Ketenanalyse vermogenselektronica module

Transcriptie

1 Ketenanalyse vermogenselektronica module Reference number 49/DIV/001 Project number 49 Version : 2.0 Date : Utrecht, 8 mei 2013 Auteur: Jolt Oostra (Alstom/Technisch Projectmanager) Nagezien door: Lars van der Meulen (Primum/adviseur Primum) Versie: 2.0 ALSTOM Transport B.V. Alle rechten voorbehouden. Niets mag worden verveelvoudigd, opgeslagen, gebruikt of openbaar gemaakt zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van ALSTOM Transport B.V. Page 1/31

2 VERSIEBEHEER Author Version Date Remarks A. Kieft Alle Jolt Oostra Alle Update obv nieuw onderzoek Ketenanalyse IPM750 Blz 2/31

3 Table of Content 1 INLEIDING VERMOGENSMODULE DOELSTELLING LEESWIJZER IDENTIFICEREN VAN PARTNERS BINNEN DE WAARDEKETEN VASTSTELLEN SYSTEEMGRENZEN IPM750 VERMOGENSELEKTRONICA MODULE VOORNAAMSTE COMPONENTEN IPM KOELVLOEISTOFFEN PARTNERS IN DE IPM750 WAARDEKETEN KWANTIFICEREN VAN DE CO 2 EMISSIES DATAVERZAMELING KARAKTERISATIE METHODE AANNAMES RESULTATEN REDUCTIEMOGELIJKHEDEN RESULTATEN AANVULLEND ONDERZOEK DISCUSSIE CONCLUSIE BRONVERMELDING Bijlage BIJLAGE 1: BOM IPM BIJLAGE 2: PRODUCTIE ALUMINIUM LEGERING ALMGSI BIJLAGE 3: STAAL PRODUCTIE BIJLAGE 4: STAAL BEWERKING BIJLAGE 5: CONDENSATOREN BIJLAGE 6: IGBT POWERMODULES BIJLAGE 7: KOPER PRODUCTIE BIJLAGE 8: KOPER BEWERKING BIJLAGE 9: PRINTPLAAT PRODUCTIE LOODBEVATTEND BIJLAGE 10: PRINTPLAAT PRODUCTIE LOODVRIJ Ketenanalyse IPM750 Blz 3/31

4 1 INLEIDING Alstom Transport is als leverancier van duurzame railoplossingen wereldwijd actief. Met rollend materieel producten zoals metro, tram en trein, en treinbeveiligingssystemen is Alstom Transport een promotor van duurzaam transport en heeft duurzaamheid in haar bedrijfsvoering verankerd. Onze innovatieve, milieuvriendelijke technologieën vormen een benchmark op het gebied van spoortransport. We zetten ons in om de meest energie efficiënte producten en technologieën met zo laag mogelijk emissie te leveren. Tevens zetten we ons in om onze eigen bedrijfsvoering zo schoon en zuinig mogelijk te maken. Het CO 2 management systeem van Alstom Transport is sinds 2010 gecertificeerd met een CO 2 bewust certificaat niveau 4. Onderdeel van deze certificering is het inzicht krijgen in CO2 emissies in de waardeketen van het bedrijf en het realiseren van reducties in deze keten door samenwerking met ketenpartners en/of aanpassingen in de producten van Alstom. Dit zijn de zogenaamde Scope 3 emissies. Alstom Transport heeft hiervoor destijds twee onderwerpen gekozen: de vermogenselektronica module en de hybride rangeer locomotief. De afgelopen jaren is gewerkt aan het verbeteren van deze ketenanalyses door meer onderzoek te doen en is volgens de eisen voor de CO2 Prestatieladder versie 2.1 onderzoek gedaan naar de zogenaamde Meest Materiële Emissies in Scope 3 van het GHG protocol, welke zijn verwerkt in de Memo Meest materiele emissies scope 3. Dit document laat zien dat de gebruiksfase van de producten van Alstom de belangrijkste bijdrage levert aan de Scope 3 emissies. 1.1 VERMOGENSMODULE Vermogenelektronica modules zijn de onderdelen van de elektrische aandrijving van een trein. De verschillende modules samen vormen de elektrische aandrijving en de zogenaamde 4 kwadrantenbrug, waarmee de spanning van een hoogspanningstransformator (15 of 25 kv aan de primaire zijde) kan worden omgezet in een relatief stabiele gelijkspanning. Hiermee wordt de inverter gevoed. Daarnaast kan via de 4 kwadrantenbrug overtollige remenergie van de trein teruggeleverd worden aan de bovenleiding. 1.2 DOELSTELLING De doelstelling van deze ketenanalyse is het verhogen van inzicht in de CO 2 uitstoot binnen de waardeketen van Alstom Transport. Met deze kennis zullen we vervolgens werken aan het reduceren van CO 2 uitstoot binnen de keten. De doelgroep van deze analyse bestaat uit Alstom Transport alsmede sectorgenoten die vanuit vergelijkbare activiteiten ook vergelijkbare CO 2 emissies veroorzaken binnen de keten. Ketenanalyse IPM750 Blz 4/31

5 1.2 LEESWIJZER Volgens het GHG protocol dient een ketenanalyse de volgende stappen te doorlopen [GHG, 2004]: 1. Beschrijving van de waardeketen 2. Bepalen van relevante scope 3 emissie categorieën 3. Identificeren van de partners binnen de waardeketen 4. Kwantificeren van de scope 3 emissies Stap 1 en 2 beschrijven we in het memo Meest materiele scope 3 emissies en behandelen we daaro niet verder in dit document. Stap 3 en 4 worden hieronder beschreven. Ketenanalyse IPM750 Blz 5/31

6 2 IDENTIFICEREN VAN PARTNERS BINNEN DE WAARDEKETEN Ten eerste worden de systeemgrenzen vastgesteld om duidelijk te maken welke processen wel en niet meegenomen worden binnen de analyse. Hierna worden de activiteiten en de partners geïdentificeerd. 2.1 VASTSTELLEN SYSTEEMGRENZEN Het doel van deze ketenanalyse is onderzoeken hoe we door keuzes in het ontwerp en productieproces reductie in de gehele CO 2 keten kunnen reduceren. De doelstellings is hiermee tweeledig en valt uiteen in twee subdoelstellingen: 1. Voor één vermogenselektronica module van het type IPM750 een inschatting maken hoeveel CO 2 er uitgestoten is tijdens de grondstofwinning voor en productie en transport van de gebruikte componenten 2. Voor één vermogenselektronica module van het type IPM750 een inschatting maken hoe CO 2 emissie in de gebruiksfase te reduceren is door aanpassingen te doen tijdens de gronstofwinning en productie Subdoelstelling 1 is reeds onderzocht in versie 1.0 van deze analyse. Omdat tijdens de inventarisatie van de keten bleek dat de grootste uitstoot in de gebruiksfase zit en we in het ontwerp en productieproces keuzes maken die van invloed zijn op de CO 2 uitstoot in de gebruiksfase hebben we besloten een inventarisatie hiervan mee te nemen in deze analyse. Binnen de systeemgrenzen vallen de voornaamste componenten zoals gebruikt in de IPM750 module. De selectie van de voornaamste onderdelen wordt in het volgende hoofdstuk besproken. Voor de voornaamste componenten wordt beide de winning van ruwe grondstoffen tot basisproduct en de bewerking van het basisproduct tot een pasklaar component binnen de systeemgrenzen meegenomen. Koelmiddelen zijn ten opzichte van versie 1.0 aan deze analyse toegevoegd. Koelmiddelen blijken een zeer hoge conversiefactor te hebben, waardoor zij voor een aanzienlijke CO 2 equivalenten uitstoot verantwoordelijk zijn. Buiten de systeemgrenzen vallen de CO 2 uitstoot tijdens de assemblage van de module. Aangezien alle componenten pasklaar aan Alstom Transport geleverd worden en de assemblage in minder dan één dag uitgevoerd wordt zal de CO 2 uitstoot tijdens assemblage erg laag zijn. In een eerdere versie van deze analyse stelden we dat bij de IPM750 module geen sprake is van een gebruikersfase aangezien de module zelf geen elektriciteit gebruikt. Theoretisch gezien is dit correct. In de praktijk blijkt het ontwerp bijvoorbeeld door het gewicht wel degelijk invloed te hebben op de CO 2 uitstoot in de gebruiksfase. De demontage en recycling, danwel afvalverwerkingfase vormt geen onderdeel van deze ketenanalyse. De invloed van Alstom Transport op de CO 2 uitstoot binnen de keten wordt voornamelijk gevormd door de mogelijkheid om tijdens de ontwerp fase te kiezen voor bepaalde componenten. Een afbakening bij de toelevering van de pasklare componenten aan Alstom Transport is daarmee een gerechtvaardigde keus. Ketenanalyse IPM750 Blz 6/31

7 winning van grondstoffen transport bewerking tot pasklaar component transport assemblage van module transport demontage en recycling Figuur 1: Processtappen en systeemgrenzen 2.2 IPM750 VERMOGENSELEKTRONICA MODULE De IPM750 vermogensmodule wordt veelvuldig toegepast in door Alstom Transport geleverd tractieinstallaties voor trolleybussen, trams metro s en treinen. De IPM 750 vermogensmodule is daartoe uitgerust met drie fase takken (halvebrug schakelingen) bestaande uit drie parallelgeschakelde IGBTs inclusief gate driver. Daarnaast is de voor het schakelgedrag benodigde condensator op de module ondergebracht. Deze condensator doet daarnaast dienst als filtercondensator, welke voor de toepassing benodigd is. Met de IPM750 zijn verschillende functionaliteiten te realiseren door het toevoegen van de benodigde passieve componenten (transformator, spoel, weerstand etc.) en het aanbieden van een bijbehorend pulspatroon. Tot deze functionaliteiten dienen die van lijnconverter (vier qudrantenbrug, up en downchopper), inverter, ankerchopper en remchopper gerekend te worden. Een vermogenselektronica module bestaat uit vele verschillende componenten. Aangezien de assemblage van de module door Alstom Transport wordt uitgevoerd is er exact bekend welke componenten dit zijn. Een zogenaamde Bill Of Materials (BOM lijst) geeft een overzicht van alle componenten. Deze is bijgevoegd in Bijlage 1. Deze BOM lijst bevat componenten van minder dan 5 gram tot aan componenten van meerdere kilogrammen. De grotere componenten dragen veelal meer bij aan de CO 2 uitstoot dan de kleinere componenten. Om deze reden is er een selectie uitgevoerd van de voornaamste componenten. 2.3 VOORNAAMSTE COMPONENTEN IPM750 Op basis van de volgende criteria kan er binnen een ketenanalyse gekozen worden om een bepaalde input, danwel output stroom niet mee te nemen [Simapro, 2008]: Als de massa lager is dan een bepaalde waarde Ketenanalyse IPM750 Blz 7/31

8 Als de economische waarde minder is dan een bepaalde waarde Als de bijdrage aan CO 2 uitstoot lager is dan een bepaalde waarde Binnen deze analyse is de massa van de componenten als voornaamste selectiecriteria gehanteerd. De volgende stappen zijn hierin ondernomen: 1. Bepalen van de grootste componenten binnen de module op basis van common sense. 2. Bepalen wat de materiaalsamenstelling van deze componenten is; 3. Berekenen en/of wegen van deze componenten; 4. Vergelijken van de massa van de totale module met de gezamenlijke massa van de voornaamste componenten om te bepalen of het overgrote gedeelte van de module uit deze voornaamste componenten bestaat; Alstom Transport koopt alle componenten in zoals aangegeven op de BOM lijst. Al deze componenten zijn klaar voor assemblage. Alstom Transport voert zelf geen bewerkingen uit, zoals het bewerken van staalplaat en/of koperplaat tot de gewenste vorm. Echter, aangezien het ontwerp door Alstom Transport is uitgevoerd is er exact bekend uit welke materialen de verschillende componenten bestaan. Bij het bepalen van de voornaamste componenten is gebruik gemaakt van deze informatie. Onderstaande tabel geeft een overzicht van de voornaamste componenten en de massa per stuk. Tevens staat aangegeven op welke wijze de massa bepaald is. Massa Component Aantal Materiaal/type Massa / stuk (kg) bijdrage (kg) Massabepaling Koellichaam 1 Aluminium (AlMgSi) 21,6 21,60 Berekening Strippenpakket 1 Koper 3,90 3,90 Berekening Staalplaat 1* 1 Staal 6,65 5,13* Ontwerptekening Staalplaat 2* 1 Staal 1,73 1,33* Ontwerptekening Vermogenscondensator uf 6,8 20,40 Gewogen Vermogenscondensator 6 0,75 uf 0,099 0,59 Gewogen IGBT powermodules 9 150A 1700V 0,34 3,06 Gewogen Printplaat 3 P IDB1 0,14 0,42 Gewogen Aansluitstrip* 1 Koper 0,15 0,12* Ontwerptekening Koperdraad 1 Koper, 35mm2 0,25 0,25 Schatting Totaal: 56,79 Tabel 1: Voornaamste componenten binnen de IPM750 module. Voor uitleg van * zie hieronder. * Van staalplaat nr. 1 en nr. 2 en de koper aansluitstrip worden door de leverancier verschillende componenten voor Alstom Transport vervaardigd. Uit staalplaat 1 worden o.a. stalen support platen gemaakt. Deze worden vervolgens aan Alstom Transport geleverd. Uit staalpaat 2 wordt voornamelijk een montageplaat voor de printplaten vervaardigd. Ook dit wordt niet door Alstom Transport zelf uitgevoerd. Aangezien er materiaalverliezen bestaan tijdens de productie van de componenten uit de staalplaten en de koperstrip is de massa bijdrage van deze componenten binnen de module lager dan de massa / stuk zoals aangegeven in tabel 1. Op basis van een verlies van 22,8% tijdens de productie van staal tot eindproduct [EcoInvent] en een verlies van 22,9% tijdens de productie van koper tot eindproduct [EcoInvent] is berekend dat de voornaamste componenten voor 56,79 kg bijdragen aan de massa van de totale IPM750 module. Ketenanalyse IPM750 Blz 8/31

9 De totale massa van de IPM750 module bedraagt volgens het typeplaatje 60 kg. De bovengenoemde voornaamste componenten beslaan daarmee ~95% van de totale massa van de module. De rest van de massa bestaat uit diverse bouten/moeren/borgringen en (koper)kabels. Aangezien het geringe gewicht van al deze kleine componenten is besloten deze niet mee te nemen binnen de verdere analyse. Voor de voornaamste componenten wordt in het volgende hoofdstuk de CO 2 uitstoot tijdens de toeleverketen berekend. 2.4 KOELVLOEISTOFFEN Een bijzondere plaats wordt ingenomen door de koelvloeistoffen. Er bestaan verschillende koelsystemen die gebruik maken van verschillende koelmiddelen. Dit kunnen lucht en water, maar ook specifieke koelmiddelen zijn. De laatsten hebben vaak een zeer hoge CO 2 conversiefactor. Moderne systemen zijn vaak lucht of zelfs watergekoeld. Oudere systemen maken gebruik van koelmiddelen als CF87 met een zeer hoge conversiefactor. Ketenanalyse IPM750 Blz 9/31

10 2.5 PARTNERS IN DE IPM750 WAARDEKETEN Component Massabijdrage (kg) Leverancier Locatie Koellichaam 21,60 Deltour Amsterdam Strippenpakket 3,90 Rogers Gent, België Staalplaat 1* 5,13* Boers & Co Schiedam Staalplaat 2* 1,33* Boers & Co Schiedam Vermogenscondensator 750 uf 20,40 KWx Oud beijerland Vermogenscondensator 0,75 uf 0,59 Added Value Electronics Dordrecht IGBT powermodules 3,06 Infineon Großostheim nabij Frankfurt Printplaat 0,42 Azteco Zwijndrecht Aansluitstrip* 0,12* Boers & Co Schiedam Koperdraad 0,25 Romal Utrecht Tabel 2: Alstom Transport leveranciers van voornaamste componenten * Boers & Co levert pasklare componenten aan Alstom Transport aan. Gegevens over de staalplaten die door Boers & Co gebruikt worden zijn afkomstig uit de ontwerptekeningen zoals bekend bij Alstom Transport. Opvallend is dat de meeste leveranciers op relatief kleine afstand van Alstom Transport gevestigd zijn. De CO 2 uitstoot tijdens het vervoer van deze leveranciers naar Alstom Transport te Ridderkerk wordt meegenomen binnen deze analyse, zodat dit vergeleken kan worden met de CO 2 uitstoot tijdens de andere processtappen. Ketenanalyse IPM750 Blz 10/31

11 3 KWANTIFICEREN VAN DE CO 2 EMISSIES 3.1 DATAVERZAMELING De data die gebruikt is voor deze ketenanalyse is voornamelijk afkomstig van de volgende bronnen: Bill Of Materials. Deze lijst geeft een overzicht van alle componenten van de IPM750. Zie bijlage 1; Arnold Lagerweij (Technisch Projectleider) voor de interpretatie van de BOM lijst, het bepalen van de voornaamste componenten en het berekenen van de massa; Robert Quint (Buyer) voor de leveranciers van deze voornaamste componenten en het aantal ingekochte koellichamen in De aanwezige data is aangevuld d.m.v.: De Ecoinvent database [Ecoinvent] voor het bepalen van de CO 2 uitstoot tijdens de grondstofwinning voor en productie van de voornaamste componenten; Google Maps voor een inschatting van de transportafstanden. 3.2 KARAKTERISATIE METHODE Gegevens afkomstig uit de Ecoinvent 2.0 database zijn omgerekend naar CO 2 uitstoot door gebruik te maken van de Greenhouse Gas Protocol v1.00 / CO 2 eq (kg) karakterisatie methode. 3.3 AANNAMES Per component wordt uiteengezet welke gegevens gebruikt zijn voor de berekening van de CO2 uitstoot tijdens de toeleveringsketen. De EcoInvent 2.0 database bevat kengetallen voor de voornaamste materiaalsoorten en bewerkingstechnieken. De gemaakte aannames voor het kiezen van bepaalde kengetallen staat aangegeven. Het coaten van de verschillende componenten vormt geen onderdeel van deze analyse. Dit aangezien, in de regel, een coatlaag erg dun is in vergelijking met het gecoate materiaal. De CO 2 uitstoot van het coaten is daarmee te verwaarlozen t.o.v. de productie en bewerking van het gecoate materiaal. Koellichaam Het koellichaam bestaat uit een aluminium legering 0.5 F22 DIN De chemische samenstelling van een DIN 1725 aluminium legering wordt gegeven in Comhan, 2008; Al 97,95%, Si 0,6%, Mg 0,6%, Pb 0,05%, Cr 0,05%, Ti 0,10%, Zn 0,15%, Mn 0,10%, Cu 0,10%, Fe 0,30%. Het kengetal in de EcoInvent 2.0 database van AlMg3 is aangepast met bovenstaande waarde om tot de CO 2 uitstoot van AlMgSi te komen, zie bijlage 2. Staalplaat 1 & 2 Voor de staalplaten is gebruik gemaakt van een kengetal voor een productiemix van verschillende typen staal en hot rolling. De productiemix is hierbij gebaseerd op de consumptie mix binnen europa van staal, zie bijlage 3. De waarde voor de bewerking van de staalplaat tot een pasklaar eindproduct bevat de gebruikte machines alsmede de fabriek waar de bewerking plaatsvindt. Hierbij is het materiaalverlies tijdens de bewerking niet meegenomen, aangezien de massa van de staalplaten de massa voor bewerking betreft, zij bijlage 4. Vermogenscondensatoren Ketenanalyse IPM750 Blz 11/31

12 De 750 uf vermogenscondensatoren zijn zogenaamde Metalized PolyPropylene (MPP) condensatoren. Er is gebruik gemaakt van een standaard waarde voor een Capacitor, film, through hole mounted. Deze waarde omvat de input van ruwe materialen en productie activiteiten, zie bijlage 5. IGBT powermodules De IGBT powermodules zijn van het type INFINEON BSM150GB170DN2. Specificaties zijn te vinden in [Infineon, 1997]. Aangezien de IGBT powermodule een zeer complex en specifiek component betreft is er geen kengetal beschikbaar. Er is gebruik gemaakt van een waarde van een standaard grote transistor, zie bijlage 6. Koper Het kengetal voor de productie van het koper voor het strippenpakket, de aansluitstrip en het koperdraad is gebaseerd op de consumptiemix van Duitsland in Het transport van het primaire koper naar Europa is hierin meegenomen, zie bijlage 7. Het kengetal voor de bewerking van het koper tot een pasklaar eindproduct bevat de gebruikte machines alsmede de fabriek waar de bewerking plaatsvindt. Hierbij is voor de aansluitstrip het materiaalverlies tijdens de bewerking voor de aansluitstrip niet meegenomen, aangezien de gebruikte massa van de aansluitstrip de massa voor bewerking betreft, zij bijlage 8. Printplaat Voor het inschatten van de CO 2 uitstoot tijdens de toeleveringsketen van de printplaten is het gemiddelde genomen van lood bevattende surface mounted en through hole mounted printplaten. De kengetallen zijn specifiek opgesteld voor gebruik in elektronische apparaten. Het gebruik van secundair materiaal voortkomend uit recycling activiteiten is hierin meegenomen, zij bijlage 9. Het kiezen voor lood vrije printplaten heeft op de CO 2 uitstoot weinig invloed, zie bijlage 10. Transport van leverancier Voor de berekening van de CO 2 uitstoot tijdens het transport vanaf de leverancier naar Alstom Transport te Ridderkerk wordt aangenomen dat de componenten per bestelauto vervoerd worden. Een bestelauto heeft een relatief hoge uitstoot vergeleken met een vrachtwagen. Door te rekenen met de conversiefactor voor de bestelauto wordt zeker gesteld dat de CO 2 uitstoot tijdens het vervoer niet te laag wordt ingeschat. De uitstoot van een bestelauto bedraagt 630 g CO 2 /tonkm [ProRail, 2010]. Met behulp van Google Maps is vervolgens de afstand bepaald. De massabijdrage van de componenten staat weergegeven in Tabel 1 & 2. Het transport tussen eerdere processtappen is onderdeel van de kengetallen zoals eerder in deze paragraaf beschreven voor de verschillende componenten. Koelmiddelen Koelmiddelen als CF87 hebben een zeer hoge CO 2 e conversiefactor. Dergelijke koelvloeistoffen zijn inmiddels verboden 1, maar zorgen in oude systemen voor hoge CO 2 emissies. De daadwerkelijke CO 2 e uitstoot van dergelijke vloeistoffen is moeilijk te bepalen omdat zij onderdeel zijn van een gesloten systeem. 1 REGULATION (EC) No 842/2006 OF THE EUROPEAN PARLIAMENT AND OF THE COUNCIL of May 17th 2006 on certain fluorinated greenhouse gases. Ketenanalyse IPM750 Blz 12/31

13 Wanneer zij echter niet onder strenge voorwaarden worden afgevoerd en verwerkt, of lekken zijn er grote milieurisico s en broeikaseffecten. De CO 2 e conversiefactor van bijvoorbeeld het eerder genoemde CF87 is met 8900 kg/kg zodanig hoog dat al bij zeer kleine hoeveelheden het effect significant is. Onder bepaalde aannames zullen we daarom het effect van deze koelmiddelen in deze analyse meenemen. 4.4 RESULTATEN Onderstaande tabel brengt alle van toepassing zijnde CO2 uitstoot getallen samen. De Productie omvat de winning van grondstoffen en de productie van het basismateriaal, zoals een aluminium legering. De Bewerking omvat de activiteiten om van het basismateriaal een pasklaar component te maken, zoals het koellichaam. De genoemde waardes voor de vermogenscondensatoren, IGBT powermodules en de printplaat bij Productie omvatten tevens de Bewerking tot pasklaar component. Voor bronnen en gemaakte aannames zie het vorige hoofdstuk. Component Massa (kg) Productie (kg CO 2 /kg) Bewerking (kg CO 2 /kg) Transport vanaf leverancier (kg CO 2 ) Totaal kg CO 2 per component Koellichaam 21,60 4,05 3,34 1,37 160,99 Strippenpakket 3,90 1,88 1,83 0,35 14,82 Staalplaat 1 6,65 1,72 1,40* 0,09 20,82 Staalplaat 2 1,73 1,72 1,40* 0,02 5,41 Vermogenscondensator 20,40 46,90 Nvt 0,26 957,02 Vermogenscondensator 0,59 46,90 Nvt 0,01 27,53 IGBT powermodules 3,06 145,00 Nvt 0,86 444,56 Printplaat 0,42 155,00 Nvt 0,00 64,36 Aansluitstrip 0,15 1,88 1,40* ,49 Koperdraad 0,25 1,88 1, ,94 Tabel 3: CO 2 uitstoot tijdens de IPM750 toeleveringsketen Totaal: 1696,94 * Zoals eerder aangegeven wordt voor de staalplaten 1&2 en de aansluitstrip geen materiaalverlies tijdens de bewerking meegenomen, aangezien de massa van deze componenten de massa voor bewerking betreft. De CO 2 uitstoot van een IPM750 module bedraagt bijna 1700 kg CO 2 tijdens de toeleveringsketen van de componenten. Dit is ongeveer 28x het gewicht van de IPM750 module zelf. In 2009 werden er door Alstom Transport 114 IPM750 modules gefabriceerd. De totale CO 2 uitstoot tijdens de toeleveringsketen van de door Alstom Transport geleverde IPM750 vermogenselektronica modules is ~193,5 ton CO 2. Dit is zeker significant te noemen ten opzichte van de 1315 ton CO2 uitstoot binnen Scope 1 & 2 van Alstom Transport. Het valt op dat de CO 2 uitstoot van de verschillende componenten ver uit elkaar liggen. Dit heeft niet alleen met de massabijdrage van de componenten te maken, maar ook met de grote verschillen in CO 2 uitstoot per kg component. Ketenanalyse IPM750 Blz 13/31

14 De CO 2 uitstoot tijdens de productie van elektronische componenten is per kg component structureel hoger dan de productie/bewerking van de overige componenten. Uit bijlage 9 blijkt dat de helft van de CO 2 uitstoot tijdens de productie van de printplaten komt vanwege het hoge elektriciteitsverbruik. Voor de IGBT powermodules wordt zelfs meer dan 80% van de CO 2 uitstoot veroorzaakt door het elektriciteitsverbruik tijdens productie, zie bijlage 6. De grondstofwinning en productie van de aluminiumlegering zorgt voor ~2x zoveel CO 2 uitstoot per kg in vergelijking met koper en staal. De toevoeging van Magnesium in de aluminiumlegering draagt hier voor een substantieel gedeelte aan bij. Zo zorgt de 0.6% aanwezige Magnesium voor ~10% van de CO 2 uitstoot. Bij de Bewerking van aluminium tot eindproduct, zoals het koellichaam, komt tevens ~2x zoveel CO 2 vrij per kg in vergelijking met staal en koper. De vermogenscondensatoren zorgen voor de grootste CO 2 uitstoot tijdens de toeleveringsketen, 57% en ~950 kg CO 2. Dit komt door de hoge massabijdrage van de condensatoren (20,4 kg van de 60 kg) en de hoge CO 2 uitstoot per kg condensator (46,9 kg CO 2 /kg). De IGBT powermodules dragen voor 27% bij aan de CO 2 uitstoot. Niet door de hoge massabijdrage (3,06 kg van de 60 kg), maar vanwege de zeer hoge CO 2 uitstoot per kg powermodule (145 kg CO 2 /kg). Het aluminium koellichaam heeft weliswaar de hoogste massabijdrage, maar doordat de CO 2 uitstoot van aluminium per kg substantieel lager is dan die van de elektronische componenten draagt het aluminium voor ~10% bij aan de totale CO 2 uitstoot. De printplaten hebben een lage massabijdrage, maar door de zeer hoge CO 2 uitstoot per kg tijdens productie zorgen de printplaten toch voor 4% van de totale CO 2 uitstoot. De componenten gemaakt uit de staalplaten, de kopercomponenten en het transport vanaf de leverancier dragen zeer beperkt bij aan de CO 2 uitstoot tijdens de toeleveringsketen. Ketenanalyse IPM750 Blz 14/31

15 5 REDUCTIEMOGELIJKHEDEN Tijdens het uitvoeren van deze ketenanalyse is inzicht verkregen in de CO 2 uitstoot tijdens de toeleveringsketen van de voornaamste componenten binnen de IPM750 module. Ook is bekend wat de bijdrage van de verschillende componenten aan deze totale CO 2 uitstoot is. Op basis van het opgedane inzicht kunnen een aantal reductiemogelijkheden benoemd worden. Niet alle mogelijkheden zijn vanuit praktisch oogpunt mogelijk, danwel wenselijk. Dit wordt tevens beschreven waar van toepassing. Terugbrengen van de hoeveelheid materiaal zorgt voor een lagere CO 2 uitstoot tijdens de toeleveringsketen. Vanuit praktisch oogpunt is dit echter lastig te bewerkstelligen aangezien er geen concessies gedaan kunnen worden op de functionaliteit en betrouwbaarheid van de module. Het gebruik van dunnere koperstrips of een kleiner koellichaam brengt dit risico met zich mee. Materiaalkeuzes tijdens ontwerp heeft invloed op de CO 2 uitstoot. Ten eerste kan er gekozen worden voor minder CO 2 intensieve materialen op plaatsen waar de functionaliteit niet afhangt van specifieke materiaaleigenschappen. Ten tweede heeft de keuze voor een bepaald type legering invloed op de CO 2 uitstoot. Zo zorgt een Magnesium toevoeging in een aluminiumlegering tot een substantiële verhoging van de CO 2 uitstoot. Als het Magnesium niet bijdraagt aan de functionaliteit van het aluminium koellichaam kan hier een besparing gerealiseerd worden. Het is op dit moment niet duidelijk of de materiaaleigenschappen behouden blijven als er minder Magnesium in de legering wordt gebruikt of als er gekozen wordt voor een andere aluminium legering. Door hierover met de producent van de koellichamen in gesprek te gaan denkt Alstom Transport tot een samenstelling van het koellichaam te kunnen komen die 5% minder CO 2 uitstoot tijdens de grondstofwinning en productieketen. Aangezien het aluminium koellichaam voor ~9% verantwoordelijk is voor de CO 2 uitstoot van de totale module kan een reductie behaald worden van ongeveer 0,5%. Kiezen voor elektronica leveranciers die groene stroom gebruiken draagt substantieel bij aan het verlagen van de CO 2 uitstoot van de IPM750 module. Het zeer hoge aandeel van het elektriciteitsverbruik binnen de CO 2 uitstoot tijdens de productie van o.a. de printplaten, condensatoren en IGBT powermodules (~55%, ~60% en ~80% respectievelijk) maakt de keuze voor een leverancier die groene stroom gebruikt zeer invloedrijk. Tijdens inkoop kan rekening gehouden worden met het gebruik van groene stroom door de producenten van de elektronische componenten. Ervan uitgaande dat elke producent nu grijze stroom gebruikt en dat het overstappen naar groene stroom een reductie van 51% met zich meebrengt [ProRail, 2010] kan er een theoretische reductie van 34% plaatsvinden als alle producenten groene stroom gaan gebruiken. Het terugbrengen van verlies door weerstand binnen de module tijdens bedrijf biedt weinig potentieel, aangezien deze uitdaging al decennia ten grondslag ligt aan een goed ontwerp van een module. Ook het beter afstemmen van de capaciteit van de module op de gevraagde capaciteit biedt weinig mogelijkheden, aangezien nu al meerdere modules naast elkaar gebruikt worden indien er een grotere capaciteit nodig is dan één module kan leveren. 5.1 RESULTATEN AANVULLEND ONDERZOEK Ten behoeve van versie 2.0 is aanvullend onderzoek uitgevoerd. Ketenanalyse IPM750 Blz 15/31

16 Toepassing van watergekoelde vermogenselektronica modules De toepassing van watergekoelde vermogenselektronica modules is voor versie 2.0 nader onderzocht. In versie 1.0 werd gesteld dat CO 2 uitstootbesparing wordt gerealiseerd door het wegvallen van de noodzaak van een zwaar aluminium koellichaam. Watergekoelde koellichamen zijn veelal ook van aluminium, maar een stuk lichter. Daarnaast zijn dan wel een warmtewisselaar, koelpomp en koelvloeistof noodzakelijk. Voor een opdracht waar Alstom op het moment van schrijven mee bezig is onderzochten we de mogelijkheid om een luchtkoeling te vervangen door waterkoeling. Omdat de transportcapaciteit van water vele malen groter is dan die van lucht is het mogelijk met een kleiner koelelement te werken. Hiermee wordt zoals beschreven aluminium bespaard: met een compacter koelblok bereiken we hetzelfde resultaat. Voor de opdracht, waarin we maximaal 18 treinstellen onderhand nemen berekenden we de volgende reductie. Elk treinstel bevat 2 omvormers die op hun beurt weer uit 7 modules bestaan. Voor maximaal 18 treinstellen betekent dit mogelijke vervanging van 252 vermogenselektronica modules. Het gewicht van de koellichamen neemt 9,7kg af bij deze constructie (van 21,6 (zie tabel 3) naar 11,8). Volgens tabel 3 van dit document veroorzaakt 21,6kg koellichaam een uitstoot van 160,99kg CO 2 bij productie, bewerking en transport gezamenlijk. Een reductie van 9,7 zorgt daarmee voor een reductie van 72,3 kg CO 2 per koellichaam. Om dit goed te laten werken zijn echter aanvullende maatregelen nodig. Een propyleen glycol/watermengsel is noodzakelijk voor de koeling. We gebruiken hiervoor 1,7kg per koellichaam, wat voor een CO 2 uitstoot van 13,5kg zorgt 2. Daarnaast zijn aanvullende maatregelen nodig zoals een pomp en warmtewisselaar. Deze zijn nodig per aandrijving. De uiteindelijk reductie in CO 2 uitstoot wordt daarmee helaas minimaal. Vervanging koelvloeistof Treinen geproduceerd in de jaren 80 zijn veelal GTO gebaseerde systemen; ofwel Gate Turn Off thysistor gebaseerd. Deze systemen maken gebruik van de al eerder genoemde koelvloeistof CF87 met de bijzonder hoge conversiefactor van 8900 kg CO 2 e/kg 3. Dit betekent dat het lekken van een dergelijke vloeistof een risico is in gebruik of van een onjuiste verwerking een groot broeikasrisico met zich meebrengt. De treinen die vanaf de jaren 90 werden ontwikkeld zijn IGBT gebaseerd; ofwel transistor gebaseerd. Hierin wordt gebruik gemaakt van andere vloeistoffen, zoals glycol, die niet alleen een vele malen lagere conversiefactor hebben, maar waar daarnaast veel minder van nodig is. Een korte berekening, zoals onderstaand, wijst uit dat door vervanging van een GTO gebaseerd systeem door een IGBT gebaseerd systeem voor een enorme risico reductie kan zorgen. Berekening risico reductie broeikaseffect bij vervanging GTO door IGBT gebaseerd systeem Elke aandrijving bevat 5 tanks van 20kg FC 87. Met de eerder genoemde conversiefactor dus goed voor een CO 2 risico van 890 ton CO 2. 2 De mengverhouding is 50/50%. Propyleen (R 1270, GWP=0 of 1.8) 3 pfc/documents/pfc_heat_tranfer_fluid_emission.pdf blad 4, 8 mei 2013 Ketenanalyse IPM750 Blz 16/31

17 Berekening van vermeden CO 2 uitstoot door terugwinning staal Het gewicht en waarde blijven ongeveer gelijk. De totale constructie van de aandrijving is in de nieuwe situatie (472kg) echter wel aanmerkelijk lichter dan in de oude (1300kg). Het verschil van 828kg wordt deels veroorzaakt door de reeds berekende FC 87, de daadwerkelijke besparing in constructie is daarmee 728kg staal. Volgens tabel 3 van deze analyse besparen we per voorkomen kg staal 1,72kg CO 2 in de productie en 1,40kg CO 2 in de bewerking. Staal wordt voor 99% hergebruikt en dus rekenen we 1,72kg (voor de productie van staal) vermenigvuldigd met 728kg terugwinnen van staal tot een reductie. Dit is totaal 1252,16kg besparing per treinstel Conclusie vervanging koelvloeistof Vervanging van een GTO gebaseerd systeem door een IGBT gebaseerd systeem kan dus zowel voor een zekere vermeden reductie (1252,16kg per treinstel) als voor een zeer grote, maar (gelukkig) onzekere reductie van 890 ton CO 2 per treinstel zorgen. In zowel het verenigd Koninkrijk als in Maleisië en Indonesië rijden nog dergelijke treinen rond. Onderzoek en inspanning om hiervan de koelsystemen te vervangen zijn dus een zeer interessante reductie optie. Gewichtsbesparing Omdat uit de memo Meest materiele scope 3 emissies blijkt dat de grootste CO 2 uitstoot binnen onze keten zich in de gebruiksfase bevindt nemen we de invloed die we daar upstream op hebben in deze analyse ook mee. Uit de onderzoeken naar de vervanging van de koelingsystemen en koelvloeistoffen bleek een gewichtsbesparing mogelijk. Niet alleen in productie en bewerking reduceren we hiermee CO 2 uitstoot, ook door een efficiënter want lichter vervoer. In het voorbeeld waarin we de GTO gebaseerde systemen vervangen door IGBT gebaseerde systemen bereiken we een reductie van 728kg per treinstel. SKAO rekent voor het vervoer van bulkgoederen per trein met een conversiefactor van 22 g CO 2 /tonkm (combinatie van diesel en elektrisch) 4. Bij een treininzet van km per jaar betekent dit een reductie van 0,022kg * 0,728ton * km = 4004kg CO 2 besparing per treinstel per jaar. Samen met leveranciers zoeken naar lichtere constructie lijkt hiermee dus een zeer zinvolle activiteit te zijn. 4 De factoren liggen echter niet ver uit elkaar, voor elektrisch wordt een factor van 20g CO 2 /tonkm gehanteerd, voor diesel 25g CO 2 /tonkm Ketenanalyse IPM750 Blz 17/31

18 6 DISCUSSIE De Data onzekerheden, oftewel de onzekerheden binnen de gebruikte gegevens is relatief laag, aangezien de kengetallen binnen de EcoInvent database gebaseerd zijn op relatief betrouwbare literatuur. Data onzekerheden voortkomend uit incompleetheid van de gekozen systeemgrenzen en keuzes voor het verwaarlozen van bepaalde processen worden binnen deze analyse voornamelijk bepaald door het verwaarlozen van de zeer kleine componenten, zoals bouten en moeren binnen de analyse en het niet meenemen van de gebruikte aluminium en staalcoatings. Zoals besproken is het gewicht van de zeer kleine componenten laag, waardoor het niet voor de hand ligt dat deze voor een grote CO 2 uitstoot tijdens de toeleveringsketen zorgen. Door de zeer geringe massa van de coating ten opzichte van het gecoate materiaal is ook de invloed van het niet meenemen van de coating van beperkte invloed op de resultaten. De grootste onzekerheden binnen deze analyse bestaan uit de Model onzekerheden oftewel binnen de representativiteit van de gebruikte kengetallen voor de specifieke situatie van de IPM750. Zo is er bijvoorbeeld gebruik gemaakt van een kengetal over de CO 2 uitstoot tijdens de toeleveringsketen van een Transistor om een inschatting te geven voor de IGBT powermodules. Een ander voorbeeld is het gebruik van een kengetal voor het gemiddelde van through hole mounted en surface mounted printplaten aangezien het specifieke type printplaat niet bekend was. Echter, aangezien de belangrijkste conclusies gebaseerd zijn op de orde van grootte van de resultaten en niet op zeer specifieke CO 2 uitstoot gegevens hebben de Modelonzekerheden naar verwachting geen invloed op de conclusies van deze analyse. Ketenanalyse IPM750 Blz 18/31

19 7 CONCLUSIE De reductiemaatregelen die in versie 1.0 zijn vastgesteld zijn reeds allen behaald, of niet haalbaar gebleken. Voor een verslag hiervan verwijzen we naar de managementrapportage. Uit het vervolgonderzoek zijn goede vervolgmogelijkheden gebleken. Bij treinen uit de jaren 80, die voornamelijk nog rondrijden in Indonesië, Maleisië en het Verenigd Koninkrijk zijn enorme CO2 reducties te bereiken en risico s op enorme CO 2 reductie te voorkomen. Alstom zal haar kennis en invloed aanwenden om een dergelijke CO 2 reductie te bereiken. Een andere interessante optie is het mee laten wegen van de uitstoot in de gebruikersfase in het ontwerp. Hiermee blijken interessante en significante reductie te behalen te zijn. Alstom zal hierin, door het bundelen van haar kennis met die van leveranciers én klanten (gebruikers), haar invloed zoveel mogelijk aanwenden. Het vervangen van luchtkoeling door waterkoeling bleek helaas een optie waarvan de CO 2 reductie potentie minimaal tot nihil is. Hier zal voorlopig dus geen verder onderzoek door Alstom op plaats vinden. De verschillende beschreven reductie opties worden in onze scope 3 reductiedoelstellingen gekwantificeerd. We blijven op zoek naar reductie opties in de keten. In het document meest materiele emissies scope 3 worden enkele interessante analyses genoemd waar wij komend jaar verder aan zullen werken. Ketenanalyse IPM750 Blz 19/31

20 BRONVERMELDING [Comhan, 2008] Technisch infoblad; Aluminium profielen AlMgSi 0.5 F22, Comhan Holland, , _F22.pdf, bezocht op [Ecoinvent] EcoInvent 2.0, geraadpleegd via het softwareprogramma Simapro [GHG, 2004] The Greenhouse Gas Protocol, A corporate Accounting and Reporting Standard, revised edition. [Infineon, 1997] BSM 150 GB 170 DN2; IGBT Power Module, 170DN2, bezocht op [ProRail, 2010] CO 2 prestatieladder, Samen zorgen voor minder CO 2, Handboek 1.1, 23 september 2010, ProRail [Simapro, 2008] M. Goedkoop, A. de Schrijver, M. Oele Introduction to LCA with SimaPro 7, Pré Consultants, februari 2008 Ketenanalyse IPM750 Blz 20/31

21 Bijlage 1: BOM IPM750 Component Omschrijving Netto hoeveelheid Eenheid Materiaal IPM750 SWITCH MOD.ASSEMB 1 st Document 2 SP08021 KOELLICHAAM 84x750x300MM 25 kg ALMGSI 0,5 F22 VLG.DIN BEV.BLOK TBV CONDENSATOR 4 st Document SUPPORT RECHTS 1 st Document 6 T BLINDKL.MOER ST.6K M6X16 4 st Staal S355J2G PROFIEL TBV SUPPORT LINK 1 st Document 8 T PLAAT S355J2G3 3 MM GEB kg Staal S355J2G STEKERPLAAT 1 st Document 11 I EPOXYLAMINAATPLAAT 8 MM 0.5 kg Epoxyplaat GELEIDINGSPEN 2 st Document RUBBERBAND 15SH 20X m Rubber CIL.SCHR.B6K ST. M 6X50/ 8 st Staal SCHOTELBORGRING M 6 CILS 44 st Staal 16 T VERZ.B6KSCHR.ST. M6X10 8 st Staal ZESKANTMOER MS M 8 NI 8 st CUZN39PB3 F44 VLG. DIN MONTAGEPL. TBV PRINTEN I 1 st Document PLAAT DC01 A M 2 MM DI kg Staal STIFTLASDR.BUS ST.M6X15 1 st Staal AFST.STEUN NYLON M4X16 R 12 st Nylon RUBBERBAND 45SH 15X m Rubber HANDGREEP ST.CHR.101X27 1 st Staal 24 T ZESKANTMOER MS M10 NI 5 st CUZN39PB3 F44 VLG. DIN ASBORGRING ROND 24 (SEE 5 st Verenstaal CIL.KOPSCHR.NYLON M4X 8 12 st Nylon CIL.SCHR.B6K ST. M 6X16/ 36 st Staal BESCHERMKAP 1 st Document PLAAT DC01 A M 1 MM (DIE kg Staal SP05039 GETAND U PROFIEL 1,1 1, m Polyethyleen 31 I SLUITRING RVS M 8 ZWAAR 12 st RVS ZESKANTMOER RVS M 8 12 st RVS IPM750 SWITCH MOD.LIST O 1 st Document CONTACTBUS 0,2 0,56 MM2 51 st Messing BEHUIZ. 6P (BUSSEN) PLU 9 st Plastic 52 SP07990 CONDENSATOR 750 UF 10 3 st Vermogenscondensator 55 I CONDENSATOR 0,75UF 16 6 st Vermogenscondensator 61 I TEMP.SENSOR 63GR.C.5% 1 1 st 66 I CU LITZE 2XM 8 16 MM st Draad 67 I WEERSTAND OHM 10 1 st Vermogensweerstand 68 I IGBT POWERMODUUL 150A 17 9 st Halfgeleider STRIPPENPAKKET IPM st E CU AANSL.STRIP OVER IGBT 3 st Document Ketenanalyse IPM750 Blz 21/31

22 STRIP E CU57F21 15X kg Koper E CU57F21 85 SP07931 CONTACTPEN M10 300A Ag 5 st Messing 86 T3X0006 CONTACTBLOK 24P SIZE 1 st Kunststof 87 SP01170 CODEER STIFT 2 st 88 SP06163 BEHUIZ. STANDARD SIZE kg Die cast light alloy 89 T3X0010 CONTACTPEN 0,75 1,0 MM2 5 st Messing 90 T3X0043 CONTACTPEN 0,5 MM2 12 st Messing 91 TPP0327 P IDB1J 1 st Document P IDB1J COMP.LIJST 1 st Document P IDB1H OMBOUWINSTRUCTI 1 st Document PRINTPLAAT P IDB st PCB AFSCHERMING FIBERLINK 0.01 kg Koper P IDB1A BOUWSTEEN TEK. 0 st Document P IDB1 BEPR.INSTR. 0 st Document P IDB1A TECHN.BESCHR. 0 st Document 118 TPP0328 P IDB1H 1 st Document P IDB1H COMP.LIJST 1 st Document P IDB1A BOUWSTEENSCHEMA 0 st Document IPM750 SWITCH MOD.CIRCUI 1 st Document IPM750 SWITCH MOD.WIRING 1 st Document GLASKOUS SIL.RUB.14MM m Glaskous KABELSCHOEN 35 MM2 M 8 4 st E CU KABELSCHOEN 70 MM2 M10 2 st E CU CU LITZE ROND 35 MM2 BL 250 g Koper 133 I MONTAGEDRAAD 0,5 MM m Draad 134 I MONTAGEDRAAD 0,5 MM m Draad 135 S3W0034 HS KABEL 6 MM m Kabel 136 I KABEL AFG. 4X0,5 MM2 6 2 m 137 I VERBINDER TBV AFG.KABEL 6 st 138 I OOG THERMINAL T.B.V. AAR 3 st STICKERDRAW. TYPEPLATE 1 st Document IPM750 SCHAKELMOD. BEPR. 1 st Document IPM MOD. BEHANDELINGS PR 1 st Document MONTAGEINSTRUCTIE IPM750 1 st Document Ketenanalyse IPM750 Blz 22/31

23 Bijlage 2: Productie aluminium legering AlMgSi Ketenanalyse IPM750 Blz 23/31

24 Bijlage 3: Staal productie Ketenanalyse IPM750 Blz 24/31

25 Bijlage 4: Staal bewerking Ketenanalyse IPM750 Blz 25/31

26 Bijlage 5: Condensatoren Ketenanalyse IPM750 Blz 26/31

27 Bijlage 6: IGBT powermodules Ketenanalyse IPM750 Blz 27/31

28 Bijlage 7: Koper productie Ketenanalyse IPM750 Blz 28/31

29 Bijlage 8: Koper bewerking Ketenanalyse IPM750 Blz 29/31

30 Bijlage 9: Printplaat productie loodbevattend Ketenanalyse IPM750 Blz 30/31

31 Bijlage 10: Printplaat productie loodvrij Ketenanalyse IPM750 Blz 31/31