dus gepaard met een flinke stijging in de vraag naar een aantal kritieke grondstoffen. Het goede nieuws is dat het er momenteel op lijkt dat op wereldwijd niveau de aanwezigheid van deze materialen geen struikelblok hoeft te zijn.

Het beeld dat uit de meest actuele rapporten naar voren komt is over het algemeen positief. Silicium is wijdverspreid en in overvloed aanwezig, maar vereist een intensief proces dat lang duurt om op te zetten om in bruikbare vorm te verkrijgen. Aluminium is eveneens in ruime hoeveelheden aanwezig, maar wordt in grote hoeveelheden gebruikt voor de productie van zonnepanelen en is ook een belangrijk bestandsdeel van veel andere producten die essentieel zijn voor de energietransitie, zoals windmolens. Koper is schaarser, maar wordt voorlopig nog sneller gevonden dan dat het uit de grond wordt gehaald. En zilver is het schaarst van de vier, maar wordt door de verwachtte innovatie in steeds kleinere hoeveelheden nodig voor PV.

Dit alles betekent echter niet dat grondstoffen geen knelpunt gaan worden. Ten eerste gaat het in deze analyse alleen over zonnepanelen: tekorten in de benodigde grondstoffen voor andere essentiële technologieën – met name lithium voor opslag en zeldzame aardmetalen voor windturbines – kunnen alsnog zowel de ontwikkeling van PV als de energietransitie in brede zin in gevaar brengen.

Ten tweede is de geografische verdeling en het politieke aspect van de grondstoffenkwestie nog vrijwel niet in deze analyse aan bod gekomen. Hoewel de benodigde materialen voor de uitrol van zonnepanelen er zijn, zijn ze niet in alle gevallen voor iedereen die ze nodig heeft toegankelijk of op een duurzame manier te winnen.

Het tweede deel van deze reeks gaat in op waar de belangrijkste reserves zijn, welke landen de productieketens in handen hebben en wat voor impact het winnen van die grondstoffen heeft op mens en milieu.