Wasser und Abfall: Die Chip-Produzenten müssen mit dem Wasser haushalten und Müll vermeiden Die Ökobilanz der Halbleiterfertigung

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Die gesamte Weltwirtschaft ist von Halbleitern abhängig. Aber die Herstellung ist ressourcenintensiv, was oft die Kritik lokaler Verbände nach sich zieht. Mittels allgemein zugänglicher Daten werden in diesem Artikel die Umweltauswirkungen aber auch die Anstrengungen der Branche zur Verbesserung der Okobilanz analysiert, insbesondere in Bezug auf den Wasserverbrauch und das Abfall-Management.

Die Halbleiterindustrie ist auf dem besten Weg, bis 2030 ein Markt mit einem Volumen von über einer Billion Dollar zu werden, und sich somit zu verdoppeln. Globale Megatrends wie künstliche Intelligenz und das Internet der Dinge (IoT) treiben den Halbleiterbedarf weiter voran. Um die jüngste Versorgungslücke zu schließen und die nächsten Schlüsseltechnologien wie künstliche Intelligenz, autonomes Fahren oder IIoT nutzen zu können, ist eine Ausweitung der Halbleiterproduktion unabdinglich.

Darüber hinaus könnte die Halbleitertechnologie der Schlüssel zur Bewältigung des Klimawandels sein, indem sie intelligente Stromnetze mit erneuerbaren Energien und die Elektrifizierung der Mobilität ermöglicht. Die Chips könnten der Schlüssel zur Digitalisierung und Elektrifizierung sein und einen ressourcenoptimierten Betrieb und einen Wechsel von fossilen zu erneuerbaren Energien ermöglichen. Damit siend sie für die globale Dekarbonisierung von entscheidender Bedeutung.

Um lokale Fertigungskapazitäten zu schaffen, investieren Regierungen weltweit massiv, mit Initiativen wie dem 53 Milliarden Dollar schweren US Chips and Science Act und dem 48 Milliarden US Dollar schweren EU Chips Act. Die Halbleiterfertigung ist jedoch ressourcenintensiv, und geht mit erheblichem Energie- und Wasserverbrauch einher, und erzeugt erhebliche Mengen an Abfall.

Der Druck nachhaltige Praktiken einzuführen steigt

Umweltaspekte spielen bei Investitionsentscheidungen, Finanzierungen sowie Lieferanten- und Endkundenbeziehungen eine immer größere Rolle. Dadurch steigt der Druck auf die Chip-Hersteller, nachhaltige Praktiken einzuführen. Multinationale Konzerne verpflichten sich zum Aufbau nachhaltiger Lieferketten und erwarten von ihren Chiplieferanten die Einhaltung strenger Umweltstandards. Entsprechend haben sich viele Halbleiterproduzenten zu Netto-Null-Emissionszielen verpflichtet.

Die Verringerung der Treibhausgasemissionen ist für die Branche ein zentrales Thema, das aktiv angegangen wird. Es gibt jedoch weitere kritische Herausforderungen, die in der öffentlichen Wahrnehmung weniger prominent sind: Wasserverbrauch und Abfallerzeugung.

Insbesondere der hohe Verbrauch von Reinstwasser stellt eine zunehmende Herausforderung dar, da in Kernregionen der Produktion anhaltende Dürreperioden regelmäßiger werden. Abgesehen von der ökologischen Notwendigkeit, könnte Wasserknappheit das künftige Wachstum der Branche einschränken.

Sechs Regionen dominieren den Wasserverbrauch der Branche

China, Taiwan, Korea, Japan, die Vereinigten Staaten und die Europäische Union – sechs Länder beziehungsweise Regionen haben den größten Anteil an der Halbleiterproduktionskapazität. Auf sie zusammen entfallen über 90 Prozent der gesamten jährlichen Wasserentnahme der Branche, die auf insgesamt rund 1,2 Milliarden Kubikmeter geschätzt wird. Dies entspricht dem jährlichen Wasserverbrauch von 22,5 Millionen EU-Bürgern. Für alle genannten Regionen wird dabei zu 2030 mindestens ein mittlerer Wasserstress (Verhältnis von Wasserentnahmen zu erneuerbaren Wasservorräten) erwartet, wobei viele davon bereits heute von Dürren bedroht sind.

Positiv ist zu sehen, dass Unternehmen wie TSMC, Infineon und Intel bereits erhebliche Fortschritte bei der Umsetzung von Wassersparmaßnahmen gemacht haben. TSMC beispielsweise hat seine Wasserintensität seit 2010 um rund drei Prozent gesenktund bietet gleichzeitig kleinere Knotengrößen an.

Infineon hat seine Wasserintensität seit 2018 um rund 24 Prozent reduziert und Intel konnte sein Wassereinsparungsvolumen seit 2020 um rund 36 Prozent steigern und erreichte durch zusätzliche Projekte eine Netto-Null-Wasseraufnahme. Eine vereinfachte Bespielrechnung der künftigen Wasserentnahmen unter Berücksichtigung der jüngsten Einsparungserfolge zeigt, dass für den Fall, dass der positive Trend beibehalten werden kann, die Wasserentnahme der Branche bis 2030 um 10 Prozent gesenkt werden.

Halbleiterherstellung erzeugt 2,7 Millionen Tonnen Abfall

Die zwölf größten Halbleiterhersteller, die für den Hauptteil des Umsatzes der Branche verantwortlich sind, erzeugen zusammen jährlich etwa 2,7 Millionen Tonnen Abfall (etwa so viel, wie fünf Millionen EU-Bürger). Knapp 50 Prozent der von der Halbleiterindustrie erzeugten Abfälle als gefährlich eingestuft.

Diese beachtliche Zahl lässt sich auf hochtechnologisierte Prozesse wie Ätzen und Reinigen zurückführen, bei denen giftige Säuren verwendet werden müssen. In den letzten fünf Jahren stieg die Menge mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 14 Prozent, während ihr Umsatz mit einer CAGR (Compound Annual Growth Rate) von etwa sieben Prozent zunahm.

Um dem überproportionalen Wachstum der Abfallmenge entgegenzuwirken, stieg aber auch der Anteil der recycelten Abfälle. Von dem gesamten Abfallaufkommen der 12 größten Halbleiterhersteller werden etwa 240.000 Tonnen entsorgt, während der restliche Abfall recycelt, wiederverwendet oder verwertet wird. So zeigt der Trend der vergangenen fünf Jahre, dass das Gesamtabfallaufkommen zwar weiter zunimmt, dieser Anstieg jedoch durch umfangreichere Recycling- und Wiederverwendungsaktivitäten ausgeglichen wird und die Menge der deponierten Abfälle konstant gehalten wurde.

Recycling zeigt Wirkung, aber ....

Darüber hinaus hat die Branche verschiedene Strategien zur Abfallminimierung eingeführt, darunter die Substitution gefährlicher Ressourcen, die Prozessoptimierung und die Einführung von Kreislaufkonzepten. Diese Maßnahmen sind entscheidend für die Verringerung der Umweltauswirkungen. Jedoch wird die Reduzierung der erzeugten und entsorgten Abfälle bei der Herstellung von Hochleistungschips immer schwieriger.

Alte Entsorgungsprozesse zu optimieren, stellt eine große Herausforderung dar, außerdem ist es unklar, ob der Trend, den Anteil an recycelten Abfällen zu erhöhen, so weitergehen kann wie in der Vergangenheit. Zur Ermittlung der künftigen Abfallbelastung wird untersucht, wie sich der Anteil der entsorgten Abfälle in zwei Szenarien entwickelt.

In einem Szenario wird davon ausgegangen, dass der Anteil der recycelten Abfälle bis 2030 konstant bleibt: Ohne weitere proaktive Maßnahmen könnte sich die entsorgte Abfallmenge aufgrund des erwarteten Produktionswachstums fast verdoppeln. Durch die Einführung bestmöglicher Prozesse über alle betrachteten Hersteller hinweg, könnte die entsorgte Abfallmenge im zweiten Szenario jedoch um etwa 30 Prozent reduziert werden.

Investitionen in nachhaltiges Wachstum

Um bei der Halbleiterfertigung zukünftig weiter Ressourcen einzusparen, sind drei wichtige Schritte notwendig:

• die Etablierung gemeinsamer Transparenz- und Berichtsstandards über CO₂-Emissionen hinaus,

• die Erschließung von Optimierungspotenzialen

• sowie der Ausbau von Partner-Ökosystemen.

Einheitliche Standards in der gesamten Branche fördern die Rechenschaftspflicht und erleichtern die Nachverfolgung gemeinsam gesetzter Verpflichtungen. Die Zusammenarbeit mit spezialisierten Partnern für die Abwasser- und Abfallbehandlung ermöglicht Halbleiterunternehmen den Zugang zu Fachwissen, innovativen Technologien und Infrastruktur. Diese Erweiterung des Partner-Ökosystems führt zu Skaleneffekten und fördert nachhaltige Praktiken in der gesamten Branche.