„Umwelt und Elektronik“ Ringvorlesung „Umwelt und Elektronik“ H. Bärwolff A. Wagen

Inhalt 1. Einführung (Umwelt) 2. Entwicklung der Elektronik 3. RoHS und WEEE 4. Elektronik und Umwelt 5. Neue Technologien 6. Eigene Projekte (Beleuchtungskonzept in Windeck, Umweltsäule, LED-Einsatz, ...) 7. Kolloquiumsthemen 8. Fazit/Thesen 17.09.2018

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Einführung Umwelt und Gesellschaft (Faktor 4) IEDM-Konferenz Elektronik von der Röhre bis CMOS Moorsches Gesetz Wieviel Elektronik können wir uns leisten Nachhaltige und umweltfreundliche Elektronik Interdisziplinärer Ansatz und Initiativen 17.09.2018

Kyoto Protokoll – Ratifikation 2005 17.09.2018

Denken Induktion Deduktion Vereinfachen Ordnen Darstellen (Re)aktion Problemlösen durch motivierte Modifikation von Information Information Modifikation der Info Nähern Verfremden Denken Induktion Deduktion Vereinfachen Ordnen Darstellen (Re)aktion Trial & Error etc. Analogien Assoziation Verzerrung Umkehrung Infragestellen Projektion Transformation Substitution etc Synthese 17.09.2018

Umwelt und Gesellschaft/Faktor 4 "Faktor Vier" ist die Formel für eine neue Richtung des technischen Fortschritts ("Effizienzrevolution"), die doppelten Wohlstand bei gleichzeitiger Halbierung des Naturverbrauchs verspricht. In ihrem Buch „Faktor 4. Doppelter Wohlstand - halbierter Naturverbrauch, umschreiben die Autoren Ernst Ulrich von Weizsäcker, Amory B. Lovins und L. Hunter Lovins Nachhaltigkeit so : „Das Konzept der Nachhaltigkeit, der ökologisch dauerhaften Entwicklung, des „Sustainable Development“, wurde nicht erst von den Diplomaten des Erdgipfels erfunden. Nachhaltigkeit ist ein uraltes Prinzip menschlicher Kulturen. 17.09.2018

Energieverbrauch 17.09.2018

IEDM 2004 (International Electronics Devices Meeting) Plenumsvortrag von R. Smalley (Entdecker der großen Kohlenstoffmoleküle, Fullerene, Nobelpreis) Um den Lebenstandard der Industrienationen zu halten sind 10 TW saubere Energie zusätzlich nötig Die Entwicklungsländer wollen diesen Lebensstandard ebenfalls erreichen Dafür sind weitere 50 TW zusätzlich nötig Das ist DeFacto unmöglich Wir das Problem nicht gelöst drohen weltweit Terror, Katastrophen, Migration und Verteilungskämpfe 17.09.2018

Wieviel Elektronik können wir uns leisten ? Soviel Elektronik wie nötig und nicht wie möglich Elektronik ist Teil unseres Lebens Elektronik ist aber „Fluch und Segen“ zugleich 17.09.2018

Positive und negative Beispiele Solartechnologie, LEDs Prozeßoptimierung Energieverbrauch Elektronikschrott (WEEE) Thema Bleilot und Flammenhemmer (RoHS) Effizienz; Netzteile (Linear, Schaltnetzteile) Verstärkertechnik (A, AB, B), OV, CMOS 17.09.2018

Wirkungsgrad von LEDs 17.09.2018

Von der Röhre bis CMOS 1956: 100 Mill. kWh für Röhrenheizung täglich Heute ein Bruchteil davon, absolut gesehen aber mehr 17.09.2018

Moorsches Gesetz 17.09.2018

Der erste integrierte Chip weltweit 17.09.2018

Erste Taschenrechner von TI 17.09.2018

Von der Glühlampe zum Laser 17.09.2018

LED-basierte Preisanzeigen 17.09.2018

„Electronics goes green“ (Nachhaltige und umweltfreundliche Elektronik) Umweltgerechte Produktgestaltung von Elektrik / Elektronik. Schwerpunkt: mobile elektronische Produkte und Systeme Displays und Energieversorgung - "Grüne" Prozesse und Materialien, zum Beispiel bleifreie Verbindungstechnik halogenfreie Substrate und Packages - Recycling-Technologien wie ReUse, Repair, Upgrading, Materialrecycling - Green Management - Financial Drives for Green Innovations 17.09.2018

Interdisziplinärer Ansatz und Initiativen www.bmu.de Umweltnetzwerk Oberberg Ringvorlesung Presse Naturschutzbund Etc. Jeder kann was tun, zu Hause auf der Arbeit und im allgemeinen 17.09.2018

RoHS Was bedeutet die RoHS-Richtlinie? Richtlinie zur Beschränkung der Verwendung bestimmter gefährlicher Stoffe in Elektro- und Elektronikgeräten (RoHS: Restriction of the use of certain Hazardous Substances in Electrical and Electronic Equipment). Die Richtlinie (2002/95/EG) verbietet die Verwendung von Blei, Quecksilber, Cadmium, sechswertigem Chrom und bromhaltigen Flammschutzmitteln (polybromierte Biphenyle oder polybromierte Diphenylether) in elektrischen und elektronischen Geräten ab 1. Juli 2006. Allgemeine Erklärungen: RoHS (Restriction of certain Hazardous Substances) Die RoHS-Richtlinie der Europäischen Union (EU) regelt die Beschränkung der Verwendung gefährlicher Stoffe. Sie verbietet ab Juli 2006 die Verwendung bestimmter Stoffe in elektrischen und elektronischen Geräten. WEEE (Directive Waste from Electrical and Electronic Equipment) Diese Richtlinie behandelt die Wiederaufbereitung, Sortieren und Verarbeitung von Produkten, die der Richtlinie nicht entsprechen.    Die wichtigsten Inhalte der RoHS-Richtlinie: Geräte, die nach dem 01.07.2006 auf den Markt gebracht werden, dürfen folgende Grenzwerte bestimmter Materialien nicht mehr überschreiten: Blei (<0,1%) Quecksilber (<0,1%) Cadmium (<0,01%) sechswertiges Chrom (<0,1%) polybromierte Biphenole bzw. polybromierte Diphenylether Ausnahmen: Blei in Kupferlegierungen (z.B. Messing) bis zu einem Masseanteil von 4%. Hierunter fallen die Stromversorgungselemente von Würth Elektronik. Bleiverbot bei Medizintechnik voraussichtlich ab 2008.  17.09.2018

RoHS Folgende Elektro- und Elektronik-Altgerätekategorien sind betroffen: Haushaltsgroßgeräte Haushaltskleingeräte IT- und Telekommunikationsgeräte Geräte der Unterhaltungselektronik Beleuchtungskörper Elektrische und elektronische Werkzeuge (mit Ausnahme stationärer Industriewerkzeuge) Spielzeug sowie Sport- und Freizeitgeräte Automatische Ausgabegeräte Elektrische Glühlampen und Leuchten in Haushalten 17.09.2018

RoHS Folgende Elektro- und Elektronik-Altgerätekategorien sind nicht betroffen: Medizinische Geräte (mit Ausnahme aller implantierten und infizierten Produkte) Überwachungs- und Kontrollinstrumente Ersatzteile für die Reparatur oder für die Wiederverwendung von Elektro- und Elektronikgeräten, die vor dem 1. Juli 2006 in Verkehr gebracht wurden/werden 17.09.2018

RoHS Wer ist verantwortlich? Die Gerätehersteller sind dafür verantwortlich, dass ihre Produkte keinen der sechs verbotenen Stoffe enthalten. Die Richtlinie deckt keine Bauteile oder Baugruppen ab. Daher müssen die Gerätehersteller eigene Maßnahmen ergreifen, um sicherzustellen, dass keines der in ihren Produkten verwendeten Teile oder Materialien verbotene Stoffe enthält. 17.09.2018

RoHS „Hersteller" ist dabei jeder, der unabhängig von der jeweiligen Verkaufsart: unter seinem eigenen Markennamen elektrische oder elektronische Geräte herstellt und verkauft unter seinem eigenen Markennamen von Dritten hergestellte Geräte weiterverkauft oder elektrische oder elektronische Geräte gewerblich einführt oder in ein Mitgliedsland ausführt. Hierbei wird klar, dass es Umstände gibt, unter denen ein anderer als der eigentliche Erzeuger eines Produkts die „Hersteller"-Verantwortung übernehmen muss. 17.09.2018

RoHS Aufwendung für RoHS: Alle Bauteile müssen auf das nicht Vorhandensein der verbotenen Stoffe überprüft werden Neu Lötstationen mit neuen Lötverfahren Höhere Temperaturen bei der Verarbeitung von neuem Lötzinn Neue Lötzinnlegierungen sind nicht mit den alten kompatibel Hoher Kostenaufwand 17.09.2018

RoHS Beispiele zu neuen Lötzinnlegierungen Sn/Ag/Cu Legierung ZINN/ Silber/Kuppfer 17.09.2018

WEEE WEEE (Directive Waste from Electrical and Electronic Equipment) Diese Richtlinie behandelt die Wiederaufbereitung, Sortieren und Verarbeitung von Produkten, die der Richtlinie nicht entsprechen.  Die Mitgliedstaaten stellen sicher, dass die Übernahme der Produktverantwortung für die Behandlung, Verwertung und umweltgerechte Beseitigung der Geräte durch die Hersteller gewährleistet ist mindestens 4 Kilogramm Altgeräte aus privaten Haushalten pro Einwohner pro Jahr getrennt gesammelt werden (spätestens bis 31. Dezember 2006) die kostenlose Rückgabemöglichkeit für private Haushalte und Vertreiber gegeben ist die Hersteller die Zielvorgaben für die Verwertung und das Recycling erfüllen (bis 31. Dezember 2006) jeder Hersteller beim Inverkehrbringen eines Produktes eine Garantie stellt, aus der sich ergibt, dass die Finanzierung der Entsorgung aller Altgeräte gewährleistet ist ein Verzeichnis der Hersteller erstellt wird und Daten zu Mengen und Kategorien von Geräten vom Inverkehrbringen bis zur Entsorgung erhoben werden die Hersteller die Entsorgung von Altgeräten finanzieren das Verbot der Verwendung von Blei, Quecksilber, Cadmium, sechswertigem Chrom und bromhaltigen Flammschutzmitteln (polybromierte Biphenyle oder polybromierte Diphenylether) in elektrischen und elektronischen Geräten ab 1. Juli 2006 eingehalten wird. (Für bestimmte Anwendungen gibt es Ausnahmeregelungen) 17.09.2018

WEEE WEEE - Definitionen "Wiederverwendung" von Elektro- und Elektronik-Altgeräten bezeichnet die Reparatur oder Aufarbeitung eines Produkts oder eines Bauteils desselben. Typische Beispiele sind Waschmaschinen oder Fernsehgeräte oder auch die Wiederverwendung von Akkus aus Alt-Handys. "Recycling" bezeichnet die Verarbeitung von Elektro- und Elektronik-Altgeräten zu Werkstoffen für neue Komponenten. Ein Beispiel ist die Zerkleinerung und Verarbeitung von Fernsehbildschirmen zu neuem Glas. 17.09.2018

WEEE WEEE - Definitionen "Getrennte Sammlung" bedeutet, dass ein Haushalt ein Elektro- oder Elektronik-Altgerät mühelos über einen anderen Kanal als über die normale Sammlung von Hausmüll entsorgen kann - wenngleich es keine Vorschrift gibt, nach welcher der Haushalt dazu gesetzlich verpflichtet sein wird. "Behandlung und Verwertung" von Elektro- und Elektronik-Altgeräten bedeutet die Beseitigung von gefährlichen Stoffen (wie jenen, die die RoHS-Richtlinie abdeckt) sowie von Leiterplatten und Flüssigkeiten. Die Behandlung und die Verwertung von Elektro- und Elektronik-Altgeräten dürfen nur durch zugelassene Anlagenbetreiber erfolgen, welche die Bestimmungen der WEEE-Richtlinie erfüllen. 17.09.2018

WEEE Fazit: Die WEEE-Richtlinie zielt darauf ab, die Recycling-Quote bei Elektro- und Elektronikgeräten zu steigern und ermuntert Produktentwickler, bereits im Designprozess auch an das spätere Recycling zu denken. Die RoHS-Richtlinie unterstützt dieses Ziel, indem sie den Einsatz gefährlicher Chemikalien im Produktionsprozess verringern will. 17.09.2018

StandBy als “energie vampire” genannt Probleme es gibt Geräte, die einen gleichen Verbrauch im Arbeits- und Standby-Modus haben Uhr, Sensor, Anzeige usw. brauchen Energie nur im milliWatt Bereich, aber die Realität sieht anders aus Hohe Energieverluste im Netzteil 17.09.2018

StandBy Szenario in USA StandBy braucht 10% von normalen Haushalts-Energieverbrauch $5 Milliard. pro Jahr nur für StandBy Geräte (5% vom Energieverbrauch in USA). Untersuchung in 2000 bei Dr. Alan Meier Quelle: Lawrence Berkeley National Laboratory, USA) 17.09.2018

StandBy 17.09.2018

StandBy Szenario in Großbritannien Emission von den StandBy Geräten ist äquivalent zu 1,4 Millionen Langstreckenflügen 1 von 7 Leute denken, man könnte mit Standby mehr Energie sparen als die Geräte ein und auszuschalten Bei neuartigen Geräten ist dies nicht der Fall (Quelle: Energy Saving Trust) 17.09.2018

StandBy Szenario in Deutschland Untersuchung in 2002 Energieverbrauch für StandBy ist 45 Watt pro Haushalt. Zusammen mit dem kommerzieller Sektor, hat StandBy mehr als 18 Billion KWh pro Jahr (4% vom Gesamt -Energieverbrauch) Die Deutschen bezahlen jedes Jahr ca. € 3,5 Millionen EUR Dies entspricht 14 Millionen Tonnen CO2-Emission (Kohlendioxid) ca 1,6% vom Gesamtausstoß Deutschland (KWh – KiloWatt-Stunden) 17.09.2018

StandBy Die Maßnahmen California Energy Commission Ab Juni 2006, dürfen alle Geräte (Laptop, DVD, TV, usw.) höchstens 3 Watt im StandBy-Mode verbrauchen Kleingeräte bis 0,5 Watt. ab 2007 StandBy Verbrauch von 0,75 Watt ab 2008 StandBy Verbrauch von 0,5 Watt International Energy Agency, IEA führt eine globale Initiative an: „One Watt Plan“ (Ein Watt Plan) Bis 2010 sollen alle Geräte im StandBy unter 1 Watt verbrauchen. 17.09.2018

Durchgeführte Umweltprojekte Umweltsäule in der City von Gummersbach Beleuchtungskonzept für die Gemeinde Windeck Messungen von Umweltbelastungen (Ozon, Radioaktivität) Abfallvermeidung mit Six Sigma Umweltdynamo LEDs in der Außenbeleuchtung 17.09.2018

Umweltmeßstation in der City von Gummersbach Die Erfassung und Bewertung von meteorologischen Daten wie Temperatur, Luftdruck und Luftfeuchte wird sehr häufig vorgenommen. Schwieriger ist es hingegen etwa den Ozongehalt zu messen. Nicht nur in den Städten, sondern gerade auch in ländlichen Regionen werden, besonders im Sommer, bedenkliche Ozon-Konzentrationen erreicht. Über die Medien erhalten die Bürger entsprechende Warnungen, um gesundheitliche Schäden zu verhüten. Bisher gab es eine derartige Meßstelle für die Region Oberberg nicht. Auf Initiative der Fachhochschule wurde jetzt nach langer Vorbereitungszeit diese Lücke geschlossen. 17.09.2018

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Kostenlos und stets aktuell kann man sich seit dem 15 Kostenlos und stets aktuell kann man sich seit dem 15. März 2000 an der Umweltmeßstation der Stadt Gummersbach in der Hindenburgstraße über die wichtigsten Umweltdaten in unserer Stadt informieren, nämlich Luftfeuchte, Luftdruck, Temperatur, V-Strahlung und Ozongehalt. Darüber hinaus werden die jeweiligen Tendenzen (Zu- oder Abnahme der Werte), das Datum und die Uhrzeit, sowie aktuelle Informationen über eine Laufschrift angezeigt. Bei Überschreitung kritischer Werte gibt das Display automatisch zusätzliche Informationen und Verhaltensregeln. Das Meßsystem ist ein Geschenk der Stromversorgung Aggertal GmbH und der Fachhochschule Köln, Abteilung Gummersbach, an die Stadt Gummersbach im Rahmen der Neugestaltung des Innenstadtbereiches. Die technische Realisierung lag beim Labor für Analog- und Optoelektronik des Fachbereiches Elektrotechnik unter der Leitung von Prof. Dr. Hartmut Bärwolff. 17.09.2018

Projekt : Beleuchtungskonzept Gemeinde Windeck Allgemeines Windeck (Sieg): große Landgemeinde (107,26 km²) im Osten des Rhein-Sieg-Kreises, Land NRW entstand 1969 aus der Zusammenlegung der Gemeinden Herchen, Dattenfeld und Rosbach benannt nach der bekannten Burgruine Windeck Insgesamt umfasst die Gemeinde 67 Ortschaften mit ca. 21200 Einwohnern (Stand Dez. 2005) 17.09.2018

Gemeinde Windeck Kultur, Natur, Sehenswürdigkeiten „Das Windecker Ländchen, dort wo die Sieg am schönsten ist“ Burgruine Windeck Burg Maul Heimatmuseum in Altwindeck Siegwasserfall bei Schladern Teilgebiet des Naturparks Bergisches Land Naturschutzgebiet und Landschaftsschutzgebiet „Siegaue“ 17.09.2018

Gemeinde Windeck Straßenbeleuchtung (Ist-Zustand) ca. 3000 Straßenlampen sind im Gemeindegebiet vorhanden RWE ist zuständig für die Energieversorgung und das Straßenlampennetz gegenwärtig uneinheitliche Straßenbeleuchtung im Gemeindegebiet (Brennzeiten, Leuchten, Lampen, etc.) Schaltung der Lampen erfolgt entweder über Dämmerungssensoren oder zentrale Schaltwerke (Brennstundenkalender) DI- bzw. Europäische Normen für Straßenbeleuchtung wurden bis dato wenig beachtet 17.09.2018

Neues Straßenbeleuchtungskonzept für die Gemeinde Windeck ein Diplomand bearbeitet das Projekt mit Unterstützung einiger Team-Projekt-Studenten ein innovatives Straßenbeleuchtungskonzept soll die Energie- und Instandhaltungskosten reduzieren und dabei den neuesten umwelttechnischen Anforderungen entsprechen Es gilt das Motto: „Was für die Umwelt gut ist, ist für alle gut!“ eine Wirtschaftlichkeitsuntersuchung vergleicht den bestehenden Ansatz mit zu erarbeitenden Alternativlösungen 17.09.2018

Neues Straßenbeleuchtungskonzept für die Gemeinde Windeck Die Grundlagen der Untersuchung bildet ein Kataster mit verschiedenen Daten für jede Leuchtstelle Die Ergebnisse einer Recherche bieten einen Überblick über Pilotprojekte im In- und Ausland (z.B. LEDs in der Straßenbeleuchtung) Zusätzliche Anregungen zum Thema kommen aus dem Institut für Optoelektronik Die Wirtschaftlichkeitsuntersuchung soll die möglichen Einsparpotentiale in der Straßenbeleuchtung ans Licht bringen Ein Tool für die Wirtschaftlichkeitsuntersuchung steht vom Verband der Netzbetreiber (VDN) zur Verfügung 17.09.2018

Wirtschaftlichkeitsuntersuchung 17.09.2018

Wirtschaftlichkeitsuntersuchung 17.09.2018

Neues Straßenbeleuchtungskonzept Zusammenfassung Maßgeblich ist eine Kostenreduzierung im Bereich der Straßenbeleuchtung Der Energieverbrauch muss dafür entscheidend vermindert werden Ressourcen werden geschont – die Umwelt nachhaltig geschützt Den Nutzen haben wir Alle 17.09.2018

Umwelt-Dynamo Aufgabenstellung der Entwicklung: Kleiner Dynamo ca. 1-2 Watt Wasserantrieb Einfache Montage Einfache Wartung Kostengünstig Beleuchtung von Flüssigkeiten aus sicherheitstechnischen und anderen Gründen 17.09.2018

Umwelt Dynamo Vorschlag Speichendynamo 6V, 3W Gehäuse: schlagfester Kunststoff, schwarz Gewicht: 270g Kosten ca 30€ 17.09.2018

Firma PWM (LED-Ausleuchtung von Logos) Geschäftsbereich elektronische Preisanzeigen Standorte Bergneustadt Houston (USA) 65 Mitarbeiter 17.09.2018

übrige Komponenten der Ansteuerung LED Modul Bauteile des LED Moduls Treiberbaustein übrige Komponenten der Ansteuerung HIGH POWER LED - Ein Treiber versorgt 2 LEDs - Nennspannung 9V 17.09.2018

Anwendung der Module Aufbau des LED Werbelogos LED Module Reflektor 17.09.2018

Kolloquiumsprojekte Ozon StandBy Solartechnologie Sammlung interessanter Themen (Quo Vadis „Elektronik und Umwelt) Vorschläge der anderen Referenten Vorschläge der Hörer 17.09.2018

Fazit Umweltschutz ist Gesellschaftsschutz Die Anthropogene Umweltbelastung ist zu verringern Jeder kann etwas dafür tun Neue Ethik der Bescheidenheit ist nötig Nicht im Wachstum liegt die Lösung der Probleme Umweltfreundliche Elektronik muß entwickelt werden Soviel Elektronik wie nötig, nicht wie möglich Die Industrienationen müssen vorangehen Mit Umwelttechnologie kann man Geld verdienen Dem Aspekt der „Anpassung und Minderung“ von Umweltschäden ist verstärkt Beachtung zu schenken 17.09.2018