Nachhaltigkeit messbar machen: CO2-Bilanzierung in der Halbleiterindustrie

Ein souveräner Datenaustausch in der europäischen Halbleiterindustrie ermöglicht nicht nur resilientere Lieferketten, sondern schafft zugleich die Grundlage für nachhaltigere Produktionsprozesse. Das Fraunhofer IZM hat innerhalb des Forschungsprojekts »Semiconductor-X« die fachliche Leitung im Bereich Nachhaltigkeit inne.

Dabei wird ein Bottom-up-Datenmodel mit begleitender Methodologie zur Berechnung des CO₂-Fußabdrucks auf Produktebene (Product Carbon Footprint, PCF) eines exemplarischen Chips erarbeitet, um bestehende technische und regulatorische Rahmenwerke aus »Catena-X« auf die Übertragbarkeit und Anwendungstauglichkeit in der Halbleiterindustrie zu prüfen. Im Schulterschluss mit weiteren »Manufacturing-X«-Initiativen wird somit die Harmonisierung und Interoperabilität bei der PCF-Ermittlungüber industrielle Sektorgrenzen hinaus mit Hilfe von Digitalen Zwillingen und Datenökosystemen erarbeitet.

Dr. Chris Eckstein, Leiter der Arbeitsgruppe »Life Cycle Modeling« am Fraunhofer IZM, hat mit RealIZM darüber gesprochen, wie diese Ansätze zur Grundlage einer neuen Qualität der Produktklimabilanzierung in der Halbleiterindustrie beitragen könnten. Die Vision: eine weitgehend automatisierte, konsistente PCF-Berechnung für komplexe Lieferketten von Halbleiterprodukten.

Die Klimabilanz der Chipindustrie: Vergleichbare CO₂-Daten als Dekarbonisierungsinstrument

Mit dem »European Chips Act« hat die EU das Ziel gesetzt, den Anteil an der weltweiten Halbleiterproduktion bis 2030 auf 20 Prozent zu verdoppeln. Der Ausbau soll Europas technologische Souveränität stärken, beeinträchtigt jedoch die Emissionsbilanz der Branche. Aktuelle Prognosen zeigen auf, dass sich die mit der Halbleiterfertigung verbundenen Treibhausgasemissionen in Europa mindestens vervierfachen könnten. Selbst bei einem deutlich steigenden Anteil erneuerbarer Energien würde die ressourcenintensive Produktion von Halbleiterchips zu einem massiven Emissionstreiber avancieren. Im Szenario einer konsequenten Produktionsausweitung könnte die europäische Chipfertigung bis 2030 mehr Treibhausgase emittieren als die europäische Chemie-Industrie aus dem Referenzjahr 2021.¹

EU-Halbleiteremissionen, wenn 20 % der globalen Produktion erreicht werden. | In: Hess, Julia Christina: Chip Production’s Ecological Footprint: Mapping Climate and Environmental Impact. In: interface (2024), S. 48.

Die Entwicklung standardisierter Methoden zur PCF-Berechnung ist eine zentrale Herausforderung zur Identifizierung und Umsetzung von Dekarbonisierungsmaßnahmen entlang der Wertschöpfungskette der Branche. Entscheidend ist die methodologische Transparenz bei der Ermittlung des PCF, wie Dr. Chris Eckstein betont: »Die Kennzahlen müssen auf ersichtlichen und nachvollziehbaren Berechnungsgrundlagen beruhen, um etwaige Unterschiede eindeutig dem Produkt und seiner Herstellungsprozesse zuordnen zu können, und um Berechnungsdiskrepanzen zu erkennen.«

Standardisierte CO₂-Bilanzierung für Halbleiterprodukte

»Unsere Aufgabe besteht darin, die aus ›Catena-X‹ vorgelegten PCF-Berechnungsgrundlagen (Catena-X Product Carbon Footprint Rulebook) und semantischen PCF-Datenaustauschmodelle auf ihre Anwendungstauglichkeit in der Halbleiterbranche anhand konkreter Umsetzungsbeispiele zu prüfen. Hierzu haben wir eine Methodologie entwickelt, welche die ›Catena-X‹-Rahmenbedingungen berücksichtigt, und demonstrieren damit die industrielle Anschlussfähigkeit der Halbleitermanufaktur und seinen vorgelagerten Lieferketten. Die in ›Semiconductor-X‹ entwickelten Datenräume werden hierzu zur Datenübermittlung zwischen Lieferkettenakteuren verwendet«, fasst Chris Eckstein die Projektarbeit zusammen. Diese Ansätze könnten die Grundlage für belastbare Ökobilanzen entlang der gesamten Wertschöpfungskette bilden. Zugleich zeigen sie den Weg zu einer stärker digitalisierten und automatisierten Industrie auf, in der Nachhaltigkeit systematisch integriert und messbar gefördert wird.

Ein einzelner Chip ist in der Regel kein eigenständiges Produkt, sondern Bestandteil komplexer elektronischer Systeme wie Smartphones oder Fahrzeugen. Wenn solche Endprodukte künftig über Digitale Produktpässe (DPP) verfügen sollen, müssen die dafür erforderlichen Nachhaltigkeitsdaten entlang der Lieferkette bereitgestellt werden.

»Semiconductor-X« umfasst drei thematische Schwerpunkte: resiliente Wertschöpfungsketten (Cluster 1), digitale Netzwerke und semantische Datenmodelle zur Optimierung von Fabrik- und Lieferketten (Cluster 2) sowie nachhaltige Halbleiterproduktion mit Lebenszyklusanalysen (Cluster 3). Das Fraunhofer IZM ist Teil des Clusters 3.

Von Catena-X zu Semiconductor-X: Standards als Erfolgsfaktor

Digitale Datenökosysteme für eine resiliente Industrie

»Semiconductor-X« ist Teil des globalen Verbundprojektes »Manufacturing-X«, das den Aufbau eines sicheren, branchenübergreifenden Datenökosystems für die Industrie vorantreibt. Ein kollaboratives Datennetzwerk entlang der Wertschöpfungskette in der Automobilindustrie war mit dem Projekt »Catena-X« (Laufzeit 08/2021 – 07/2024) entstanden. Für »Semiconductor-X« werden diese technologischen Vorarbeiten adaptiert und zentrale Konzepte auf die domänenspezifischen Anforderungen der europäischen Halbleiterindustrie übertragen.

Zentral ist die systematische Bewertung des »Catena-X«-Regelwerks im Hinblick auf seine Übertragbarkeit für die Halbleiterindustrie und Kompatibilität mit etablierten Methoden der Berechnung des PCFs. »Die methodischen Rahmenbedingungen aus ›Catena-X‹ bauen auf den einschlägigen ISO-Standards zur Ökobilanzierung auf (ISO 14040/44/67) und spezifizieren diese in Details weiter«, erläutert Eckstein und zieht ein positives Resümee: »Aus unserer Sicht ist der ›Catena-X‹-Ansatz grundsätzlich gut geeignet, da er etablierte Anforderungen konsistent bündelt und so eine tragfähige Grundlage für robuste PCF-Berechnungen schafft.«

Was der »Product Carbon Footprint« wirklich aussagt

Der »Product Carbon Footprint« (PCF) bezeichnet die in CO₂-Äquivalenten ausgewiesene Summe aller Treibhausgasemissionen, die entlang der definierten Lebenszyklusphasen eines Produkts entstehen. Der Umfang hängt dabei von den festgelegten Systemgrenzen ab (z. B. nach dem »Cradle-to-Gate«- oder dem »Cradle-to-Grave«-Prinzip).

Ziel des PCF ist es, die klimarelevanten Auswirkungen eines Produkts quantifizierbar zu machen, Emissionstreiber entlang der Wertschöpfungskette zu identifizieren und eine vergleichbare Grundlage für Reduktionsmaßnahmen, Berichterstattung und strategische Entscheidungen zu schaffen.

Grundlage der Berechnung sind methodische Vorgaben der Lebenszyklusanalyse (»Life Cycle Assessment« (LCA)), einschließlich klar definierter Annahmen, Allokationsregeln und Emissionsfaktoren.

Warum ein Chip kein einfaches Produkt ist

Die Herstellung eines einzelnen Chips ist ein hochkomplexer Prozess mit mehreren hundert Prozessschritten. Front-End-Prozesse in der Wafer-Fertigung umfassen mehrere hundert bis zu über tausend Prozessschritte, je nach gefertigter Technologie. Hinzu kommen Back-End-Schritte wie der Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT), sowie Inspektions- und Testschritte, die jeweils produktspezifische Energie-, Material- und Prozessprofile aufweisen.

Komplexe Prozessketten in der Halbleiterfertigung: Hunderte Prozessschritte und mehrere Chips pro Wafer erschweren die CO₂-Allokation. | © Fraunhofer IZM | Chris Eckstein

Eine der grundsätzlichen Schwierigkeiten in der CO₂-Berechnung von Halbleitern ist die Zuweisung der Emissionen (Allokation). Angesichts der enormen Komplexität einer Halbleiterfertigungsanlage, ist es nachvollziehbar, dass es noch gängige Praxis in der Halbeliterindustrie ist, einem sogenannten Top-Down-Ansatz zu folgen, in dem – vereinfacht gesagt – die gesamten In- und Output-Ströme auf produzierte Wafer oder finale Chips umgelegt werden. In modernen Fertigungen werden zudem häufig verschiedene Produkte oder Designvarianten parallel in sich teilweise überschneidenden Prozesslinien gefertigt, was die verursachungsgerechte Zuordnung von Energie- und Materialverbräuchen zu einzelnen Chips erschwert.

Semiconductor-X: ein granulares Ökobilanzmodel der Halbleiterfertigung

Das zentrale Ergebnis des Arbeitspaketes am Fraunhofer IZM im Rahmen von »Semiconductor-X« ist die Erstellung eines Bottom-up-Datenmodelles und Erarbeitung der zugehörigen Methodologie eines exemplarischen Chips. Die Datenerhebung erfolgte dabei in enger Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut für Elektronische Mikrosysteme und Festkörper-Technologien EMFT, wo reale Produktions- und Prozessdaten aus der angewandten Mikrosystemtechnik in die PCF-Modellierung einflossen.

Auf dieser Basis wurde die bestehende Systematik aus »Catena-X« gezielt auf die Halbleitermanufaktur (Front-End und Back-End) übertragen und domänenspezifisch weiterentwickelt. Der PCF wurde als »Cradle-to-Gate«-Bilanz definiert, sodass alle Emissionen von der Rohstoffgewinnung bis zum fertig prozessierten Chip berücksichtigt werden.

Als deklarierte Einheit dienten ein 200-mm-Wafer im Front-End und ein QFN-Package im Back-End, um eine Vergleichsbasis zu schaffen. Damit liegt ein methodisch konsistenter und praxisnah getesteter Bottom-up-Ansatz vor, der sowohl den Anforderungen industrieller Datenräume als auch den Standards der Lebenszyklusanalyse entspricht.

CO₂-Bilanzen als zukünftiges Auswahlkriterium in Lieferketten

Aufgrund der hohen Komplexität der Klimabilanzierung in der Halbleitermanufaktur geht Chris Eckstein davon aus, dass die nachhaltige Transformation der Halbleiterindustrie durch automatisierte und auf einheitlichen Standards basierte PCF-Ermittlung und Kommunikation entlang der gesamten Lieferkette beschleunigt werden kann. So könnten Unternehmen Emissionswerte effizient in ihre Produktportfolios mit zum Teil mehreren tausend verschiedenen Produktvarianten integrieren und fundierte Entscheidungen zur Dekarbonisierung treffen.

Wenn Firmen ihre CO₂-Daten innerhalb eines gemeinsamen Datenökosystems bereitstellen, lassen sich Anfragen zur Produktklimabilanz standardisiert beantworten und Kennzahlen interoperabel in übergeordnete Bilanzen überführen. Obwohl CO₂-Werte gegenwärtig noch keine direkte Rolle bei Kaufentscheidungen der Abnehmer spielen, bemerkt Eckstein, dass sich dies in Zukunft ändern könnte. Insbesondere bei Ausschreibungen gewinnt die CO₂-Bilanz zunehmend an Bedeutung als Qualitäts- und Zuschlagskriterium, um Nachhaltigkeit in der Lieferkette zu fördern. Dass seitens der Industrie ein zentrales Bedürfnis nach interoperablen und vereinheitlichten Ermittlungsgrundlagen von Emissionswerten besteht, hat das Feedback der beteiligten Partner im Konsortium von »Semiconductor-X« jedenfalls bereits heute vor Augen geführt.

Berechnung und Weitergabe des Product Carbon Footprints entlang der Lieferkette. | © Fraunhofer IZM

Nachhaltigkeit als Gemeinschaftsaufgabe im Datenraum

Zudem übernahm das Fraunhofer IZM im Projektcluster »Nachhaltigkeit« eine koordinierende Rolle. In kontinuierlichen bilateralen Gesprächen mit Projektpartnern entlang der Lieferkette wurden das »Catena-X«-Rahmenwerk kommuniziert und branchenspezifische Anforderungen zur Lebenszyklusanalyse identifiziert und eingeordnet. Die Erkenntnisse flossen in die Entwicklung des Bottom-up-Datenmodels und die begleitende Methodologie ein, welche zentrale methodische Vorgaben strukturiert zusammenführt und erweitert.Darüber hinaus unterstützt das Fraunhofer IZM weiterhin mehrere Partner bei der Entwicklung ihrer Lebenszyklusinventare (»Life Cycle Inventory« (LCI) Analyse) sowie bei der Ausarbeitung von prozessspezifischen Anwendungsfällen und Lieferkettendemonstratoren, und unterstützt innerhalb der Liaison zu anderen »Manufacturing-X«-Initiativen die Kommunikation zur Gewährleistung der Interoperabilität der PCF-Ermittlung über Sektorgrenzen hinaus.

Datenherausforderungen und Operationalisierung von Catena-X zur Weiterentwicklung der PCF-Methodik

Die für die Errechnung eines Halbleiter-PCFs notwendige Erhebung relevanter Daten ist eine immense Herausforderung. Sie ist geprägt durch die technologische Komplexität der Fertigung sowie die logistische Vielschichtigkeit global verteilter Teilproduktionsstätten bei gleichzeitig hoher Produktdiversität. Dies erfordert valide, durchgängige und standardisiert erhobene Daten. Um diese Daten zu gewährleisten, bedarf es dann grundsätzlich einer Produktionsumgebung, in der alle relevanten Massen- und Energieströme prozess- und produktspezifisch erfasst, digital dokumentiert und anschließend gemeinsam mit Logistikdaten in CO2-Equivalente umgerechnet entlang der gesamten Wertschöpfungskette aggregiert werden können. Die Entwicklung, der Aufbau und die Integration einer sensorischen Infrastruktur mit digitalen Schnittstellen in komplexen Industrieanlagen sowie die Erstellung produktspezifischer Datenmodelle sind mit erheblichem Aufwand und Kosten verbunden. Daher ist es nicht verwunderlich, dass gegenwärtig die Herangehensweise einer Top-Down-Allokation gängige Praxis ist.

Gleichermaßen relevant ist der Umgang mit sensiblen Produktionsdaten. Insbesondere in der Halbleiterindustrie stellen detaillierte Prozessdaten einen wesentlichen Bestandteil der Wettbewerbsdifferenzierung dar. Gleichzeitig ist die Gewährleistung von Datensouveränität bei der Weitergabe von PCFs damit eine zentrale Voraussetzung für die unternehmensübergreifende Zusammenarbeit.

Vor diesem Hintergrund gewinnt die parallele Integration von Top-Down- und Bottom-Up-Ansätzen an Bedeutung. Während Top-Down-Methoden eine kurzfristig umsetzbare und skalierbare Näherung erlauben, bilden Bottom-Up-Ansätze die Grundlage für eine langfristig präzisere und verursachungsgerechte Abbildung von Emissionen. Das »Catena-X«-Rahmenwerk ermöglicht es, beide Ansätze konsistent zu integrieren: Es erlaubt die Nutzung von Top-Down-Allokationen, fördert jedoch gleichzeitig die schrittweise Entwicklung granularer Bottom-Up-Modelle. Entscheidend ist dabei die transparente Darlegung der jeweils angewandten Methodik, der zugrunde liegenden Annahmen sowie der Datenqualität, wodurch Vergleichbarkeit und Nachvollziehbarkeit zwischen unterschiedlichen Akteuren gewährleistet werden.»Semiconductor-X« demonstriert in diesem Kontext exemplarisch die Machbarkeit, innerhalb des »Catena-X«-Ökosystems eine granulare Bottom-Up-Herangehensweise umzusetzen.

Ausblick: Automatisiere CO₂-Bilanzierung für komplexe Wertschöpfungsketten

»Dabei ist entscheidend, dass sich viele dieser Beiträge über interoperable Datenräume zu einem großen Ganzen verbinden – und damit ganz im Sinne einer konsequent weitergedachten Industrie 4.0, in der Datenströme sektorenübergreifend nutzbar werden.« Mit der demonstrierten Übertragbarkeit der im Projekt »Catena-X« entwickelten technischen und regulatorischen Vorgaben stehe eine praxiserprobte Grundlage bereit, um Dekarbonisierungsbestrebungen branchenübergreifend zu beschleunigen. Die Perspektive ist klar: eine zunehmend automatisierte, durchgängig standardisierte und konsistente CO₂-Bilanzierung, die selbst komplexe, mehrstufige Lieferketten verlässlich abbildet und damit als Fundament für eine digital integrierte und klimabewusste Industrie steht.Neben »Semiconductor-X« treibt das Fraunhofer IZM diese Vision aktuell auch innerhalb des »Semiconductor Climate Consortiums« voran und arbeitet dort gemeinsam mit rund 20 Halbleiterunternehmen an der konkreten Ausgestaltung und Präzisierung einheitliche CO₂-Standards für die Branche.

»Semiconductor-X« auf einen Blick: Resiliente Lieferketten für die Halbleiterindustrie

Quellen

¹ Hess, Julia Christina: Chip Production’s Ecological Footprint: Mapping Climate and Environmental Impact. In: interface (2024), S. 48