De impact van elektronica op het milieu is groot, maar niemand weet hoé groot

“Tijdens mijn presentatie licht ik de lean ecodesign-methode toe,” vertelt Willems. “Deze methode is gebaseerd op een laagdrempelige inschatting van de milieu-impact van een elektronicaontwerp”. Lean ecodesign is uitgewerkt binnen het ESA-project ‘Green eSpace’ waarin imec samenwerkt met de Vlaamse onderzoeksorganisatie VITO en industriepartner OHB, een Duits bedrijf dat zich specialiseert in ruimtevaarttechnologie.

Traditionele aanpak
Green eSpace is op haar beurt onderdeel van het ‘Clean Space programma’. Dit programma onderzoekt hoe ESA en ruimtevaartbedrijven de impact van ruimtevaart op de planeet en haar omgeving kunnen minimaliseren, bijvoorbeeld door ruimtevaartelektronica milieuvriendelijker te produceren. Willems legt uit: “De traditionele aanpak van ecodesign wil elke ontwerpiteratie onderwerpen aan een Life Cycle Analyse (LCA) die de milieu-impact berekent. Een LCA-analyse bestaat uit twee onderdelen. Enerzijds bepaalt de Life Cycle Inventory (LCI)-analyse onder andere hoeveel water en energie worden gebruikte tijdens de productie en hoeveel afval er wordt geproduceerd. Ook een analyse van de gebruikte materialen hoort bij de LCI. Vervolgens maakt de Life Cycle Impact Assesment (LCIA) duidelijk wat de milieu-impact is van het energieverbruik of het gebruik van een bepaald materiaal. Dit hangt van heel veel factoren af, zoals de manier waarop elektriciteit wordt opgewekt. Dit maakt een full-blown LCA een complexe en omslachtige aangelegenheid. Een MKB-er die de milieu-impact van een aantal ontwerpopties wil vergelijken, zit daar niet op te wachten.”

Nieuw methode hard nodig
De huidige LCA-gebaseerde manier van werken schiet volgens Willems tekort, dus een nieuwe methode is hard nodig. Met name in de toegankelijkheid voor de brede groep bedrijven die nood hebben aan een laagdrempelige milieu-impactanalyse. Willems: “We lopen tegen twee grote problemen aan. Ten eerste: de LCI-databases waar we mee moeten werken, bevatten niet de juiste gegevens omdat ze gebaseerd zijn op grove gemiddelden met enkel een parameter als gewicht of volume als schaalfactor. Hun uitgangspunt is dat één onderdeel representatief is voor alle gelijkaardige onderdelen. In werkelijkheid geldt dat enkel in beperkte mate voor de allereenvoudigste componenten.”

“Stel, ik moet de milieu-impact van een IC-component bepalen maar daarvoor heb ik slechts enkele referentierecords tot mijn beschikking waarmee ik alle IC-types moet afdekken. Dat werkt natuurlijk niet. De variatie tussen de componenten is dermate groot dat datarecords met gemiddelden op onderdeelniveau in de praktijk niet bruikbaar zijn”.

Tien jaar oude data
“Het tweede probleem is dat de gegevens die we nodig hebben, bijvoorbeeld over water of energiegebruik, verouderd of onvolledig zijn. De meest recente gegevens uit de databases zijn dikwijls meer dan tien jaar oud! Er loopt in imec een nieuw programma rond de milieu-impact van de IC-productie. Hierbij hebben zich grote internationale partners aangesloten, zoals Amazon, Apple, ASML en Microsoft. Het water-en energieverbruik neemt immers exponentieel toe bij de IC-productie van steeds kleinere transitoren, terwijl bedrijven tegelijk willen verduurzamen en vergroenen.  ‘Less is more’ geldt in hoge mate in de semiconductorindustrie. Hoe kleiner je het maakt hoe meer je nodig hebt om het te maken.”

Tijdrovend
Willems legt uit waarom de kwaliteit van de bestaande databases ontoereikend is. “Naast het feit dat het ‘gemiddelde onderdeel’- principe fout zit, is het ook enorm tijdrovend om een goede database op te zetten. Dit komt door de complexiteit en brede variëteit aan onderdelen. Ondertussen staan de ontwikkelingen niet stil. Daarnaast gaat het dikwijls over confidentiële informatie. Veel productie-informatie is bedrijfsgeheim wat de toegankelijkheid van de benodigde gegevens zeer bemoeilijkt.”

Typische processen
“Als alternatief voor het werken met ‘gemiddelde onderdelen’, willen we tot LCI-modellen komen voor productieprocessen die internationaal representatief zijn voor een bepaalde productietechnologie, bijvoorbeeld van PCB’s. Door de productiestappen te modelleren kunnen we de impact van de onderdelen op het milieu berekenen in functie van de onderdeelkarakteristieken. Denk aan: opbouw, gebruikte materialen, dimensies, et cetera.”

pm-LCI
“In tegenstelling tot een onoverzichtelijke en ongelimiteerde grote variatiemogelijkheid in onderdelen, is het aantal mogelijke productieprocessen aftelbaar. Dit betekent een zeer grote reductie van de complexiteit van de LCI-analyse. Deze werkwijze noemen we ‘de parametrisch model gebaseerd LCI’ oftewel: ‘pm-LCI’. We werken niet langer met datarecords maar met een softwaremodel waarin je parameters kan ingeven betreffende de gebruikte processen samen met de onderdeelkarakteristieken,” licht Willems toe.

Avontuur
“Het is soms een heel avontuur om tot goede LCI-modellen te komen,” vervolgt de ingenieur. “Om de milieu-impact te bepalen moeten we weten hoe de productieprocessen in elkaar steken en wat deze aan energie, water en materialen verbruiken én welk afval ze produceren”. Willems geeft een voorbeeld vanuit de ruimtevaart. “In ruimtevaartelektronica wordt in de regel keramische IC-componenten toegepast.  Afhankelijk van de gebruikte techniek dient het keramiek bij temperaturen van ongeveer 850 (LTCC keramiek) respectievelijk  1600 (HTCC keramiek) graden uitgebakken te worden. Dit kost enorm veel energie. Het industrieel wijdverspreide alternatief is het gebruik van plastic. Plastic kan al uitgehard worden bij 200 a 250 graden. Je bespaart dus heel veel energie als je plastic gebruikt. Maar om te bepalen hoe groot die besparing is, hebben wij meer informatie nodig: welke oven wordt gebruikt en hoeveel energie verbruikt die oven, hoe verlopen de uithardingssprocessen, enzovoorts.  Heel wat elementen zijn echter fabrieksgeheim, waardoor er weinig gepubliceerde informatie te vinden is. Dit bemoeilijkt het onderzoek sterk”.

Bedrijfsgeheimen
“We doen er alles aan om aan de benodigde informatie te komen. We maken zelf modellen van de benodigde processtappen en de invloed van de onderdeelkarakteristieken op de uitkomst ervan. Daarvoor moet je wel kennis hebben van de processen, het ontwerp en de karakteristieken van een product. We werken verder samen met bedrijven die bereid zijn ons gegevens te leveren en maken gebruik van productiemachinegegevens”.

Lean ecodesign
“Wanneer we de pmLCI-methode gaan toepassen in ecodesign, in plaats van een volledige LCA-analyse, spreken we over lean ecodesign. Bij lean ecodesign verander je materialen, processen of componenten en kijk je (enkel) wat de impact is op de LCI-grootheden (zoals energie) door middel van de veel eenvoudigere en nauwkeurigere pm-LCI-methode. Een eenmalige LCIA, uitgevoerd voorafgaand aan de ecodesign-oefening, geeft de prioriteiten tussen de LCI-grootheden (energie, water, materialen, et cetera) aan waarmee de ontwerper rekening moet houden”.

Proof of concept
“In het kader van ons werk voor de ruimtevaartorganisatie ESA, hebben we een proof of concept gedemonstreerd op basis van een elektronische module voor een satelliet van onze industriepartner OHB. Onze onderzoekpartner VITO was verantwoordelijk voor het LCA-werk. We keken onder andere naar de impact op  de elektronische assemblage, verpakking en PCB-productie maar ook zaken als het testen en certificeren zijn onderzocht. Het hele ontwikkelproces kwam aan bod.”

Tijdens zijn presentatie op het D&E-event zal Willems de principes van een lean ecodesign-aanpak met een voorbeeld illustreren. “Er is nog heel wat werk te leveren om te komen tot een generiek en breed toepasbare methodiek met alle benodigde hulpmiddelen. Er ontbreekt immers nog heel veel informatie. Maar het principe werkt en kan reeds in zekere mate toegepast worden.”