Zonne-energie zoekt combinatie met circulaire economie

imec & partners effenen pad voor circulaire productieketen

Zonne-energie nadert de iconische kaap van een wereldwijd geïnstalleerd vermogen van een terawatt. Daarmee komt ook het beheer van afvalstromen prominenter op de agenda van de pv-sector. Er wordt een queeste opgestart met als doel een tweede leven voor producten en materialen. imec en zijn partners effenen daarbij het pad voor een circulaire productieketen.

Circulaire PV?

Deels onder de noemer van het Europese Horizon2020-subsidieproject CIRCUSOL promoten en ontwikkelen imec en zijn partners technologie en zakelijke inzichten voor een circulaire productieketen in de sector van zonne-energie (PV). Met aandacht voor het hele spectrum: van recyclage en hergebruik van ruwe materialen tot het herstellen, her­waarderen en hergebruiken van afgedankte installaties.

Eszter Voroshazi, groepsleider van de pv-module en systeemactiviteiten bij imec, en Ioannis Tsanakas, Marie Curie-onderzoeker bij imec, introduceren het hoe, wat en waarom van circulaire pv. Ze zijn beiden verbonden aan EnergyVille, een samen­werking tussen imec, VITO, KU Leuven en UHasselt voor onderzoek naar duurzame energie en intelligente energiesystemen.

Afvalberg: een berg mogelijkheden

Pv-boost

De fotovoltaïsche (pv-)industrie kent een gigantische groei, met name in het laatste decennium. Zowat tachtig procent van alle instal­laties van zonnecellen wereldwijd gebeurde in de laatste vijf jaar. Momenteel is pv wereldwijd goed voor meer dan vijfhonderd gigawatt piekvermogen en – uitgaande van de huidige groei – verdubbelt dat naar meer dan een terawatt tegen 2022.

Afvalboost

Aan de keerzijde van de medaille betekent dat ook dat het aantal pv-systemen dat het einde van zijn eerste levensduur bereikt, binnen enkele jaren in dezelfde mate zal toenemen. Zonder afdoende maatregelen zullen deze zich opstapelen op de afvalberg. Studies tonen aan dat de afval van pv-modules wereldwijd kan oplopen tot acht miljoen ton tegen 2030 en het gecumuleerde tienvoud ervan tegen 2050. Zonder daarbij nog het afval mee te rekenen dat ontstaat in de productieketen of door modules die worden afgedankt voor het verlopen van hun technologische levensduur (bv. door verzekeringsclaims, de herinrichting van de energie-infrastructuur etc.).

Ter vergelijking met andere afvalstromen: de hoeveelheid plastic verpakkingsafval in Europa wordt geschat op vijftien miljoen ton per jaar.

Opportuniteiten

Eerder dan dit te beschouwen als een onoverkomelijk probleem – of het de rug toe te draaien – benaderen de pv-sector en aanverwante partijen deze evolutie al als een tijdperk van nieuwe mogelijkheden, met kansen voor nieuwe verdienmodellen door de hele waardeketen heen.

In toenemende mate besteedt de sector aandacht en middelen aan een meer gestroomlijnd productie- en onderhoudsproces om een zo kostenefficiënt mogelijke eerste levenscyclus te garanderen. En aan (economisch) duurzame modellen voor ophaling en herstelling om ook een betrouwbare en competitieve werking te garanderen tijdens een eventuele tweede levenscyclus.

Een waaier aan mogelijke aanvliegroutes

Recyclage en hergebruik van ruwe materialen, het herstellen of herwaarderen van afgedankte installaties met het oog op een tweede levenscyclus … zijn allen van belang voor een duurzame ecologische en economische toekomst van een op pv gebaseerde energiesector.
Er is al best wat onderzoek gebeurd en er bestaan bv. al stroomdiagrammen om door deze verschillende opties te navigeren aan het eind van de levensduur van pv-systemen. Toch blijven veel inzichten relatief gefragmenteerd en ook wat eenzijdig. Veelal richten ze zich op recyclage en daaraan gerelateerde inno­vaties. Het potentieel voor waarde­creatie uit hergebruik blijft tamelijk onderbelicht.

Goede voorbeelden van hergebruik en herwaardering zijn schaars. Net als op het vlak van betrouwbaarheid, certificering en kwalificatie van pv-systemen in hun tweede levenscyclus. En zelfs de meest recente projecten zijn voornamelijk gebaseerd op klassieke lineaire verdienmodellen. Er is duidelijk ruimte voor bewustwording over mogelijk aanvullende waardecreatie via circulaire businessmodellen. Dat kan bijvoorbeeld door de oorspronkelijke producenten en iedereen stroomafwaarts in de keten te betrekken bij relevante aspecten van het opzetten van een tweede levenscyclus.

CIRCUSOL brengt licht in de tunnel

CIRCUSOL (voluit ‘circular business models for the solar power industry’) is een innovatie-actieproject, gesubsidieerd door het Horizon 2020-programma van de Europese Com­missie. Met VITO als coördinator bestaat het consortium uit vijftien partners uit zeven landen. Het programma startte in 2018 en wil in vier jaar tijd de verschillende scenario’s formaliseren voor het einde van de eerste levensduur van pv-systemen en er de gepaste technische standaarden en wetgevende kaders voor ontwikkelen. Op basis van deze kennis wil het programma een systeem van producten en diensten (product-service system; PSS) ontwikkelen en valideren dat de implementatie van circulaire businessmodellen door de keten heen kan ondersteunen.

De eerste inzichten uit het programma blijken al erg waardevol. Zo werd al duidelijk dat afgedankte pv-systemen momenteel als haast vanzelfsprekend in de afvalstroom terechtkomen en dan ofwel vernietigd, ofwel gerecycleerd worden.

Omdat het merendeel van de installaties nog ver van hun theoretische eerste levensduur zit, bestaat deze stroom echter grotendeels uit apparaten en onderdelen die afgekeurd zijn in het productieproces of die zijn stukgegaan tijdens het transport of in hun eerste vier levensjaren. De CIRCUSOL-partners en -ex­perts schatten dat ongeveer de helft van de pv-modules in de afvalstroom nog hersteld kan worden of opgewaardeerd kan worden voor hergebruik.

CIRCUSOL heeft ook een gedetailleerd overzicht gemaakt van de belangrijkste spelers in de verschillende ketens die ontstaan aan (of voor) het eind van een eerste levensduur van pv-systemen, samen met hun meest gangbare technologieën en businessmodellen.

Een wetgevend duwtje in de rug

Wie bekend is met de pv-sector, weet dat het herstel en de opwaardering van pv-systemen momenteel een relatief informeel circuit vor­men, bestaande uit onafhankelijke private be­drijven die geen ondersteuning hebben vanuit de oorspronkelijke fabrikanten. Mede daardoor zijn er vandaag weinig inzichten en al helemaal geen standaarden in het karakteriseren van ‘tweedehands’ pv-modules of het testen van hun betrouwbaarheid. Er bestaan ook geen labels of certificeringen voor. Nochtans, vanuit een functioneel perspectief vallen ook deze ‘tweedehandsmodules’ onder de Europese richtlijn inzake het op de markt aanbieden van elektrisch materiaal bestemd voor gebruik binnen bepaalde spanningsgrenzen (2014/35/EU). En zijn de daarin beschreven conformiteitseisen en veiligheidsvoorschriften ook van toepassing.

Daarnaast richt ook de Europese richtlijn betreffende afgedankte elektrische en elektro­nische apparatuur (AEEA) (2012/19/EU) zich op de elektronische afvalstromen in de Europese lidstaten. Met als een van de ver­eisten dat een 85/80 (%)-hergebruik/recyclage van pv-afval per massa moet gebeuren vanaf 2019. Waarbij het geen geheim is dat de technologie voor recyclage en einde levensduur nog doorontwikkeld moet worden om aan deze en toekomstige richtlijnen te voldoen.

Samen de vruchten plukken

Al bij al voldoende redenen voor de pv-sector en aanverwante partijen om samen stappen te nemen om waarde te kunnen creëren uit deze verscheidenheid aan toekomstige mogelijkheden. Inclusief, en zeker niet beperkt tot, het ontwikkelen en uittesten van concepten waarin er al bij het ontwerp rekening wordt gehouden met een eventuele recyclage, herstel of hergebruik; het opstellen van protocollen voor gerichte en kostenefficiënte betrouwbaarheidstesten en de karakterisering van ‘tweedehands’ pv-modules; en kosten-baten- en levenscyclusanalyses voor het hergebruik van pv-modules. Als partner in CIRCUSOL verwelkomt imec alle bijdragen en vragen gerelateerd aan dit onderwerp.

Eszter Voroshazi

Eszter Voroshazi is de groepsleider van de pv-module- en systeem­activiteiten bij imec. Ze heeft een diploma van ingenieur van INSA in Rennes (2008, Frankrijk) en een PhD van de KU Leuven (2008, België). 

Momenteel werkt ze in het kader van EnergyVille (een samenwerking tussen imec, VITO, KU Leuven en UHasselt, die zich richt op smart cities en smart grids) aan de ontwikkeling van innovatieve en duurzame speciale pv-moduletechnologieën en -materialen, een simulatiegedreven ontwerp van energieopbrengsten en O&M van pv-systemen. Ze is ook activity leader binnen EnergyVille. Daarnaast is ze expert in pv-normalisatie- en -expertise­commissies, en reviewer voor wetenschappelijke financieringsinstellingen, conferenties en tijdschriften.

Ioannis Tsanakas

Ioannis Tsanakas is een onderzoeker van de pv-modules en -sys­temengroep van imec, in het kader van EnergyVille. Hij behaalde een MSc/BSc in Electrical & Computer Engineering (2006) en een PhD in Management & Industrial Engineering (2013), aan de Polytechnische School van Democritus University (Griekenland). Zijn onderzoeksinteresses liggen op het gebied van prestaties, betrouwbaarheid, O&M en duurzaamheid van PV-modules en -sys­temen. Hij is ook actief betrokken bij de Task 13 van het PVPS-programma van het Internationaal Energie Agentschap, als nationaal wetenschappelijk expert voor Frankrijk (2015-2016), Noorwegen (2017-2018) en België (2018-2018); en draagt ook als pv-deskundige bij aan relevante normalisatiecommissies (IEC) en taskforces van de Europese Commissie (EU-JRC Ecodesign; ETIP PV Digital Solar PV Systems and Grid).