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作者： Maurice O’Brien，戰略營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理，ADI公司 工業(yè)碳減排已刻不容緩！ 如今，消費者熱衷于使用低碳產(chǎn)品和服務(wù)，各國政府也紛紛出臺相關(guān)法規，以減少碳排放并實(shí)現凈零排放。在追求這一目標的過(guò)程中，工業(yè)制造企業(yè)有望借助新技術(shù)加速制造業(yè)低碳轉型。本文將深入探討減少工業(yè)碳排放的兩大主題： u 擴大電機驅動(dòng)器部署以提高能效 u 數字化轉型戰略對提高制造效率的影響 2015年的《巴黎協(xié)定》要求將全球變暖限制在1.5℃以?xún)�，這意味著(zhù)，2050年前須將當前的碳排放量減少80%以上。依照目前的趨勢，全球將升溫1.9℃至2.9℃，這將導致各國GDP大幅下降，多達33%的人口流離失所，相關(guān)災害每年將造成數萬(wàn)億美元的損失。 全球已經(jīng)升溫1.1℃，專(zhuān)家稱(chēng)本世紀30年代增幅可能會(huì )突破1.5℃，實(shí)現控溫目標面臨艱巨挑戰。投資須從化石燃料轉向能效提升、可再生能源與核能發(fā)電，以及碳捕集、利用與封存(CCUS)和其他低碳領(lǐng)域。圖1顯示了將碳排放量減少至60億噸以實(shí)現1.5℃控溫目標的途徑，詳見(jiàn)《2019年世界能源展望》。1該研究包括既定政策 
圖1.相比既定政策情景，可持續發(fā)展情景中各措施的碳排放減少量。1 既定政策情景和可持續發(fā)展情景兩大部分。既定政策情景僅考慮已經(jīng)宣布的具體政策舉措�？沙掷m發(fā)展情景則闡釋了世界能夠實(shí)現氣候、能源獲取和空氣質(zhì)量目標以及《巴黎協(xié)定》愿景的路徑。與此同時(shí)，它始終高度關(guān)注能源的可靠性和經(jīng)濟性，以滿(mǎn)足全球不斷增長(cháng)人口的需求。作為《巴黎協(xié)定》的一部分，效率對于碳排放減少量的貢獻占比最大，達37%。12022年，全球與能源相關(guān)的碳排放量增長(cháng)了0.9%，超368億噸，創(chuàng )下歷史新高，而工業(yè)排放量為92億噸，下降了1.7%。2022年，工業(yè)碳排放量占總排放量的25%1，加速工業(yè)能效投資將是實(shí)現2050年凈零排放目標的關(guān)鍵舉措之一。 更高效率的工業(yè)電機可顯著(zhù)減少工業(yè)碳排放
圖2.工業(yè)電機關(guān)鍵統計數據。 擴大電機驅動(dòng)器部署以提高能效 最基本、最低效的運動(dòng)解決方案是基于并網(wǎng)或交流3相電機，它們使用開(kāi)關(guān)設備來(lái)提供開(kāi)關(guān)控制和保護電路。這些基本的運動(dòng)控制解決方案以相對固定的速度運行，不受負載變化影響。節流閥、阻尼器、閥門(mén)等機械控制裝置可調整輸出變量（例如泵和風(fēng)扇中的流體流量），而齒輪可實(shí)現顯著(zhù)的速度變化。據估計，目前所有已部署的電機中有70%至80%已并網(wǎng)，連接到逆變器或變速驅動(dòng)器(VSD)將有助于降低能耗。 增加整流器、直流母線(xiàn)和3相逆變器級會(huì )得到可變頻率和可變電壓輸出的逆變器，應用于電機可實(shí)現變速控制。這種逆變器驅動(dòng)的電機可以使其在負載和應用中以?xún)?yōu)化的速度運行，從而大幅降低能耗，例如高效率的泵和風(fēng)扇。當添加到泵、風(fēng)扇或壓縮機的現有電機時(shí)，逆變器通�？梢越档图s25%的功耗。4 對于更高性能的運動(dòng)控制應用，VSD可以助力實(shí)現精準的扭矩、速度和位置控制。為了實(shí)現上述控制，我們在基本的開(kāi)環(huán)逆變器驅動(dòng)中增加了電流和位置測量，輸送機、繞組、打印和沖壓機器就是這些應用的典型示例。據估計，工業(yè)領(lǐng)域部署的所有電機中，有20%到30%是由逆變器驅動(dòng)或連接到VSD。通過(guò)將更多已部署的運動(dòng)資產(chǎn)從電網(wǎng)連接轉移到逆變器驅動(dòng)或VSD，我們可以顯著(zhù)降低工業(yè)領(lǐng)域中4.5億臺電機的能耗和碳排放量。 電機能效法規的重要作用 智能運動(dòng)控制解決方案通過(guò)讓越來(lái)越多的應用從定速電機轉向高效率電機和VSD，正在并將繼續大幅降低能耗，能效法規功不可沒(méi)。能耗降低可以助力可持續制造，同時(shí)減少碳排放。為加速部署更高效的電機驅動(dòng)系統，國際電工委員會(huì )(IEC)推動(dòng)制定了節能電機標準，包括IEC 60034-2-1電機測試標準和涵蓋四級電機效率（IE1到IE4）的IEC 60034-30-1分類(lèi)方案，便于比較不同電機制造商的效率水平。這些標準為政府確定其最低能耗性能標準(MEPS)的效率水平提供了參考，有助于各國實(shí)現其能源效率和碳排放目標。 IEC 60034-1效率等級： u IE1 標準效率 u IE2 高效率 u IE3 超高效率 u IE4 超優(yōu)級效率 各國政府在制定電機MEPS方面已取得重大進(jìn)展。自2020年以來(lái)，占全球電機系統電力消耗76%的國家/地區已引入IE2或IE3級別的電機MEPS，減少了工業(yè)用電量。5在歐盟，自2021年7月1日起，0.75 kW至1000 kW電機的最低能效等級為IE3（超高效率），0.12 kW至0.75 kW的小型電機須達到IE2（高效率）。從2023年7月1日開(kāi)始，歐盟將75 kW至200 kW電機的MEPS提高到IE4（超優(yōu)級效率）。 我們可以看一下電機驅動(dòng)系統在其部署期內的總擁有成本，電力占總成本的70%，購置費用僅占5%，維護占20%（見(jiàn)圖3）。6因此，通過(guò)部署更高效的運動(dòng)驅動(dòng)系統，我們可以顯著(zhù)降低工業(yè)電機的運行成本，同時(shí)減少碳排放。
圖3.電機系統的總擁有成本。 提高制造效率的數字化轉型戰略 VSD使用來(lái)自電壓、電流、位置、溫度、功率、能耗的數據，結合使用外部傳感器來(lái)監測振動(dòng)和其他過(guò)程變量。利用融合了信息技術(shù)/操作技術(shù)(IT/OT)的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )，運動(dòng)應用彼此互聯(lián)，并將數據和運動(dòng)洞察傳輸到云端數據存儲或本地存儲設施。運動(dòng)數據和洞察現已更易獲得，并且可通過(guò)強大的云計算和人工智能(AI)進(jìn)行分析，以?xún)?yōu)化制造流程，減少能耗和制造過(guò)程中產(chǎn)生的碳排放。利用運動(dòng)洞察可延長(cháng)設備使用壽命，改善制造質(zhì)量，減少計劃外停機時(shí)間和材料浪費，同時(shí)提高制造工廠(chǎng)的安全性。 電機驅動(dòng)系統現正集成先進(jìn)的傳感、信號處理、邊緣AI和連接解決方案，以在智能邊緣產(chǎn)生運動(dòng)數據和洞察，新的洞察將傳至制造執行系統(MES)（見(jiàn)圖4）。然后，MES可以識別工作輸出明顯低于標稱(chēng)額定輸出、導致利用率不足和耗電量增加的已部署電機。另一個(gè)關(guān)鍵功能是識別工作輸出過(guò)于接近或略高于額定輸出的已部署電機，這種情況也會(huì )導致耗電量增加，影響使用壽命。在部署了數百至數千臺電機的大型制造設施中，數字化轉型戰略對于減少電力消耗和碳排放尤為重要。 世界經(jīng)濟論壇——可持續燈塔網(wǎng)絡(luò ) 世界經(jīng)濟論壇的塑造先進(jìn)制造和價(jià)值鏈的未來(lái)平臺已建立全球燈塔網(wǎng)絡(luò )，制造業(yè)佼佼者將入選燈塔。7該網(wǎng)絡(luò )展示了數字化轉型戰略加速工業(yè)碳減排的真實(shí)案例，8其社區內的制造商利用先進(jìn)技術(shù)推動(dòng)智能制造的創(chuàng )新，以提高生產(chǎn)力和可持續性。截至2023年1月，全球燈塔網(wǎng)絡(luò )包括132個(gè)制造基地，其中13個(gè)為可持續發(fā)展燈塔。8施耐德電氣的Le Vaudreuil工廠(chǎng)是處于數字化轉型前沿的可持續發(fā)展燈塔之一，9展示了數據驅動(dòng)的洞察對可持續制造的推動(dòng)作用，具體表現如下： u 用電量減少25% u 材料浪費減少17% u 碳排放量減少25%
圖4.提供運動(dòng)洞察的關(guān)鍵技術(shù)。 結論 在追求凈零排放目標的過(guò)程中，工業(yè)制造企業(yè)有望借助新技術(shù)加速制造業(yè)低碳轉型。到2040年，工業(yè)活動(dòng)的增加（其中近一半位于中國和印度）將會(huì )使所部署的電機數量翻一倍。10因此，新的更高效率電機驅動(dòng)系統將為碳減排作出更大貢獻，同時(shí)創(chuàng )造大量商機。ADI公司全力推動(dòng)自動(dòng)化走向更加可持續、更高效的未來(lái)。我們先進(jìn)的技術(shù)和解決方案旨在支持新一代制造系統，從精確運動(dòng)控制和無(wú)縫連接到增強的邊緣洞察和分析，ADI專(zhuān)注于提高各層面的效率。欲了解有關(guān)ADI運動(dòng)解決方案的更多信息，請訪(fǎng)問(wèn)analog.com/intelligentmotion。 參考資料 1 《2019年世界能源展望》，國際能源署，2019年。 2 《2023年電力市場(chǎng)報告》，國際能源署，2023年2月。 3 Paul Waide、Conrad U. Brunner，Energy-Efficiency Policy Opportunities for Electric Motor-Driven Systems（節能政策賦予電機驅動(dòng)系統的良機），國際能源署，2011年。 4 Program Insights: Variable Frequency Drives（計劃洞察：變頻驅動(dòng)器），Consortium for Energy Efficiency, Inc.，2019年。 5 Conrad U. Brunner、Rita Werle、Maarten van Werkhoven，How International Standards for Electric Motor Systems Support Policies of Countries Using These in Their Regulations（電機系統國際標準如何支持在其法規中應用此類(lèi)標準的國家的政策），國際電工委員會(huì )。 6 The Future Is Energy-Efficient, the Future Is Data-Driven（節能和數據驅動(dòng)的未來(lái)），ABB，2022年。 7 Global Lighthouse Network: Shaping the Next Chapter of the Fourth Industrial Revolution（全球燈塔網(wǎng)絡(luò )：塑造第四次工業(yè)革命的新篇章），世界經(jīng)濟論壇，2023年1月。 8 Global Lighthouse Network（全球燈塔網(wǎng)絡(luò )），世界經(jīng)濟論壇。 9 New Recognition for Schneider Electric from World Economic Forum（世界經(jīng)濟論壇對施耐德電氣的最新褒獎），施耐德電氣，2022年。 10 《2017年世界能源展望》，國際能源署，2017年。 關(guān)于作者 Maurice O’Brien是ADI公司工業(yè)自動(dòng)化部的戰略營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理。他負責交付以工業(yè)自動(dòng)化為重點(diǎn)的系統級解決方案。在此之前，Maurice在A(yíng)DI公司的工業(yè)以太網(wǎng)領(lǐng)域工作了3年，在電源管理應用和營(yíng)銷(xiāo)領(lǐng)域工作了15年。他擁有愛(ài)爾蘭利默里克大學(xué)的電子工程學(xué)士學(xué)位。 |
