Referat 7 - Przemysłowy Instytut Elektroniki

I Krajowa Konferencja Naukowo-Techniczna „EKOLOGIA W ELEKTRONICE”
Przemysłowy Instytut Elektroniki
Warszawa, 16-17.10.2000
ZASADY PROEKOLOGICZNEGO PROJEKTOWANIA
WYROBÓW ELEKTRONICZNYCH
Maria MAŃKOWSKA, Andrzej Krzysztof WACH
Przemysłowy Instytut Elektroniki
00-241 Warszawa, Długa 44/50, 0-22 831 51 29, [email protected]
W artykule podano określenie proekologicznego projektowania wyrobów elektronicznych oraz omówiono jego własności. Dokonano przeglądu stosownych metod proekologicznego projektowania takich, jak: metoda kompleksowa, weryfikacji listy, wskaźnika proekologicznego i intuicyjna. Omówiono również stan narzędzi wspomagających proces proekologicznego projektowania wyrobu elektronicznego.
1. WPROWADZENIE
W zakładach produkcyjnych, problemy ochrony środowiska są z reguły sprowadzane
do oczyszczania odpadów powstałych w wyniku produkcji wyrobu i dlatego są one
kojarzone z budową dodatkowych instalacji do oczyszczania gazów czy ścieków. Dlatego problemy ekologicznej produkcji kojarzą się głównie z dodatkowymi kosztami spowodowanymi koniecznością budowy i eksploatacją proekologicznych instalacji. Przeciwieństwem takiego podejścia stało się projektowanie pod kątem produkcji wyrobów
elektronicznych, będącej ruchem ekologicznym znanym pod nazwą „Czystsza Produkcja”, który w 1992 roku został usankcjonowany przez ONZ na konferencji ekologicznej
w Brazylii.
Idea „Czystszej Produkcji” kładzie nacisk na ograniczenie zanieczyszczeń w momencie ich powstawania, a nie na budowę kolejnych, coraz to nowocześniejszych
oczyszczalni. „Czystsza Produkcja” pozwala też lepiej wykorzystać zasoby materiałów i
energii oraz pracy ludzi.
Zauważmy, że na ogół, już na etapie projektowania podejmowane są decyzje, które
47
wpływają na wielkość odpadów uzyskiwanych w procesie produkcji, oraz na zużycie
energii i surowców, a więc zagrożenie zdrowia ludzi i degradację środowiska naturalnego. W celu zwiększenia kontroli stosowanych procesów produkcyjnych oraz wsparcia
działań producentów, zmierzających do wytworzenia ekologicznych wyrobów, wymagane jest stworzenie zbioru odpowiednich metod i narzędzi proekologicznego projektowania.
2. OKREŚLENIE PROEKOLOGICZNEGO PROJEKTOWANIA
Proekologiczne projektowanie produktu jest konceptualną i proceduralną strategią,
która (poza rutynowymi pracami projektowymi) wymaga, aby wszystkie etapy cyklu
życia produktu wraz z etapem zagospodarowania zużytego produktu uwzględniały cel
prewencji lub minimalizacji przejściowego bądź trwałego ryzyka dla zdrowia ludzkiego
lub środowiska naturalnego.
Projektowanie proekologiczne powinno obejmować również prace polegające na systematycznej analizie skutków wzajemnych oddziaływań surowców i elementów składowych, procesów wytwarzania, jak i wyrobu finalnego na środowisko, oraz na wnioskowaniu o poprawie (z ekologicznego punktu widzenia) projektowanych procesów technologicznych.
Projektowanie proekologiczne jest więc sposobem na dostarczanie towarów wyprodukowanych przy wykorzystaniu takich procesów technologicznych, w których unika się
stosowania niebezpiecznych substancji i wytwarzania toksycznych odpadów. Stosowane
w tych procesach surowce i energia powinny być odnawialne, w tym również przez
możliwość wtórnego wykorzystywania.
Poprawność procesu proekologicznego projektowania można ocenić na podstawie
wytworzonego wyrobu, który powinien:
− być nieszkodliwy dla ekosystemów i procesów biologicznych przez cały cykl życia, powinien uwzględniać: koncepcję, projektowanie, dobór, wydobycie i przetwarzanie surowców, wszystkie etapy transportu, produkcję, pakowanie, obrót i
użycie, a także jego utylizację po kresie życia.
Z dostępnych stu kilku pierwiastków do produkcji wyrobów elektronicznych przeważnie wykorzystuje się około trzydziestu, ale wśród nich są również ołów, rtęć i
kadm, czyli substancje toksyczne. Jednym z celów proekologicznego projektowania jest wyeliminowanie tych substancji oraz ograniczenie zbioru stosowanych
substancji.
Odrębny problem stanowią tworzywa sztuczne, uznawane za jedne z głównych przyczyn zanieczyszczenia środowiska. Zużyty wyrób elektroniczny z obudową z
tworzywa sztucznego jest znacznym obciążeniem dla środowiska, bowiem zalety
tworzywa takie jak trwałość, czy mała gęstość właściwa są poważnymi wadami w
czasie ich utylizacji;
− energooszczędny;
− wyprodukowany głównie z odnawialnych materiałów, które są na bieżąco uzupełniane i uzyskiwane w sposób zachowujący żywotność ekosystemu, z którego
zostały pobrane. W przypadku stosowania nieodnawialnych materiałów powinny
one zachowywać zdolność do przetwarzania w sposób energooszczędny i nietoksyczny;
48
− łatwy do naprawy, demontażu i przetworzenia w celu wtórnego użycia;
− opakowany do dystrybucji w minimalne, ale odpowiednie opakowanie.
Aby zaprojektowany ekologicznie wyrób spełniał powyższe wymagania należy, między innymi, prowadzić na bieżąco analizę wyników prac, uzyskiwanych w kolejnych
etapach procesu projektowania, w celu:
− zapewnienia racjonalnego zużycia surowców, wody i energii;
− rozpoznania produktu i jego elementów, z punktu widzenia surowców oraz
kłopotliwych odpadów, jakie uzyska się po ich przetworzeniu;
− wykazania, że zastosowane metody i technologie do wytworzenia wyrobu oraz
sam wyrób finalny w dowolnym etapie cyklu jego życia nie zagrażają środowisku, ani zdrowiu, lub życiu ludzkiemu.
Najogólniej mówiąc, projektowanie wyrobu elektronicznego, według zasad proekologicznego projektowania powinno prowadzić do istotnego poprawienia własności tego
wyrobu w czterech następujących obszarach: w zakresie technologii wytwarzania, parametrów użytkowych, nowoczesności technicznej i zagospodarowania zużytego wyrobu.
Dzięki temu proekologiczne projektowanie z reguły prowadzi do stosowania nowych
technologii wytwarzania. Nowoczesność techniczna zaprojektowanego wyrobu wynika
(między innymi) z innowacji technicznych, wprowadzanych w celu zmniejszenia negatywnych skutków oddziaływania procesu produkcji i wyrobu finalnego na środowisko.
Dzięki temu minimalizuje się powstawanie niebezpiecznych substancji, redukuje wagę
materiałów oraz zużycie energii. Jednocześnie wyrób charakteryzuje możliwość łatwego
demontażu oraz wtórnego wykorzystania uzyskanych elementów i materiałów. Na przykład minimalizacja poboru energii doprowadziła do poszukiwania alternatywnych źródeł
energii, w tym rozwoju technologii wykorzystujących energię słoneczną, lub nowych
technologii umożliwiających wytwarzanie energooszczędnych układów scalonych.
Poprawnie zaprojektowany wyrób powinien charakteryzować się następującymi cechami:
− funkcjonalnością i bezpieczeństwem,
− określoną niezawodnością i jakością,
− małym zużyciem energii w procesie wytwarzania wyrobu i w czasie jego
eksploatacji,
− zminimalizowaną liczbą typów stosowanych surowców i tworzyw sztucznych,
− wytwarzaniem w procesie produkcji (jako efektu ubocznego) minimalnej ilości
nietoksycznych odpadów,
− minimalnym i łatwym do utylizacji opakowaniem,
− dużą niezawodnością kosztownych elementów składowych,
− modułowością konstrukcji i łatwością demontażu,
− minimalną ilością substancji toksycznych w produkcie (na przykład halogen lub
ołów) z dążeniem do ich całkowitego wyeliminowania,
− małą liczbą różnych surowców i rodzajów tworzyw sztucznych.
Reasumując, proekologiczne projektowanie polega na zaprojektowaniu takiego wyrobu, który umożliwia racjonalne wykorzystanie surowców, materiałów, elementów,
wody i energii, podczas wszystkich etapów cyklu życia wyrobu, wreszcie łatwy jego
recykling po zużyciu, przy jednoczesnym zmniejszeniu zagrożenia dla środowiska natu49
ralnego i ludzi.
3.
3.1.
PRZEGLĄD STOSOWANYCH METOD PROEKOLOGICZNEGO PROJEKTOWANIA
Metoda kompleksowa
Metoda kompleksowa polega na analizie wyrobu i na analizie jego oddziaływań na
środowisko naturalne w poszczególnych etapach cyklu życia wyrobu.
Zauważmy, że procesy przemysłowe takie, jak: ekstrakcja materiałów z surowców,
produkcja elementów, wytwarzanie z tych elementów wyrobu finalnego, jego transport i
eksploatacja, są głównymi przyczynami powodującymi:
− emisję gazów (zawierających dymy, tlenki azotu i siarki, związki węglowodorowe czy rozpuszczalniki) do powietrza,
− zanieczyszczenia wody ściekami przemysłowymi,
− wytwarzanie odpadów, które jest trudno zagospodarować,
− zużycie materiałów, w tym również materiałów nieodnawialnych,
− zużycie energii, wytwarzanej z nieodnawialnych surowców,
− zużycie wody,
− oddziaływanie na faunę i florę środowiska naturalnego.
W przypadku możliwości zastosowania alternatywnych rozwiązań ( prowadzących
do kilku wersji projektu), projektant powinien umieć ocenić priorytety również z punktu
widzenia zagrożenia zdrowia ludzkiego i zanieczyszczenia środowiska.
Metoda kompleksowa jest (z reguły) stosowana przez producentów wyrobów, którzy
są obecni na rynku od wielu lat, a ich wyrób ma określoną markę na rynku. Metoda ta
wymaga ciągłego śledzenia prac naukowych, a w szczególności prac z zakresu materiałoznawstwa (nowe materiały, nowe metody wytwarzania materiałów, nowe metody
odzyskiwania materiałów itp.), nowych źródeł energii i nowych technologii wytwarzania
wyrobów. Wyniki tych prac są analizowane pod kątem możliwości ich wykorzystania,
albo w procesie produkcji danego wyrobu, albo w procesie jego zagospodarowania po
zużyciu.
3.2.
Metoda weryfikacji listy
Metoda weryfikacji listy nie jest właściwie metodą proekologicznego projektowania,
lecz jest metodą umożliwiającą ocenę własności ekologicznych, charakteryzujących
projekt danego wyrobu.
Ocena projektu dokonywana jest na podstawie odpowiedzi na pytania zawarte w specjalnej liście. Lista ta jest opracowana przez ekspertów z kilku dziedzin, w tym między
innymi przez specjalistów od projektowania wyrobów elektronicznych, materiałoznawstwa i ekologii.
Oceniane własności z reguły są dzielone na kilka zagadnień dotyczących: założeń technicznych, analizy materiałów stosowanych jako surowce do produkcji, procesów technologicznych, opakowań wyrobu, parametrów eksploatacyjnych, skutków dla środowiska
naturalnego, możliwości recyklingu, a w szczególności odzyskiwanie elementów i materiałów oraz utylizacja odpadów.
Jedną z takich list jest ECO-design checklists ([2]) opracowana przez The Centre for
50
Sustainable Design, Surrey Institute of Art and Design.
Weryfikując projekt należy na każde z podanych wyżej pytań odpowiedzieć: „Tak”,
„Nie” lub „Nie dotyczy”. Wnioskowanie na podstawie zbioru odpowiedzi o stopniu
proekologicznego przystosowania projektu jest dość trudne, a w przypadku porównywania dwóch projektów wymaga wręcz wiedzy eksperta.
3.3.
Metoda wskaźnika ekologicznego
Metoda wskaźnika ekologicznego bazuje na specjalnie zdefiniowanym wskaźniku
ekologicznym wyrobu. Metoda ta podobnie jak metoda listy weryfikującej może być
użyta do sprawdzenia proekologicznej poprawności projektu, oraz może być użyta do
porównania dwóch różnych projektów.
Przykładem wskaźnika ekologicznego wyrobu jest wskaźnik ECO-99 opracowany
przez Pre Consultants BV dla firmy Philips.
Wskaźnik ECO-99 jest kompleksową miarą oceny proekologicznego dostosowania wyrobu zorientowaną na szkody, jakie spowodować może produkcja wyrobu i jego oddziaływania na środowisko naturalne w całym cyklu życia. Dla danego projektu wyrobu
możliwe jest wyznaczenie wartości liczbowej tego wskaźnika. Wybierając wskaźnik
ECO-99 bazowano na określeniu wpływu poszczególnych pierwiastków i związków
stosowanych w produkcji na środowisko naturalne. Skutki tych oddziaływań, a w szczególności powodowane przez nie szkody, stanowią kryteria, według których wyznacza się
wartość liczbową tego wskaźnika.
W celu efektywniejszego wykorzystania wskaźnika ECO-99 opracowano wspomagane komputerowo narzędzie do oceny cyklu życia wyrobu, jakim jest program SimaPro
4.0. Narzędzie to umożliwia łatwe wyprowadzanie danych wymaganych do wykonania
oceny projektu, w tym umożliwia wyznaczenie wartości liczbowej wskaźnika ECO-99 i
porównanie dwóch różnych projektów wyrobu.
W porównaniu z metodą weryfikacji listy, metoda wskaźnika ekologicznego jest
zdecydowanie skuteczniejsza, co wynika głównie z możliwości pozyskiwania danych o
ocenianym projekcie.
3.4.
Metoda intuicyjna
Często projektant może kształtować własności ekologiczne projektowanego wyrobu
bez wykonywania bardzo wnikliwej analizy oddziaływań i skutków. Wystarczy w tym
celu zastosować metodę intuicyjną, której podstawą są ogólnie znane prawdy. W większości przypadków, stosując wiele elementarnych reguł, można poprawnie rozstrzygnąć
pojawiające się w procesie projektowania dylematy i stworzyć projekt wyrobu o określonych zaplanowanych własnościach ekologicznych. Poniżej podano kilka przykładowych reguł, wraz z objaśnieniem.
Reguła 1. Nie projektuj wyrobu
Nie należy projektować samego wyrobu, lecz projekt i jego własności w poszczególnych etapach cyklu życia. Należy przeanalizować wszystkie procesy, jakie mogą wystąpić podczas cyklu życia wyrobu łącznie z zagospodarowaniem zużytego wyrobu. Prostym sposobem dokumentowania wykonanej analizy może być macierz SET (Surowce,
Energia, Toksyczność). W macierzy SET należy zapisać oceny analizowanych procesów.
Przykład uproszczonej macierzy SET podano poniżej.
51
PRODUKCJA
Macierz SET
ENERGIA
SUROWCE
Średnie
zużycie
Odnawialne
EKSPLOATACJA
Nie wymaga
Małe zużycie
Brak
Odzyskiwane
Średnie zużycie
Brak
USUWANIE
TOKSYCZNOŚĆ
Niska
Reguła 2. Naturalne materiały nie zawsze są lepsze
Powszechnie uważa się, że surowce, które są „naturalne” są zawsze lepsze niż surowce, które są „sztuczne”. Wybierając jakiś materiał należy go porównać z materiałem
stosowanym do tej pory. Porównanie to powinno być bardzo wszechstronne, a uzyskane
wyniki przeanalizowane z punktu widzenia własności funkcjonalnych, ekologicznych
oraz kosztów.
Na przykład wybór pomiędzy drewnem, a tworzywem sztucznym jest trudny. Wytworzenie 1 kg drewna daje mniej szkodliwych emisji, niż produkcja 1 kg tworzywa
sztucznego. Z drugiej strony tworzywo może być materiałem odtwarzalnym, a drewno
nie, itd.
Reguła 3. Nie zapomnij o poborze mocy
Wielu projektantów zwraca główną uwagę na wybór surowców, a znacznie mniej interesuje się energią zużywaną przez projektowany wyrób.
Reguła 4. Kształtuj czas życia wyrobu
Projektant może wpływać na czas życia wyrobu na wiele sposobów. Może on próbować skonstruować bardziej trwały (z technicznego punktu widzenia) wyrób, na przykład projektując go na wyższym poziomie technologicznym (stosując układy scalone w
pralce, czy komputerze). Projektant może również tak zaprojektować wyrób, aby jego
potencjalni użytkownicy czuli do niego przywiązanie.
Reguła 5. Nie projektuj wyrobu, a wprowadzaj wykonywanie usług
Często potencjalni użytkownicy nie są zainteresowani nowym wyrobem. Oczekują
natomiast, aby wprowadzono wykonywanie usług. Na przykład, zamiast zaprojektować
pralkę automatyczną do indywidualnego użytku, można otworzyć pralnię samoobsługową, czy zamiast korzystać z systemu wynajmu samochodów, można wezwać taksówkę.
Reguła 6. Wykorzystuj minimalną ilość surowców
Reguła ta może wydawać się oczywista, ale problem jest bardziej złożony, niż to się
wydaje. Często można zredukować ilość stosowanych surowców. Jednak czasami chęć
zastosowania nowoczesnych rozwiązań i technologii powoduje zwiększenie wagi wyrobu i utrudnienie jego transportu.
Reguła 7. Projektuj wyrób jako wyrób, z którego będzie można odzyskać elementy i surowce
Projektant może tak zaprojektować produkt, aby w przyszłości był wykorzystany jako źródło odzyskiwanych elementów i surowców.
Reguła 8. Stosuj surowce i materiały, które można odzyskiwać i powtórnie używać
Projektant powinien projektować produkt, z którego będzie można odzyskiwać takie
elementy i surowce, które będzie można powtórnie używać.
Reguła 9. Zadawaj proste pytania
W proekologicznym projektowaniu ważne jest zadawanie wielu prostych pytań, jako
52
narzędzi do weryfikacji projektu.
Na przykład, pracujemy dla firmy, która wykonuje opakowania, w których zawartość
powinna utrzymywać świeżość przez 18 miesięcy. Po zadaniu prostego pytania odkrywamy, że ich produkty nigdy nie są używane dłużej, niż przez 3 miesiące. To znaczy, że
można zastosować całkowicie inne rozwiązanie.
4. STAN NARZĘDZI WSPOMAGAJĄCYCH PROCES PROEKOLOGICZNEGO PROJEKTOWANIA WYROBU
ELEKTRONICZNEGO
Dostępne na rynku narzędzia proekologicznego projektowania wyrobów elektronicznych można podzielić na dwie rozłączne grupy narzędzi wspomagających rozwiązywanie: problemów projektowych oraz problemów oceny ekologicznego przystosowania
produktu.
Narzędzia projektowe wyrobów elektronicznych stanowią z reguły komputerowe systemy wspomagające projektowanie wyrobów elektronicznych. Budowa tego typu systemów jest podobna. Stanowi je oprogramowanie, w którego strukturze wyróżnić można:
− bazę danych zawierającą elementy składowe, z których projektowany jest dany
wyrób,
− bazę danych reguł projektowych (którą z reguły można dostosować do potrzeb i
wymogów projektanta),
− moduł wprowadzania danych,
− moduł tworzący dokumentację,
− moduł generujący projekt (dane na drukarkę, lub określony system sterujący
procesem technologicznym),
− interfejs użytkownika.
Proekologiczne projektowanie jest nowym trendem w projektowaniu produktów.
Liczba narzędzi wspomagających analizę procesów technologicznych, tworzonych odpadów, produktu w cyklu jego życia oraz jego utylizacji, z punktu widzenia ochrony
ludzi i środowiska naturalnego jest mała. Znane są pojedyncze próby budowy systemów
tego typu, których przykładem jest wspomniany system SimPro.
Należy się spodziewać, że umieszczone zostaną w Internecie aplikacje, które umożliwią wnioskowanie o stopniu przystosowania ekologicznego projektu produktu. W
niedalekiej przyszłości, planuje się rozwój inteligentnego środowiska ISE (ang. Intelligent Synthesis Environment), którego celem będzie powiązanie naukowców, zespołów
projektowych, producentów, dostawców i konsumentów nie tylko w celu zapewnienia
funkcjonowania tak założonego systemu, ale również ustalania jego różnych misji (w
tym metod proekologicznego projektowania).
5. PODSUMOWANIE
Proekologiczne projektowanie wyrobów elektronicznych jest próbą kompleksowego
rozwiązania problemów ekologicznych. Polega ono na stosowaniu ekologicznych technologii wytwarzania, charakteryzujących się:
− wykorzystywaniem odtwarzalnych surowców,
53
− niskim zużyciem energii,
− brakiem toksycznych odpadów,
− zdefiniowaniu sposobu zagospodarowania zużytych wyrobów.
Zagospodarowanie zużytych wyrobów wymaga odpowiedniej infrastruktury, umożliwiającej zbieranie, transport, demontaż, sprawdzenie zdemontowanych podzespołów,
przekazanie do ponownego użycia zespołów sprawnych, odzyskiwanie elementów
(głównie układów scalonych VLSI), ich sprawdzanie i ponowną dystrybucję elementów
zdatnych, odzyskiwanie materiałów i surowców oraz utylizację pozostałości.
W Polsce obecnie takiej infrastruktury brak. Brak jest obecnie również komputerowych narzędzi wspomagających proekologiczne projektowanie i narzędzia takie powinny być opracowane.
LITERATURA
1. A.K. Błędzki - praca zbiorowa: Recykling materiałów polimerowych, WNT, 1997
2. Clark T., Charter M.: „ECO-Design Checklists” for Electronic Manufacturers, System Integrators and Suppliers of Components and Sub-assemblies, The Centre for Sustainable
Design, May 1999.
3. Griese H., Nissen N. F.: Basic Ideas for Environmentally Compatible Electronic Design,
NETPACK Meeting, 7th French Microelectronics Forum, Paris, 2 April 1996.
4. Griese H., Nissen N. F.: Environmentally Compatible Electronic Design, Micro System
Technologies 96, Potsdam, 18 September 1996.
5. ICER GUIDELINES: Design for Recycling Electronic and Electrical Equipment, March
1997.
6. Middendorf A.: IDEE - Information System for Recycling Service of Electronic Goods,
Care Meeting, Vienna/Austria, 1 - 2 July 1996.
7. Nissen N. F., Griese H., Middendorf A., Müller J., Pötter H.: Environmental Impact of Materials in Electronics, Int. Conf. Micro Mat ‘97, Berlin, 16 - 18 April 1997.
8. Müller J., Griese H., Middendorf A., Reichl H.: Towards a Better Closed Loop Economy
for Electronic Products, Conf. Record 1997 IEEE Int. Symp. on Electronics and the Environment, San Francisco/California, 5 - 7 May 1997.
ECO-DESIGN PRINCIPLES OF ELECTRONIC EQUIPMENT
In the article are presented ECO-design specification of the electronic equipment and
its principles. Given survey of ECO-design methods presents general ideas of some
methods such, as complex method, list verification method, ECO-indicator method and
intuitive method. The state of the tools aiding the process of ECO-design of the electronic equipment is discussed.
54