El Ecodiseño europeo es bien conocido por cuestiones relacionadas con la energía, como la eficiencia energética y el consumo de energía en modo de espera, y se han escrito muchos artículos detallados sobre este tema. Como uno de los elementos clave de la estrategia europea de Green Deal, hay otro aspecto menos conocido del Ecodiseño: la reducción de residuos y la concesión a los consumidores del "Derecho a Reparación", prolongando así la vida útil de los equipos.

Es evidente que ha llegado el momento de abordar el "derecho a reparación", inicialmente en el caso de los productos de consumo, que son la parte visible del iceberg y forman parte de un problema mucho mayor: cambiar nuestra forma de trabajar y abordar la cuestión de la prolongación de la vida útil de los equipos al tiempo que se desarrolla una economía circular. Muchos segmentos empresariales se verán muy influidos por las nuevas directivas europeas y tendrán que encontrar nuevas formas de hacer frente a la obsolescencia.

¿Cómo adoptará este cambio la industria de fuentes de alimentación y cómo podría contribuir a prolongar la vida útil de los equipos y reducir los residuos?

Nuevas normas de la UE para que los productos sostenibles sean la norma
Como se anunció en el Plan de Acción de Economía Circular de la UE, la Comisión ha propuesto nuevas normas para que casi todos los artículos físicos del mercado de la UE sean más respetuosos con el medio ambiente, circulares y eficientes energéticamente a lo largo de todo su ciclo de vida, desde la fase de diseño hasta su uso diario, reutilización y fin de vida. Como parte del Plan de Acción de junio de 2023, la Comisión de Medio Ambiente presentó una propuesta para que los productos de la UE estén preparados para esas condiciones mediante el desarrollo de una estrategia para prolongar la vida útil de los equipos y proteger a los consumidores. Una parte importante de esta propuesta consiste en establecer normas comunes que fomenten la reparación de artículos, avanzando hacia el objetivo de un consumo sostenible en el marco del Pacto Verde Europeo (Figura 01).

Figura 01 - Marco político del "Green Deal" en torno al ESPR (verde) y relación del ESPR con la Directiva de diseño ecológico (azul). (Fuente:PRBX/Ecochain)

El desarrollo de un enfoque de reparación reducirá los residuos electrónicos y el impacto medioambiental, lo que supondrá un ahorro significativo para los consumidores y toda la sociedad. Como parte de ello, y de forma similar a lo que ocurre con el etiquetado de consumo energético del diseño ecológico, Francia ha propuesto el uso de una etiqueta similar con un índice de reparación para informar a los consumidores sobre la posibilidad de reparar un producto, al tiempo que los consumidores deberían tener acceso a directrices de reparación.

Según lo propuesto en el ámbito del proyecto, el 4 de diciembre de 2023 el Parlamento Europeo y el Consejo acordaron provisionalmente una actualización de las normas de "diseño ecológico", con el objetivo de mejorar diversos aspectos de los productos a lo largo de su ciclo de vida para hacerlos más duraderos, fiables, fáciles de reutilizar, actualizar, reparar y reciclar, y que consuman menos recursos y energía y agua.

La propuesta abarca los artículos de consumo y se refiere a los defectos que puedan presentar, estén o no aún bajo garantía legal. El productor tendrá la obligación de reparar los artículos entre cinco y diez años después de su compra. Los artículos para los que existen actualmente requisitos de reparación incluyen productos domésticos como lavadoras, lavadoras-secadoras, lavavajillas, aparatos de refrigeración, pantallas electrónicas, equipos de soldadura, aspiradoras y servidores y almacenamiento de datos. Los teléfonos móviles, los teléfonos inalámbricos y las tabletas también figuran en el reciente borrador, y los cargadores de vehículos eléctricos se han tenido en cuenta en los últimos debates. Todos estos productos utilizan fuentes de alimentación y los fabricantes deben tener presente la futura legislación y normativa y seguir su evolución.

Figura 03 - Las fuentes de alimentación que necesitan las empresas ferroviarias para renovar los trenes son muy numerosas y van desde módulos de baja potencia hasta convertidores de alta potencia de hasta cientos de kilovatios. (Fuente : PRBX/Shutterstock/ECO LENS)

Por qué las nuevas normas de diseño ecológico serán importantes para la industria energética
Esta introducción puede dar la impresión de que será sobre todo el segmento de consumo el que será objeto de la futura legislación pero, de hecho, inspirados por el grupo de trabajo de Ecodiseño se están llevando a cabo muchas actividades dentro de la industria para prolongar la vida útil y aquí es donde se convierte en un área interesante para la industria de las fuentes de alimentación.

En cuanto a las aplicaciones de consumo de las fuentes de alimentación, éstas están integradas en el equipo y forman parte del sistema global, o son externas, como los cargadores USB, y el legislador está trabajando en una clasificación del nivel de reparación para que, desde el punto de vista medioambiental y económico, sea una buena idea reparar en lugar de sustituir. Esto forma parte del grupo de trabajo 2024, que trabaja en paralelo con la industria para definir clasificaciones razonables en beneficio de los usuarios finales y el medio ambiente.

Teniendo en cuenta los altos niveles de integración y las prácticas de construcción actuales, por ejemplo, el uso de productos de plástico sellados, como los adaptadores externos, es posible que no se clasifiquen como reparables, pero los fabricantes podrían seguir teniendo la obligación de garantizar la asistencia y el servicio durante diez años. Asimismo, en el caso de las fuentes de alimentación integradas en equipos catalogados, los fabricantes estarán obligados a garantizar la disponibilidad de piezas de repuesto durante el periodo de servicio.

En los niveles de potencia más altos, en cuanto a la normativa de Ecodiseño sobre consumo energético, los servidores y el almacenamiento de datos ya están incluidos en la propuesta, y los fabricantes de fuentes de alimentación están trabajando en estrecha colaboración con los representantes europeos para desarrollar soluciones de alimentación que satisfagan las necesidades de reparación, pero también para garantizar una mayor vida útil en funcionamiento.

Cuando se considera la economía circular, hasta el 80% del impacto medioambiental de un producto puede determinarse en la fase de diseño. Al diseñar una fuente de alimentación para un centro de datos siempre tenemos en cuenta la eficiencia energética, y los diseñadores de fuentes de alimentación utilizan las últimas tecnologías, como los semiconductores de banda ancha, para ofrecer los niveles más altos de rendimiento. En cuanto a la prolongación de la vida útil, se está trabajando mucho para seleccionar componentes capaces de mantener su rendimiento original durante más de diez años en condiciones operativas, pero los diseñadores también deben incluir la reparación en el diseño mecánico, lo que podría implicar un concepto modular que facilite el mantenimiento y, cuando llegue el final de la vida útil, el reciclaje.

Para muchos diseñadores será una nueva forma de trabajar, pero para los que están acostumbrados a desarrollar soluciones de potencia para la renovación y modernización de sistemas no es nada realmente nuevo y muchas de las mejores prácticas implantadas en este sector ya cumplen la futura normativa de Ecodiseño.

Antes de la normativa sobre diseño ecológico, reutilizar, reparar y prolongar la vida útil ya era la norma en el sector ferroviario.
Al margen de lo que pretende el Ecodiseño en los segmentos de consumo, muchas aplicaciones industriales requieren que los fabricantes de fuentes de alimentación proporcionen soluciones energéticas para la renovación y modernización de sistemas. Entre muchos, la industria del transporte y especialmente el ferrocarril son los mejores ejemplos para ilustrar lo que podría ser aplicable a otros segmentos cuando se trata de Reutilizar, Reparar y Prolongar la Vida Útil.

Un buen ejemplo es el operador ferroviario estatal francés, "Société National des Chemins de Fer (SNCF)", que en septiembre de 2023 anunció que, como parte de su compromiso con la sostenibilidad, SNCF Voyageurs y su División de Material Rodante se comprometen a optimizar el uso y la vida útil de sus trenes en todas las etapas de su ciclo de vida: reacondicionamiento a mitad y al final de su vida útil para prolongar su vida útil y combatir la obsolescencia, y reciclaje y reutilización de piezas de repuesto, etc. Para alcanzar ese objetivo, la SNCF ha anunciado el inicio de un gran proyecto de renovación para restaurar y modernizar 104 trenes de alta velocidad, los "Trains à Grande Vitesse (TGV)", con el fin de "luchar contra la obsolescencia" (Figura 02).

Figura 02 -SNCF está renovando 104 TGV con el objetivo de ampliar la vida útil de la flota actual. (Fuente: PRBX/SNCF)

Estos 104 trenes participantes han sido evaluados durante el cuarto trimestre de 2023 y el primer trimestre de 2024. A la hora de decidir el destino de cada tren, se tendrán en cuenta una serie de criterios, como el estado de la estructura, sus componentes metálicos, la caldera, los bogies y las instalaciones eléctricas, incluidas las fuentes de alimentación. En función de estos criterios, los trenes se clasificarán en tres categorías:
1. Aquellos en perfecto estado que seguirán en servicio, pero se someterán a reformas para mejorar su comodidad.
2. Los que requieren una mayor fiabilidad y trabajos de renovación debido a su avanzada edad.
3. Los que serán retirados del servicio por obsolescencia de piezas (componentes electrónicos o estado del chasis). Estos trenes dados de baja se utilizarán como bancos de piezas, ya que contienen hasta 3.000 componentes potencialmente recuperables que pueden reutilizarse para reparar otros trenes.

El proyecto de reacondicionamiento de la SNCF ilustra muy bien en un entorno industrial lo que pretende el Ecodiseño Reutilización, Reparación y Prolongación de la Vida Útil. La reutilización de piezas para reducir los residuos y optimizar los recursos forma parte del proceso del ciclo de vida de la SNCF desde hace mucho tiempo, ya que en lugar de comprar nuevas, revisar y reparar 500.000 piezas de repuesto de TGV cada año representa un ahorro de 500 millones de euros al año.

Diseño de fuentes de alimentación para renovación - Paradoja de las nuevas tecnologías
La variedad de fuentes de alimentación que necesitan las empresas ferroviarias al renovar los trenes es muy amplia y abarca desde módulos de baja potencia hasta convertidores de alta potencia de hasta cientos de kilovatios (Figura 03). En un tren, muchas fuentes de alimentación están integradas en subconjuntos como, por ejemplo, la iluminación LED con fuentes de alimentación y controladores incorporados, pero varios sistemas requieren soluciones de alimentación independientes que cumplan los requisitos legislativos más recientes.

En general, los contratistas de reacondicionamiento utilizan referencias aprobadas por los fabricantes de trenes, y cerca del 80% de las necesidades están disponibles como productos comerciales listos para usar (COTS) de fabricantes de fuentes de alimentación certificados, que cumplen las normas ferroviarias. Sin embargo, al renovar y modernizar trenes fabricados hace décadas, el 20% de las fuentes de alimentación requieren funciones adicionales, mayor densidad de potencia, menor consumo de energía y muchas otras cosas, a menudo con la necesidad de encajar en una caja existente específica para la aplicación (Figura 04).

Figura 04 - PRBX 110VDC, 10kW Cargador de baterías de Níquel-Cadmio para renovación cuando se sustituyen baterías de Plomo-Ácido en aplicaciones ferroviarias. (Fuente: PRBX)

A la hora de renovar o modernizar, la industria ferroviaria sigue la misma pauta que las demás y, ante la creciente demanda de mayor densidad de potencia y menor consumo, los diseñadores de potencia investigan ahora la aplicación de semiconductores de conmutación de banda ancha (WBG), nitruro de galio (GaN) y carburo de silicio (SiC).

Los diodos de SiC se utilizan en las fuentes de alimentación ferroviarias desde hace décadas, pero los transistores de conmutación de potencia son relativamente nuevos en las aplicaciones ferroviarias. Teniendo en cuenta que la vida útil de los equipos ferroviarios puede ser superior a 20 años, la fiabilidad y la sostenibilidad de la cadena de suministro son imprescindibles, y la implantación de una nueva tecnología requiere una evaluación técnica exhaustiva y la necesidad de asegurarse de que la cadena de suministro es capaz de garantizar el soporte del producto durante más de 20 años.

En el proceso de validación de una nueva tecnología para aplicaciones ferroviarias muy exigentes, el proceso paralelo en curso para electrificar otras aplicaciones de transporte y maquinaria está contribuyendo a acelerar la adopción por el mercado y la confianza en la WBG y, especialmente, en el SiC. La industria automovilística ha llevado a cabo numerosas investigaciones para validar la tecnología WBG y la adopción del SiC y el GaN en trenes de potencia y cargadores de baterías, sentando así las bases para que otros segmentos adopten la tecnología.

En la conversión de conmutación de alta potencia, muchos proyectos utilizan MOSFETs de SiC en lugar de IGBTs, y merece la pena mencionar el proyecto de investigación MUSiCel del Instituto Fraunhofer de Economía Energética y Tecnología de Sistemas de Energía, que mediante el uso de innovadores semiconductores de SiC de banda ancha consiguió suministrar 250 kW a una frecuencia de conmutación de 50 kHz con una eficiencia en todo el rango de potencia superior al 98% (a 100 kW, se midió incluso una eficiencia del 98,8%) (Figura 05). Originalmente, el proyecto de investigación MUSiCel estaba destinado a la electrificación de maquinaria agrícola y de construcción, aunque puede aplicarse igualmente a los sistemas ferroviarios de conversión de alta potencia y no cabe duda de que esta investigación contribuirá a la adopción del SiC en futuros diseños.

Figura 05 - Convertidor CC-CC de SiC de 250 kW desarrollado en el marco del proyecto Fraunhofer IEE MUSiCel (Fuente: PRBX/Fraunhofer IEE)

La investigación de la viabilidad, la fiabilidad y las ventajas en comparación con tecnologías anteriores es muy importante, pero para los fabricantes ferroviarios es crucial que se garantice la sostenibilidad de la cadena de suministro a largo plazo durante toda la vida útil del equipo final. Al igual que en el caso de la tecnología MOSFET, los fabricantes de semiconductores WBG han invertido en instalaciones de fabricación por volumen o en asociaciones, pero también vemos una serie de adquisiciones, por ejemplo, Infineon adquiriendo GaN Systems, y Renesas adquiriendo Transphorm. La cadena de suministro de WBG para SiC y GaN está entrando ahora en una fase de madurez, asegurando así una muy necesaria situación de disponibilidad de componentes a largo plazo.

En conclusión:
A la pregunta: Ecodiseño, reutilización, reparación, prolongación de la vida útil y nuevas tecnologías: ¿es la nueva paradoja? La respuesta no es "Sí" o "No", sino que, como en el caso del sector ferroviario que hemos puesto como ejemplo, la industria en su conjunto tendrá que tener en cuenta todos esos aspectos a la hora de diseñar nuevos productos. El Ecodiseño de la UE está estableciendo una nueva forma de trabajar, y desde una mayor eficiencia energética hasta la prolongación de la vida útil de los equipos finales, la electrónica de potencia desempeñará un papel importante. Una cosa es segura: es una magnífica oportunidad para que los diseñadores de potencia exploren nuevas fronteras.

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Referencias:
Powerbox (PRBX):
https://www.prbx.com/

Cadena ecológica
https://ecochain.com/

SNCF
https://www.sncf.com/en

Fraunhofer IEE
https://www.iee.fraunhofer.de/en.html

Sobre el autor:
Patrick Le Fèvre, Director de Marketing y Comunicación de Powerbox, es un experto en comunicación e ingeniero titulado con 40 años de experiencia en el sector de la electrónica de potencia. Ha sido pionero en la comercialización de nuevas tecnologías como la energía digital y en iniciativas técnicas para reducir el consumo de energía. Le Fèvre ha escrito y presentado numerosos libros blancos y artículos en las principales conferencias internacionales sobre electrónica de potencia. Éstos se han publicado más de 450 veces en medios de comunicación de todo el mundo. También participa en varios foros medioambientales, compartiendo su experiencia y conocimientos sobre energías limpias.