... Habe ich eventuell ein grundlegend falsches Konzept bei der Verwendung des EEPROMs? Wo liegt mein Denkfehler? ...
Gute Fragen, die musste ich mir nicht nur bei EEPROMS häufig stellen - auch wiederholt.

Das Datenblatt ATmega48A/PA/88A/PA/168A/PA/328/P 8271G–AVR–02/2013 gibt im Beispielcode Seite 14 an, dass vor dem Schreiben das Interruptregister gesichert wird, danach werden Interrupts verboten, EEPROM schreiben, Interruptregister zurücklesen.

Auf Seite 19, Punkt 8.4.1 wird auch über mögliche Fehlerursachen diskutiert...

Ich selbst kenne aktuell keine EEPROM-Probleme obwohl bei meinen Controllern immer wieder mal z.B. zulässige Grenzwerte geändert, im EEPROM gespeichert und im Programmablauf auch wieder ausgelesen werden.