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Zeitenwende in der Elektronikentwicklung

Neuer Dreiklang aus Ökodesign, Wiederverwendung und Reparatur

16. Mai 2024, 8:00 Uhr | Von Patrick Le Fèvre, Powerbox (PRBX)

Politischer Rahmen für den Green Deal um die ESPR (grün) und die Beziehung der ESPR zur Ökodesign-Richtlinie (blau).

Durch die EU-Ökodesign-Richtlinie wird eine neue Arbeitsweise vorgegeben, und die Leistungselektronik wird in Zukunft sowohl bei höheren Energieeffizienzen bis hin zur Verlängerung der Lebensdauer von Endgeräten eine wichtige Rolle spielen. Ein einfaches weiter so, wird es nicht geben.

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Europäische Ökodesign ist für energiebezogene Themen wie Energieeffizienz und Standby-Energieverbrauch bekannt, und es wurden bereits viele ausführliche Artikel zu diesem Thema verfasst. Als eines der Schlüsselelemente der europäischen Green-Deal-Strategie gibt es einen weiteren, weniger bekannten Aspekt des Ökodesigns, nämlich die Verringerung von Abfall und die Gewährung des »Rechts auf Reparatur« für die Verbraucher, wodurch die Lebensdauer von Geräten verlängert wird. Es ist eindeutig an der Zeit, dass das »Recht auf Reparatur« in Angriff genommen wird, zunächst für Verbraucherprodukte, die den sichtbaren Teil des Eisbergs darstellen und Teil des viel größeren Problems der Änderung unserer Arbeitsweise und des Umgangs mit der Frage der Verlängerung der Lebensdauer von Geräten bei gleichzeitiger Entwicklung einer Kreislaufwirtschaft sind. Viele Geschäftsbereiche werden von den neuen europäischen Richtlinien stark beeinflusst werden und müssen neue Wege für den Umgang mit der Veralterung finden.

Wie also wird die Stromversorgungsbranche diesen Wandel annehmen und wie könnte er dazu beitragen, die Lebensdauer der Geräte zu verlängern und die Abfallmenge zu verringern?

Neue EU-Vorschriften sollen nachhaltige Produkte zur Norm machen

Wie im EU-Aktionsplan für die Kreislaufwirtschaft angekündigt, hat die Kommission neue Regeln vorgeschlagen, um fast alle materiellen Güter auf dem EU-Markt während ihres gesamten Lebenszyklus - von der Entwurfsphase über den täglichen Gebrauch und die Wiederverwendung bis hin zum Ende ihrer Lebensdauer - umweltfreundlicher, zirkulärer und energieeffizienter zu machen. Als Teil des Aktionsplans vom Juni 2023 hat der Umweltausschuss einen Vorschlag vorgelegt, um Produkte in der EU für diese Bedingungen fit zu machen, indem eine Strategie zur Verlängerung der Lebensdauer von Geräten und zum Schutz der Verbraucher entwickelt wird. Ein wichtiger Teil dieses Vorschlags ist die Festlegung gemeinsamer Regeln zur Förderung der Reparatur von Gütern, die dem Ziel eines nachhaltigen Verbrauchs im Rahmen des europäischen Green Deal näher kommen.

Mit der Entwicklung eines Reparaturkonzepts werden wir den Elektroschrott reduzieren und die Umweltauswirkungen verringern, was zu erheblichen Einsparungen für die Verbraucher und die gesamte Gesellschaft führen wird. In diesem Zusammenhang und ähnlich wie bei der Ökodesign-Energieverbrauchskennzeichnung hat Frankreich die Verwendung eines ähnlichen Etiketts mit einem Reparaturfähigkeitsindex vorgeschlagen, um die Verbraucher über die Möglichkeit der Reparatur eines Produkts zu informieren, wobei die Verbraucher Zugang zu Reparaturleitlinien haben sollten.

Wie im Rahmen des Projekts vorgeschlagen, einigten sich das Europäische Parlament und der Rat am 4. Dezember 2023 vorläufig auf eine Aktualisierung der Ökodesign-Vorschriften, die darauf abzielen, verschiedene Aspekte von Produkten während ihres gesamten Lebenszyklus zu verbessern, um sie haltbarer und zuverlässiger zu machen, ihre Wiederverwendung, Aufrüstung, Reparatur und ihr Recycling zu erleichtern und weniger Ressourcen, Energie und Wasser zu verbrauchen.

Dieser Vorschlag bezieht sich auf Verbrauchsgüter und betrifft Mängel, die an ihnen auftreten können, unabhängig davon, ob sie noch der gesetzlichen Gewährleistung unterliegen oder nicht. Er verpflichtet Hersteller, Waren fünf bis zehn Jahre nach dem Kauf zu reparieren. Zu den Waren, für die derzeit eine Reparaturpflicht besteht, gehören Haushaltsprodukte wie Waschmaschinen, Waschtrockner, Geschirrspüler, Kühlgeräte, elektronische Bildschirme, Schweißgeräte, Staubsauger sowie Server und Datenspeicher. Mobiltelefone, Schnurlostelefone und Tablets sind in dem jüngsten Entwurf ebenfalls aufgeführt, und auch Ladegeräte für Elektrofahrzeuge wurden in den jüngsten Diskussionen berücksichtigt. Alle diese Produkte benötigen Stromversorgungen, und die Hersteller müssen künftige Gesetze und Vorschriften im Auge behalten und deren Entwicklung überwachen.

Warum die neuen Ökodesign-Vorschriften für die Energiewirtschaft von Bedeutung sind

Diese Einleitung mag den Eindruck erwecken, dass vor allem das Verbrauchersegment Gegenstand künftiger Rechtsvorschriften sein wird, aber tatsächlich finden, angeregt durch die Ökodesign-Arbeitsgruppe, in der Industrie zahlreiche Aktivitäten zur Verlängerung der Lebensdauer statt, und hier wird es für die Stromversorgungsbranche interessant.

Was Verbraucheranwendungen für Netzteile betrifft, so sind diese entweder in das Gerät eingebaut und Teil des Gesamtsystems oder extern, wie USB-Ladegeräte, und der Gesetzgeber arbeitet an einer Klassifizierung des Grades der Reparierbarkeit, damit es ökologisch und ökonomisch eine gute Idee ist, zu reparieren statt zu ersetzen. Dies ist Teil der Arbeitsgruppe 2024, die parallel mit der Industrie daran arbeitet, vernünftige Klassifizierungen zum Nutzen der Endverbraucher und der Umwelt festzulegen.

In Anbetracht des hohen Integrationsgrads und der derzeitigen Baupraktiken, etwa der Verwendung von versiegelten Kunststoffprodukten wie externen Adaptern, werden diese möglicherweise nicht als reparabel eingestuft, aber die Hersteller könnten dennoch verpflichtet sein, zehn Jahre lang Support und Service zu garantieren. Auch für eingebettete Stromversorgungen für gelistete Geräte sind die Hersteller verpflichtet, die Verfügbarkeit von Ersatzteilen während des Servicezeitraums zu garantieren.

Netzteilhersteller arbeiten eng mit den europäischen Vertretern zusammen, um Stromversorgungslösungen zu entwickeln, die den Anforderungen an die Reparierbarkeit entsprechen, aber auch eine längere Lebensdauer im Betrieb gewährleisten.

Bei der Betrachtung der Kreislaufwirtschaft können bis zu 80 Prozent der Umweltauswirkungen eines Produkts bereits in der Entwurfsphase bestimmt werden. Bei der Entwicklung eines Netzteils für ein Rechenzentrum berücksichtigen wir stets die Energieeffizienz, und die Entwickler von Netzteilen verwenden die neuesten Technologien wie Wide Bandgap-Halbleiter, um ein Höchstmaß an Leistung zu erzielen. Was die Verlängerung der Lebensdauer betrifft, so wird intensiv an der Auswahl von Komponenten gearbeitet, die ihre ursprüngliche Leistung unter Betriebsbedingungen mehr als zehn Jahre lang beibehalten können, aber die Konstrukteure müssen auch die Reparaturfähigkeit in das mechanische Design einbeziehen, was ein modulares Konzept zur Erleichterung der Wartung und, wenn das Ende der Lebensdauer erreicht ist, das Recycling bedeuten könnte.

Für viele Konstrukteure wird es eine neue Arbeitsweise sein, aber für diejenigen, die es gewohnt sind, Stromversorgungslösungen für die Renovierung und Systemmodernisierung zu entwickeln, ist es nichts wirklich Neues, und viele der bewährten Verfahren, die in dieser Branche eingesetzt werden, erfüllen bereits die künftigen Ökodesign-Vorschriften.

Vor der Ökodesign-Verordnung waren Wiederverwendung, Reparatur und verlängerte Lebensdauer in der Eisenbahnindustrie bereits die Norm!

Abgesehen von dem, was das Ökodesign in den Verbrauchersegmenten anstrebt, erfordern viele industrielle Anwendungen, dass die Hersteller von Stromversorgungen Stromlösungen für die Instandsetzung und Modernisierung von Systemen anbieten. Aus diesem Grund ist die Transportindustrie und insbesondere die Eisenbahn das beste Beispiel um zu zeigen, was auf andere Segmente anwendbar ist, wenn es um Wiederverwendung, Reparatur und Verlängerung der Lebenszeit geht.

Ein gutes Beispiel ist die staatliche französische Eisenbahngesellschaft »Société National des Chemins de Fer (SNCF)«, die im September 2023 bekannt gab, dass sich SNCF Voyageurs und ihre Abteilung für rollendes Material im Rahmen ihres Engagements für Nachhaltigkeit verpflichtet haben, die Nutzung und Lebensdauer ihrer Züge in jeder Phase ihres Lebenszyklus zu optimieren: Modernisierung in der Mitte und am Ende des Lebenszyklus, um die Lebensdauer zu verlängern und die Veralterung zu bekämpfen, sowie Recycling und Wiederverwendung von Ersatzteilen usw. Um dieses Ziel zu erreichen, hat die SNCF den Beginn eines großen Modernisierungsprojekts angekündigt, bei dem 104 Hochgeschwindigkeitszüge, »Trains à Grande Vitesse (TGV)«, restauriert und aufgerüstet werden sollen, um »Veralterung zu bekämpfen«.

Diese 104 in Frage kommenden Triebzüge wurden im 4. Quartal 2023 und im 1. Quartal 2024 bewertet. Bei der Entscheidung über das Schicksal der einzelnen Triebzugeinheiten wird eine Reihe von Kriterien berücksichtigt, darunter der Zustand der Struktur der Triebzugeinheit, ihrer Metallkomponenten, der Drehgestelle und der elektrischen Anlagen einschließlich der Stromversorgungen. Anhand dieser Kriterien werden die Triebzüge in drei Kategorien eingeteilt:

1. Diejenigen, die in einwandfreiem Zustand sind, werden weiterhin in Betrieb bleiben, aber renoviert werden, um ihren Komfort zu verbessern.

2. Diejenigen, die aufgrund ihres fortgeschrittenen Alters umfangreichere Zuverlässigkeits- und Renovierungsarbeiten benötigen.

3. Diejenigen, die aufgrund veralteter Teile (elektronische Komponenten oder Zustand des Fahrgestells) aus dem Verkehr gezogen werden. Diese abgeschriebenen Triebzüge werden als Ersatzteillager genutzt, da sie bis zu 3.000 potenziell verwertbare Komponenten enthalten, die für die Reparatur anderer Triebzüge wiederverwendet werden können.

Am Beispiel des Sanierungsprojekts der SNCF lässt sich in einem industriellen Umfeld sehr gut veranschaulichen, was »Ecodesign Reuse, Repair and Prolong Lifetime« anstrebt. Bei SNCF ist die Wiederverwendung von Teilen zur Verringerung von Abfällen und zur Optimierung von Ressourcen seit langem Teil des Lebenszyklusprozesses des Unternehmens, da die Überprüfung und Reparatur von 500.000 TGV-Ersatzteilen pro Jahr eine Einsparung von einer halben Milliarde Euro pro Jahr bedeutet, anstatt neue Teile zu kaufen.

Planung von Stromversorgungen für die Instandsetzung - Paradoxe neue Technologie

Jedoch ist die Vielfalt der von Eisenbahnunternehmen bei der Modernisierung von Zügen benötigten Stromversorgungen sehr groß und reicht von Modulen mit geringer Leistung bis hin zu Hochleistungsumrichtern mit mehreren hundert Kilowatt. In einem Zug sind viele Stromversorgungen in Unterbaugruppen eingebettet, so etwa im Fall der LED-Beleuchtung mit eingebauten Netzteilen und Treibern, aber eine Reihe von Systemen erfordern hingegen eigenständige Stromversorgungslösungen, die den neuesten gesetzlichen Anforderungen entsprechen.

Im Allgemeinen verwenden Modernisierungsunternehmen die von den Zugherstellern genehmigten Teilenummern, und etwa 80 Prozent des Bedarfs sind als Commercial off-the-shelf (COTS) von zertifizierten Stromversorgungsherstellern erhältlich, die den Bahnstandards entsprechen. Bei der Instandsetzung und Modernisierung von Zügen, die möglicherweise vor Jahrzehnten hergestellt wurden, benötigen jedoch 20 Prozent der Stromversorgungen zusätzliche Funktionen, eine höhere Leistungsdichte, einen geringeren Energieverbrauch und vieles mehr, wobei sie häufig in ein vorhandenes, anwendungsspezifisches Gehäuse passen müssen.

Bei der Renovierung oder Modernisierung folgt die Bahnindustrie demselben Muster wie andere Branchen. Angesichts der steigenden Nachfrage nach höherer Leistungsdichte und geringerem Stromverbrauch untersuchen die Entwickler von Leistungshalbleitern jetzt die Implementierung von Wide Bandgap (WBG)-Schalthalbleitern, Galliumnitrid (GaN) und Siliziumkarbid (SiC).

SiC-Dioden werden schon seit Jahrzehnten in Bahnstromversorgungen eingesetzt, aber Leistungsschalttransistoren sind in Bahnanwendungen relativ neu. In Anbetracht der Tatsache, dass die Lebensdauer von Bahnausrüstungen mehr als 20 Jahre betragen kann, sind Zuverlässigkeit und Nachhaltigkeit der Lieferkette ein Muss. Jedoch erfordert die Einführung einer neuen Technologie eine gründliche technische Bewertung und die Notwendigkeit, sicherzustellen, dass die Lieferkette in der Lage ist, die Produktunterstützung für mehr als 20 Jahre zu garantieren.

Im Zuge der Validierung einer neuen Technologie für hochanspruchsvolle Bahnanwendungen trägt der parallel laufende Prozess zur Elektrifizierung anderer Transport- und Maschinenanwendungen dazu bei, die Marktakzeptanz und das Vertrauen in WBG und insbesondere SiC zu beschleunigen. So hat die Automobilindustrie umfangreiche Forschungsarbeiten durchgeführt, um die WBG-Technologie und den Einsatz von SiC und GaN in Antriebssträngen und Batterieladegeräten zu validieren und damit eine Grundlage für die Einführung der Technologie in anderen Segmenten zu schaffen.

Im Bereich der Hochleistungs-Schaltwandlung werden in vielen Projekten SiC-MOSFETs anstelle von IGBTs eingesetzt. Erwähnenswert ist das Forschungsprojekt MUSiCel des Fraunhofer-Instituts für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik, dem es durch den Einsatz innovativer SiC-Breitbandhalbleiter gelang, 250 kW bei einer Schaltfrequenz von 50 kHz mit einem Wirkungsgrad von über 98 Prozent über den gesamten Leistungsbereich zu liefern (bei 100 kW wurde sogar ein Wirkungsgrad von 98,8 Prozent gemessen!). Ursprünglich zielte das MUSiCel-Forschungsprojekt auf die Elektrifizierung von Land- und Baumaschinen ab, obwohl es auch auf Hochleistungsumwandlungssysteme für Eisenbahnen anwendbar ist, und es besteht kein Zweifel daran, dass diese Forschung dazu beitragen wird, dass SiC bei künftigen Konstruktionen eingesetzt wird.

Wichtig ist die Erforschung der Machbarkeit, der Zuverlässigkeit und der Vorteile im Vergleich zu früheren Technologien, aber für die Bahnhersteller ist es entscheidend, dass die langfristige Nachhaltigkeit der Lieferkette über die gesamte Lebensdauer der Endgeräte gewährleistet ist. Wie bei der MOSFET-Technologie haben die Hersteller von WBG-Halbleitern in Serienfertigungsanlagen oder Partnerschaften investiert, aber wir sehen auch eine Reihe von Übernahmen, wie etwa die Übernahme von GaN Systems durch Infineon Technologies, oder von Transphorm durch Renesas. Letztlich entscheidend ist aber, die WBG-Lieferkette für SiC und GaN tritt nun in eine ausgereifte Phase ein und sichert damit die dringend benötigte langfristige Verfügbarkeit von Komponenten.

Zusammengefasst:

Zur Frage: Ökodesign, Wiederverwendung, Reparatur, Verlängerung der Lebensdauer und neue Technologie - ist das das neue Paradoxon? Die Antwort lautet nicht »Ja« oder »Nein«, aber wie das von uns angeführte Beispiel der Eisenbahnindustrie zeigt, muss die gesamte Industrie all diese Aspekte bei der Entwicklung neuer Produkte berücksichtigen.