Nachhaltigkeit | Die Chip-Industrie verspricht Wohlstand – auf Kosten der Umwelt? Da muss man doch was machen können!

Die Elektronikproduktion ist hungrig nach Energie und muss dabei immer an die Energieeffizienz der Produkte und Prozesse selbst denken.

Schätzungen zufolge könnte der Stromverbrauch der europäischen Halbleiterindustrie bis 2030 auf 47,4 Terawattstunden (TWh) ansteigen, was der Hälfte des jährlichen Stromverbrauchs aller Rechenzentren in Europa zu diesem Zeitpunkt entspricht (Quelle: Hess | Interface 2024). Der enorme Bedarf zeigt sich bereits heute: Das Unternehmen TSMC verbrauchte für seine Infrastruktur allein 2022 beinahe 20.000 Gigawattstunden – gut 90 Prozent davon mit fossilen Energieträgern erzeugt (Quelle: Mantel | Heise 2022). Das ist in etwa so viel Strom wie in Deutschland 2018 insgesamt durch Wasserkraft produziert wurde und mit der knapp 5,7 Millionen Haushalte mit einem durchschnittlichen Stromverbrauch von 3500 kWh/Jahr versorgt werden können (Quelle: BDW).

Maschinen:
Ein Hauptverursacher des hohen Stromverbrauchs ist der Maschinenpark einer Chipfabrik. Eine einzige EUV-Lithographie-Maschine kann jährlich zum Beispiel mehr als 1 Megawatt Strom verbrauchen (Quelle: Rißka | Computerbase 2022) – laut »didmyownresearch« könnte man damit zum Beispiel 200 Smartphones ein Jahr lang betreiben oder 5.900 km mit einem Elektroauto fahren. McKinsey nennt in einem Artikel die Ion-Implantation, ein Prozess, bei dem Ionen in das Silizium eingebracht werden, sowie die thermische Verarbeitung der Chips als extrem stromhungrige Produktionsschritte (Quelle: Burkacky et.al. | McKinsey 2022).

Große Halbleiterfabriken verbrauchen bis zu 100 Megawattstunden Strom pro Stunde, was mehr ist als viele Automobilwerke oder Ölraffinerien benötigen (Chen et. al. | McKinsey 2013). Rund 30-40 Prozent dieses Energieverbrauchs wird laut verschiedenen Quellen den Maschinen und Anlagen zugerechnet. Dabei ist der Energieaufwand, der bei der Herstellung der Maschinen einmalig anfällt, noch nicht mit eingerechnet.

Reinräume:
Ein zusätzlicher Faktor sind die Reinräume, in denen die Mikrochips hergestellt werden. Diese Räume müssen konstant auf extrem niedrige Partikelkonzentrationen, stabile Temperaturen sowie gleichbleibende Luftfeuchtigkeit konditioniert werden, was dauerhaft hohe Mengen an Energie erfordert – 24 Stunden lang an 365 Tagen im Jahr. Der Betrieb inkl. Klimatisierung und Filterung eines Reinraums kann in vielen Fällen über 50 Prozent des gesamten Energieverbrauchs einer Produktionsstätte ausmachen (Hu, Chuah | National Taipei University of Technology 2003).

Die produzierte Elektronik selbst:
Ein weiterer, indirekter Faktor ist die hergestellte Elektronik selbst, die oft vor allem auf Funktionalität optimiert wird. Ökologische Faktoren werden hierbei nur indirekt in die Kosten-Nutzen-Rechnungen einbezogen. Auch der globale Transport der Chips entlang der gesamten Wertschöpfungskette braucht Energie, die in vielen Teilen der Welt nicht in großer Menge nachhaltig bereitgestellt wird. Dieser Fakt wird auf Dauer mit den Nachhaltigkeitszielen entlang der Lieferketten noch verstärkter betrachtet werden müssen, um net-zero Ziele faktisch zu erreichen.

Dabei ist zu bedenken, dass die globale Produktionsmenge an Chips nach aktuellen Plänen insgesamt stark steigen wird, sodass die Auswirkungen des Energieverbrauchs insgesamt stärker werden werden.

Extremer Wasserverbrauch, gesundheitsschädliche Chemikalien und unter prekären Bedingungen gewonnene Materialien haben einen immensen Umweltimpact.

Neben dem enormen Energieverbrauch hat die Chipproduktion auch in anderen Bereichen einen erheblichen ökologischen Fußabdruck. Der hohe Bedarf an Wasser, der Einsatz zahlreicher Chemikalien und die Nutzung seltener Materialien sind zentrale Belastungsfaktoren.

Wasserverbrauch: Eine wertvolle Ressource, die in riesigen Mengen benötigt wird
Für die Halbleiterproduktion sind extreme Sauberkeit und Präzision notwendig, was den Einsatz hochreinen Wassers unverzichtbar macht. Dieses »ultrapure water« (UPW) wird in großem Umfang zur Reinigung von Wafern und Anlagen genutzt. Große Produzenten wie TSMC in Taiwan benötigen täglich bis zu 99 Millionen Liter Wasser – ein Volumen, das den Wasserbedarf einer Stadt mit rund 300.000 Einwohner:innen decken könnte. In wasserarmen Regionen ist dieser Bedarf eine enorme Herausforderung. Taiwan recycelt bis zu 90 Prozent des verwendeten Wassers. In Europa werden lediglich zwischen 10 und 14 Prozent wiederaufbereitet, wie die Interface-Studie zeigt. Die Wasserrückgewinnung wird daher zunehmend als Schlüsselelement für die Zukunft der Mikroelektronik-Branche angesehen (Quelle: Hess | Interface 2024). Sieht man sich weiter in der Branche um, zeigt sich, dass Infineon seine Wasserintensität seit 2018 um 24 Prozent gesenkt hat, Intel konnte seit 2020 sein Wassereinsparungsvolumen um 36 Prozent steigern und mit Projekten eine Netto-Null-Wasseraufnahme erreichen (Quelle: Heinrich, Hübner | Datacenter Insider 2024).

Chemikaliennutzung: Giftige Stoffe in der Produktion
Die Halbleiterfertigung setzt eine Vielzahl umweltschädlicher Chemikalien ein, die etwa für Ätz- und Reinigungsprozesse verwendet werden. Dazu gehören unter anderem Schwefelsäure, Fluorwasserstoffsäure und diverse Lösungsmittel, aber auch die medial bereits stark besprochenen sog. »Ewigkeitschemikalien« (per- und polyfluorierte Chemikalien, PFAS). Die Entsorgung dieser Chemikalien stellt eine große Herausforderung dar, da schon geringste Rückstände gefährliche Umweltfolgen haben können. Um den chemischen Fußabdruck zu reduzieren, wird daher vermehrt an geschlossenen Kreislaufsystemen gearbeitet, um Chemikalien intern wiederaufzubereiten und erneut einzusetzen. Auch das Ersetzen durch weniger gefährliche Stoffe birgt große Potenziale. Deren Wirksamkeit kann jedoch häufig nur schwer erprobt werden, da die hohen Auslastungen in den Produktionsstätten nur wenig Spielraum bieten.

Materialiennutzung: Seltene und konfliktträchtige Rohstoffe
Die Herstellung von Mikrochips erfordert Materialien wie Gallium, Kobalt und andere seltene Erden, die oft unter problematischen Umwelt- und Arbeitsbedingungen abgebaut werden. Galliumarsenid und Galliumnitrid, wichtige Halbleiterverbindungen, haben deutlich höhere Schmelzpunkte als Silizium und erfordern zusätzliche Energie bei der Herstellung. Zudem führt der Abbau vieler Rohstoffe neben erheblichen Umweltschäden in den Abbauregionen häufig auch zu großen sozialen Problemen. Laut der Interface-Studie hat die Elektronikindustrie einen maßgeblichen Anteil an der Nachfrage nach diesen seltenen Materialien, was den Druck auf die globalen Ressourcen sowie deren bestmögliches Recycling erhöht (Quelle: Hess | Interface 2024).

Wer nicht weiß, wo genau die Umweltauswirkungen auftreten, wird viele Problemquellen nicht finden.

Ein zentrales Hindernis bei der Reduzierung des ökologischen Fußabdrucks der Elektronikproduktion ist der Mangel an Transparenz und verlässlichen Daten entlang der gesamten Lieferkette. Ohne detaillierte Informationen über Energieverbrauch, Materialeinsatz und Emissionen in den verschiedenen Produktionsstufen ist es schwierig, effektive Maßnahmen zur Nachhaltigkeit zu implementieren.

Der fehlende Datenaustausch zwischen Unternehmen erschwert die Reaktion auf Störungen in Lieferketten und die Gestaltung effizienterer, nachhaltigerer Prozesse. Die Zurückhaltung beim Teilen von Daten, vor allem wegen Bedenken hinsichtlich Datensicherheit und Betriebsgeheimnissen, führt zu einer unzureichenden Transparenz.

Datenkooperationen können hierbei einen wesentlichen Beitrag leisten. Traditionell war es für Materiallieferanten und Chiphersteller unüblich, Daten außerhalb der eigenen Organisation zu teilen. Mittlerweile geht es aber darum, gemeinsame Lösungen zu finden. Ohne standardisierte und transparente Daten entlang der Lieferkette können Unternehmen ihren tatsächlichen ökologischen Fußabdruck nicht präzise bestimmen. Dies erschwert die Identifikation von Bereichen mit hohem Energieverbrauch oder übermäßigem Materialeinsatz und behindert das Umsetzen gezielter Nachhaltigkeitsstrategien.

Es sollte immer bedacht werden, dass auch unvollständige oder vorläufige Daten in vielen Fällen zu guten Lösungen führen können.