È evidente che è giunto il momento di affrontare il tema del "diritto alla riparazione", inizialmente nel caso dei prodotti di consumo, che rappresentano solo la punta dell'iceberg e parte di un problema ben più ampio: cambiare il nostro modo di lavorare e affrontare la questione dell'estensione del ciclo di vita delle apparecchiature, sviluppando al contempo un'economia circolare. Molti settori economici saranno significativamente influenzati dalle nuove direttive europee e dovranno trovare nuove soluzioni per gestire l'obsolescenza programmata.

In che modo il settore dell'alimentazione elettrica adotterà questo cambiamento e come potrebbe contribuire a prolungare la durata di vita delle apparecchiature e a ridurre gli sprechi?

Nuove norme UE per rendere i prodotti sostenibili la norma.
Come annunciato nel Piano d'azione UE per l'economia circolare, la Commissione ha proposto nuove norme per rendere quasi tutti i beni fisici presenti sul mercato UE più ecocompatibili, circolari ed efficienti dal punto di vista energetico durante l'intero ciclo di vita, dalla fase di progettazione all'uso quotidiano, al riutilizzo e alla fine del loro ciclo di vita. Nell'ambito del Piano d'azione di giugno 2023, la commissione Ambiente ha presentato una proposta per preparare i prodotti UE a queste condizioni, sviluppando una strategia per estendere la durata di vita delle apparecchiature e tutelare i consumatori. Un elemento chiave di questa proposta prevede la definizione di norme comuni che incoraggino la riparazione dei beni, avvicinandosi all'obiettivo del consumo sostenibile previsto dal Green Deal europeo (Figura 01).

Figura 01 - Quadro politico del "Green Deal" in relazione ai diritti di proprietà intellettuale (verde) e rapporto tra i diritti di proprietà intellettuale e la Direttiva sulla progettazione ecocompatibile (blu). (Fonte: PRBX/Ecochain)

Lo sviluppo di un approccio alla riparazione ridurrà i rifiuti elettronici e l'impatto ambientale, con conseguenti risparmi significativi per i consumatori e per la società nel suo complesso. In quest'ottica, e in modo analogo all'etichettatura di efficienza energetica utilizzata nell'ecodesign, la Francia ha proposto un'etichetta simile con un indice di riparabilità per informare i consumatori sulla riparabilità di un prodotto, fornendo loro al contempo l'accesso a linee guida per la riparazione.

Come proposto nell'ambito del progetto, il 4 dicembre 2023 il Parlamento europeo e il Consiglio hanno raggiunto un accordo provvisorio sull'aggiornamento delle norme relative alla "progettazione ecocompatibile", con l'obiettivo di migliorare diversi aspetti dei prodotti lungo tutto il loro ciclo di vita, rendendoli più durevoli, affidabili, facili da riutilizzare, aggiornare, riparare e riciclare, e a consumare meno risorse, energia e acqua.

La proposta riguarda i beni di consumo e affronta eventuali difetti, indipendentemente dal fatto che siano attualmente coperti da garanzia o meno. I produttori saranno obbligati a riparare i prodotti tra i cinque e i dieci anni successivi all'acquisto. I beni attualmente soggetti a obblighi di riparazione includono elettrodomestici come lavatrici, lavasciuga, lavastoviglie, frigoriferi, display elettronici, apparecchiature per la saldatura, aspirapolvere, server e dispositivi di archiviazione dati. Anche telefoni cellulari, telefoni cordless e tablet sono inclusi nella recente bozza, e i caricabatterie per veicoli elettrici sono stati oggetto di recenti discussioni. Tutti questi prodotti utilizzano fonti di energia e i produttori devono essere consapevoli delle future normative e regolamentazioni e monitorarne l'evoluzione.

Figura 03 - Gli alimentatori necessari alle compagnie ferroviarie per rinnovare i propri treni sono numerosi e spaziano da moduli a bassa potenza a convertitori ad alta potenza fino a centinaia di kilowatt. (Fonte: PRBX/Shutterstock/ECO LENS)

Perché le nuove norme di ecodesign saranno importanti per il settore energetico.
Questa introduzione potrebbe dare l'impressione che il segmento dei consumatori sarà principalmente oggetto della futura legislazione, ma in realtà, ispirate dal gruppo di lavoro sull'ecodesign, molte attività sono in corso all'interno del settore per estendere la durata di vita degli impianti, ed è qui che la questione diventa di interesse per il settore dell'approvvigionamento energetico.

Per quanto riguarda le applicazioni di alimentazione per i consumatori, queste sono o integrate nelle apparecchiature e fanno parte del sistema complessivo, oppure esterne, come ad esempio i caricabatterie USB. I legislatori stanno lavorando a un sistema di classificazione dei livelli di riparazione per rendere la riparazione un'opzione preferibile alla sostituzione, sia dal punto di vista ambientale che economico. Questo rientra nell'ambito del gruppo di lavoro del 2024, che sta collaborando con l'industria per definire classificazioni ragionevoli che vadano a vantaggio degli utenti finali e dell'ambiente.

Considerati gli elevati livelli di integrazione e le attuali pratiche di produzione, come l'utilizzo di componenti in plastica sigillati quali gli adattatori esterni, questi componenti potrebbero non essere classificati come riparabili, ma i produttori potrebbero comunque essere obbligati a garantire supporto e assistenza per dieci anni. Analogamente, per gli alimentatori integrati in apparecchiature certificate, i produttori saranno tenuti a garantire la disponibilità di pezzi di ricambio per tutta la durata di vita utile del prodotto.

Ai livelli di potenza più elevati, in base alle normative di ecodesign sul consumo energetico, server e sistemi di archiviazione dati sono già inclusi nella proposta, e i produttori di alimentatori stanno collaborando a stretto contatto con i rappresentanti europei per sviluppare soluzioni energetiche che soddisfino le esigenze di riparazione, ma che garantiscano anche una maggiore durata operativa.

Nell'ottica dell'economia circolare, fino all'80% dell'impatto ambientale di un prodotto può essere determinato già in fase di progettazione. Nella progettazione di un alimentatore per un data center, l'efficienza energetica è sempre una priorità e i progettisti utilizzano le tecnologie più recenti, come i semiconduttori a banda larga, per garantire le massime prestazioni. Per quanto riguarda la durata di vita, si stanno compiendo notevoli sforzi per selezionare componenti in grado di mantenere le prestazioni originali per oltre dieci anni in condizioni operative normali. Tuttavia, i progettisti devono anche integrare la riparabilità nella progettazione meccanica, il che potrebbe comportare un concetto modulare che faciliti la manutenzione e, al termine del suo ciclo di vita, il riciclo.

Per molti progettisti si tratterà di un nuovo modo di lavorare, ma per chi è abituato a sviluppare soluzioni energetiche per il rinnovo e la modernizzazione degli impianti non è nulla di veramente nuovo, e molte delle migliori pratiche implementate in questo settore sono già conformi alle future normative sull'ecodesign.

Ancor prima dell'introduzione delle normative sull'ecodesign, il riutilizzo, la riparazione e il prolungamento della vita utile erano già la norma nel settore ferroviario.
Oltre agli obiettivi dell'ecodesign nei segmenti di consumo, molte applicazioni industriali richiedono ai produttori di alimentatori di fornire soluzioni energetiche per il rinnovo e la modernizzazione dei sistemi. Tra i tanti, il settore dei trasporti, e in particolare quello ferroviario, rappresenta un esempio lampante di ciò che potrebbe essere applicato ad altri settori in termini di riutilizzo, riparazione e prolungamento della vita utile.

Un buon esempio è l'operatore ferroviario statale francese, Société Nationale des Chemins de Fer (SNCF), che nel settembre 2023 ha annunciato che, nell'ambito del suo impegno per la sostenibilità, SNCF Voyageurs e la sua Divisione Materiale Rotabile si impegnano a ottimizzare l'utilizzo e la durata di vita dei propri treni in tutte le fasi del loro ciclo di vita: ammodernamenti a metà e fine vita per estenderne la durata di servizio e combattere l'obsolescenza, riciclo e riutilizzo dei pezzi di ricambio, ecc. Per raggiungere questo obiettivo, SNCF ha annunciato l'avvio di un importante progetto di rinnovamento per ammodernare 104 treni ad alta velocità, i "Trains à Grande Vitesse (TGV)", al fine di "combattere l'obsolescenza" (Figura 02).

Figura 02 - SNCF sta rinnovando 104 treni TGV con l'obiettivo di prolungare la vita utile della flotta attuale. (Fonte: PRBX/SNCF)

Questi 104 treni partecipanti sono stati valutati durante il quarto trimestre del 2023 e il primo trimestre del 2024. Una serie di criteri saranno presi in considerazione per decidere il destino di ciascun treno, tra cui le condizioni della struttura, dei suoi componenti metallici, della caldaia, dei carrelli e degli impianti elettrici, compresi gli alimentatori. Sulla base di questi criteri, i treni saranno classificati in tre categorie:
1. Quelli in perfette condizioni che rimarranno in servizio ma saranno sottoposti a lavori di ristrutturazione per migliorare il comfort dei passeggeri.
2. Quelli che necessitano di maggiore affidabilità e di interventi di ristrutturazione a causa della loro età avanzata.
3. Quelli che saranno ritirati dal servizio a causa dell'obsolescenza dei componenti (componenti elettronici o condizioni del telaio). Questi treni dismessi saranno utilizzati come depositi di pezzi di ricambio, poiché contengono fino a 3.000 componenti potenzialmente recuperabili che possono essere riutilizzati per riparare altri treni.

Il progetto di ammodernamento di SNCF illustra perfettamente i principi dell'Ecodesign: riutilizzo, riparazione e prolungamento della vita utile in un contesto industriale. Il riutilizzo dei componenti per ridurre gli sprechi e ottimizzare le risorse è da tempo parte integrante del processo di ciclo di vita di SNCF. Invece di acquistare nuovi componenti, il ricondizionamento e la riparazione di 500.000 pezzi di ricambio per i treni TGV ogni anno rappresentano un risparmio di 500 milioni di euro all'anno.

Progettazione dell'alimentazione elettrica per il rinnovo dei treni: il paradosso delle nuove tecnologie.
La gamma di alimentatori necessari alle compagnie ferroviarie per il rinnovo dei treni è molto ampia e comprende tutto, dai moduli a bassa potenza ai convertitori ad alta potenza fino a centinaia di kilowatt (Figura 03). Su un treno, molti alimentatori sono integrati in sottosistemi, come l'illuminazione a LED con alimentatori e controller incorporati, ma diversi sistemi richiedono soluzioni di alimentazione indipendenti che soddisfino i più recenti requisiti normativi.

In generale, le imprese di ristrutturazione utilizzano riferimenti approvati dai produttori di treni e circa l'80% dei requisiti è disponibile come prodotto commerciale standard (COTS) da produttori di alimentatori certificati che soddisfano gli standard ferroviari. Tuttavia, quando si ristrutturano e si modernizzano treni costruiti decenni fa, il 20% degli alimentatori richiede funzionalità aggiuntive, maggiore densità di potenza, minore consumo energetico e molte altre specifiche, spesso con la necessità di adattarsi a un involucro esistente progettato specificamente per l'applicazione (Figura 04).

Figura 04 - Caricabatterie PRBX da 110 V CC, 10 kW per batterie al nichel-cadmio, per la sostituzione di batterie al piombo-acido in applicazioni ferroviarie. (Fonte: PRBX)

Quando si tratta di rinnovare o modernizzare, l'industria ferroviaria segue lo stesso schema di altri settori e, di fronte alla crescente domanda di maggiore densità di potenza e minori consumi, i progettisti di impianti di alimentazione stanno ora studiando l'applicazione di semiconduttori a commutazione a banda larga (WBG), nitruro di gallio (GaN) e carburo di silicio (SiC).

I diodi al carburo di silicio (SiC) sono utilizzati da decenni negli alimentatori ferroviari, ma i transistor di potenza a commutazione sono relativamente nuovi in ​​questo settore. Dato che la durata di vita delle apparecchiature ferroviarie può superare i 20 anni, l'affidabilità e la sostenibilità della catena di fornitura sono di fondamentale importanza e l'implementazione di una nuova tecnologia richiede un'accurata valutazione tecnica e la garanzia che la catena di fornitura possa assicurare il supporto del prodotto per oltre 20 anni.

Nel processo di validazione di una nuova tecnologia per applicazioni ferroviarie esigenti, il parallelo processo di elettrificazione di altri settori dei trasporti e dei macchinari sta contribuendo ad accelerare l'adozione sul mercato e a rafforzare la fiducia nella tecnologia WBG e, in particolare, nel SiC. L'industria automobilistica ha condotto ricerche approfondite per validare la tecnologia WBG e l'adozione di SiC e GaN nei sistemi di propulsione e nei caricabatterie, ponendo così le basi per l'adozione di questa tecnologia da parte di altri settori.

Nella conversione di potenza ad alta frequenza, molti progetti utilizzano MOSFET in SiC al posto degli IGBT, e il progetto di ricerca MUSiCel presso l'Istituto Fraunhofer per l'Economia Energetica e la Tecnologia dei Sistemi di Potenza merita una menzione. Utilizzando innovativi semiconduttori in SiC a banda larga, ha raggiunto una potenza di uscita di 250 kW a una frequenza di commutazione di 50 kHz con un'efficienza superiore al 98% sull'intera gamma di potenza (a 100 kW è stata addirittura misurata un'efficienza del 98,8%) (Figura 5). Originariamente concepito per l'elettrificazione di macchinari agricoli e edili, il progetto di ricerca MUSiCel può essere ugualmente applicato ai sistemi di conversione di potenza ferroviaria ad alta frequenza, e questa ricerca contribuirà senza dubbio all'adozione del SiC nei progetti futuri.

Figura 05 - Convertitore DC-DC SiC da 250 kW sviluppato nell'ambito del progetto Fraunhofer IEE MUSiCel (Fonte: PRBX/Fraunhofer IEE)

Studiare la fattibilità, l'affidabilità e i vantaggi rispetto alle tecnologie precedenti è molto importante, ma per i produttori ferroviari è fondamentale garantire la sostenibilità a lungo termine della catena di fornitura per l'intero ciclo di vita delle apparecchiature finali. Come per la tecnologia MOSFET, i produttori di semiconduttori WBG hanno investito in impianti di produzione ad alto volume o in partnership, e stiamo assistendo anche a una serie di acquisizioni, come quella di Infineon con GaN Systems e quella di Renesas con Transphorm. La catena di fornitura WBG per SiC e GaN sta entrando in una fase di maturità, garantendo così la necessaria disponibilità a lungo termine dei componenti.

In conclusione:
alla domanda "Ecodesign, riutilizzo, riparazione, prolungamento della durata e nuove tecnologie: è questo il nuovo paradosso?" la risposta non è né "Sì" né "No". Piuttosto, come nel caso del settore ferroviario che abbiamo citato come esempio, l'industria nel suo complesso dovrà considerare tutti questi aspetti nella progettazione di nuovi prodotti. L'Ecodesign UE sta definendo un nuovo modo di lavorare e, dall'aumento dell'efficienza energetica al prolungamento della durata utile delle apparecchiature finali, l'elettronica di potenza svolgerà un ruolo significativo. Una cosa è certa: si tratta di una fantastica opportunità per i progettisti di sistemi di potenza di esplorare nuove frontiere.

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Riferimenti:
Powerbox (PRBX):
https://www.prbx.com/

Catena ecologica
https://ecochain.com/

SNCF
https://www.sncf.com/en

Fraunhofer IEE
https://www.iee.fraunhofer.de/en.html

Informazioni sull'autore:
Patrick Le Fèvre, Direttore Marketing e Comunicazione di Powerbox, è un esperto di comunicazione e ingegnere qualificato con 40 anni di esperienza nel settore dell'elettronica di potenza. È stato un pioniere nella commercializzazione di nuove tecnologie come l'energia digitale e nelle iniziative tecniche per la riduzione del consumo energetico. Le Fèvre ha scritto e presentato numerosi white paper e articoli in importanti conferenze internazionali sull'elettronica di potenza. Questi sono stati pubblicati oltre 450 volte da testate giornalistiche di tutto il mondo. Partecipa inoltre a diversi forum ambientali, condividendo la sua esperienza e conoscenza sulle energie pulite.