Совершенно очевидно, что настало время заняться вопросом «права на ремонт», прежде всего в отношении потребительских товаров, которые являются лишь верхушкой айсберга и частью гораздо более масштабной проблемы: изменением способов работы и решением вопроса продления срока службы оборудования при одновременном развитии экономики замкнутого цикла. Многие отрасли бизнеса будут существенно затронуты новыми европейскими директивами и должны будут найти новые способы решения проблемы запланированного устаревания.
Как отрасль электроснабжения адаптируется к этим изменениям и как она может способствовать продлению срока службы оборудования и сокращению отходов?
Новые правила ЕС сделают экологически устойчивую продукцию нормой.
Как было объявлено в Плане действий ЕС по развитию циркулярной экономики, Комиссия предложила новые правила, призванные сделать практически все физические товары на рынке ЕС более экологичными, ориентированными на циркулярную экономику и энергоэффективными на протяжении всего их жизненного цикла, от этапа проектирования до повседневного использования, повторного использования и утилизации. В рамках Плана действий от июня 2023 года Комитет по окружающей среде представил предложение по подготовке продукции ЕС к этим условиям путем разработки стратегии по продлению срока службы оборудования и защите потребителей. Ключевой частью этого предложения является установление общих правил, которые поощряют ремонт товаров, приближая нас к цели устойчивого потребления в рамках Европейского зеленого курса (Рисунок 01).
Рисунок 01 — Политическая основа «Зеленого соглашения» в отношении ESPR (зеленый) и взаимосвязь ESPR с Директивой об экодизайне (синий). (Источник: PRBX/Ecochain)
Разработка подхода к ремонту позволит сократить количество электронных отходов и негативное воздействие на окружающую среду, что приведет к значительной экономии для потребителей и общества в целом. В рамках этого, по аналогии с маркировкой энергоэффективности, используемой в экодизайне, Франция предложила аналогичную маркировку с индексом ремонтопригодности, чтобы информировать потребителей о возможности ремонта продукта, а также предоставлять им доступ к рекомендациям по ремонту.
В соответствии с предложением, выдвинутым в рамках проекта, 4 декабря 2023 года Европейский парламент и Совет предварительно согласовали обновление правил «экодизайна» с целью улучшения различных аспектов продукции на протяжении всего ее жизненного цикла, чтобы сделать ее более долговечной, надежной, простой в повторном использовании, модернизации, ремонте и переработке, а также в плане потребления меньшего количества ресурсов, энергии и воды.
Предложение распространяется на потребительские товары и касается любых их дефектов, независимо от того, находятся ли они в настоящее время на гарантии. Производители будут обязаны ремонтировать товары в течение пяти-десяти лет после покупки. В настоящее время к товарам, подлежащим ремонту, относятся бытовая техника, такая как стиральные машины, стирально-сушильные машины, посудомоечные машины, холодильники, электронные дисплеи, сварочное оборудование, пылесосы, а также серверы и устройства хранения данных. Мобильные телефоны, беспроводные телефоны и планшеты также включены в недавний проект, а зарядные устройства для электромобилей рассматривались в ходе недавних обсуждений. Все эти продукты используют источники питания, и производители должны быть в курсе будущих законодательных актов и правил и отслеживать их развитие.
Рисунок 03. Железнодорожные компании нуждаются в многочисленных источниках питания для обновления своих поездов, начиная от маломощных модулей и заканчивая мощными преобразователями мощностью до сотен киловатт. (Источник: PRBX/Shutterstock/ECO LENS)
Почему новые правила экодизайна будут важны для энергетической отрасли.
Это введение может создать впечатление, что будущим законодательством будет заниматься в основном потребительский сегмент, но на самом деле, вдохновленные рабочей группой по экодизайну, в отрасли ведется множество мероприятий по продлению срока службы, и именно здесь она становится интересной областью для электроэнергетической отрасли.
Что касается потребительских применений источников питания, то они либо интегрированы в оборудование и являются частью общей системы, либо являются внешними, например, USB-зарядными устройствами. Законодатели работают над системой классификации уровней ремонта, чтобы ремонт стал более целесообразным, чем замена, как с экологической, так и с экономической точки зрения. Это часть работы рабочей группы 2024 года, которая сотрудничает с промышленностью для определения разумных классификаций, которые принесут пользу конечным пользователям и окружающей среде.
Учитывая высокий уровень интеграции и современные производственные практики, такие как использование герметичных пластиковых компонентов, например, внешних адаптеров, эти компоненты могут не подлежать ремонту, однако производители все равно могут быть обязаны гарантировать поддержку и обслуживание в течение десяти лет. Аналогичным образом, для источников питания, интегрированных в сертифицированное оборудование, производители будут обязаны гарантировать наличие запасных частей на протяжении всего срока службы.
В соответствии с требованиями экодизайна в отношении энергопотребления, серверы и устройства хранения данных уже включены в предложение, и производители блоков питания тесно сотрудничают с европейскими представителями для разработки решений по электропитанию, которые отвечают потребностям в ремонте, а также обеспечивают более длительный срок службы.
При рассмотрении принципов циклической экономики до 80% воздействия продукта на окружающую среду можно определить на этапе проектирования. При проектировании источника питания для центра обработки данных энергоэффективность всегда является приоритетом, и разработчики источников питания используют новейшие технологии, такие как широкополосные полупроводники, для обеспечения высочайшего уровня производительности. Что касается увеличения срока службы, предпринимаются значительные усилия по выбору компонентов, способных сохранять свои первоначальные характеристики более десяти лет в условиях эксплуатации. Однако разработчики также должны учитывать ремонтопригодность в механической конструкции, что может включать модульную концепцию, облегчающую техническое обслуживание и, по окончании срока службы, переработку.
Для многих дизайнеров это будет новый способ работы, но для тех, кто привык разрабатывать решения в области энергоснабжения для обновления и модернизации систем, это не является чем-то принципиально новым, и многие передовые методы, применяемые в этом секторе, уже соответствуют будущим нормам экодизайна.
Еще до введения правил экодизайна повторное использование, ремонт и продление срока службы уже были нормой в железнодорожном секторе.
Помимо целей экодизайна в потребительском сегменте, многие промышленные приложения требуют от производителей источников питания предоставления энергетических решений для обновления и модернизации систем. Среди многих других, транспортная отрасль, и особенно железные дороги, являются яркими примерами того, что может быть применимо к другим секторам, когда речь идет о повторном использовании, ремонте и продлении срока службы.
Хорошим примером является французский государственный железнодорожный оператор Société Nationale des Chemins de Fer (SNCF), который в сентябре 2023 года объявил, что в рамках своей приверженности принципам устойчивого развития, SNCF Voyageurs и его подразделение подвижного состава стремятся оптимизировать использование и срок службы своих поездов на всех этапах их жизненного цикла: модернизация в середине и конце срока службы для продления срока эксплуатации и борьбы с устареванием, а также переработка и повторное использование запасных частей и т. д. Для достижения этой цели SNCF объявила о начале крупного проекта по модернизации и обновлению 104 высокоскоростных поездов «Trains à Grande Vitesse (TGV)» с целью «борьбы с устареванием» (Рисунок 02).
Рисунок 02 - Компания SNCF обновляет 104 поезда TGV с целью продления срока службы существующего парка. (Источник: PRBX/SNCF)
Оценка 104 поездов-участников проводилась в четвертом квартале 2023 года и первом квартале 2024 года. При принятии решения о судьбе каждого поезда будет учитываться ряд критериев, включая состояние конструкции, металлических компонентов, котла, тележек и электрооборудования, включая источники питания. На основе этих критериев поезда будут разделены на три категории:
1. Поезда в идеальном состоянии, которые останутся в эксплуатации, но пройдут модернизацию для повышения комфорта пассажиров.
2. Поезда, требующие повышения надежности и модернизации из-за своего преклонного возраста.
3. Поезда, которые будут выведены из эксплуатации из-за устаревания деталей (электронных компонентов или состояния шасси). Эти списанные поезда будут использоваться в качестве запасных частей, поскольку они содержат до 3000 потенциально пригодных для восстановления компонентов, которые могут быть использованы для ремонта других поездов.
Проект модернизации SNCF прекрасно иллюстрирует принципы экодизайна: повторное использование, ремонт и продление срока службы в промышленных условиях. Повторное использование деталей для сокращения отходов и оптимизации ресурсов уже давно является частью процесса управления жизненным циклом SNCF. Вместо покупки новых деталей, модернизация и ремонт 500 000 запасных частей для поездов TGV ежегодно позволяют сэкономить 500 миллионов евро.
Проектирование источников питания для модернизации – парадокс новых технологий.
Диапазон источников питания, необходимых железнодорожным компаниям при модернизации поездов, очень широк и включает в себя все: от маломощных модулей до мощных преобразователей мощностью до сотен киловатт (рис. 03). В поезде многие источники питания интегрированы в узлы, например, светодиодное освещение со встроенными источниками питания и контроллерами, но для некоторых систем требуются независимые решения по электропитанию, соответствующие последним нормативным требованиям.
Как правило, подрядчики по модернизации используют продукцию, одобренную производителями поездов, и примерно 80% необходимых компонентов доступны в виде готовых коммерческих продуктов (COTS) от сертифицированных производителей источников питания, соответствующих железнодорожным стандартам. Однако при модернизации поездов, выпущенных несколько десятилетий назад, 20% источников питания требуют дополнительных функций, более высокой удельной мощности, меньшего энергопотребления и многих других характеристик, часто с необходимостью установки в существующий корпус, специально разработанный для данного применения (Рисунок 04).
Рисунок 04 - Зарядное устройство PRBX 110 В постоянного тока, 10 кВт для никель-кадмиевых аккумуляторов, предназначенное для модернизации свинцово-кислотных батарей в железнодорожной отрасли. (Источник: PRBX)
Когда дело доходит до обновления или модернизации, железнодорожная отрасль следует той же схеме, что и другие, и, сталкиваясь с растущим спросом на более высокую удельную мощность и меньшее потребление энергии, разработчики силовых установок в настоящее время изучают применение широкополосных переключающих полупроводников (WBG), нитрида галлия (GaN) и карбида кремния (SiC).
Диоды на основе карбида кремния (SiC) используются в системах электропитания железных дорог уже несколько десятилетий, но силовые транзисторы относительно недавно появились в железнодорожной отрасли. Учитывая, что срок службы железнодорожного оборудования может превышать 20 лет, надежность и устойчивость цепочки поставок имеют первостепенное значение, а внедрение новой технологии требует тщательной технической оценки и обеспечения того, чтобы цепочка поставок могла гарантировать поддержку продукции в течение более чем 20 лет.
В процессе проверки новой технологии для сложных железнодорожных применений параллельный процесс электрификации других транспортных и машиностроительных отраслей помогает ускорить внедрение на рынке и укрепить доверие к широкозонным полупроводникам и, особенно, к карбидам кремния. Автомобильная промышленность провела обширные исследования для проверки технологии широкозонных полупроводников и применения карбидов кремния и нитрида галлия в силовых агрегатах и зарядных устройствах для батарей, тем самым заложив основу для внедрения этой технологии в других секторах.
В мощных преобразователях энергии многие проекты используют SiC MOSFET вместо IGBT, и исследовательский проект MUSiCel в Институте экономики энергетики и энергетических систем им. Фраунгофера заслуживает отдельного упоминания. Используя инновационные широкополосные полупроводники SiC, он достиг выходной мощности 250 кВт при частоте переключения 50 кГц с КПД, превышающим 98% во всем диапазоне мощностей (при мощности 100 кВт был измерен КПД 98,8%) (Рисунок 5). Первоначально предназначенный для электрификации сельскохозяйственной и строительной техники, исследовательский проект MUSiCel может быть в равной степени применен к мощным системам преобразования энергии в железнодорожном транспорте, и это исследование, несомненно, внесет свой вклад в внедрение SiC в будущие разработки.
Рисунок 05 - 250-киловаттный SiC DC-DC преобразователь, разработанный в рамках проекта Fraunhofer IEE MUSiCel (Источник: PRBX/Fraunhofer IEE)
Изучение целесообразности, надежности и преимуществ по сравнению с предыдущими технологиями очень важно, но для производителей железнодорожного оборудования крайне важно обеспечить долгосрочную устойчивость цепочки поставок на протяжении всего жизненного цикла конечного оборудования. Как и в случае с технологией MOSFET, производители полупроводников на основе широкозонных полупроводников инвестируют в крупномасштабные производственные мощности или партнерские отношения, и мы также наблюдаем ряд приобретений, таких как приобретение компанией Infineon компании GaN Systems и приобретение компанией Renesas компании Transphorm. Цепочка поставок широкозонных полупроводников для SiC и GaN сейчас вступает в фазу зрелости, что обеспечивает столь необходимую долгосрочную доступность компонентов.
В заключение:
на вопрос «Экодизайн, повторное использование, ремонт, продление срока службы и новые технологии: это новый парадокс?» ответ не «да» и не «нет». Скорее, как в случае с железнодорожным сектором, который мы использовали в качестве примера, промышленности в целом придется учитывать все эти аспекты при проектировании новых продуктов. Экодизайн ЕС устанавливает новый подход к работе, и от повышения энергоэффективности до продления срока службы конечного оборудования силовая электроника будет играть значительную роль. Одно можно сказать наверняка: это фантастическая возможность для разработчиков силовых устройств исследовать новые горизонты.
------------------------------------ КОНЕЦ ------------------------------------
Источники:
Powerbox (PRBX):
https://www.prbx.com/
Экологическая цепочка
https://ecochain.com/
SNCF
https://www.sncf.com/en
Институт инженеров-электротехников им. Фраунгофера
https://www.iee.fraunhofer.de/en.html
Об авторе:
Патрик Ле Февр, директор по маркетингу и коммуникациям компании Powerbox, — эксперт в области коммуникаций и квалифицированный инженер с 40-летним опытом работы в индустрии силовой электроники. Он является пионером в коммерциализации новых технологий, таких как цифровая энергетика, и в технических инициативах по снижению энергопотребления. Ле Февр написал и представил множество аналитических докладов и статей на ведущих международных конференциях по силовой электронике. Эти работы были опубликованы более 450 раз в средствах массовой информации по всему миру. Он также участвует в различных экологических форумах, делясь своим опытом и знаниями в области чистой энергетики.
