Es ist offensichtlich, dass es an der Zeit ist, das „Recht auf Reparatur“ anzugehen, zunächst im Fall von Konsumgütern. Diese stellen jedoch nur die Spitze des Eisbergs dar und sind Teil eines viel größeren Problems: die Veränderung unserer Arbeitsweise und die Bewältigung der Herausforderung, die Lebensdauer von Geräten zu verlängern und gleichzeitig eine Kreislaufwirtschaft zu entwickeln. Viele Wirtschaftszweige werden von den neuen europäischen Richtlinien erheblich betroffen sein und neue Wege finden müssen, um mit geplanter Obsoleszenz umzugehen.
Wie wird die Stromversorgungsbranche diese Veränderung annehmen, und wie könnte sie dazu beitragen, die Lebensdauer der Geräte zu verlängern und Abfall zu reduzieren?
Neue EU-Regeln sollen nachhaltige Produkte zum Standard machen.
Wie im Aktionsplan für die Kreislaufwirtschaft der EU angekündigt, hat die Kommission neue Regeln vorgeschlagen, um nahezu alle physischen Güter auf dem EU-Markt über ihren gesamten Lebenszyklus hinweg – von der Designphase über den täglichen Gebrauch und die Wiederverwendung bis hin zur Entsorgung – umweltfreundlicher, kreislauffähiger und energieeffizienter zu gestalten. Im Rahmen des Aktionsplans vom Juni 2023 legte der Umweltausschuss einen Vorschlag vor, um EU-Produkte auf diese Anforderungen vorzubereiten. Dazu soll eine Strategie zur Verlängerung der Lebensdauer von Geräten und zum Schutz der Verbraucher entwickelt werden. Ein zentraler Bestandteil dieses Vorschlags ist die Schaffung gemeinsamer Regeln, die die Reparatur von Produkten fördern und so dem Ziel des nachhaltigen Konsums im Rahmen des Europäischen Green Deals näherkommen (Abbildung 1).
Abbildung 01 – Politischer Rahmen des „Green Deal“ in Bezug auf ESPR (grün) und die Beziehung von ESPR zur Ökodesign-Richtlinie (blau). (Quelle: PRBX/Ecochain)
Die Entwicklung eines Reparaturkonzepts wird Elektroschrott und Umweltbelastung reduzieren und somit erhebliche Einsparungen für Verbraucher und die Gesellschaft insgesamt ermöglichen. In diesem Zusammenhang hat Frankreich, ähnlich der Energieeffizienzkennzeichnung im Ökodesign, ein vergleichbares Label mit einem Reparierbarkeitsindex vorgeschlagen. Dieser soll Verbraucher über die Reparierbarkeit eines Produkts informieren und ihnen gleichzeitig Zugang zu Reparaturanleitungen bieten.
Wie im Rahmen des Projekts vorgeschlagen, einigten sich das Europäische Parlament und der Rat am 4. Dezember 2023 vorläufig auf eine Aktualisierung der Ökodesign-Regeln. Ziel ist es, verschiedene Aspekte von Produkten während ihres gesamten Lebenszyklus zu verbessern, um sie langlebiger, zuverlässiger, leichter wiederverwendbar, aufrüstbar, reparierbar und recycelbar zu machen und ihren Verbrauch an Ressourcen, Energie und Wasser zu reduzieren.
Der Vorschlag umfasst Konsumgüter und regelt etwaige Mängel, unabhängig davon, ob die Produkte noch unter Garantie stehen. Hersteller werden verpflichtet, Waren fünf bis zehn Jahre nach dem Kauf zu reparieren. Zu den bereits reparaturpflichtigen Produkten zählen Haushaltsgeräte wie Waschmaschinen, Waschtrockner, Geschirrspüler, Kühlschränke, elektronische Displays, Schweißgeräte, Staubsauger sowie Server und Datenspeichergeräte. Mobiltelefone, Schnurlostelefone und Tablets sind ebenfalls im aktuellen Entwurf enthalten, und Ladegeräte für Elektrofahrzeuge wurden in den jüngsten Diskussionen berücksichtigt. Da all diese Produkte Strom benötigen, müssen Hersteller zukünftige Gesetze und Verordnungen im Blick behalten und deren Entwicklung verfolgen.
Abbildung 03 – Die von Eisenbahnunternehmen zur Erneuerung ihrer Züge benötigten Stromversorgungen sind vielfältig und reichen von Niedrigleistungsmodulen bis hin zu Hochleistungsumrichtern mit bis zu mehreren hundert Kilowatt. (Quelle: PRBX/Shutterstock/ECO LENS)
Warum die neuen Ökodesign-Regeln für die Energiewirtschaft wichtig sein werden.
Diese Einleitung könnte den Eindruck erwecken, dass künftig vor allem der Verbraucherbereich von den neuen Gesetzen betroffen sein wird. Tatsächlich werden jedoch, angeregt durch die Ökodesign-Arbeitsgruppe, branchenweit zahlreiche Aktivitäten zur Verlängerung der Lebensdauer durchgeführt. Genau hierin liegt ein interessantes Anwendungsgebiet für die Energiewirtschaft.
Im Bereich der Verbraucheranwendungen von Netzteilen lassen sich diese entweder in die Geräte integrieren und als Teil des Gesamtsystems betrachten oder extern einsetzen, beispielsweise als USB-Ladegeräte. Gesetzgeber arbeiten an einem Klassifizierungssystem für Reparaturstufen, um Reparaturen aus ökologischer und ökonomischer Sicht gegenüber einem Austausch zu bevorzugen. Dies ist Teil der Arbeitsgruppe „2024“, die gemeinsam mit der Industrie sinnvolle Klassifizierungen erarbeitet, die sowohl Endverbrauchern als auch der Umwelt zugutekommen.
Aufgrund des hohen Integrationsgrades und der gängigen Fertigungspraktiken, wie beispielsweise der Verwendung versiegelter Kunststoffkomponenten wie externer Adapter, gelten diese Komponenten möglicherweise nicht als reparierbar. Hersteller könnten jedoch verpflichtet sein, Support und Service für zehn Jahre zu gewährleisten. Ebenso müssen Hersteller für in gelistete Geräte integrierte Netzteile die Verfügbarkeit von Ersatzteilen während der gesamten Lebensdauer sicherstellen.
Bei den höheren Leistungsstufen sind Server und Datenspeicher im Hinblick auf die Ökodesign-Vorschriften zum Energieverbrauch bereits in den Vorschlag einbezogen, und die Hersteller von Stromversorgungen arbeiten eng mit europäischen Vertretern zusammen, um Stromversorgungslösungen zu entwickeln, die den Reparaturanforderungen gerecht werden, aber auch eine längere Betriebsdauer gewährleisten.
Im Sinne der Kreislaufwirtschaft lassen sich bis zu 80 % der Umweltauswirkungen eines Produkts bereits in der Designphase bestimmen. Bei der Entwicklung von Netzteilen für Rechenzentren hat Energieeffizienz stets höchste Priorität. Netzteilentwickler nutzen daher modernste Technologien wie Breitband-Halbleiter, um maximale Leistung zu erzielen. Hinsichtlich einer längeren Lebensdauer werden erhebliche Anstrengungen unternommen, um Komponenten auszuwählen, die ihre ursprüngliche Leistung über zehn Jahre unter Betriebsbedingungen beibehalten. Gleichzeitig müssen Entwickler die Reparierbarkeit in die mechanische Konstruktion integrieren. Dies kann beispielsweise durch ein modulares Konzept erreicht werden, das die Wartung und am Ende der Nutzungsdauer das Recycling erleichtert.
Für viele Designer wird es eine neue Arbeitsweise sein, aber für diejenigen, die es gewohnt sind, Energielösungen für die Erneuerung und Modernisierung von Systemen zu entwickeln, ist es nichts wirklich Neues, und viele der in diesem Sektor angewandten Best Practices entsprechen bereits den zukünftigen Ökodesign-Vorschriften.
Schon vor den Ökodesign-Vorschriften waren Wiederverwendung, Reparatur und Lebensdauerverlängerung im Eisenbahnsektor Standard.
Über die Ökodesign-Ziele im Konsumbereich hinaus benötigen viele industrielle Anwendungen von Stromversorgungsherstellern Energielösungen für die Systemerneuerung und -modernisierung. Die Transportbranche, insbesondere die Eisenbahn, ist dabei ein Paradebeispiel dafür, welche Prinzipien der Wiederverwendung, Reparatur und Lebensdauerverlängerung auch in anderen Sektoren Anwendung finden könnten.
Ein gutes Beispiel dafür ist die französische Staatsbahn Société Nationale des Chemins de Fer (SNCF), die im September 2023 im Rahmen ihres Engagements für Nachhaltigkeit bekannt gab, dass SNCF Voyageurs und ihre Abteilung für Schienenfahrzeuge die Nutzung und Lebensdauer ihrer Züge in allen Phasen ihres Lebenszyklus optimieren wollen: Modernisierung in der Mitte und am Ende der Nutzungsdauer, um ihre Nutzungsdauer zu verlängern und der Veralterung entgegenzuwirken, sowie Recycling und Wiederverwendung von Ersatzteilen usw. Um dieses Ziel zu erreichen, hat die SNCF den Start eines großen Erneuerungsprojekts zur Modernisierung von 104 Hochgeschwindigkeitszügen, den „Trains à Grande Vitesse (TGV)“, angekündigt, um der Veralterung entgegenzuwirken (Abbildung 02).
Abbildung 02 – Die SNCF erneuert 104 TGV-Züge, um die Nutzungsdauer der aktuellen Flotte zu verlängern. (Quelle: PRBX/SNCF)
Die 104 teilnehmenden Züge wurden im vierten Quartal 2023 und im ersten Quartal 2024 begutachtet. Für die Entscheidung über die weitere Verwendung jedes Zuges werden verschiedene Kriterien berücksichtigt, darunter der Zustand der Struktur, der Metallkomponenten, des Kessels, der Drehgestelle und der elektrischen Anlagen einschließlich der Stromversorgung. Auf Grundlage dieser Kriterien werden die Züge in drei Kategorien eingeteilt:
1. Züge in einwandfreiem Zustand, die im Einsatz bleiben, aber modernisiert werden, um den Fahrgastkomfort zu verbessern.
2. Züge, die aufgrund ihres hohen Alters eine höhere Zuverlässigkeit und Modernisierungsarbeiten benötigen.
3. Züge, die aufgrund veralteter Teile (elektronische Komponenten oder Fahrgestellzustand) außer Betrieb genommen werden. Diese ausgemusterten Züge dienen als Ersatzteillager, da sie bis zu 3.000 potenziell wiederverwendbare Komponenten enthalten, die zur Reparatur anderer Züge eingesetzt werden können.
Das Modernisierungsprojekt der SNCF veranschaulicht die Prinzipien des Ökodesigns – Wiederverwendung, Reparatur und Lebensdauerverlängerung – im industriellen Umfeld perfekt. Die Wiederverwendung von Teilen zur Abfallreduzierung und Ressourcenoptimierung ist seit Langem fester Bestandteil des Lebenszyklusprozesses der SNCF. Anstatt neue Teile zu kaufen, spart die jährliche Aufarbeitung und Reparatur von 500.000 TGV-Ersatzteilen 500 Millionen Euro ein.
Stromversorgungsdesign für die Erneuerung – Paradoxon neuer Technologien:
Die Bandbreite der von Eisenbahnunternehmen bei der Erneuerung ihrer Züge benötigten Stromversorgungen ist sehr groß und reicht von Niedrigleistungsmodulen bis hin zu Hochleistungsumrichtern mit bis zu mehreren hundert Kilowatt (Abbildung 03). In einem Zug sind viele Stromversorgungen in Baugruppen integriert, beispielsweise in die LED-Beleuchtung mit eingebauten Netzteilen und Steuerungen. Gleichzeitig benötigen einige Systeme unabhängige Stromversorgungslösungen, die den neuesten regulatorischen Anforderungen entsprechen.
Im Allgemeinen verwenden Sanierungsunternehmen von Zugherstellern freigegebene Referenzen. Rund 80 % der Anforderungen sind als handelsübliche Standardprodukte (COTS) zertifizierter Stromversorgungshersteller, die den Bahnnormen entsprechen, verfügbar. Bei der Sanierung und Modernisierung von Zügen, die vor Jahrzehnten hergestellt wurden, benötigen jedoch 20 % der Stromversorgungen zusätzliche Funktionen, eine höhere Leistungsdichte, einen geringeren Energieverbrauch und viele weitere Spezifikationen. Oftmals müssen diese in ein vorhandenes, speziell für die Anwendung entwickeltes Gehäuse passen (Abbildung 04).
Abbildung 04 – PRBX 110VDC, 10kW Nickel-Cadmium-Ladegerät zur Nachrüstung von Bleiakkumulatoren in Bahnanwendungen. (Quelle: PRBX)
Wenn es um Erneuerung oder Modernisierung geht, folgt die Eisenbahnindustrie dem gleichen Muster wie andere Branchen, und angesichts der wachsenden Nachfrage nach höherer Leistungsdichte und geringerem Verbrauch untersuchen die Entwickler von Stromversorgungssystemen nun den Einsatz von Breitband-Schalthalbleitern (WBG), Galliumnitrid (GaN) und Siliziumkarbid (SiC).
SiC-Dioden werden in Stromversorgungen für Bahnanlagen seit Jahrzehnten eingesetzt, Leistungstransistoren hingegen sind in diesem Anwendungsbereich relativ neu. Da Bahnanlagen eine Lebensdauer von über 20 Jahren haben können, sind Zuverlässigkeit und Nachhaltigkeit der Lieferkette von höchster Bedeutung. Die Einführung einer neuen Technologie erfordert daher eine gründliche technische Bewertung und die Sicherstellung, dass die Lieferkette den Produktsupport über mehr als 20 Jahre gewährleisten kann.
Im Zuge der Validierung einer neuen Technologie für anspruchsvolle Bahnanwendungen trägt die parallel laufende Elektrifizierung anderer Transport- und Maschinenbauanwendungen dazu bei, die Markteinführung zu beschleunigen und das Vertrauen in WBG und insbesondere in SiC zu stärken. Die Automobilindustrie hat umfangreiche Forschung betrieben, um die WBG-Technologie sowie den Einsatz von SiC und GaN in Antriebssträngen und Ladegeräten zu validieren und damit die Grundlage für die Übernahme dieser Technologie in anderen Branchen geschaffen.
Im Bereich der Hochleistungs-Schaltumwandlung werden in vielen Projekten SiC-MOSFETs anstelle von IGBTs eingesetzt. Besonders hervorzuheben ist das Forschungsprojekt MUSiCel am Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energietechnik. Mithilfe innovativer Breitband-SiC-Halbleiter erreichte es eine Ausgangsleistung von 250 kW bei einer Schaltfrequenz von 50 kHz und einem Wirkungsgrad von über 98 % über den gesamten Leistungsbereich (bei 100 kW wurden sogar 98,8 % gemessen) (Abbildung 5). Ursprünglich für die Elektrifizierung von Land- und Baumaschinen konzipiert, lässt sich das Forschungsprojekt MUSiCel gleichermaßen auf Hochleistungs-Umwandlungssysteme für die Bahntechnik anwenden. Die Ergebnisse dieser Forschung werden zweifellos zur Verbreitung von SiC in zukünftigen Konstruktionen beitragen.
Abbildung 05 - 250 kW SiC DC-DC-Wandler, entwickelt im Rahmen des Fraunhofer IEE MUSiCel-Projekts (Quelle: PRBX/Fraunhofer IEE)
Die Untersuchung der Machbarkeit, Zuverlässigkeit und Vorteile gegenüber bisherigen Technologien ist von großer Bedeutung. Für Bahntechnikhersteller ist es jedoch entscheidend, die langfristige Nachhaltigkeit der Lieferkette über den gesamten Lebenszyklus der Endprodukte hinweg sicherzustellen. Ähnlich wie bei der MOSFET-Technologie haben Halbleiterhersteller im westlichen Ballungsraum in Produktionsanlagen mit hohem Durchsatz oder Partnerschaften investiert. Zudem beobachten wir eine Reihe von Übernahmen, beispielsweise die von Infineon für GaN Systems und die von Renesas für Transphorm. Die Lieferkette für SiC und GaN im westlichen Ballungsraum erreicht nun eine Reifephase und gewährleistet so die dringend benötigte langfristige Verfügbarkeit von Komponenten.
Zusammenfassend lässt sich sagen:
Die Frage „Ökodesign, Wiederverwendung, Reparatur, verlängerte Lebensdauer und neue Technologien: Ist das das neue Paradoxon?“ lässt sich nicht einfach mit „Ja“ oder „Nein“ beantworten. Vielmehr muss die gesamte Industrie, wie das Beispiel des Bahnsektors zeigt, all diese Aspekte bei der Entwicklung neuer Produkte berücksichtigen. Das EU-Ökodesign etabliert eine neue Arbeitsweise, und von höherer Energieeffizienz bis hin zur Verlängerung der Lebensdauer von Endgeräten wird die Leistungselektronik eine bedeutende Rolle spielen. Fest steht: Für Entwickler von Leistungselektronik bietet sich hier eine fantastische Gelegenheit, neue Wege zu beschreiten.
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Referenzen:
Powerbox (PRBX):
https://www.prbx.com/
Ökologische Kette
https://ecochain.com/
SNCF
https://www.sncf.com/en
Fraunhofer IEE
https://www.iee.fraunhofer.de/en.html
Über den Autor:
Patrick Le Fèvre, Marketing- und Kommunikationsdirektor bei Powerbox, ist Kommunikationsexperte und Ingenieur mit 40 Jahren Erfahrung in der Leistungselektronikbranche. Er gilt als Pionier in der Kommerzialisierung neuer Technologien wie digitaler Energie und in technischen Initiativen zur Reduzierung des Energieverbrauchs. Le Fèvre hat zahlreiche Fachartikel und Beiträge verfasst und auf führenden internationalen Konferenzen der Leistungselektronik präsentiert. Diese wurden weltweit über 450 Mal in Medien veröffentlicht. Darüber hinaus engagiert er sich in verschiedenen Umweltforen und teilt dort sein Fachwissen im Bereich saubere Energie.
