作者：ADI 策略行銷經理Maurice O'Brien
工業減碳刻不容緩！
如今，消費者熱衷於使用低碳產品和服務，各國政府也紛紛加強相關法規，以減少碳排放並實現淨零碳排。在追求此一目標的過程中，工業製造企業可望借助新技術加速製造業低碳轉型。本文將深入探討減少工業碳排放的兩大主題：
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擴大馬達驅動器部署以提升能效
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數位化轉型策略對提升製造效率的影響
2015年的《巴黎協定》要求將全球暖化限制在1.5°C以內，表示在2050年前須將目前的碳排放量減少80%以上。依照目前的趨勢，全球將升溫1.9°C至2.9°C，這將導致各國GDP大幅下降，多達33%的人口流離失所，相關災害每年將造成數萬億美元的損失。
全球已經升溫1.1°C，專家稱本世紀30年代增幅可能會突破1.5°C，實現控溫目標面臨艱鉅挑戰。投資須從化石燃料轉向能效提升、可再生能源與核能發電，以及碳捕捉、利用與封存(CCUS)和其他低碳領域。圖1顯示了將碳排放量減少至60億噸以實現1.5°C控溫目標的途徑，詳見《2019年世界能源展望》。該研究包括既定政策情景和永續發展情景兩大部分。既定政策情景僅考慮已經宣佈的具體政策舉措。永續發展情景則闡釋了全球能夠實現氣候、能源取得和空氣品質目標以及《巴黎協定》願景的路徑。與此同時，其始終高度關注能源的可靠性和經濟性，以滿足全球不斷成長人口的需求。作為《巴黎協定》的一部分，效率對於碳排放減少量的貢獻佔比最大，高達37%。2022年，全球與能源相關的碳排放量成長了0.9%，超過368億噸，創下歷史新高，而工業排放量為92億噸，下降了1.7%。2022年，工業碳排放量占總排放量的25%，加速工業能效投資將是實現2050年淨零排放目標的關鍵舉措之一。
圖1. 相較於既定政策情景，永續發展情景中各措施的碳排放減少量。
更高效率的工業馬達可明顯減少工業碳排
2022年全球電力供應量為28,642太瓦時，碳排放量達136億噸（占2022年全球碳排放量的36%）。工業電力消耗佔總量的30%，其中馬達電力消耗佔比為69%。 工業部門已安裝馬達量約為4.5億，2022年新安裝馬達量約為5200萬（分為老舊設施升級和新建設施開發），新的更高效率運動資產明顯減少了電力消耗和碳排放量。馬達廣泛用於各種工業應用，以驅動泵、風扇、壓縮空氣系統、物料搬運、加工系統等。據估計，如果所有已部署的馬達驅動系統都以最高效率運作，那麼到2030年時，全球電力需求將減少10%，碳排放量減少24.9億噸（見圖2）。
圖2. 工業馬達關鍵統計資料。
擴大馬達驅動器部署以提升能效
最基本、最低效的運動解決方案是基於併網或交流3相馬達，其使用開關設備來提供開關控制和保護電路。這些基本的運動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、閥門等機械控制裝置可調整輸出變數（例如泵和風扇中的流體流量），而齒輪可實現明顯的速度變化。據估計，目前所有已部署的馬達中有70%至80%已併網，連接到逆變器或變速驅動器(VSD)將有助於降低能耗。
增加整流器、直流母線和3相逆變器得到可變頻率和可變電壓輸出的逆變器，應用於馬達可實現變速控制。此種逆變器驅動的馬達可以使其在負載和應用中以優化的速度運行，進而大幅降低能耗，例如高效率的泵和風扇。當增加到泵、風扇或壓縮機的現有馬達時，逆變器通常可以降低約25%的功耗。
對於更高性能的運動控制應用，VSD可以助力實現精準的扭矩、速度和位置控制。為了實現上述控制，我們在基本的開環逆變器驅動中增加了電流和位置測量，輸送機、繞組、列印和衝壓機器就是這些應用的典型示例。據估計，工業領域部署的所有馬達中，有20%到30%是由逆變器驅動或連接到VSD。透過將更多已部署的運動資產從電網連接轉移到逆變器驅動或VSD，我們可以明顯降低工業領域中4.5億台馬達的能耗和碳排放量。
馬達能效法規的重要作用
智慧運動控制解決方案透過讓越來越多的應用從定速馬達轉向高效率馬達和VSD，在繼續大幅降低能耗上，能效法規功不可沒。能耗降低可以實現永續製造，同時減少碳排放。為加速部署更高效的馬達驅動系統，國際電子馬達委員會(IEC)推動制定了節能馬達標準，包括IEC 60034-2-1馬達測試標準和涵蓋四級馬達效率（IE1到IE4）的IEC 60034-30-1分類方案，便於比較不同馬達製造商的效率水準。這些標準為政府確定其最低能耗性能標準(MEPS)的效率水準提供了參考，有助於各國實現其能源效率和碳排放目標。
IEC 60034-1效率等級：
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IE1 標準效率
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IE2 高效率
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IE3 超高效率
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IE4 超優級效率
各國政府在制定馬達MEPS方面已取得重大進展。自2020年以來，佔全球馬達系統電力消耗76%的國家/地區已引入IE2或IE3級別的馬達MEPS，減少了工業用電量。歐盟自2021年7月1日起，0.75 kW至1000 kW馬達的最低能效等級為IE3（超高效率），0.12 kW至0.75 kW的小型馬達須達到IE2（高效率）。從2023年7月1日開始，歐盟將75 kW至200 kW馬達的MEPS提高到IE4（超優級效率）。
實際瞭解馬達驅動系統在其部署期內的擁體持有成本，其中，電力佔總成本的70%，購置費用僅佔5%，維護佔20%（見圖3）。因此，透過部署更高效的運動驅動系統，我們可以大幅降低工業馬達的運行成本，同時減少碳排放。
圖3. 馬達系統的擁有權總成本。
提升製造效率的數位化轉型策略
VSD使用來自電壓、電流、位置、溫度、功率、能耗的資料，結合使用外部感測器來監測振動和其他過程變數。利用融合了資訊技術/操作技術(IT/OT)的乙太網路，運動應用彼此互聯，並將數據和運動洞察傳輸到雲端數據儲存或本機存放區設施。運動資料和洞察現已更易獲得，並且可透過強大的雲端運算和人工智慧(AI)進行分析，以優化製造流程，減少能耗和製造過程中產生的碳排放。利用運動洞察可延長設備使用壽命，改善製造品質，減少計畫外停機時間和材料浪費，同時提高製造工廠的安全性。
馬達驅動系統現正整合先進的感測、訊號處理、邊緣AI和連接解決方案，以在智慧邊緣產生運動數據和洞察，新的洞察將傳至製造執行系統(MES)（見圖4）。然後，MES可以識別工作輸出明顯低於標稱額定輸出、導致利用率不足和耗電量增加的已部署馬達。另一個關鍵功能是識別工作輸出過於接近或略高於額定輸出的已部署馬達，如此情況也會導致耗電量增加，影響使用壽命。在部署了數百至數千台馬達的大型製造設施中，數位化轉型策略對於減少電力消耗和碳排放尤為重要。
圖4. 提供運動洞察的關鍵技術。
世界經濟論壇 — 永續燈塔網路
世界經濟論壇的 塑造先進製造和價值鏈的未來 平台已建立全球燈塔網路，製造業領先者將入選燈塔。 該網路展示了數位化轉型策略加速工業碳減排的真實案例，其社區內的製造商利用先進技術推動智慧製造的創新，以提高生產力和永續性。截至2023年1月，全球燈塔網路包括132個製造基地，其中13個為永續發展燈塔。施耐德電氣的Le Vaudreuil工廠是處於數位化轉型領先的永續發展燈塔之一， 展示了數據驅動的洞察對永續製造的推動作用，具體表現如下：
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用電量減少25%
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材料浪費減少17%
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碳排放量減少25%
結論
在追求淨零排放目標的過程中，工業製造企業可望實現新技術加速製造業低碳轉型。到2040年，工業活動的增加（其中近一半位於中國和印度）將會使所部署的馬達數量翻倍。因此，新型的更高效率馬達驅動系統將為碳減排作出更大貢獻，同時創造大量商機。ADI全力推動自動化走向更永續、更高效的未來。我們先進的技術和解決方案旨在支援新一代製造系統，從精準運動控制和無縫連接到增強的邊緣洞察和分析，ADI均專注於提升各層面效率。欲瞭解有關ADI運動解決方案的更多資訊，請參閱： analog.com/intelligentmotion。
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