提高運(yùn)動(dòng)效率，助力工業(yè)碳減排

作者： Maurice O’Brien，戰(zhàn)略營銷經(jīng)理

工業(yè)碳減排已刻不容緩！

如今，消費(fèi)者熱衷于使用低碳產(chǎn)品和服務(wù)，各國政府也紛紛出臺(tái)相關(guān)法規(guī)，以減少碳排放并實(shí)現(xiàn)凈零排放。在追求這一目標(biāo)的過程中，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(zhuǎn)型。本文將深入探討減少工業(yè)碳排放的兩大主題：

(資料圖片)

擴(kuò)大電機(jī)驅(qū)動(dòng)器部署以提高能效

數(shù)字化轉(zhuǎn)型戰(zhàn)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℃以內(nèi)，這意味著，2050年前須將當(dāng)前的碳排放量減少80%以上。依照目前的趨勢，全球?qū)⑸郎?.9℃至2.9℃，這將導(dǎo)致各國GDP大幅下降，多達(dá)33%的人口流離失所，相關(guān)災(zāi)害每年將造成數(shù)萬億美元的損失。

全球已經(jīng)升溫1.1℃，專家稱本世紀(jì)30年代增幅可能會(huì)突破1.5℃，實(shí)現(xiàn)控溫目標(biāo)面臨艱巨挑戰(zhàn)。投資須從化石燃料轉(zhuǎn)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(xiàn)1.5℃控溫目標(biāo)的途徑，詳見《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(xù)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(xù)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(xù)發(fā)展情景則闡釋了世界能夠?qū)崿F(xiàn)氣候、能源獲取和空氣質(zhì)量目標(biāo)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(jì)性，以滿足全球不斷增長人口的需求。作為《巴黎協(xié)定》的一部分，效率對于碳排放減少量的貢獻(xiàn)占比最大，達(dá)37%。¹2022年，全球與能源相關(guān)的碳排放量增長了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(xiàn)2050年凈零排放目標(biāo)的關(guān)鍵舉措之一。

更高效率的工業(yè)電機(jī)可顯著減少工業(yè)碳排放

圖2.工業(yè)電機(jī)關(guān)鍵統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

擴(kuò)大電機(jī)驅(qū)動(dòng)器部署以提高能效

最基本、最低效的運(yùn)動(dòng)解決方案是基于并網(wǎng)或交流3相電機(jī)，它們使用開關(guān)設(shè)備來提供開關(guān)控制和保護(hù)電路。這些基本的運(yùn)動(dòng)控制解決方案以相對固定的速度運(yùn)行，不受負(fù)載變化影響。節(jié)流閥、阻尼器、閥門等機(jī)械控制裝置可調(diào)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(xiàn)顯著的速度變化。據(jù)估計(jì)，目前所有已部署的電機(jī)中有70%至80%已并網(wǎng)，連接到逆變器或變速驅(qū)動(dòng)器(VSD)將有助于降低能耗。

增加整流器、直流母線和3相逆變器級(jí)會(huì)得到可變頻率和可變電壓輸出的逆變器，應(yīng)用于電機(jī)可實(shí)現(xiàn)變速控制。這種逆變器驅(qū)動(dòng)的電機(jī)可以使其在負(fù)載和應(yīng)用中以優(yōu)化的速度運(yùn)行，從而大幅降低能耗，例如高效率的泵和風(fēng)扇。當(dāng)添加到泵、風(fēng)扇或壓縮機(jī)的現(xiàn)有電機(jī)時(shí)，逆變器通?？梢越档图s25%的功耗。⁴

對于更高性能的運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用，VSD可以助力實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的扭矩、速度和位置控制。為了實(shí)現(xiàn)上述控制，我們在基本的開環(huán)逆變器驅(qū)動(dòng)中增加了電流和位置測量，輸送機(jī)、繞組、打印和沖壓機(jī)器就是這些應(yīng)用的典型示例。據(jù)估計(jì)，工業(yè)領(lǐng)域部署的所有電機(jī)中，有20%到30%是由逆變器驅(qū)動(dòng)或連接到VSD。通過將更多已部署的運(yùn)動(dòng)資產(chǎn)從電網(wǎng)連接轉(zhuǎn)移到逆變器驅(qū)動(dòng)或VSD，我們可以顯著降低工業(yè)領(lǐng)域中4.5億臺(tái)電機(jī)的能耗和碳排放量。

電機(jī)能效法規(guī)的重要作用

智能運(yùn)動(dòng)控制解決方案通過讓越來越多的應(yīng)用從定速電機(jī)轉(zhuǎn)向高效率電機(jī)和VSD，正在并將繼續(xù)大幅降低能耗，能效法規(guī)功不可沒。能耗降低可以助力可持續(xù)制造，同時(shí)減少碳排放。為加速部署更高效的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，國際電工委員會(huì)(IEC)推動(dòng)制定了節(jié)能電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)，包括IEC 60034-2-1電機(jī)測試標(biāo)準(zhǔn)和涵蓋四級(jí)電機(jī)效率（IE1到IE4）的IEC 60034-30-1分類方案，便于比較不同電機(jī)制造商的效率水平。這些標(biāo)準(zhǔn)為政府確定其最低能耗性能標(biāo)準(zhǔn)(MEPS)的效率水平提供了參考，有助于各國實(shí)現(xiàn)其能源效率和碳排放目標(biāo)。

IEC 60034-1效率等級(jí)：

IE1 標(biāo)準(zhǔn)效率

IE2 高效率

IE3 超高效率

IE4 超優(yōu)級(jí)效率

各國政府在制定電機(jī)MEPS方面已取得重大進(jìn)展。自2020年以來，占全球電機(jī)系統(tǒng)電力消耗76%的國家/地區(qū)已引入IE2或IE3級(jí)別的電機(jī)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(jī)的最低能效等級(jí)為IE3（超高效率），0.12 kW至0.75 kW的小型電機(jī)須達(dá)到IE2（高效率）。從2023年7月1日開始，歐盟將75 kW至200 kW電機(jī)的MEPS提高到IE4（超優(yōu)級(jí)效率）。

我們可以看一下電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在其部署期內(nèi)的總擁有成本，電力占總成本的70%，購置費(fèi)用僅占5%，維護(hù)占20%（見圖3）。⁶因此，通過部署更高效的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，我們可以顯著降低工業(yè)電機(jī)的運(yùn)行成本，同時(shí)減少碳排放。

圖3.電機(jī)系統(tǒng)的總擁有成本。

提高制造效率的數(shù)字化轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略

VSD使用來自電壓、電流、位置、溫度、功率、能耗的數(shù)據(jù)，結(jié)合使用外部傳感器來監(jiān)測振動(dòng)和其他過程變量。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(yùn)動(dòng)應(yīng)用彼此互聯(lián)，并將數(shù)據(jù)和運(yùn)動(dòng)洞察傳輸?shù)皆贫藬?shù)據(jù)存儲(chǔ)或本地存儲(chǔ)設(shè)施。運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)和洞察現(xiàn)已更易獲得，并且可通過強(qiáng)大的云計(jì)算和人工智能(AI)進(jìn)行分析，以優(yōu)化制造流程，減少能耗和制造過程中產(chǎn)生的碳排放。利用運(yùn)動(dòng)洞察可延長設(shè)備使用壽命，改善制造質(zhì)量，減少計(jì)劃外停機(jī)時(shí)間和材料浪費(fèi)，同時(shí)提高制造工廠的安全性。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)現(xiàn)正集成先進(jìn)的傳感、信號(hào)處理、邊緣AI和連接解決方案，以在智能邊緣產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)和洞察，新的洞察將傳至制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)（見圖4）。然后，MES可以識(shí)別工作輸出明顯低于標(biāo)稱額定輸出、導(dǎo)致利用率不足和耗電量增加的已部署電機(jī)。另一個(gè)關(guān)鍵功能是識(shí)別工作輸出過于接近或略高于額定輸出的已部署電機(jī)，這種情況也會(huì)導(dǎo)致耗電量增加，影響使用壽命。在部署了數(shù)百至數(shù)千臺(tái)電機(jī)的大型制造設(shè)施中，數(shù)字化轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略對于減少電力消耗和碳排放尤為重要。

世界經(jīng)濟(jì)論壇——可持續(xù)燈塔網(wǎng)絡(luò)

世界經(jīng)濟(jì)論壇的塑造先進(jìn)制造和價(jià)值鏈的未來平臺(tái)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(shù)字化轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略加速工業(yè)碳減排的真實(shí)案例，⁸其社區(qū)內(nèi)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(xù)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(xù)發(fā)展燈塔。⁸施耐德電氣的Le Vaudreuil工廠是處于數(shù)字化轉(zhuǎn)型前沿的可持續(xù)發(fā)展燈塔之一，⁹展示了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的洞察對可持續(xù)制造的推動(dòng)作用，具體表現(xiàn)如下：

用電量減少25%

材料浪費(fèi)減少17%

碳排放量減少25%

圖4.提供運(yùn)動(dòng)洞察的關(guān)鍵技術(shù)。

結(jié)論

在追求凈零排放目標(biāo)的過程中，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(zhuǎn)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(jī)數(shù)量翻一倍。¹⁰因此，新的更高效率電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將為碳減排作出更大貢獻(xiàn)，同時(shí)創(chuàng)造大量商機(jī)。ADI公司全力推動(dòng)自動(dòng)化走向更加可持續(xù)、更高效的未來。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(tǒng)，從精確運(yùn)動(dòng)控制和無縫連接到增強(qiáng)的邊緣洞察和分析，ADI專注于提高各層面的效率。欲了解有關(guān)ADI運(yùn)動(dòng)解決方案的更多信息，請?jiān)L問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年電力市場報(bào)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(jié)能政策賦予電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的良機(jī)），國際能源署，2011年。

4 Program Insights: Variable Frequency Drives（計(jì)劃洞察：變頻驅(qū)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(jī)系統(tǒng)國際標(biāo)準(zhǔn)如何支持在其法規(guī)中應(yīng)用此類標(biāo)準(zhǔn)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(jié)能和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的未來），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(jì)論壇，2023年1月。

8 Global Lighthouse Network（全球燈塔網(wǎng)絡(luò)），世界經(jīng)濟(jì)論壇。

9 New Recognition for Schneider Electric from World Economic Forum（世界經(jīng)濟(jì)論壇對施耐德電氣的最新褒獎(jiǎng)），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ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司，致力于在現(xiàn)實(shí)世界與數(shù)字世界之間架起橋梁，以實(shí)現(xiàn)智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng)新。ADI提供結(jié)合模擬、數(shù)字和軟件技術(shù)的解決方案，推動(dòng)數(shù)字化工廠、汽車和數(shù)字醫(yī)療等領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展，應(yīng)對氣候變化挑戰(zhàn)，并建立人與世界萬物的可靠互聯(lián)。ADI公司2022財(cái)年收入超過120億美元，全球員工2.4萬余人。攜手全球12.5萬家客戶，ADI助力創(chuàng)新者不斷超越一切可能。更多信息，請?jiān)L問www.analog.com/cn。

關(guān)于作者

Maurice O’Brien是ADI公司工業(yè)自動(dòng)化部的戰(zhàn)略營銷經(jīng)理。他負(fù)責(zé)交付以工業(yè)自動(dòng)化為重點(diǎn)的系統(tǒng)級(jí)解決方案。在此之前，Maurice在ADI公司的工業(yè)以太網(wǎng)領(lǐng)域工作了3年，在電源管理應(yīng)用和營銷領(lǐng)域工作了15年。他擁有愛爾蘭利默里克大學(xué)的電子工程學(xué)士學(xué)位。

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