Nevezetes LCA vizsgálatok az elektronikai ipar terület. letén. Kliment Tibor.

Átírás

1 Nevezetes LCA vizsgálatok az elektronikai ipar terület letén Gröller György BMF Kandó,, Mikroelektronikai és s Technológiai Intézet Kliment Tibor BMF Kandó,, Megújul juló Energiaforrás s Kutató Hely groller.gyorgy@kvk.bmf.hu, klimeti@yahoo.com

2 Miért az elektronikai ipar? Nagyon gyors fejlıdés, növekvı hulladéktermel ktermelés Rövid életciklusú termékek, gyors elévülés Új j anyagok, új j technológi giák k (Gd( Gd, Eu, InP, GaN, HfO 2, szerves félvezetf lvezetık, stb) Egy termékt ktípuson belül l is sok változat v (IC, NYÁK) LCA-val nehéz z követni, k ugyanakkor DfE nagy részben E-termE termékekre vonatkozik, szüks kség g van az LCA eredményekre

3 Környezetérzékeny termékek Alapelemek: IC NYÁK ólommentes, halogénmentes Számítógép, display,, nyomtató Fényforrások Áramforrások: - elektrokémiai - fotovoltaikus Minden egyéb b WEEE hatálya alá esı eszköz

4 Nyomtatott huzalozású lemez NYHL, NYÁK, PCB, PWB Szinte minden elektronikai termékben megtalálhat lható Szinte mindig a környezetterhelés s fıf hozzájárul rulói i között k van

5 Technológiai Környezeti K lépések hatások Hordozó elıáll llítás (Fúrás) Furatfémez mezés Rajzolat kialakítás Fotolitográfia Szitanyomtatás Galvanizálás Maratás Védılakk felvitel Felületkik letkikészítés Ag, Au, Ni, Sn bevonat Beültet ltetés, forrasztás Hıre nem lágyull gyuló polimer, üvegszálas kompozit Kezelıfürd rdık k (6-8) Kezelı, öblítı oldatok hulladékai Kimerült maratók (Cu-tart) Szerves oldószerek - VOC Cianidos fürdf rdık Ólommentes

6 LCA eredmények Adatbázisokban megtalálhat lható: 1 dm 2, kis-közepes zepes-nagy alkatrész sőrőségős Probléma: Nagyon sokféle párhuzamos technológiai megoldás Kis- közepes- nagyüzemi elıállítás Rétegszám Ipari osztályoz lyozás s bonyolultsági szint szerint (rajzolatfinomság, furatméret, ret, ~alkatrész sz-sőrőség), együttlamin ttlaminált lt vagy szekvenciális technológia

7 LCA eredmények Nagyobb vizsgálatok az RoHS direktíva kapcsán, elsısorban sorban az ólommentes forraszanyagok használat latáról 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)

8 Ólommentes forrasztás Forrasztási si technológi giák: Hullámforrasztás Újraömlesztéses (reflow) Mindkét esetben a teljes panel melegszik Új j tényezt nyezık, következmk vetkezmények: Többféle forraszösszetétel Magasabb op, kisebb technológiai ablak, Nagyobb hıtőréső mőanyagok Gyengébb nedvesítés új felületkikészítési eljárások: Ag, Au, Ni (gyakran cianidos Ag, Au fürdık)

9 1. N.Warburg IKP University of Stuttgart, 2002 RoHS elıtt 4 évvel, nem volt tapasztalat az életút t végérıl, v ezért a rendszerhatár r a nyersanyag felhozataltól l a gyárkapuig (a használati fázisban f nincs különbsk nbség) Funkcionális egység: g: 1 kg forrasz (sőrőségkülönbség g ~ 15 %) inkább a térfogat t a jellemzı Csak reflow,, hullám m nem Kétféle ólmozott, 8 ólommentes forrasz: Sn (<90%), Ag, Cu, Zn, Bi 5 hatáskateg skategória + energiaigény ny

10 2. J.R.Geibig,, M.L. Socolof: Solders Solders in Electronics: A Life-Cycle Assessment EPA,2005 Egy ólmos és s négy n ólommentes forrasz Funkcionális egység g 1000 cm 2 NYÁK Teljes életciklus, hulladék k kezeléssel együtt Reflow és s hullámforraszt mforrasztás GaBi szoftver, 16 hatáskateg skategória, azok között már m r nem végeztek v összehasonlítástst

11 3. C.Alvarado Ascencio,, J. Madsen: LCA comparison of alternative soldering techniques 2005 Pre EFSOT projekt (Environment( Friendly Soldering Technology) Két ólmos, három h ólommentes forrasz Kiterjed a felületkik letkikészítı mőveletekre Eco-indicator 99 alkalmazása, részben r továbbfejleszt bbfejlesztése se az értékelés s szakaszban (pl. term.. erıforr források fogyása, egészs szségkárosítás) s) Funkcionális egység: g: 1 cm 2 NYÁK, Reflow és s hullámforraszt mforrasztás

12 4. O.Deubzer: Explorative Study into the Sustainable Use and Substitution of Soldering Metals in Electronics PhD Thesis,, TU Delft 2007 Fenntarthatóság ólommentes ajánl nlások Vizsgálta: Forraszok és felületkikészítı anyagok Fémércek elıállítása, forrasz-ötvözetek elıállítása Forrasztási technológiák a NYÁK-gyártásban Életút vége, különös figyelemmel a fémekre Top-down megközel zelítés: kiindulás s a világ el.ipara által használt össz.. forrasz. Ebbıl vezeti le a kül.. technológiai változatokat. v Globális lis környezeti k következtetk vetkeztetések. Régi: bottom-up egyedi folyamatokból l globális lis következtetések.

13 Eredmények (Warburg) A teljes termék környezetterhelésében a forrasz nagyon kis tényezı Szinte minden hatáskateg skategóriában a legnagyobb terhelı az Ag

14 Az ezüst szerepe [2] GaBi ezüstre vonatkozó adatait lecserélte DEAM adatbáziséra (ECOBILAN) (Táblázat: Hány hatáskategóriában bizonyult a legnagyobb / legkisebb terhelınek) Forrasz paszta SnPb GaBi adatbázis Legmagasabb pontszám 6 Legkisebb pontszám 5 DEAM adatbázis Legmagasabb pontszám 14 Legkisebb pontszám 0 SAC BSA SABC

15 Alternatív v kilúgoz gozási teszt Az ólomtartalmú forraszoknál l a legnagyobb hatáspontok a nem rákos betegségek gek és s a vízi v toxicitás s kategóri riákban volt. A klasszikus (EPA) TCLP teszt (Toxicity( Characteristic Leaching Procedure) ) helyett érzékenyebb módszer. m Az eredmény: az SnPb forrasz maradt a legmagasabb ponttal, de az érték kb negyedére csökkent. [2] Hatás kategória Egység/ g/ funkc. egység SAC GaBi adatbázis BSA SABC SnPb Alternatív SnPb Nemrákos betegs kg nemrákos kos- toxikus a.ekviv Vízi toxicitás kg vizi toxikus a. ekviv 36,4 23,4 38,

16 A nemesfémek mek [3] EFSOT: módszer m a fémelıállítás karakterizáci ciós faktorainak számítására: többlet (hozzáadott) energia (surplus( energy) A forraszfémek összesített LCA eredményei

17 Felületkik letkikészítés Az új j forraszok nedvesítése se rosszabb a tiszta Cu felületen, leten, kell egy felületi leti rétegr Ólmozottnál: l: SnPb (Hot Air solder Levelling) olvadékb kból Ólommentesnél: l: NiAu, Ag, AuPd kémiai redukciós s fürdf rdıbıl, d<1µm többi olvadékb kból Az összes gyártott NYÁK- mennyiséghez szüks kséges felületkik letkikészítés s energiaigénye nye [4]

18 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 teljesítm tmény (kw) Vitronics-Soltec 8,3 9,1 6,8 9,1 Intel 23,3 25,2 15,7 25,2 Átl.. energia fogyasztás s MJ/kg) 412 (?) 447 (?) 297 (?) 447 (?) Átl energ. hullámforr mforr,

19 Hulladék újrahasznosítás Életút t vége: v kevés s megbízhat zható adat a visszagyőjt jtési arányr nyról EPA [2] szerint: Lerakás 72% Égetés 19% Recycling Szétszerelés és rézkohó 4,5% Szabályozatlan 4,5% Deubzer [4]: újrahasz- nosítás hatása a primer nyersanyag igényre Gyárt rtási hulladék recycling Hullámforrasztásnál nagy Reflow kevesebb EoL hulladék

20 Kohászati újrahasznosítás során n a visszanyerhetı fém m kitermelési %-a a [4] Csak az EoL hulladékokra

21 EPA összegzı táblázat

22 Pre összegzı táblázat A hullámforraszt mforrasztásnál l vastagabb a réteg, r több t anyagot használnak SAC 3: SnAgCu,, 3%Ag ENIG: ~5µm m redukciós s Ni és s ~ 0,1µm m immerziós s Au SAC és SnPb: : olvadékba merítés és s forróleveg levegıs s lefújás. ~ 5µm 5

23 Fényforrások Lámpatípusok: pusok: Normál izzók, halogénlámpák Kisnyomású kisülılámpák: normál fénycsı, kompakt fénycsı Nagynyomású kisülılámpák: Hg-gız-, Na-, fémhalogén-, xenon lámpa Szilárdtest fényforrások: LED, OLED

24 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 ~1000 óra Kisülılámpák óra LED-ek óra

25 Környezeti problémák Alapanyagok Hg: szinte minden kisülılámpában < 5 mg/lámpa Fényporok között toxikus anyagok Gyárt rtás s döntd ntı része Kínában, K nincsenek megbízhat zható környezeti adatok, hosszú száll llítás Hulladék k visszagyőjt jtés, újrahasznosítás Fényszennyezés s (LCA nem tartalmazza)

26 Hatásfok javulás és s generáci ció váltások Várhatóan an versenyben maradó fényforrások: Kisnyomású Hg-gız (egyenes, kompakt) Fém-halogén LED Kis és s nagynyomású Na lámpl mpák k a rossz színvisszaad nvisszaadás miatt csak korlátozott területen használhat lhatók

27 LCA erdmények 4 vizsgált lámpatl mpatípus: pus: T5 fénycsı Kerámiacsöves fémhalogén LED beépített elıtéttel LED elıtét nélkül, reflektorral Mind a négy n inkább közületi, k nem lakossági használatra Összehasonlításul sul 23W-s kompakt fénycsı 100W-s normál izzó Mindegyik 100 lm/w közelében (elıtéttel ttel együtt), és s várhatv rhatóan an éven belül l meg is haladják. Nagyon különbk nbözı teljesítm tmény (12w 100W) 5. Life Cycle Assessment of Ultra-Efficient Lamps 2009, Defra (Department for Environment, Food and Rural Affairs)

28 LCA cél, c hatókör Ecoinvent adatbázis Funkcionális egység: g: 1 Mlm-óra fényenergia kisugárz rzása Típus Izzó Halogén Fényhaszno- sítás lm/w Élettartam óra CRI Beszámítva az elıtétet, tet, együtt épített lámpahl mpaházat Típusonként nt csak egy termék, egy gyárt rtó, a gyárt rtás s zöme z Kínában. Kompakt T5 fénycsf nycsı T8 fénycsf nycsı LED + elıtét LED Fémhalogén

29 LCA eredmények Leltáradatok az ecoinvent adatbázisb zisból. Ahol nem volt, hasonló anyaggal, technológiai lépéssel l helyettesítettek tettek (pl. lámpatest l szerelés LCD monitor szerelés, s, utóbbi biztos nagyobb terhelés)

30 LCA eredmények Hatásért rtékelés összesített adatai Jelenlegi állapot 2015-re várható állapot

31 LCA eredmények (Rocky Mountain Institute) Normál l izzó és s 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

32 Napelemek, Fotovoltaikus eszközök Technológia 1 a Monokristályos Több évtizede alkalmazott gyárt rtási és s telepítési eljárások Több évtizede kipróbált megbízhat zható energiatermelés Magyarországi gi technológiai tudás és s tapasztalatok

33 Napelemek, Fotovoltaikus eszközök Viták-Technol Technológia-LCA eredmények

34 Vitatott és s eltérı vélemények Üzemanyag elérhet rhetısége-ellátás megbízhat zhatósága Kibocsátások sok (Beruh( Beruházás-Üzemeltetés-Bontás) Területig letigény (az üzemanyag-kitermeléssel együtt), környezeti átalakítás s (rombolás) Üzemanyag-felhasználás s költsk ltsége, ellátási rendszere (a teljes életciklus alatt) Költségek (Beruh( Beruházás-Üzemeltetés-Karbantartás- Bontás-Finansz Finanszírozás) IRR (Internal( Rate of Return), NPV (Net Present Value), ROI Return on Investment

35 Technológiai lehetıségek 1 a Monokristályos Több évtizede alkalmazott gyárt rtási és s telepítési eljárások Több évtizede kipróbált megbízhat zható energiatermelés Magyarországi gi technológiai tudás és s tapasztalatok

36 Technológiai lehetıségek 1 a Monokristályos Több évtizede alkalmazott gyárt rtási és telepítési eljárások 100 kwp egy rendszerbe beépített teljesítm tmény Magyarországon gon Magyarországi gi technológiai tudás és tapasztalatok

37 Technológiai lehetıségek 1 b Polikristályos lyos Több évtizede alkalmazott gyárt rtási és telepítési eljárások Több évtizede kipróbált megbízhat zható energiatermelés Magyarországi gi technológiai tudás és tapasztalatok

38 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 1 b 1 b Polikrist Polikristályos lyos Technol Technológiai lehet giai lehetıségek gek

39 Technológiai lehetıségek 2 VékonyrV konyréteg (Amorf Si, CdTe, CIS/CuInSe CuInSe ) Energetikai hatásfok kérdések Technológiai és s gazdasági gi elıny nyök Élettartam és energiatermelés s adatok szőkösebbek sebbek

40 Technológiai lehetıségek 3 Nanotechnológia, fullerének nek, szerves anyagok alkalmazása A legutóbbi idıszak kutatásainak területe Energetikai hatásfok kérdések Élettartam és energiatermelés s adatok szőkösebbek sebbek

41 LCA szüks kségessége Bürstadt, Németország, 5000kWp Ekkora PV szerkezetek élettartama végén n jelentıs anyagtömeg lesz lebontva

42 LCA eredmények Fthenakis,, Kim, Alsema 2008 elemzése Az olajtüzel zelés adja a legtöbb kadmiumot Cd g/gwh ,90 Mono Si 0,90 Multi Si Cd emisszio Fthenakis,Kim,Alsema 43,30 6,20 3,10 0,80 0,30 0,20 Amorf Si CdTe Szén Lignit Földgáz Olaj C7 0,50 Atom 0,03 Víz

43 LCA eredmények 2007-es vizsgálat Globális lis felmelegedés hatás s a különbözı energiafajták használat latából GWP Szén GWP Raugel,Frank,Alsema,Fthenakis,Wild-Scholten Olaj Kombinált Ciklus gáz 45 Kombinált biomassza PV mc Si C Atom USA 18 PV CdTe 11 Szél

44 PVmcSi,Fthenakis,2008 PVCdTe,Fthenakis,2008 LCA eredmények Üvegh vegházg zgázok: zok: GHG g CO2eq/kWh Chart of GHG g CO2eq/kWh Szén,Kim-Dale,2005 Földgáz,Kim-Dale,2005 Kıolaj,Kim.Dale,2005 Atom,Kim-Fthenakis,2007 Brookhaven National Laboratory Columbia University 2009 Recycling Scoping Workshop C

45 LCA eredmények 2006-os vizsgálat Széndioxid termelés különbözı energetikai technológi giák esetén n a teljes élettartamra g CO2 eq/kwh CCGT CO2 eq g / kwh Alsema,Wild-Scholten,Fthenakis Szénelgázosítás Atom EU 25 Atom USA Biomassza CHP C Szél mc SI 25 CdTe

46 LCA eredmények 2008-as vizsgálat No villamos energia kisebb CO2 terhelést ad a PV gyárt rtásnál, mint az UCTE termelés CO2 eq (kg)/solar Si kg Wild-Scholten,Glockner,Odden,Halvorsen,Tronstad kg CO2eq/kg SolarSi ELKEM Solar No El. energ. ELKEM Solar UCTE El. energ. C16

47 LCA eredmények A fotovoltaikus eszközök gyárt rtási technológiai fejlıdése lényegesen csökkentette az energiaigényt nyt és s CO2 kibocsátást st Energia PV Si MJ/kg Energia PV Si Alsema-Wild-Scholten Hunt 1976 Hagedorn 1992 Alsema 1998 Alsema 2005 C Alsema 2007

48 LCA eredmények USA, Canada PV igény 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

49 LCA eredmények Egy javasolt újrahasznosítási si eljárás First Solar Panelbegyőjtés Ingyenesen Törés Darabolás Vegyi kezelés Szilárd Részek Kiszőrése Félvezetı Visszanyerés 95% Üveg Vissza- Nyerés 90% Újra- Gyártás

50 LCA eredmények CIS modul A típust B TípusT CdTe modul C TípusT Amorf modul D típust Visszatermelt Anyagok % % Visszatermelt Anyagok % Visszatermelt Anyagok % Üveg 75,27 84,6 Üveg 83,5 Üveg 89,78 Alumínium 15,05 10,5 Alumínium 12,29 Alumínium 0,04 Indium 0,02 0,02 Tellurium 0,13 Réz 1,51 0,85 Réz 0,2 Gallium 0,01 0,01 Hulladék % % Hulladék % Hulladék % Polimerek 6,52 5,8 Polimerek 3,67 Polimerek 9,84 Veszélyes % % Veszélyes % Veszélyes % Kadmium 0,0005 Solar World Kadmium 0,1336 Kadmium

51 LCA eredmények Németország g legrégebbi gebbi PV rendszerének nek (Pellworm) újrahasznosításasa 252,720 Wp teljesítm tmény azaz 15,795 modul újrahasznosításasa 315,900 cella (cella hatásfok: 8 %) és bontáskor 88 %-a% a az eredeti hatásfoknak Hat új j rendszer: 237,788 Wp teljesítm tménnyel Az új j cellák k hatásfoka: % 3.3 tonna acél újrahasznosításasa 487 kg törött t tt cella újrakristályosítása sa új öntvényekbenyekbe 18 tonna üveg visszanyerése se az üveg-újrahasznosítási si folyamatba Solar World

52 LCA eredmények Koroneos, Stylos, Moussiopoulos vizsgálata 2006 A fotovoltaikus rendszerek élettartamuk alatt kevesebb, mint 10%-át t bocsátj tják k ki a legtöbb környezeti terhelésnek a Diesel aggregátos villamosenergia termeléshez viszonyítva megtermelt kwh egységekre gekre visszaszámolva a görög g szigetek adottságai között. k

53 Kérdés? Köszönjük k a figyelmet!