Nevezetes LCA vizsgálatok az elektronikai ipar területén Gröller György BMF Kandó, Mikroelektronikai és Technológiai Intézet
Kliment Tibor BMF Kandó, Megújuló Energiaforrás Kutató Hely
[email protected],
[email protected]
Miért az elektronikai ipar? • Nagyon gyors fejlıdés, ⇒ növekvı hulladéktermelés • Rövid életciklusú termékek, gyors elévülés • Új anyagok, új technológiák (Gd, Eu, InP, GaN, HfO2, szerves félvezetık, stb) • Egy terméktípuson belül is sok változat (IC, NYÁK) • LCA-val nehéz követni, ugyanakkor DfE nagy részben E-termékekre vonatkozik, szükség van az LCA eredményekre
Környezetérzékeny termékek • Alapelemek:
IC
NYÁK – ólommentes, halogénmentes
• Számítógép, display, nyomtató • Fényforrások • Áramforrások: - elektrokémiai - fotovoltaikus • Minden egyéb WEEE hatálya alá esı eszköz
Nyomtatott huzalozású lemez NYHL, NYÁK, PCB, PWB
• Szinte minden elektronikai termékben megtalálható • Szinte mindig a környezetterhelés fı hozzájárulói között van
Technológiai lépések • Hordozó elıállítás – (Fúrás)
• Furatfémezés • Rajzolat kialakítás – – – – –
Fotolitográfia Szitanyomtatás Galvanizálás Maratás Védılakk felvitel
Környezeti hatások • Hıre nem lágyuló polimer, üvegszálas kompozit • Kezelıfürdık (6-8)
– Kezelı, öblítı oldatok hulladékai – Kimerült maratók (Cu-tart) – Szerves oldószerek - VOC
• Felületkikészítés – Ag, Au, Ni, Sn bevonat
• Beültetés, forrasztás
• Cianidos fürdık • Ólommentes
LCA eredmények • Adatbázisokban megtalálható: 1 dm2, kis-közepes-nagy alkatrész sőrőségő • Probléma: – Nagyon sokféle párhuzamos technológiai megoldás – Kis- közepes- nagyüzemi elıállítás – Rétegszám 1-2-4-…-16
• Ipari osztályozás bonyolultsági szint szerint (rajzolatfinomság, furatméret, ~alkatrész-sőrőség), együttlaminált vagy szekvenciális technológia
LCA eredmények Nagyobb vizsgálatok az RoHS direktíva kapcsán, elsısorban az ólommentes forraszanyagok használatáról Alapvetı probléma: Az ólom károsító hatása fıképp az életút végén a hulladékká váláskor jelentkezik (krónikus betegségek, ökotoxicitás) Az alternatív forraszok az elıállítás során okoznak nagyobb terhelést (nyersanyagenergia-fogyasztás)
Ólommentes forrasztás • Forrasztási technológiák: – Hullámforrasztás – Újraömlesztéses (reflow) Mindkét esetben a teljes panel melegszik
• Új tényezık, következmények: – Többféle forraszösszetétel – Magasabb op, kisebb technológiai ablak, – Nagyobb hıtőréső mőanyagok – Gyengébb nedvesítés ⇒ új felületkikészítési eljárások: Ag, Au, Ni (gyakran cianidos Ag, Au fürdık)
1. N.Warburg IKP University of Stuttgart,
2002
• RoHS elıtt 4 évvel, nem volt tapasztalat az életút végérıl, ezért a rendszerhatár a nyersanyag felhozataltól a gyárkapuig (a használati fázisban nincs különbség) • Funkcionális egység: 1 kg forrasz (sőrőségkülönbség ~ 15 %) inkább a térfogat a jellemzı • Csak reflow, hullám nem • Kétféle ólmozott, 8 ólommentes forrasz: Sn (<90%), Ag, Cu, Zn, Bi • 5 hatáskategória + energiaigény
2. J.R.Geibig, M.L. Socolof: Solders in Electronics: A Life-Cycle Assessment EPA,2005 • • •
Egy ólmos és négy ólommentes forrasz Funkcionális egység 1000 cm2 NYÁK Teljes életciklus, hulladék kezeléssel együtt • Reflow és hullámforrasztás • GaBi szoftver, 16 hatáskategória, azok között már nem végeztek összehasonlítást
3. C.Alvarado Ascencio, J. Madsen: LCA comparison of alternative soldering techniques 2005 Pre • EFSOT projekt (Environment –Friendly Soldering Technology) • Két ólmos, három ólommentes forrasz • Kiterjed a felületkikészítı mőveletekre • Eco-indicator 99 alkalmazása, részben továbbfejlesztése az értékelés szakaszban (pl. term. erıforrások fogyása, egészségkárosítás) • Funkcionális egység: 1 cm2 NYÁK, • Reflow és hullámforrasztás
4. O.Deubzer:
Explorative Study into the Sustainable Use and Substitution of Soldering Metals in Electronics PhD Thesis, TU Delft 2007
• •
Fenntarthatóság – ólommentes – ajánlások Vizsgálta: – – – –
Forraszok és felületkikészítı anyagok Fémércek elıállítása, forrasz-ötvözetek elıállítása Forrasztási technológiák a NYÁK-gyártásban Életút vége, különös figyelemmel a fémekre
•
„Top-down” megközelítés: kiindulás a világ el.ipara által használt össz. forrasz. Ebbıl vezeti le a kül. technológiai változatokat. ⇒ Globális környezeti következtetések.
•
Régi: „bottom-up” egyedi folyamatokból globális következtetések.
Eredmények
(Warburg)
• A teljes termék környezetterhelésében a forrasz nagyon kis tényezı
Szinte minden hatáskategóriában a legnagyobb terhelı az Ag
Az ezüst szerepe • [2] GaBi ezüstre vonatkozó adatait lecserélte DEAM (Táblázat: Hány adatbáziséra (ECOBILAN) hatáskategóriában bizonyult a legnagyobb / legkisebb terhelınek)
Forrasz paszta
GaBi adatbázis
DEAM adatbázis
Legmagasabb Legkisebb pontszám pontszám
Legmagasabb Legkisebb pontszám pontszám
SnPb
6
5
14
0
SAC
10
0
1
1
BSA
0
11
1
15
SABC
0
0
0
0
Alternatív kilúgozási teszt • Az ólomtartalmú forraszoknál a legnagyobb hatáspontok a nem rákos betegségek és a vízi toxicitás kategóriákban volt. A klasszikus (EPA) TCLP teszt (Toxicity Characteristic Leaching Procedure) helyett érzékenyebb módszer. Az eredmény: az SnPb forrasz maradt a legmagasabb ponttal, de az érték kb negyedére csökkent. [2]
Hatás kategória
Egység/ funkc. egység
Nemrákos betegs Vízi toxicitás
GaBi adatbázis
Alternatív
SAC
BSA
SABC
SnPb
kg nemrá nemrákoskostoxikus a.ekviv
1054
5010
7840 88000
kg vizi toxikus a. ekviv
36,4
23,4
38,5
1270
SnPb 24100 276
A nemesfémek [3] • EFSOT: módszer a fémelıállítás karakterizációs faktorainak számítására: többlet (hozzáadott) energia (surplus energy)
A forraszfémek összesített LCA eredményei
Felületkikészítés • Az új forraszok nedvesítése rosszabb a tiszta Cu felületen, kell egy felületi réteg • Ólmozottnál: SnPb (Hot Air solder Levelling) olvadékból • Ólommentesnél: NiAu, Ag, AuPd kémiai redukciós fürdıbıl, d<1µm többi olvadékból
Az összes gyártott NYÁKmennyiséghez szükséges felületkikészítés energiaigénye [4]
Reflow forrasztás Sokzónás (ábrán 10) kemence Nagy teljesítményő főtés (infra) Szerves kötıanyag, gyanta kiég – VOC Legfıbb technológiai paraméter az olvadt állapot ideje, hıprofil Forrasz típus
SnPb SAC BSA SABC
Kemence teljesítmény (kW) Vitronics-Soltec
8,3 9,1 6,8 9,1
Intel
23,3 25,2 15,7 25,2
Átl. energia Átl energ. fogyasztás MJ/kg) hullámforr,
412 447 297 447
(?) (?) (?) (?)
58 67 -
Hulladék újrahasznosítás Életút vége: kevés megbízható adat a visszagyőjtési arányról • EPA [2] szerint: • Lerakás 72% • Égetés 19% • Recycling – Szétszerelés és rézkohó 4,5% – Szabályozatlan 4,5%
• Deubzer [4]: újrahasznosítás hatása a primer nyersanyag igényre • Gyártási hulladék recycling – Hullámforrasztásnál nagy – Reflow kevesebb
• EoL hulladék
Kohászati újrahasznosítás során a visszanyerhetı fém kitermelési %-a [4]
Csak az EoL hulladékokra
EPA összegzı táblázat
Pre összegzı táblázat
• A hullámforrasztásnál vastagabb a réteg, több anyagot használnak SAC 3: SnAgCu, 3%Ag ENIG: ~5µm redukciós Ni és ~ 0,1µm immerziós Au SAC és SnPb: olvadékba merítés és forrólevegıs lefújás. ~ 5µm
Fényforrások • Lámpatípusok: – Normál izzók, halogénlámpák – Kisnyomású kisülılámpák: normál fénycsı, kompakt fénycsı – Nagynyomású kisülılámpák: Hg-gız-, Na-, fémhalogén-, xenon lámpa – Szilárdtest fényforrások: LED, OLED
Követelmények • Fénytechnikai: – Színhımérséklet (meleg fehér, hideg fehér) – Színvisszaadás CRI ≤ 1 normál izzó CRI = 1, többi kisebb. Megfelelı, ha CRI > 0,8.
• Hatásfok: – Fényhasznosítás: kibocsátott fényáram / felvett teljesítmény lm/w kisülılámpáknál elıtéttel együtt illik megadni
• Élettartam: – Normál izzó – Kisülılámpák – LED-ek
~1000 óra 10- 20 000 óra 20 – 50 000 óra
Környezeti problémák • Alapanyagok – Hg: szinte minden kisülılámpában < 5 mg/lámpa – Fényporok között toxikus anyagok
• Gyártás döntı része Kínában, nincsenek megbízható környezeti adatok, hosszú szállítás • Hulladék visszagyőjtés, újrahasznosítás • Fényszennyezés (LCA nem tartalmazza)
Hatásfok javulás és generáció váltások Várhatóan versenyben maradó fényforrások: • Kisnyomású Hg-gız (egyenes, kompakt) • Fém-halogén • LED Kis és nagynyomású Na lámpák a rossz színvisszaadás miatt csak korlátozott területen használhatók
LCA erdmények • 4 vizsgált lámpatípus: – – – –
T5 fénycsı Kerámiacsöves fémhalogén LED beépített elıtéttel LED elıtét nélkül, reflektorral
Mind a négy inkább közületi, nem lakossági használatra • Összehasonlításul
• Mindegyik 100 lm/W közelében (elıtéttel együtt), és várhatóan 56 éven belül meg is haladják. • Nagyon különbözı teljesítmény (12w – 100W)
– 23W-s kompakt fénycsı – 100W-s normál izzó 5. Life Cycle Assessment of Ultra-Efficient Lamps (Department for Environment, Food and Rural Affairs)
2009, Defra
LCA cél, hatókör • Ecoinvent adatbázis Típus • Funkcionális egység: Izzó 1 Mlm-óra fényenergia Halogén kisugárzása • Beszámítva az elıtétet, együtt épített lámpaházat
Fényhaszno- Élettartam sítás lm/W óra
CRI
8 – 17
1 000
95 100
10 – 30
2 000
95 – 100
60 – 75
6 - 15000
70 -90
T5 fénycsı
90 – 104
24 000
80 – 90
T8 fénycsı
75 – 96
24 – 70000
80 – 90
40 – 60
20 000
80
45 – 65
50 000
80
75 - 90
12 000
80 - 90
Kompakt
• Típusonként csak egy termék, egy gyártó, LED + elıtét a gyártás zöme LED Kínában. Fémhalogén
LCA eredmények • Leltáradatok az ecoinvent adatbázisból. Ahol nem volt, hasonló anyaggal, technológiai lépéssel helyettesítettek (pl. lámpatest szerelés → LCD monitor szerelés, utóbbi biztos nagyobb terhelés)
LCA eredmények Hatásértékelés összesített adatai
Jelenlegi állapot
2015-re várható állapot
LCA eredmények (Rocky Mountain Institute)
Normál izzó és kompakt fénycsı összehasonlítás • Hg emisszió • Fénycsı gyakori ki/be kapcsolás – 1 óra: 80% élettartam – 15 perc: 30% élettartam
6. L. Ramroth: Comparison of Life-Cycle Analyses of Compact Fluorescent and Incandescent Lamps Based on Rated Life of Compact Fluorescent Lamp 2008
Napelemek, Fotovoltaikus eszközök
• 1 a Monokristályos Több évtizede alkalmazott gyártási és telepítési eljárások Több évtizede kipróbált megbízható energiatermelés Magyarországi technológiai tudás és tapasztalatok
Technológia
Napelemek, Fotovoltaikus eszközök
Viták-Technológia-LCA eredmények
Vitatott és eltérı vélemények • • • • • •
Üzemanyag elérhetısége-Ellátás megbízhatósága Kibocsátások (Beruházás-Üzemeltetés-Bontás) Területigény (az üzemanyag-kitermeléssel együtt), környezeti átalakítás (rombolás) Üzemanyag-felhasználás költsége, ellátási rendszere (a teljes életciklus alatt) Költségek (Beruházás-Üzemeltetés-KarbantartásBontás-Finanszírozás) IRR (Internal Rate of Return), NPV (Net Present Value), ROI Return on Investment
Technológiai lehetıségek • 1 a Monokristályos Több évtizede alkalmazott gyártási és telepítési eljárások Több évtizede kipróbált megbízható energiatermelés Magyarországi technológiai tudás és tapasztalatok
Technológiai lehetıségek • 1 a Monokristályos Több évtizede alkalmazott gyártási és telepítési eljárások 100 kWp egy rendszerbe beépített teljesítmény Magyarországon Magyarországi technológiai tudás és tapasztalatok
Technológiai lehetıségek • 1 b Polikristályos Több évtizede alkalmazott gyártási és telepítési eljárások Több évtizede kipróbált megbízható energiatermelés Magyarországi technológiai tudás és tapasztalatok
Technológiai lehetıségek • 1 b Polikristályos
Nagytisztaságú SiO2 Gyártás
Nagytisztaságú Si Gyártás
Nagytisztaságú Sikristály és Lapkagyártás
P-N Átmenet Kialatás Formázás
Hátoldal Kialakítás és Csatlakozások
Elsıoldal Kialakítás és Csatlakozások
Ellenırzés Végszerelés
Technológiai lehetıségek • 2 Vékonyréteg (Amorf Si, CdTe, CIS/CuInSe…) Energetikai hatásfok kérdések Technológiai és gazdasági elınyök Élettartam és energiatermelés adatok szőkösebbek
Technológiai lehetıségek • 3 Nanotechnológia,
fullerének, szerves anyagok alkalmazása A legutóbbi idıszak kutatásainak területe Energetikai hatásfok kérdések Élettartam és energiatermelés adatok szőkösebbek
LCA szükségessége • • •
Bürstadt, Németország, 5000kWp
Ekkora PV szerkezetek élettartama végén jelentıs anyagtömeg lesz lebontva
LCA eredmények
Az olajtüzelés adja a legtöbb kadmiumot
43,30
40
30 Cd g/GWh
Fthenakis, Kim, Alsema 2008 elemzése
Cd emisszio Fthenakis,Kim,Alsema
20
10 6,20 3,10 0,90
0,90
0,80
0,30
Mono Si
Multi Si
Amorf Si
CdTe
0,20
0 Szén
Lignit
C7
Földgáz
Olaj
0,50
0,03
Atom
Víz
LCA eredmények GWP Raugel,Frank,Alsema,Fthenakis,Wild-Scholten 900
900 850
800 700 GWP 2007
• 2007-es vizsgálat • Globális felmelegedés hatás a különbözı energiafajták használatából
600 500 400
400 300 200 100
45
0 én Sz
j la O
z gá
s klu i om bi tC l t ál ná in bi b m m Ko Ko
a sz as
37
PV
m
C13
c
24
Si om At
A US
18
PV
Te Cd
11
él Sz
LCA eredmények Chart of GHG g CO2eq/kWh
Üvegházgázok: GHG g CO2eq/kWh
• Brookhaven National Laboratory • Columbia University • 2009 Recycling Scoping Workshop
1205
1200 1000
860 780
800 600 400 200
24
24
7
8 00 2 , ki s
32
0
im ,K n é Sz
e al -D
0 ,2
05
Fö
g ld
im ,K z á
e al -D
00 ,2
5
a ol ı K
im j,K
20 e, l a .D
05
om At
im K ,
a en h Ft
0 20 , kis
P
C3
e dT C V
,
a en h Ft
P
i, cS Vm
a en h Ft
0 20 , kis
8
LCA eredmények CO2 eq g / kWh Alsema,Wild-Scholten,Fthenakis 400
g CO2 eq/kWh
• 2006-os vizsgálat • Széndioxid termelés különbözı energetikai technológiák esetén a teljes élettartamra
400
300 200
200
100 45 25
0 GT CC Sz
ítá os z á lg e én
s A
m to
EU om At
A US
32
25
SI
Te Cd
11
6
a sz s a
om Bi C20
P CH
é Sz
l m
c
LCA eredmények
35 31
30 kg CO2eq/kg SolarSi
• 2008-as vizsgálat • No villamos energia • kisebb CO2 terhelést ad • a PV gyártásnál, mint az UCTE termelés
CO2 eq (kg)/Solar Si kg Wild-Scholten,Glockner,Odden,Halvorsen,Tronstad
25 20 15
14
10 5 0 ELKEM Solar No El. energ.
ELKEM Solar UCTE El. energ. C16
LCA eredmények Energia PV Si Alsema-Wild-Scholten 7000
6700
6000 Energia PV Si MJ/kg
• A fotovoltaikus eszközök gyártási technológiai fejlıdése lényegesen csökkentette az energiaigényt és CO2 kibocsátást
5000 4000 3000 2000 1100
1120
1070
1070
Hagedorn 1992
Alsema 1998 C10
Alsema 2005
Alsema 2007
1000 0 Hunt 1976
LCA eredmények USA, Canada PV igény 2009-2012 PV Recycling LLC J.J Woolwich
Selejtarány 1 %
5,597 MW
55.97MW
22,388,000 modul
223,880 modul
5,597,000 modul átlagosan évente
55,970 modul átlagosan évente
LCA eredmények • Egy javasolt újrahasznosítási eljárás First Solar
Panelbegyőjtés Ingyenesen
Törés Darabolás
Vegyi kezelés
Szilárd Részek Kiszőrése
Félvezetı Visszanyerés
Üveg VisszaNyerés 90%
95%
ÚjraGyártás
LCA eredmények CIS modul
A tí típus
Visszatermelt Anyagok
%
B Tí Típus
CdTe modul
C Tí Típus
Amorf modul
D tí típus
%
Visszatermelt Anyagok
%
Visszatermelt Anyagok
%
Üveg
75,27
84,6
Üveg
83,5
Üveg
89,78
Alumí Alumínium
15,05
10,5
Alumí Alumínium
12,29
Alumí Alumínium
0,04
Indium
0,02
0,02
Tellurium
0,13
Réz
1,51
0,85
Réz
0,2
Gallium
0,01
0,01
Hulladé Hulladék
%
%
Hulladé Hulladék
%
Hulladé Hulladék
%
Polimerek
6,52
5,8
Polimerek
3,67
Polimerek
9,84
Veszé Veszélyes
%
%
Veszé Veszélyes
Veszé Veszélyes
%
Kadmium
0,0005
Solar World
Kadmium
% 0,1336
Kadmium
LCA eredmények • Németország legrégebbi PV rendszerének (Pellworm) újrahasznosítása • 252,720 Wp teljesítmény azaz 15,795 modul újrahasznosítása 315,900 cella (cella hatásfok: 8 %) és bontáskor 88 %-a az eredeti hatásfoknak • Hat új rendszer: 237,788 Wp teljesítménnyel • Az új cellák hatásfoka: 12-14 % • 3.3 tonna acél újrahasznosítása • 487 kg törött cella újrakristályosítása új öntvényekbe • 18 tonna üveg visszanyerése az üveg-újrahasznosítási folyamatba • Solar World
LCA eredmények Koroneos, Stylos, Moussiopoulos vizsgálata 2006 A fotovoltaikus rendszerek élettartamuk alatt kevesebb, mint 10%-át bocsátják ki a legtöbb környezeti terhelésnek a Diesel aggregátos villamosenergia termeléshez viszonyítva megtermelt kWh egységekre visszaszámolva a görög szigetek adottságai között.
Kérdés?
Köszönjük a figyelmet!
