Modificarea modului de proiectare a produselor pentru o sustenabilitate de zero emisii nete

By Pete Bartolik

Contributed By DigiKey's North American Editors

2024-04-24

Principalele forțe se aliniază pentru a asigura o cerință de afaceri semnificativă pentru sustenabilitate în următoarele decenii. În întreaga lume, guvernele, întreprinderile și populația se mobilizează pentru a susține atingerea obiectivului de zero emisii nete de carbon pentru 2050. Proiectanților de produse li se recomandă insistent să ia în considerare sustenabilitatea obiectivului de zero emisii nete de carbon în planurile lor viitoare de produse, altfel riscă să își piardă afacerea în fața concurenților care pot răspunde mai bine presiunilor intense ale pieței.

Asociația Națională a Producătorilor (NAM) a raportat la sfârșitul anului 2022 că 58% dintre directorii executivi din industrie chestionați consideră că sustenabilitatea este esențială pentru competitivitatea viitoare, o pondere substanțial mai mare comparativ cu un sondaj similar din 2019.^[i] În cazul producătorilor, sustenabilitatea se referă la capacitatea de a continua procesele și practicile în timp, fără a epuiza resursele de care depind, cum ar fi energia, materialele și apa.

Termenul de „zero emisii nete” a fost codificat în 2015 sub auspiciile Națiunilor Unite, când 196 de țări au adoptat Acordul de la Paris, un tratat internațional obligatoriu din punct de vedere juridic.^[ii] Ulterior, în 2017, un Grup interguvernamental al ONU a stabilit anul 2050 ca obiectiv pentru atingerea obiectivelor de zero emisii nete de dioxid de carbon (CO₂) și de reducere semnificativă a emisiilor non-CO₂. În ciuda lipsei unui mandat universal de punere în aplicare, obiectivul de zero emisii nete este adoptat din ce în ce mai des de guverne și afaceri:

Treizeci de țări, printre care și SUA, s-au angajat să atingă un obiectiv de zero emisii nete pentru operațiunile lor guvernamentale până în 2050 și să reducă emisiile cu 65% până în 2030.
Jumătate din cele 2000 de companii listate la bursă din lume și-au stabilit obiective de zero emisii nete, reprezentând 66% din veniturile anuale pentru această categorie de top 2000.^[iii]
45% dintre cei intervievați de NAM spun că firmele lor și-au stabilit obiectivele oficiale de zero emisii nete, iar 30% intenționează să atingă acest obiectiv până în 2030.^[iv]

Implicațiile comerciale ale obiectivului de zero emisii nete

Ramificațiile comerciale ale sustenabilității obiectivului de zero emisii nete sunt enorme.

Agențiile de apărare din SUA au cheltuit aproximativ 210 miliarde de dolari pe produse în 2022, în timp ce agențiile civile au cheltuit 49 de miliarde de dolari.^[v] Comisia Europeană, propunând un ecosistem de fabricare a produselor cu tehnologie zero emisii nete, estimează că piața globală pentru tehnologiile zero emisii nete fabricate în masă se va ridica la 600 de miliarde de euro anual până în 2030.^[vi]

Producătorii vor trebui să producă bunuri pentru vehicule electrice și infrastructură, rețele electrice modernizate, controlere pentru clădiri și pompe de căldură, printre altele. În plus, investițiile în tehnologia de captare a dioxidului de carbon vor determina nevoia de noi modele de produse și soluții pentru modernizarea instalațiilor de producție existente.

Trecerea la zero emisii nete va necesita o realocare masivă de capital, care va însuma, probabil, sute de mii de miliarde de dolari americani și monede echivalente până în 2050. Acest lucru va necesita o transformare masivă a modului în care cei din sectorul de producție își desfășoară activitatea, de la modul în care își alimentează fabricile și instrumentele până la adoptarea unor materiale mai ușoare și mai rezistente.

Lanțuri întregi de aprovizionare pentru producție vor fi afectate. Producătorii care își măsoară progresul spre obiectivul de zero emisii nete vor trebui să își calculeze amprenta globală de carbon, inclusiv progresul spre obiectivul de zero emisii nete al furnizorilor lor. Companiile care doresc să profite de oportunități de afaceri cu emisii nete non-zero vor trebui să demonstreze că fac progrese în atingerea obiectivelor de zero emisii nete.

Companiile vor trebui să calculeze impactul emisiilor de dioxid de carbon pe întregul ciclu de viață al produsului, de la aprovizionarea cu materiale până la gestionarea la sfârșitul ciclului de viață. Proiectanții trebuie să învețe noi competențe, să adapteze sau să înlocuiască procesele existente și să reorganizeze operațiunile pentru a face din sustenabilitate un concept de bază al proiectării. Domeniile cheie ale celor mai bune practici includ:

Adoptarea unor practici de economie circulară care să reducă utilizarea materialelor și să recupereze deșeurile pentru a fi utilizate la fabricarea de noi materiale și produse.
Optimizarea proceselor pentru a reduce emisiile de carbon din procesul de dezvoltare a produselor, inclusiv reducerea la minimum a consumului de materiale și a utilizării resurselor în timpul fabricării produselor.
Inovarea în noi concepte de proiectare și investițiile în noi instrumente și tehnologii pentru a obține produse și procese mai eficiente din punct de vedere energetic.
Promovarea unei mentalități de zero emisii nete prin concentrarea asupra aspectelor legate de managementul schimbării, inclusiv prin promovarea campionilor sustenabilității în cadrul organizației, prin abordarea temerilor și a rezistenței lucrătorilor, precum și prin recalificarea și aducerea de noi competențe necesare pentru a atinge obiectivele de zero emisii nete.
Extinderea utilității sistemelor mecanice cu ajutorul serviciilor digitalizate care oferă noi caracteristici și funcții, în funcție de necesități.

Valorificarea progreselor furnizorilor

Analog Devices, Inc. (ADI) este un lider mondial în domeniul semiconductorilor, cu o cifră de afaceri de 12 miliarde de dolari (anul fiscal 2023), care combină tehnologiile analogice, digitale și software pentru a crea o punte între lumea fizică și cea digitală. Produsele sale contribuie la progresele din domeniul fabricilor digitalizate, al automatizărilor clădirilor, al mobilității și al asistenței medicale digitale. Această companie s-a angajat să atingă un nivel de emisii nete zero până în 2050 sau mai devreme, să reducă emisiile de carbon de tip Scop 1 și 2 cu 50% până în 2030 și să redirecționeze 100% din deșeurile din instalațiile de producție ADI până în 2030.

ADI își propune să reducă consumul de energie, să prelungească durata de viață a activelor și să reducă utilizarea materiilor prime prin intermediul unui control al mișcării eficient din punct de vedere energetic, al monitorizării de precizie a stării de sănătate a activelor cu consum redus de energie și al detecției, acționării și comenzilor inteligente adaptive.

Cu un portofoliu extins, ADI pune la dispoziția proiectanților de produse o gamă largă de componente destinate îmbunătățirii eficienței energetice în aplicațiile de automatizare industrială și în clădirile inteligente:

Sistemele de acționare cu viteză variabilă: se estimează că motoarele electrice reprezintă aproximativ 65% din consumul de energie electrică în industrie.^[vii] În mod tradițional, majoritatea acestor motoare sunt dispozitive cu rotație fixă, iar echiparea tuturor acestora cu unități de viteză variabilă ar putea reduce consumul global de energie cu până la 10%.^[viii] Soluțiile ADI pentru sistemele de acționare cu viteză variabilă încorporează detectarea de înaltă performanță a curentului și tensiunii, o izolație robustă, gestionarea energiei de înaltă densitate și conectivitate fără întreruperi.

Amplificatoarele de detectare a curentului de înaltă tensiune și lățime de bandă mare, cum ar fi AD8410A și AD8411A, efectuează măsurători bidirecționale de curent pe un rezistor de șuntare pentru a furniza feedback care poate îmbunătăți performanța acționării și poate determina lățimea de bandă și timpul de răspuns al motoarelor, asigurând faptul că motorul funcționează la eficiență maximă. Gestionarea energiei în carcasele mai mici este un considerent esențial pentru proiectare. ADI oferă circuite integrate de regulator de comutare flyback, cum ar fi MAX17692, care detectează tensiunea de ieșire izolată direct din forma de undă flyback de pe partea primară în timpul conducției redresorului de pe partea secundară. Fără a fi nevoie de un amplificator de eroare și de un optocuplator pe partea secundară, proiectanții pot economisi până la 20% din spațiul de pe placa de circuite imprimate (PCB) în comparație cu un convertor flyback tradițional.^[ix]

Codificatoarele de poziție: servo-motoarele de înaltă eficiență cu control precis al poziției și cuplului pot optimiza consumul de energie, permițând prelucrarea mai rapidă a componentelor complexe. Tehnologia ADI de condiționare și conversie a semnalelor de precizie măsoară cu precizie semnalele de mică magnitudine în medii industriale zgomotoase. Ofertele ADI ajută la dezvoltarea de soluții de înaltă performanță pentru codificatoarele de poziție care oferă performanțe avansate ale buclei de control, eficiență ridicată și tehnologie de gestionare a energiei cu grad ridicat de integrare, ce poate reduce consumul de energie necesar în procesul de prelucrare și poate stimula producția în fabrică.

Tehnologiile ADI pot contribui la accelerarea timpului de lansare pe piață prin furnizarea de soluții de înaltă performanță pentru codificatoarele de poziție. Compania oferă soluții complete pentru lanțul de semnale ale codificatoarelor pentru tipuri de senzori precum cei optici, magnetici, rezolvere și transformatoare diferențiale variabile liniare. Dispozitivul ADP320 cu trei ieșiri ale regulatorului LDO (low-dropout) are un curent de repaus scăzut, o tensiune cu cădere de tensiune redusă și o gamă largă de tensiuni de intrare pentru a alimenta toate componentele din lanțurile de semnale ale codificatoarelor optice și magnetice.

O schemă bloc simplificată a MAX32672 de la ADI este prezentată în Figura 1. Este un microcontroler pe 32 de biți micuț, cu consum de energie foarte redus, cu grad ridicat de integrare și fiabil, care permite realizarea de proiecte cu procesare complexă a senzorilor fără a compromite durata de viață a bateriei și poate oferi o cale ușoară și optimă din punct de vedere al costurilor de la microcontrolerele pe 8 sau 16 biți ale proiectelor tradiționale.

Figura 1: Schema bloc simplificată a microcontrolerului MAX32672. (Sursă imagine: Analog Devices, Inc.)

Proiectanții care încorporează codificatoare pe motoare pentru a sprijini capacitățile avansate de producție vor beneficia de factori de formă reduși ai codificatoarelor.

Gestionarea integrată a energiei: ADI oferă soluții cu grad ridicat de integrare de gestionare a micro-alimentației în circuite integrate cu amprentă compactă, inclusiv regulatoare cu zgomot redus, cum ar fi LT3029, pentru aplicații precum regulatoare liniare de uz general, sisteme alimentate cu baterii și surse de alimentare pentru nucleul/logica microprocesorului, precum și LT3024, care este potrivit pentru telefoane mobile, modemuri wireless și sintetizatoare de frecvență.

Conectivitate fiabilă: ADI oferă emițătoare-receptoare RS-485 half și full duplex pentru o transmisie de date fiabilă la viteze mari. De exemplu, ADM3066E și ADM3067E oferă comunicații de date bidirecționale de mare viteză, de 50 Mbps, pe linii de transmisie de magistrale cu mai multe puncte și dispun de o impedanță de intrare de sarcină de 1/4 unitate care permite până la 128 de emițătoare-receptoare pe o magistrală. Proiectanții pot profita de mai multe plăci de evaluare, cum ar fi EVAL-ADM3066EEBZ (Figura 2), pentru a evalua și demonstra capacitățile acestor emițătoare-receptoare.

Imagine a plăcii de evaluare EVAL-ADM3066EEBZ de la ADI Figura 2: Placa de evaluare EVAL-ADM3066EEBZ de la ADI are o amprentă pentru emițător-receptorul half-duplex RS-485 ADM3066EBRMZ într-o capsulă MSOP cu 10 conductoare. (Sursă imagine: Analog Devices, Inc.)

Controlore pentru clădiri: pentru a crește sustenabilitatea clădirilor noi și a celor existente, este nevoie de tehnologii de măsurare, conectivitate și procesare pentru a controla sistemele HVAC și de iluminat, pentru a detecta gradul de ocupare și pentru a monitoriza condițiile de mediu. Acest lucru va impulsiona cererea de dispozitive periferice inteligente pentru a permite digitalizarea sistemelor de clădiri.

Sistemele de automatizare a clădirilor încorporează, de obicei, mai multe controlere și noduri disparate, fiecare dintre acestea necesitând o conectivitate fiabilă. ADIN1110 este un emițător-receptor cu un singur port cu consum de energie redus, cu o interfață MAC (Media Access Control) integrată, care necesită un consum de energie global mai mic la nivel de sistem și dispune de circuite integrate de monitorizare a tensiunii de alimentare și de resetare la pornire pentru a îmbunătăți robustețea la nivel de sistem.

Clădirile inteligente au nevoie de o gestionare eficientă a energiei la marginea rețelei. LTC4296-1 de la ADI permite alimentarea cu energie prin Ethernet (SPoE) cu o singură pereche pentru controlere și comutatoare 10Base-T1L, cu transmisie de până la 52 W de energie și date pe un singur cablu Ethernet cu perechi torsadate. LTC9111 este un controler de dispozitiv de alimentare SPoE conform IEEE 802.3cg, adecvat în mod special pentru sistemele bazate pe clasificare în automatizarea clădirilor și a fabricilor.

Concluzie

Cererea tot mai mare de sustenabilitate de emisii nete zero până în 2050 reprezintă o oportunitate enormă pentru produsele care sprijină inovarea în producție, retehnologizarea și dezvoltarea de noi tehnologii. Deși anul 2050 poate părea încă departe, datele citate în acest articol subliniază faptul că presiunile guvernamentale, comerciale și sociale determină deja multe companii să-și includă obiectivele de zero emisii nete de dioxid de carbon până în 2050 și de zero emisii nete până în 2030. În cele din urmă, fiecare furnizor va trebui, probabil, să demonstreze progresele înregistrate în vederea atingerii acestor obiective. Proiectanții de produse care încorporează proactiv aceste obiective în planificarea, procesele și furnizarea de componente vor beneficia de una dintre cele mai mari transformări industriale din toate timpurile.

Resurse

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.