Als we van fossiel af willen, zullen we op zijn minst alles wat nu nieuw ondernemen, al zonder fossiel moeten realiseren. En in ieder geval de operationele energie. Dat kom je uit bij ‘0-energiegebouwen’, die zoveel mogelijk energie al zelf opwekken, lokaal dus, en daarmee hun verantwoordelijkheid nemen in de transitie. Dan gaat het vooral om Zonnepanelen op of aan die gebouwen. Dan resteert nog de embodied energie (‘maakenergie’) van alle materialen en produkten. Dat is wat lastiger, maar op zijn minst moet alle nieuwbouw dan voor 2050 CO2 neutraal zijn, ofwel de Energie/CO2 van de productie voor 2050 hebben gecompenseerd, om netto CO2 neutraal te zijn. Hoe ziet het (vereenvoudigde) plaatje er dan uit?
Stel je bouwt volgens de norm per 1 januari, dat is 55 kWh operationele gebouwgebonden energievraag per te bouwen m2. En stel zo’n m2 kost ca. 5,5 GJ, (1527 kWh) aan (fossiele) embodied energie om te bouwen. Om dus voor 2050 klimaatneutraal te zijn, moet op de eerste plaats die 55 kWh jaarlijks hernieuwbaar worden opgewekt. Maar daarnaast moet ook de embodied energie gecompenseerd worden binnen die 30 jaar. Ofwel 1527/30 = ca 50 kWh per jaar per m2 extra hernieuwbaar opgewekt, pas dan is de woning vanaf 2050 een ‘netto’ 0-CO2 woning.
Ofwel, per m2 vloer moet dus de eerste 30 jaar 105 kWh/jaar geleverd worden (55+50). Stel een Zonnepaneel levert 157,5 kWh/m2 per jaar,(250 Wp aan 1,6 m2) dan zou dat voldoende zijn om 1,5 m2 vloer te bedienen, ofwel de bouw ervan te rechtvaardigen binnen de 2050 doelstelling. Echter, dat is de zeer optimistische berekening.
Immers moeten we ook de embodied energie van de productie van dat pv paneel meenemen. In een Meta studie komt Khagendra [1] voor poly-Si tot 4000-8000 MJ/m2 en voor Mono Si tot 2200-6600 MJ/m2. Als we de laagste aanhouden, wat erg optimistisch is, aangezien de rand apparatuur nog niet is meegenomen, dan is dat 611 kWh. De eerste 4 jaar werkt dat paneel dus alleen voor zijn eigen compensatie. De 30 jaar wordt dan gereduceerd tot ca 26 jaar, en de EE van de bouw daarover verdeeld niet 50 maar 59 kWh/jaar en de gevraagde jaarlijkse productie 114, ofwel voldoende voor 1,38 m2 vloer.
Maar dat is dan nog theoretisch. Als we wat realistischer rekenen , met een opbrengst van ca 0,9kWh/Wp x 157,5 kWh = ca 140 kWh per m2 paneel gemiddeld in Nederland, dan wordt de som: 140/114 is 1,23 m2 vloer.
Of andersom gezegd, om een woning/gebouw energieneutraal te krijgen, en de embodied energie te compenseren, en daarmee ook klimaatneutraal te krijgen voor 2050, is per m2 vloer ca 0,81 m2 zonnepaneel nodig, op of aan het gebouw.
Interessant is dat hieruit is af te leiden dat bij 1 bouwlaag het dak voldoende kan zijn, maar dat met meer bouwlagen , al snel ook de gevel nodig is. Bij 2 bouwlagen zou je het nog net kunnen redden met een schuin dak met overstek, waardoor het dakoppervlak vergroot wordt. Bij 3 bouwlagen lukt dat niet meer, en zal in ieder geval ook de gevel erbij nodig zijn. Dat wil zeggen als iedere m2 verwarmd wordt. Als er gecompartimenteerd wordt, of in de koudste periode slechts deel van de woning verwarmd, dan pakt dat allemaal veel gunstiger uit.,
Overigens interessant is dat hoogbouw natuurlijk nooit daaraan kan voldoen, tenzij men ruimte om het gebouw heen bezit om aldaar een zonnepanelen veld aan te leggen. Waarmee hoogbouw als argument om hogere dichtheden te halen, in een hernieuwbare energie wereld in ieder geval zeker niet meer opgaat, want je moet die extra ruimte wel meerekenen. ( Dat deed het eerder overigens ook al niet, zie [2])
Alles bij benadering natuurlijk, dit is een theoretisch opgezette en grove rekensom. Maar het geeft de ordes van grootte aan. Er zijn natuurlijk ook zekere bandbreedtes van toepassing :
De Embodied energie van een m2 vloer kan variëren van 4-8 GJ/m2 , en in bijzondere gevallen nog meer of minder: een leem bouw of lichte strobalen bouw kan lager uitkomen bijvoorbeeld. Als je met aluminium gevels gaat werken, of veel installaties, zit je al gauw veel hoger.
Als we die bandbreedte aanhouden van 4-8, bij die praktische productie waarde van 140 kWh/m2 , dan varieert de jaarlijks te compenseren embodied energie tussen 42,5 en 85 kWh, en met die operationele energie van 55 kWh wordt dat 97,5 en 140 , ofwel 1 m2 PV is goed voor de energievraag ergens tussen 1,43 m2 tot 1 m2 vloer. Of andersom, per m2 vloer is dan 0,7 tot 1 m2 PV paneel nodig.
Uiteraard hangt die variatie in embodied energie samen met gekozen materialen en bijvoorbeeld de gekozen isolatie dikte en andere maatregelen om de energie vraag te beperken. Voor 55 kWh per m2 operationele energievraag is al het een en ander geïnvesteerd en zal de de Embodied energie aan de hogere kant zijn. Wanneer nog lager wordt gegaan, naar 25 of zelfs 15 kWh/m2, heeft dat echter ook een verhogend effect op de embodied energie. Voor een gangbare bouwwijze en technologisch ingevulde energievoorziening kan het zelfs 10 GJ/ m2 worden.[3] Het een heeft een gunstig effect, het ander een nadelig effect: In geval 15 kWh /m2 vraag, en 10 GJ cq 2770 kWh embodied energie, 107 kWh per jaar (van 26 jaar) , is dat samen 122, komen we dus net iets lager uit als die 1 m2. Maar dit is natte vingerwerk, slechts om aan te geven hoe het elkaar beïnvloedt. Wellicht is een 15 kWh per m2 vraag ook te realiseren met een veel lagere EE. Er is hier een echte optimalisatieslag te maken.
Tot zover hebben we alleen gebouwgebonden energie meegerekend, voor verwarming en ventilatie.
Als we voor een woning, ook nog bijv. 2600 kWh aan huishoudelijk energiegebruik meenemen, is dat 26 kWh /m2 , in geval van een woning van 100 m2. Of additioneel 18 m2 aan Zonnepanelen (aan 140 kWh/m2) .
Als we ook nog een elektrische auto meenemen aan 10000 km/jaar, en stel verbruik op 16 kWh per 100 km, is dat 1600 kWh per jaar. Bij 140 kWh/m2 is dat additioneel 11 m2 zonnepanelen.
In beide laatste gevallen nog zonder zonnepaneel compensatie (de embodied energie) , of compensatie van de embodied energie van de verbruikende producten, zoals de elektrische auto.
Uiteraard, naarmate de algehele energievoorziening uit een groter aandeel hernieuwbare energie zal bestaan, zal de embodied energie in de productie minder CO2 lasten veroorzaken. Maar dat gaat dus ten koste van een enorme inspanning in productie van zonnepanelen-velden en windturbine parken, plus bijbehorende infrastructuur. die ook weer ( deels fossiele ) energie vergen. Die impact zou dan in wezen (deels) opgeteld moet worden bij de embodied energie van de woning, die infrastructuur wordt immers daarvoor (deels) gebouwd . Vandaar dat ik hier liever reken in energie eenheden, ipv CO2 eenheden. Wanneer we alleen in CO2 zouden rekenen, verschuift dat slechts onze problemen, richting materiaal impact: Dan zouden we namelijk nooit meer energie gebruik hoeven beperken, als die maar CO2 vrij is. En dan is die 55 kWh/m2 operationeel ook niet relevant, we bouwen dan gewoon steeds meer zonnepanelen en windturbines.
Maar in de tijd nodig voor het aanpassen van de algemene energievoorziening , en die uit meer hernieuwbare energie gaat bestaan, neemt tegelijk wel het aantal jaren af waarin gecompenseerd moet worden: Bovenstaande schattingen gelden voor 2020: in 2021 gaat er een jaar af, en met de jaren worden de cijfers ongunstiger, om nog voor 2050 klimaatneutraal te zijn. Ofwel, er zijn steeds meer ‘Zonnepanelen’ nodig per m2 gebouwde vloer om de doelstellingen te halen, voor gebouwen die later gerealiseerd worden.
Je zou uit dit alle een vuistregel kunnen halen: dat heel grof gezien per 1 m2 vloer ongeveer 1 m2 PV nodig is (voor gebouwgebonden energie bij nieuwbouw, In 2020 ) . Hiermee zitten we altijd aan de goede kant want in de praktijk kan/zal het minder zijn, afhankelijk van het ontwerp, materiaalkeuze, en installatiekeuze, (denk aan Warmtepomp). Maar wel weer meer , hoe dichter bij 2050….
Nawoord: Deze berekening is er een op een kladblaadje, en bedoeld ter oriëntatie, om wat gevoel te krijgen bij de verhoudingen. Dit alles in de veronderstelling dat Zonnepanelen een goede zaak zijn, dat we tot 2050 de tijd hebben , en zonder te kijken naar de materiaaluitputting zelf. Ik kom daar op terug.
[1] Energy payback time (EPBT) and energy return on energy invested (EROI) of solar photovoltaic systems: A systematic review and meta-analysis. Khagendra et all, 2015, Renewable and Sustainable Energy Reviews http://dx.doi.org/10.1016/j.rser.2015.02.057
[2] hoogbouw: http://ronaldrovers.nl/hoogbouw-nergens-goed-voor/
[3] http://ronaldrovers.nl/gebouw-zonder-verwarming-meer-materiaal-of-meer-installaties/
