Einleitung

Das Stromnetz ist das Rückgrat der modernen Zivilisation und liefert Strom an Haushalte, Unternehmen und Industrien. Doch die Komponenten, aus denen diese kritische Infrastruktur besteht – Transformatoren, Schaltanlagen, Isolatoren, Leiter und Leistungsschalter – werden traditionell unter Verwendung eines linearen Entsorgungsmodells hergestellt. Dieser Ansatz verbraucht riesige Mengen an Rohstoffen, erzeugt erhebliche Abfälle und trägt zur Umweltzerstörung bei. Da die Welt auf Netto-Null-Emissionen zusteuert, muss die Herstellung von Stromnetzkomponenten einer grundlegenden Transformation unterzogen werden.

Durch die Integration von Kreislaufwirtschaftsprinzipien in die Produktion von Netzkomponenten können Hersteller die Abhängigkeit von neuen Ressourcen verringern, die Lebensdauer der Produkte verlängern und Materialflüsse in geschlossenen Kreisläufen erzeugen. Dieser Artikel untersucht, was eine Kreislaufwirtschaft für die Herstellung von Stromnetzen bedeutet, warum sie wichtig ist und wie Unternehmen diese Prinzipien praktisch umsetzen können, um eine nachhaltigere und widerstandsfähigere Energieinfrastruktur aufzubauen.

Was ist eine Circular Economy?

Eine Kreislaufwirtschaft ist ein wirtschaftlicher Rahmen, der Wachstum vom Verbrauch endlicher Ressourcen entkoppelt. Anstelle des traditionellen linearen Modells – Rohstoffe extrahieren, herstellen, verwenden und wegwerfen – hält ein Kreislaufmodell Materialien so lange wie möglich im Einsatz durch Wiederverwendung, Reparatur, Wiederaufarbeitung, Wiederaufarbeitung und Recycling. Es basiert auf drei Kernprinzipien: Abfall und Verschmutzung beseitigen, Produkte und Materialien zirkulieren und natürliche Systeme regenerieren.

Für die Fertigung bedeutet dies, dass Produkte von Anfang an mit Blick auf ihren gesamten Lebenszyklus entwickelt werden müssen. Komponenten sollten leicht zu zerlegen, aufzurüsten und zu recyceln sein. Materialien sollten sowohl für die menschliche Gesundheit als auch für die Umwelt sicher sein, und Geschäftsmodelle sollten sich vom Verkauf von Produkten hin zur Erbringung von Dienstleistungen oder Leistungsverträgen verschieben. Die Ellen MacArthur Foundation hat sich weltweit für dieses Konzept eingesetzt und bietet einen klaren Rahmen, den Industrien aller Art übernehmen können. Erfahren Sie mehr über die Prinzipien der Kreislaufwirtschaft.

Warum die Herstellung von Stromnetzkomponenten Zirkularität benötigt

Stromnetzkomponenten sind ressourcenintensiv. Ein einzelner großer Leistungstransformator kann Dutzende Tonnen Kupfer, Stahl und Isolieröl enthalten. Isolatoren werden typischerweise aus Porzellan, Glas oder Polymerverbundwerkstoffen hergestellt, und Leiter sind normalerweise Aluminium- oder Kupferlitzen. Die kumulative Nachfrage nach diesen Materialien zur Erweiterung und Modernisierung von Stromnetzen weltweit ist atemberaubend. Nach der Internationalen Energieagentur (IEA) muss das globale Netz bis 2040 über 80 Millionen Kilometer Leitungen hinzufügen oder erneuern, um die Klimaziele zu erreichen - was massive Mengen an Metallen und Mineralien erfordert.

Darüber hinaus haben Netzkomponenten eine lange Lebensdauer – oft 30 bis 50 Jahre –, aber wenn sie das Ende der Lebensdauer erreichen, landen viele auf Deponien oder werden ineffizient recycelt. Der Global E-Waste Monitor berichtet, dass nur etwa 20% des Elektroschrotts formal gesammelt und recycelt werden, und Netzkomponenten werden in Recyclingsystemen häufig übersehen. Dieser lineare Ansatz verschwendet wertvolle Materialien und schafft Umweltgefahren, wie z. B. austretende Isolierflüssigkeiten oder Schwermetalle. Der Übergang zu einem Kreislaufmodell kann diese Probleme lösen und gleichzeitig Kosteneinsparungen, Lieferkettenresistenz und reduzierte CO2-Emissionen.

Kernprinzipien für Netzkomponenten

Die Umsetzung der Zirkularität in der Fertigung von Netzkomponenten erfordert die Umsetzung der hochrangigen Prinzipien in konkrete technische und geschäftliche Praktiken.

Design für Langlebigkeit

Die Verlängerung der Lebensdauer von Netzkomponenten ist eine der effektivsten Kreislaufstrategien. Anstatt für eine feste Lebensdauer zu entwerfen, können Hersteller Produkte entwickeln, die einfacher zu warten, zu aktualisieren und zu reparieren sind. Dazu müssen hochwertige, langlebige Materialien verwendet werden, modulare Konstruktionen verwendet werden, die den Austausch einzelner Teile ermöglichen, und umfassende Servicedokumentation bereitgestellt werden. Beispielsweise kann ein Transformator, der mit zugänglichen Durchführungen und Dichtungssystemen ausgestattet ist, vor Ort renoviert und nicht vollständig ersetzt werden, was Ressourcen einspart und Ausfallzeiten reduziert.

Design für Demontage und Recyclingfähigkeit

Wenn ein Bauteil schließlich das Ende seiner Lebensdauer erreicht, sollten seine Materialien mit minimaler Energie und Kosten rückgewinnbar sein. Dies bedeutet, dass Klebeverbindungen, Verbundwerkstoffe, die schwer zu trennen sind, und gefährliche Stoffe, die das Recycling erschweren, vermieden werden. Die Verwendung standardisierter Befestigungsmittel, die Kennzeichnung aller Materialien und die Bereitstellung von Demontageanweisungen können die Rückgewinnungsraten erheblich verbessern. Heute werden viele Isolatoren aus gemischten Polymerverbundwerkstoffen hergestellt, die fast unmöglich zu recyceln sind; die Umstellung auf Einzelmaterialdesigns oder leicht trennbare Schichten kann das ändern.

Hersteller wie Hitachi Energy haben gezeigt, dass große Transformatoren für eine nahezu vollständige Materialrückgewinnung ausgelegt werden können. Ihr Konzept des “Rundtransformators” verwendet recycelbare Isolationsmaterialien und ermöglicht die Rückgewinnung von Kupfer, Stahl und Isolieröl am Ende der Lebensdauer. Lesen Sie den Kreislaufwirtschaftsansatz von Hitachi Energy.

Materialinnovation und Substitution

Die Verringerung des ökologischen Fußabdrucks von Netzkomponenten erfordert auch die Innovation der Materialien selbst. Recycelte Metalle - insbesondere Kupfer und Aluminium - können ohne Leistungseinbußen verwendet werden, sofern geeignete Qualitätskontrollen vorhanden sind. Post-Consumer-recycliertes Kupfer behält seine Leitfähigkeit und kann aus stillgelegten Kabeln oder Elektronik bezogen werden, wodurch der Kohlenstoff-Fußabdruck um bis zu 80% im Vergleich zu abgebautem Kupfer gesenkt wird.

Für Isolatoren entstehen biologisch abbaubare Polymere aus pflanzlichen Quellen als Alternativen zu Kunststoffen auf Erdölbasis. Obwohl diese Materialien noch früh in der Entwicklung sind, bieten sie einen vielversprechenden Weg zur Verringerung von Abfall und Toxizität. Ebenso ersetzen natürliche Ester-basierte Isolierflüssigkeiten (pflanzliche Öle) Mineralöl in Transformatoren und bieten eine bessere biologische Abbaubarkeit und Brandsicherheit. Die Zusammenarbeit mit materialwissenschaftlichen Instituten und Lieferanten ist entscheidend, um diese Innovationen zu skalieren.

Verwertung und Wiederaufarbeitung

Anstatt Altkomponenten auf Deponien zu verschiffen, können Hersteller Rücknahmeprogramme einrichten, die wertvolle Teile für die Wiederaufarbeitung zurückgewinnen. Ein gut funktionierendes Rückgewinnungssystem kann Transformatoren, Schaltanlagen und andere Geräte zurückgewinnen, sie in einen neuen Zustand versetzen und sie wieder auf den Markt bringen. Dieser geschlossene Ansatz reduziert den Bedarf an Rohstoffgewinnung und einen erheblichen Energieverbrauch. Zum Beispiel kann ein Versorgungsunternehmen einen ausgedienten Transformator an den Hersteller zurückgeben, im Austausch für einen Kredit an eine renovierte Einheit - ein klassisches Kreislaufgeschäftsmodell.

Umsetzungsstrategien

Die folgenden Strategien bieten einen Fahrplan für Hersteller, die Zirkularität in ihre Abläufe einbetten wollen.

Produktlebenszyklusbewertungen

Bevor sie Änderungen vornehmen, müssen die Hersteller die ökologischen und wirtschaftlichen Auswirkungen ihrer Produkte in jeder Phase verstehen – Rohstoffgewinnung, Produktion, Vertrieb, Nutzung und End-of-Life. Die Durchführung einer Lebenszyklusbewertung (LCA) hilft dabei, Hotspots zu identifizieren, in denen kreisförmige Eingriffe die größte Wirkung haben. Zum Beispiel könnte eine Ökobilanz zeigen, dass die Nutzungsphase den Energieverbrauch für einen Transformator dominiert, aber die Produktionsphase den größten Teil des Materialabfalls ausmacht. Mit diesen Daten können Ingenieure Designänderungen priorisieren, die am wichtigsten sind.

Take-Back und Reverse Logistics

Die Umsetzung eines Rücknahmeprogramms erfordert die Einrichtung von Reverse-Logistiknetzwerken, um gebrauchte Komponenten von Versorgungsunternehmen und Netzbetreibern zu sammeln. Dies kann durch Partnerschaften mit Logistikanbietern oder durch die Einrichtung regionaler Sammelzentren erfolgen. Die Hersteller sollten auch in Sortier-, Test- und Sanierungsanlagen investieren. Ein Beispiel ist die Initiative von ABB (heute Hitachi Energy) Transformatorrücknahmeinitiative, die Tausende Tonnen Kupfer und Stahl zur Wiederverwendung zurückgewonnen hat. Versorgungskunden profitieren von reduzierten Entsorgungskosten und vereinfachter Einhaltung der Vorschriften für Elektroschrott.

Modulares Design für Upgrade-Fähigkeit

Die in Modulblöcken entworfenen Netzkomponenten ermöglichen inkrementelle Upgrades, ohne die gesamte Einheit zu ersetzen. Beispielsweise kann eine Schaltanlage mit austauschbaren Steuerungsmodulen ihre Elektronik auf moderne Standards aktualisieren lassen, während Gehäuse, Stromschienen und mechanische Teile in Betrieb bleiben. Dies verlängert die Lebensdauer, reduziert den Elektronikschrott und senkt die Gesamtbetriebskosten für Versorgungsunternehmen. Hersteller können Upgrade-Kits und Serviceverträge anbieten, die langfristige Kundenbeziehungen anstelle von einmaligen Verkäufen fördern.

Zusammenarbeit mit Lieferanten und Zirkularbeschaffung

Die Herstellung von Zirkularmaterialien kann nicht isoliert erfolgreich sein. Die Hersteller müssen eng mit Rohstofflieferanten zusammenarbeiten, um recycelte oder nachhaltig produzierte Materialien zu beziehen. Dies könnte Verträge umfassen, die einen Mindestprozentsatz des recycelten Anteils von Metallen festlegen oder zertifizierte Mineralien aus verantwortungsbewusster Quelle kaufen. Gemeinsame Initiativen wie die Circular Electronics Partnership (CEP) und Industriestandards der International Electrotechnical Commission (IEC) zur Zirkularität entwickeln sich, um die Praktiken in der gesamten Lieferkette zu harmonisieren.

Darüber hinaus sollten Hersteller den CO2-Fußabdruck und die Materialeffizienz ihrer eigenen Lieferkette bewerten. Die Auswahl von Lieferanten, die auch Kreislaufpraktiken anwenden, vervielfacht die positiven Auswirkungen. In einigen Ländern erfordern die bevorzugten Beschaffungspolitiken bereits den Nachweis der Kreislauffähigkeit, so dass die Hersteller bei einer frühzeitigen Einführung für zukünftige Vorschriften günstig sind.

Herausforderungen und Chancen

Trotz der klaren Vorteile ist der Übergang zu einer Kreislaufwirtschaft in der Netzkomponentenfertigung nicht ohne Hürden.

Hohe Upfront-Kosten

Die Umrüstung von Produktionslinien, die Neugestaltung von Produkten und die Etablierung einer Rücknahmelogistik erfordern erhebliche Kapitalinvestitionen. Kleine und mittlere Hersteller können es schwierig finden, diese Kosten ohne finanzielle Unterstützung zu absorbieren. Langfristige Einsparungen durch geringere Materialkäufe, niedrigere Entsorgungsgebühren und neue Einnahmen aus der Sanierung überwiegen jedoch oft die anfänglichen Kosten. Die Lebenszykluskostenanalysen zeigen durchweg, dass Kreislaufprodukte geringere Gesamtbetriebskosten für die Kunden haben, was einen Wettbewerbsvorteil in Märkten schafft, die Nachhaltigkeit schätzen.

Technologische und materielle Grenzen

Nicht alle Materialien haben ausgereifte Recyclingströme. Zum Beispiel sind faserverstärkte Verbundwerkstoffe, die in einigen modernen Isolatoren verwendet werden, schwierig zu trennen und zu verarbeiten. Darüber hinaus erfordern Hochspannungsisolationssysteme präzise elektrische und thermische Eigenschaften, die recycelte Materialien möglicherweise noch nicht erfüllen. Laufende Forschung in kreisförmigen Materialien schließt diese Lücken, und Early Adopters können dazu beitragen, die Standards und Technologien der Zukunft zu gestalten. Investitionen in FuE-Partnerschaften mit Universitäten und nationalen Labors sind unerlässlich.

Regulierungsrahmen und Standards

Die derzeitigen Vorschriften hinken oft hinter den Zirkularzielen zurück. So können beispielsweise Altnetzkomponenten, die verwertbare Materialien enthalten, als gefährliche Abfälle eingestuft werden, was zu einem zusätzlichen Verwaltungsaufwand führt. Andererseits führt der Aktionsplan der Europäischen Union für die Kreislaufwirtschaft zu strengeren Anforderungen an Haltbarkeit, Reparaturfähigkeit und Recyclingfähigkeit von Produkten, insbesondere durch die Verordnung über Ökodesign für nachhaltige Produkte (ESPR). Hersteller, die sich proaktiv an diese neuen Standards anpassen, werden besser positioniert sein, um die Anforderungen zu erfüllen und Marktanteile zu gewinnen.

Real-World Beispiele und Fallstudien

Mehrere führende Unternehmen beweisen bereits, dass eine zirkuläre Fertigung für Netzkomponenten tragfähig ist.

Siemens Energy – Umformerzirkularität

Siemens Energy hat ein kreisförmiges Design für seine HGÜ-Transformatoren entwickelt, das sich auf modulare Bauweise und die Verwendung recycelter Kupferwicklungen konzentriert. Ihr Prozess umfasst ein geschlossenes Kühlsystem, das Öllecks beseitigt und die Rückgewinnung von Altöl vereinfacht. Das Unternehmen arbeitet auch mit Versorgungsunternehmen zusammen, um Transformator-as-a-Service-Verträge anzubieten, bei denen das Eigentum bei Siemens verbleibt und Leistungssteigerungen enthalten sind - ein klassisches Kreislaufgeschäftsmodell.

Eaton – Rundschaltanlagen

Eatons Green Premium Produktlinie umfasst Schaltanlagen und Leistungsschalter, die aus recycelbaren Materialien und zerlegbaren Verbindungselementen entwickelt wurden. Sie betreiben ein Rücknahmeprogramm für Altgeräte, das bis zu 95% des Materials nach Gewicht zurückgewinnt. Der wiedergewonnene Stahl, Kupfer und Kunststoff werden in neue Produkte zurückgeführt. Eaton berichtet, dass diese Bemühungen jährlich über 20.000 Tonnen Neumaterial eingespart haben.

Ormazabal – Kreisförmige MV/LV-Transformatoren

Ormazabal, ein spanischer Hersteller, produziert Mittel- und Niederspannungstransformatoren aus 100% recycelten Aluminiumwicklungen und biologisch abbaubarem Esteröl. Ihr Design ermöglicht eine vollständige Trennung der Komponenten und bietet eine Rückkaufgarantie, um die Rückgewinnung zu gewährleisten. Dieser Ansatz reduziert den CO2-Fußabdruck jedes Transformators um fast 60% im Vergleich zu herkömmlichen Modellen.

Der Weg nach vorn

Die Kreislaufwirtschaft ist kein Nischentrend, sondern ein Imperativ für die verarbeitende Industrie der Stromnetze. Da der Strombedarf wächst und die Netze modernisiert werden, um erneuerbare Energiequellen aufzunehmen, wird sich der ökologische und wirtschaftliche Druck, Kreislaufpraktiken einzuführen, nur noch verstärken. Hersteller, die jetzt beginnen, werden durch die Neugestaltung von Produkten, die Zusammenarbeit mit Lieferanten und die Innovation von Geschäftsmodellen den Übergang anführen.

Die Politik kann diesen Wandel beschleunigen, indem sie Anreize für die Kreislaufgestaltung, die Finanzierung von Forschung und Entwicklung und die Harmonisierung der Abfallvorschriften schafft. Die Versorgungsunternehmen als Hauptkunden können die Nachfrage durch die Einbeziehung von Zirkularitätskriterien in Beschaffungsausschreibungen steigern. Zusammen kann die gesamte Wertschöpfungskette das lineare Take-Make-Dispose-Modell in ein regeneratives System verwandeln, das zuverlässige, nachhaltige Energie für Generationen liefert.

Für weitere Informationen zu den Materialanforderungen der Energiewende siehe den Bericht der IEA über kritische Mineralien . Zugriff auf den IEA-Bericht . Darüber hinaus liefert der Global E-Waste Monitor des Umweltprogramms der Vereinten Nationen wichtige Daten zur Altelektronik, einschließlich Netzkomponenten. Ansehen Sie den Global E-Waste Monitor .

Die Zeit für eine zirkuläre Fertigung ist jetzt gekommen. Durch die Umsetzung dieser Prinzipien kann die Industrie der Stromnetzkomponenten eine entscheidende Rolle beim Aufbau einer nachhaltigen Kreislaufwirtschaft spielen.