Dostosowanie projektów produktów do zerowych emisji netto

Przez: Pete Bartolik

Przekazane przez: Północnoamerykańscy redaktorzy DigiKey

2024-04-24

Główne siły przystosowują się do spełnienia istotnego wymogu biznesowego dotyczącego zrównoważonego rozwoju w ciągu najbliższych kilku dekad. Na całym świecie władze, przedsiębiorstwa i ludzie łączą siły, aby poprzeć dążenie do osiągnięcia celu zerowych emisji netto dwutlenku węgla do 2050 roku. W planowanych produktach ich projektanci powinni uwzględnić zrównoważony rozwój przy zerowej wartości netto lub ryzykować utratę działalności na rzecz konkurentów, którzy są w stanie lepiej reagować na intensywną presję rynkową.

Pod koniec 2022 roku stowarzyszenie National Association of Manufacturers (NAM) ogłosiło, że 58% ankietowanych dyrektorów w branży produkcyjnej uważa, że zrównoważony rozwój jest kluczowy dla przyszłej konkurencyjności, co stanowi znacznie wyższy wskaźnik, niż podczas podobnej ankiety w 2019 r. ^[i] Zrównoważony rozwój, w przypadku producentów i wytwórców, odnosi się do zdolności do kontynuowania procesów i praktyk w dłuższym czasie bez wyczerpywania zasobów, takich jak energia, materiały i woda, od których są one zależne.

Termin zerowej emisji netto został skodyfikowany w 2015 r. pod auspicjami Organizacji Narodów Zjednoczonych, kiedy to 196 krajów przyjęło porozumienie paryskie - międzynarodowy, prawnie wiążący traktat.^[ii] Następnie, w 2017 r., międzyrządowy panel ONZ wyznaczył rok 2050 jako cel osiągnięcia zerowych emisji netto dwutlenku węgla (CO₂) i głębokiej redukcji emisji innych niż CO₂. Pomimo braku jakiejkolwiek powszechnej mocy do egzekwowania realizacji, cel zerowej emisji netto jest coraz częściej przyjmowany przez rządy i przedsiębiorstwa:

Trzydzieści krajów, w tym Stany Zjednoczone, zobowiązało się do osiągnięcia celu zerowej emisji netto w swoich działaniach rządowych do 2050 r. oraz do zmniejszenia emisji o 65% do 2030 r.
Połowa z 2000 spółek giełdowych na świecie wyznaczyła cele zerowych emisji netto - reprezentują one 66% rocznych przychodów w kategorii największych 2000 przedsiębiorstw.^[iii]
45% ankietowanych przez NAM twierdzi, że ich firmy wyznaczyły formalne cele zerowych emisji netto, a 30% planuje osiągnąć ten cel do 2030 roku.^[iv]

Komercyjne implikacje zerowych emisji netto

Konsekwencje biznesowe zrównoważonego rozwoju z zerowymi emisjami netto są ogromne.

Szacuje się, że w 2022 r. amerykańskie agencje obronne wydały 210 mld USD na produkty, podczas gdy agencje cywilne wydały 49 mld USD.^[v] Komisja Europejska, proponując ekosystem wytwarzania produktów w technologii zerowych emisji netto, przewiduje, że globalny rynek technologii produkcji zeroemisyjnej na masową skalę wyniesie do 2030 roku 600 miliardów euro rocznie.^[vi]

Od producentów oczekuje się m.in. wytwarzania towarów dla pojazdów elektrycznych i infrastruktury, zmodernizowanych sieci energetycznych, kontrolerów budynków i pomp ciepła. Dodatkowo inwestycje w technologię wychwytywania dwutlenku węgla będą stymulować popyt na nowe projekty produktów oraz innowacyjne rozwiązania modernizujące istniejące zakłady produkcyjne.

Przejście na zerowe emisje netto będzie wymagało ogromnej realokacji kapitału, prawdopodobnie sięgającej setek bilionów dolarów amerykańskich i ich równowartości do 2050 roku. Będzie to wymagało ogromnej transformacji w sposobie prowadzenia działalności przez podmioty z sektora produkcyjnego, począwszy od sposobu zasilania instalacji i narzędzi, a skończywszy na zastosowaniu lżejszych i mocniejszych materiałów.

Będzie to miało wpływ na całe łańcuchy dostaw producentów. Producenci mierzący swoje postępy w kierunku zerowej emisji netto będą musieli obliczyć swój całkowity ślad węglowy, uwzględniając postępy w zakresie zerowej emisji netto swoich dostawców. Firmy, które chcą czerpać zyski z niezerowych możliwości biznesowych, będą musiały wykazać, że dążą do osiągnięcia celów zerowych emisji netto.

Firmy będą musiały obliczyć wpływ całego cyklu życia produktu na emisję dwutlenku węgla, od pozyskiwania materiałów po zarządzanie wycofaniem z eksploatacji. Aby uczynić zrównoważony rozwój podstawą koncepcji projektowej, projektanci muszą opanować nowe umiejętności, dostosować lub zmienić istniejące procesy i zreorganizować działania. Kluczowe obszary najlepszych praktyk obejmują następujące aspekty:

Przyjęcie praktyk gospodarki o obiegu zamkniętym, które zmniejszają zużycie materiałów i odzyskują odpady do wykorzystania w produkcji nowych materiałów i produktów.
Optymalizacja procesów w celu dekarbonizacji rozwoju produktów, w tym minimalizacja zużycia materiałów i zasobów podczas wytwarzania produktów.
Wprowadzanie innowacji w zakresie nowych koncepcji projektowych oraz inwestowanie w nowe narzędzia i technologie w celu uzyskania bardziej energowydajnych produktów i procesów.
Wspieranie nastawienia na zerowe emisje netto poprzez skupienie się na kwestiach zarządzania zmianą, w tym na podnoszeniu rangi liderów zrównoważonego rozwoju w organizacji, przezwyciężaniu obaw i oporu pracowników oraz przekwalifikowaniu i wprowadzaniu nowych umiejętności niezbędnych do osiągnięcia celów zerowych emisji netto.
Rozszerzenie użyteczności systemów mechanicznych o zdigitalizowane usługi, które zapewniają nowe cechy i funkcje w zależności od potrzeb.

Wykorzystanie postępów dostawców

Firma Analog Devices, Inc. (ADI) jest globalnym liderem w branży półprzewodników o wartości 12 miliardów dolarów (rok podatkowy 2023), który łączy technologie analogowe, cyfrowe i oprogramowanie, aby połączyć świat fizyczny i cyfrowy. Jej produkty przyczyniają się do postępu w dziedzinie cyfryzacji fabryk, automatyki budynków, mobilności i cyfrowej opieki zdrowotnej. Firma zobowiązała się do osiągnięcia zerowego poziomu emisji netto do 2050 r. lub wcześniej, zmniejszenia emisji dwutlenku węgla w zakresie 1 i 2 o 50% do 2030 r. oraz przekierowania 100% odpadów z zakładów produkcyjnych ADI do 2030 r.

ADI dąży do zmniejszenia zużycia energii, wydłużenia okresu użytkowania aktywów i zmniejszenia zużycia surowców poprzez sprawne energetycznie sterowanie ruchem, precyzyjne monitorowanie kondycji aktywów niskiej mocy oraz adaptacyjne inteligentne pomiary, uruchamianie i sterowanie.

Dzięki bogatemu portfolio firma ADI zapewnia projektantom produktów szeroką gamę komponentów mających na celu poprawę sprawności energetycznej w automatyce przemysłowej i zastosowaniach w inteligentnych budynkach:

Napędy o zmiennej prędkości: szacuje się, że silniki elektryczne odpowiadają za około 65% zużycia energii elektrycznej w przemyśle.^[vii] Historycznie większość z tych silników to urządzenia o stałej prędkości obrotowej, a wyposażenie wszystkich w napędy o zmiennej prędkości mogłoby zmniejszyć globalne zużycie energii nawet o 10%.^[viii] Rozwiązania firmy ADI do napędów o zmiennej prędkości wykorzystują wysokowydajny pomiar prądu i napięcia, wytrzymałą izolację, zarządzanie zasilaniem o wysokiej gęstości i bezproblemową łączność.

Wysokonapięciowe wzmacniacze pomiarowe prądu o dużej szerokości pasma, takie jak AD8410A i AD8411A, wykonują dwukierunkowe pomiary prądu przez rezystor bocznikowy prądu w celu dostarczenia sygnału zwrotnego, który może poprawić parametry pracy napędu oraz określić szerokość pasma i czas reakcji silników, zapewniając pracę silnika z wysokosprawną wydajnością. Zarządzanie energią w mniejszych obudowach jest kluczową kwestią projektową. Firma ADI oferuje układy scalone regulatorów z przełączaniem wtórnym typu flyback, takie jak MAX17692, które mierzą izolowane napięcie wyjściowe bezpośrednio na przebiegu flyback po stronie pierwotnej podczas przewodzenia prostownika po stronie wtórnej. Eliminując potrzebę stosowania wzmacniacza błędu po stronie wtórnej i sprzęgacza optycznego, projektanci mogą zaoszczędzić do 20% miejsca na płytce drukowanej (PCB) w porównaniu do tradycyjnej przetwornicy typu flyback.^[ix]

Enkodery położenia: wysokosprawne serwonapędy z precyzyjnym sterowaniem położeniem i momentem obrotowym mogą zoptymalizować zużycie energii, umożliwiając szybszą obróbkę złożonych komponentów. Technologie precyzyjnego kondycjonowania i konwersji sygnałów firmy ADI dokładnie mierzą sygnały o małej wielkości w środowisku przemysłowym obfitującym w zakłócenia. Oferta ADI pomaga w opracowywaniu rozwiązań enkoderów położenia o wysokich parametrach działania, które zapewniają zaawansowane parametry działania pętli sterowania, wysoką sprawność i wysoce zintegrowaną technologię zarządzania zasilaniem, która może zmniejszyć zużycie energii wymaganej w procesie obróbki i zwiększyć wydajność zakładu.

Technologie ADI mogą przyczynić się do skrócenia czasu wprowadzania produktów na rynek przez dostarczanie wydajnych rozwiązań enkoderów położenia. Firma oferuje rozwiązania łańcucha sygnałowego enkoderów dla takich typów czujników jak optyczne, magnetyczne, resolwery i różnicowe czujniki przemieszczeń liniowych. Regulator napięcia o niskim spadku (LDO) ADP320 z trzema wyjściami charakteryzuje się niskim prądem spoczynkowym, niskim spadkiem napięcia i szerokim zakresem napięć wejściowych, dzięki czemu może zasilać wszystkie komponenty w łańcuchach sygnałowych enkoderów optycznych i magnetycznych.

Uproszczony schemat blokowy układu MAX32672 firmy ADI przedstawiono na ilustracji 1. Jest to niewielki, ultraniskoprądowy, wysoce zintegrowany i niezawodny 32-bitowy mikrokontroler, umożliwiający tworzenie projektów ze złożonym przetwarzaniem czujników bez wpływu na czas pracy baterii i może zapewnić łatwą, optymalną kosztowo drogę modernizacji od 8- lub 16-bitowych mikrokontrolerów starszego typu.

Ilustracja 1: uproszczony schemat blokowy mikrokontrolera MAX32672. (Źródło ilustracji: Analog Devices, Inc.)

Producenci stosujący enkodery w silnikach w celu obsługi zaawansowanych możliwości produkcyjnych skorzystają ze zmniejszonych rozmiarów enkoderów.

Zintegrowane zarządzanie zasilaniem: firma ADI dostarcza wysoce zintegrowane rozwiązania mikromocowe do zarządzania zasilaniem w postaci układów scalonych o kompaktowej zajmowanej powierzchni, w tym regulatory o niskim poziomie szumów, na przykład LT3029, do zastosowań takich jak regulatory liniowe ogólnego przeznaczenia, systemy z zasilaniem bateryjnym i zasilacze rdzenia mikroprocesora/logiki, a także LT3024, który jest odpowiedni do telefonów komórkowych, modemów bezprzewodowych i syntezatorów częstotliwości.

Niezawodna łączność: ADI oferuje półdupleksowe i pełnodupleksowe nadajniki-odbiorniki RS-485 zapewniające niezawodność transmisji danych przy dużych szybkościach przesyłu danych. Na przykład układy ADM3066E i ADM3067E zapewniają szybką dwukierunkową transmisję 50Mbps na liniach przesyłu danych magistrali wielopunktowej i charakteryzują się impedancją wejściową o obciążeniu 1/4 jednostki, co pozwala na podłączenie do 128 nadajniko-odbiorników na magistrali. Projektanci mogą skorzystać z kilku płytek ewaluacyjnych, takich jak EVAL-ADM3066EEBZ (ilustracja 2), które pomagają ocenić i zademonstrować możliwości tych nadajniko-odbiorników.

Ilustracja przedstawiająca płytkę ewaluacyjną EVAL-ADM3066EEBZ firmy ADI Ilustracja 2: Płytka ewaluacyjna EVAL-ADM3066EEBZ firmy ADI zawiera miejsce na półdupleksowy nadajniko-odbiornik RS-485 ADM3066EBRMZ w 10-wyprowadzeniowej obudowie MSOP. (Źródło ilustracji: Analog Devices, Inc.)

Kontrolery budynków: uczynienie nowych i istniejących budynków bardziej zrównoważonymi wymaga technologii pomiarowych, łączności i przetwarzania w celu sterowania klimatyzacją i wentylacją, oświetleniem oraz wykrywania obecności i monitorowania warunków środowiskowych. Będzie to stymulować popyt na inteligentne urządzenia brzegowe, które umożliwią cyfryzację systemów budynkowych.

Systemy automatyki budynków zazwyczaj składają się z wielu kontrolerów i różnych węzłów, z których każdy wymaga niezawodnej łączności. Układ ADIN1110 to jednoportowy nadajniko-odbiornik niskiej mocy ze zintegrowanym interfejsem kontroli dostępu do mediów (MAC), który wymaga niższego poboru mocy na poziomie całego systemu, a także jest wyposażony w zintegrowany układ monitorowania napięcia zasilania i resetowania w momencie włączenia zasilania w celu poprawy odporności systemu.

Inteligentne budynki wymagają sprawnego zarządzania zasilaniem na brzegu sieci. Układ LTC4296-1 firmy ADI umożliwia zasilanie przez Ethernet (SPoE) dla kontrolerów i przełączników 10Base-T1L, zapewniając przesyłanie do 52W mocy oraz danych przez pojedynczą skrętkę dwużyłową Ethernet. LTC9111 to kontroler urządzeń zasilających SPoE zgodny ze standardem IEEE 802.3cg, szczególnie przydatny w systemach opartych na klasyfikacji w automatyce budynków i fabryk.

Podsumowanie

Rosnące zapotrzebowanie na osiągnięcie zerowych emisji netto w zrównoważonym rozwoju do 2050 r. stanowi ogromną szansę dla produktów, które wspierają innowacje w produkcji, przezbrajanie i rozwój nowych technologii. Choć rok 2050 może wydawać się odległy, dane przytoczone w tym artykule podkreślają, że presja władz, biznesu i społeczeństw już teraz powoduje, że wiele firm uwzględnia w swoich bieżących strategiach cele zerowych emisji netto do 2050 r. i neutralności pod względem emisji dwutlenku węgla do 2030 r. Ostatecznie każdy dostawca będzie musiał wykazać postępy w realizacji tych celów. Projektanci produktów, którzy proaktywnie uwzględniają te cele w planowaniu, procesach i dostawach komponentów, mogą skorzystać na jednej z największych transformacji przemysłowych w historii.

Zasoby

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of DigiKey or official policies of DigiKey.