Ecoproiectarea europeană este bine cunoscută în ceea ce privește aspectele legate de energie, cum ar fi eficiența energetică și consumul de energie în regim de așteptare (standby), existând o mulțime de articole detaliate pe această temă. Fiind unul dintre elementele-cheie ale strategiei europene Green Deal, există un alt aspect, mai puțin cunoscut, al Ecoproiectării, care se referă la reducerea deșeurilor și la acordarea consumatorilor “Dreptului la reparare”, prelungind astfel durata de viață a echipamentelor. Evident, momentul abordării aceastei teme (mai întâi pentru produsele de consum, care reprezintă partea vizibilă a icebergului) este oportun, însă trebuie să ținem cont că “Dreptul la reparare” reprezintă doar o componentă a unei probleme mult mai ample, aceea de a ne schimba modul de lucru și de a ne ocupa de prelungirea duratei de viață a echipamentelor, dezvoltând în același timp o economie circulară. Multe segmente de afaceri vor fi puternic influențate de noile directive europene, iar acestea vor trebui să găsească soluții inovatoare pentru a rezolva problemele legate de uzura morală a produselor.
Figura 1: Strategia europeană “Green Deal” în contextul ESPR (verde) și relația ESPR cu Directiva privind proiectarea ecologică (albastru). (Sursa: PRBX/Ecochain)
Așadar, cum vor accepta producătorii de surse de alimentare această schimbare și cum ar putea contribui la prelungirea duratei de viață a echipamentelor și la reducerea deșeurilor?
Noile reglementări ale UE vor face ca produsele sustenabile să devină un standard
După cum s-a anunțat în Planul de acțiune al UE privind economia circulară, Comisia a propus noi reglementări pentru ca aproape toate bunurile fizice de pe piața UE să devină ecologice, circulare și eficiente din punct de vedere energetic pe parcursul întregului lor ciclu de viață, începând de la faza de proiectare, trecând prin folosirea zilnică, reutilizarea lor și sfârșitul ciclului de viață. În cadrul Planului de acțiune din iunie 2023, Comisia pentru mediu a prezentat o propunere menită să pregătească produsele din UE pentru aceste condiții prin elaborarea unei strategii de prelungire a duratei de viață a echipamentelor și de protecție a consumatorilor. O parte importantă a acestei propuneri constă în stabilirea unor norme comune care să promoveze repararea bunurilor, avansând spre obiectivul consumului sustenabil în cadrul Green Deal-ului european (Figura 1).
Dezvoltarea unei abordări bazate pe repararea bunurilor va reduce deșeurile electronice și va diminua impactul asupra mediului, ceea ce va duce la economii semnificative pentru consumatori și pentru întreaga societate. În acest sens și similar modului în care se procedează pentru etichetarea consumului de energie în cadrul Ecodesign, Franța a propus utilizarea unei etichete similare care să conțină un indice de reparabilitate pentru a informa consumatorii cu privire la posibilitatea de a repara un produs, în timp ce consumatorii ar trebui să aibă acces la ghiduri de reparare.
Așa cum s-a propus în cadrul proiectului, la 4 decembrie 2023, Parlamentul European și Consiliul au convenit provizoriu asupra unei actualizări a normelor de “proiectare ecologică”, cu scopul de a îmbunătăți diverse aspecte ale produselor pe parcursul ciclului lor de viață pentru a le face mai durabile, mai fiabile, mai ușor de reutilizat, modernizat, reparat și reciclat, pentru a consuma mai puține resurse, energie și apă.
Propunerea vizează bunurile de consum și se referă la defectele care pot apărea la acestea, indiferent dacă se află sau nu încă sub garanție legală. Producătorul va avea obligația de a repara bunurile timp de cinci până la zece ani de la achiziția acestora. Printre bunurile pentru care există în prezent cerințe de reparare se numără produsele de uz casnic, cum ar fi mașinile de spălat și uscat rufe, mașinile de spălat vase, frigiderele, display-urile electronice, echipamentele de sudură, aspiratoarele, serverele și sistemele de stocare a datelor. Telefoanele mobile, telefoanele fără fir și tabletele sunt, de asemenea, enumerate în proiectul recent, iar încărcătoarele de vehicule electrice au fost luate în considerare în ultimele discuții. Toate aceste produse utilizează surse de alimentare, iar producătorii trebuie să țină cont de legislația și reglementările viitoare și să monitorizeze evoluția acestora.
De ce vor conta noile norme de proiectare ecologică pentru industria de putere?
Această introducere ar putea părea să dea impresia că segmentul consumatorilor este cel care va face în principal obiectul viitoarei legislații, dar, de fapt, inspirate de grupul de lucru Ecodesign, au loc numeroase activități în cadrul industriei pentru prelungirea duratei de viață, iar aici intervine un domeniu interesant pentru industria surselor de alimentare.
În ceea ce privește sursele de alimentare destinate pieței de consum, acestea sunt fie încorporate în echipament și fac parte din sistemul general, fie sunt externe, cum ar fi încărcătoarele USB, iar legiuitorul lucrează la o clasificare a nivelului de reparabilitate pentru a face din reparare o idee bună din punct de vedere ecologic și economic în detrimentul înlocuirii. Această măsură face parte din grupul de lucru 2024 care lucrează în paralel cu industria pentru a defini clasificări rezonabile în beneficiul utilizatorilor finali și al mediului.
Având în vedere nivelurile înalte de integrare și practicile actuale de construcție, de exemplu, utilizarea de produse din plastic sigilate, cum ar fi adaptoarele externe, este posibil ca acestea să nu fie clasificate ca fiind reparabile, dar producătorii ar putea avea în continuare obligația de a garanta asistență și servicii timp de zece ani. De asemenea, în cazul surselor de alimentare încorporate în sistemele de alimentare a echipamentelor listate, producătorii vor fi obligați să garanteze disponibilitatea pieselor de schimb pe parcursul perioadei de service.
La niveluri de putere mai ridicate, conform regulamentului de proiectare ecologică privind consumul de energie, serverele și sistemele de stocare a datelor sunt deja incluse în propunere, iar producătorii de surse de alimentare lucrează în strânsă colaborare cu reprezentanții europeni pentru a dezvolta soluții de alimentare care să răspundă nevoilor de reparabilitate, dar și pentru a garanta o durată de viață mai lungă de funcționare.
Atunci când se ia în considerare economia circulară, până la 80% din impactul de mediu al unui produs poate fi determinat în faza de proiectare. Atunci când proiectăm o sursă de alimentare pentru un centru de date, luăm întotdeauna în considerare eficiența energetică, iar proiectanții de surse de alimentare utilizează cele mai recente tehnologii, cum ar fi semiconductorii cu bandă interzisă largă, pentru a oferi cele mai înalte niveluri de performanță. În ceea ce privește prelungirea duratei de viață, se depun multe eforturi pentru a selecta componente capabile să își păstreze performanțele inițiale pentru mai mult de zece ani în condiții de operare, dar proiectanții trebuie să includă și posibilitatea de reparare în proiectarea mecanică, ceea ce ar putea implica un concept modular care să faciliteze întreținerea, iar la sfârșitul duratei de viață, reciclarea.
Pentru mulți proiectanți va fi un nou mod de lucru, dar pentru cei obișnuiți să dezvolte soluții de alimentare pentru recondiționarea și modernizarea sistemelor nu este nimic nou, iar multe dintre cele mai bune practici implementate în această industrie respectă deja viitoarele reglementări privind proiectarea ecologică.
Înainte de adoptarea reglementărilor privind proiectarea ecologică, reutilizarea, repararea și prelungirea duratei de viață erau deja o normă în industria feroviară!
Figura 2: SNCF renovează 104 TGV-uri cu scopul de a extinde durata de viață a flotei actuale. (Sursa: PRBX/SNCF)
Dincolo de ceea ce vizează Ecodesign în segmentele de consum, multe aplicații industriale impun producătorilor de surse de putere să ofere soluții de alimentare care să permită recondiționarea și modernizarea sistemelor. Printre multe altele, industria transporturilor și în special cea feroviară sunt cele mai bune exemple pentru a ilustra ceea ce ar putea fi aplicabil și altor segmente atunci când vine vorba de reutilizare, reparare și prelungirea duratei de viață.
Un bun exemplu este operatorul feroviar francez de stat, “Société National des Chemins de Fer (SNCF)”, care, în septembrie 2023, a anunțat că, în cadrul angajamentului său față de sustenabilitate, SNCF Voyageurs și divizia sa de material rulant se angajează să optimizeze utilizarea și durata de viață a trenurilor lor în fiecare etapă a ciclului de viață: recondiționarea la mijlocul și la sfârșitul ciclului de viață pentru a le prelungi durata de viață și a combate uzura morală, precum și reciclarea și reutilizarea pieselor de schimb etc. Pentru a atinge acest obiectiv, SNCF a anunțat începerea unui proiect major de recondiționare pentru a restaura și moderniza 104 trenuri de mare viteză, “Trains à Grande Vitesse (TGV)”, cu scopul de a “combate uzura morală” (Figura 2).
Aceste 104 trenuri eligibile au fost evaluate în trimestrul 4 din 2023 și trimestrul 1 din 2024. Pentru a decide soarta fiecărei garnituri de tren, se va ține cont de o serie de criterii, printre care starea structurii garniturii, a componentelor metalice, a boilerului, a boghiurilor și a instalațiilor electrice, inclusiv a surselor de alimentare. Pe baza acestor criterii, garniturile de tren vor fi clasificate în trei categorii:
- Cele în stare perfectă, care vor continua să fie în serviciu, dar vor fi supuse unor lucrări de renovare pentru a le îmbunătăți confortul.
- Cele care necesită lucrări de fiabilitate și renovare mai ample din cauza vârstei lor avansate.
- Cele care vor fi retrase din serviciu din cauza uzurii morale a pieselor (componente electronice sau starea șasiului). Aceste garnituri scoase din uz vor fi utilizate ca bănci de piese, deoarece conțin până la 3 000 de componente potențial recuperabile care pot fi reutilizate pentru a repara alte garnituri.
Proiectul de recondiționare al SNCF ilustrează foarte bine, într-un mediu industrial, ceea ce urmărește proiectarea ecologică privind reutilizarea, repararea și prelungirea duratei de viață. Reutilizarea pieselor pentru a reduce deșeurile și a optimiza resursele face parte de mult timp din procesul ciclului de viață al SNCF, deoarece, în loc să cumpere piese noi, verificarea și repararea a 500.000 de piese de schimb TGV în fiecare an reprezintă o economie de jumătate de miliard de euro pe an.
Proiectarea surselor de alimentare în așa fel încât să poată fi recondiționate – Un nou paradox tehnologic
Figura 3: Sursele de alimentare necesare companiilor feroviare la renovarea trenurilor sunt foarte variate și merg de la module de mică putere la convertoare de înaltă putere de până la sute de kilowați. (Sursa : PRBX/Shutterstock/ECO LENS)
Varietatea surselor de alimentare solicitate de companiile feroviare atunci când recondiționează trenurile este foarte largă, cuprinzând atât module de mică putere, cât și convertizoare de mare putere de până la sute de kilowați (Figura 3). Într-un tren, multe surse de alimentare sunt încorporate în subansambluri, de exemplu, iluminatul cu LED-uri cu surse de alimentare și drivere integrate, dar o serie de sisteme necesită soluții de alimentare independente care să îndeplinească cele mai recente cerințe legislative.
În general, contractorii specializați în recondiționare utilizează coduri de referință aprobate de producătorii de trenuri, iar aproximativ 80% din necesar este disponibil sub formă de produse disponibile în comerț (Commercial off-the-shelf – COTS) de la producători de surse de alimentare certificați, în conformitate cu standardele feroviare. Cu toate acestea, atunci când se recondiționează și se modernizează trenuri care este posibil să fi fost fabricate cu zeci de ani în urmă, 20% dintre sursele de alimentare vor necesita caracteristici suplimentare, o densitate de putere mai mare, un consum mai mic de energie și multe alte lucruri, adesea cu cerința de a se potrivi într-o cutie existentă, specifică aplicației (Figura 4).
Figura 4: Încărcător de baterii Nichel-Cadmiu, 110VDC, 10kW de la PRBX pentru recondiționarea trenurilor atunci când se înlocuiesc bateriile Plumb-Acid în aplicațiile feroviare. (Sursa: PRBX)
În momentul recondiționării sau modernizării, industria feroviară urmează același model ca și alte sectoare și, odată cu cererea crescută pentru o densitate de putere mai mare și un consum de putere mai mic, proiectanții de surse de alimentare investighează acum implementarea semiconductorilor în regim de comutație cu bandă interzisă largă (WBG – Wide Bandgap), GaN (Gallium Nitride) și SiC (Silicon Carbide).
Diodele SiC au fost utilizate în sursele de alimentare feroviare de zeci de ani, dar tranzistoarele de putere cu comutație sunt relativ noi în aplicațiile feroviare. Având în vedere că durata de viață a echipamentelor feroviare ar putea fi mai mare de 20 de ani, este esențial să se asigure fiabilitatea și sustenabilitatea lanțului de aprovizionare, iar implementarea unei noi tehnologii necesită o evaluare tehnică amănunțită și asigurarea unui lanț de aprovizionare capabil să garanteze suportul pentru produse pentru mai mult de 20 de ani.
În procesul de validare a unei noi tehnologii pentru aplicații feroviare extrem de solicitante, procesul paralel, în curs de desfășurare, de electrificare a altor aplicații de transport și utilaje contribuie la accelerarea adoptării pe piață și a încrederii în WBG și, în special, în SiC. Industria auto a efectuat numeroase cercetări pentru a valida tehnologia WBG și adoptarea SiC și GaN în sistemele de propulsie și în încărcătoarele de baterii, creând astfel o bază pentru ca și alte segmente să adopte această tehnologie.
Figura 5: Convertor DC-DC SiC de 250 kW dezvoltat în cadrul proiectului MUSiCel al Fraunhofer IEE. (Sursa: PRBX/Fraunhofer IEE).
În proiectele de conversie de înaltă putere în regim de comutație, multe dintre acestea utilizează MOSFET-uri SiC în loc de IGBT-uri și merită menționat proiectul MUSiCel al Institutului Fraunhofer dedicat economiei energetice și tehnologiei sistemelor energetice, care, prin utilizarea semiconductorilor SiC cu bandă interzisă largă, a reușit să livreze 250 kW la o frecvență de comutație de 50 kHz, cu o eficiență pe întreaga gamă de putere care depășește 98% (la 100 kW, a fost măsurată o eficiență de chiar 98,8%!) (Figura 5). Inițial, proiectul MUSiCel a vizat electrificarea mașinilor agricole și a utilajelor destinate construcțiilor, deși se poate aplica în egală măsură și la sistemele de conversie de mare putere din domeniul feroviar și nu există nicio îndoială că astfel de cercetări vor contribui la adoptarea SiC în alte proiecte viitoare.
Cercetarea fezabilității, fiabilității și a beneficiilor în comparație cu tehnologiile anterioare este foarte importantă, dar pentru producătorii feroviari este esențial ca sustenabilitatea lanțului de aprovizionare pe termen lung să fie garantată pe durata de viață a echipamentului final. La fel ca în cazul tehnologiei MOSFET, producătorii de semiconductori WBG au investit în instalații de producție de volum sau în parteneriate, dar observăm, de asemenea, o serie de achiziții, de exemplu, Infineon a achiziționat GaN Systems, iar Renesas a achiziționat Transphorm. Lanțul de aprovizionare WBG pentru SiC și GaN intră acum într-o fază de maturitate, asigurând astfel o situație de disponibilitate a componentelor pe termen lung, atât de necesară.
Concluzie
La întrebarea care dă titlul articolului “Proiectarea ecologică, reutilizarea, repararea, prelungirea duratei de viață și noile tehnologii – este acesta noul paradox?”, răspunsul nu este nici “da”, nici “nu”, ci, după cum am dat ca exemplu industria feroviară, industria în ansamblu va trebui să ia în considerare toate aceste aspecte atunci când creează noi produse. Proiectarea ecologică a UE stabilește un nou mod de lucru și, de la o eficiență energetică mai mare până la prelungirea duratei de viață a echipamentelor finale, electronica de putere va juca un rol important. Cert este că pentru proiectanții de dispozitive de putere, va fi o ocazie minunată de a explora noi frontiere.
Referințe:
Powerbox (PRBX): https://www.prbx.com/
Ecochain: https://ecochain.com/
SNCF: https://www.sncf.com/en
Fraunhofer IEE: https://www.iee.fraunhofer.de/en.html
Autor: Patrick Le Fèvre,
Director Marketing & Communication
Despre autor
Patrick Le Fèvre este un specialist în marketing și inginer cu experiență, cu o carieră de 40 de ani de succes în domeniul electronicii de putere. El a fost un inițiator în promovarea noilor tehnologii, precum ‘putere digitală’ și al inițiativelor tehnice de reducere a consumului de energie. Le Fèvre a scris și a prezentat numeroase cărți albe și articole la cele mai importante conferințe internaționale de electronică de putere din lume. Acestea au apărut în peste 450 de publicații în mass-media din întreaga lume. De asemenea, este implicat în mai multe forumuri de mediu, împărtășindu-și expertiza și cunoștințele despre energia curată.
Powerbox – A Cosel Group Company
https://www.prbx.com
