Et skifte til netto-null-bærekraft for produktkonstruksjon

Av Pete Bartolik

Bidrag fra DigiKeys nordamerikanske redaktører

2024-04-24

Store krefter slår seg sammen for å sikre et betydelig forretningsbehov for bærekraft i løpet av de neste tiårene. Over hele kloden samles regjeringer, bedrifter og mennesker for å støtte et mål om netto-null-karbonutslipp for 2050. Det vil være gunstig for produktutviklere å inkludere bærekraft med netto-null i sine fremtidige produktplaner. Alternativet er å risikere å miste forretninger til konkurrenter som er bedre i stand til å respondere på intenst markedspress.

National Association of Manufacturers (NAM) rapporterte på slutten av 2022 at 58 % av de spurte produsentene mener bærekraft er avgjørende for fremtidig konkurranseevne, betydelig høyere enn for en lignende undersøkelse i 2019.^[i] Bærekraft, når det gjelder produsenter og leverandører, refererer til evnen til å fortsette prosesser og praksiser over tid uten å tappe ressurser som energi, materialer og vann som de er avhengige av.

Begrepet netto-null (net zero) ble kodifisert i 2015 i regi av FN da 196 land vedtok Parisavtalen, et internasjonalt, juridisk bindende traktat.^[ii] Deretter, i 2017, satte FNs mellomstatlige panel 2050 som mål å nå netto-null for utslipp av karbondioksid (CO₂) og dype reduksjoner av ikke-CO₂-utslipp. Til tross for mangelen på et universelt håndhevelsesmandat, blir netto-null-målet i økende grad vedtatt av myndigheter og bedrifter:

30 land, inkludert USA, har forpliktet seg til å nå et netto-null-mål for sine statlige virksomheter innen 2050 og redusere utslippene med 65 % innen 2030.
Halvparten av verdens 2000 børsnoterte selskaper har satt seg netto-null-mål, som representerer 66 % av den årlige omsetningen for den øverste 2000-kategorien.^[iii]
45 % av de spurte av NAM sier at selskapene deres har satt formelle mål for netto-null, og 30 % planlegger å oppnå det innen 2030.^[iv]

Kommersielle implikasjoner av netto-null

De forretningsmessige konsekvensene av bærekraftighet med netto-null er enorme.

Amerikanske forsvarsbyråer brukte anslagsvis 210 milliarder dollar på produkter i 2022, mens sivile byråer brukte 49 milliarder dollar.^[v] Europakommisjonen foreslår et økosystem for produksjon av netto-null-teknologiprodukter, og anslår at det globale markedet for masseproduserte netto-null-teknologier vil beløpe seg til 600 milliarder euro årlig innen 2030.^[vi]

Produsenter forventes å produsere varer for elektriske kjøretøy og infrastruktur, moderniserte strømnett, bygningsstyringer og varmepumper, med mer. I tillegg vil investeringer i karbonfangstteknologi akselerere behovet for nye produktutforminger og -løsninger for å modernisere eksisterende produksjonsanlegg.

Skiftet til netto-null vil kreve en massiv reallokering av kapital, som sannsynligvis vil utgjøre hundrevis av billioner i amerikanske dollar og tilsvarende innen 2050. Dette vil kreve en massiv transformasjon i hvordan de i produksjonssektoren gjør forretninger, fra hvordan de driver anleggene og verktøyene sine til å bruke lettere og sterkere materialer.

Hele produksjonsforsyningskjeder vil bli påvirket. Produsenter som måler fremgangen til netto-null, må beregne det samlede karbonavtrykket sitt, inkludert netto-null-fremgangen for leverandørene sine. Bedrifter som ønsker å tjene på forretningsmuligheter som ikke er netto-null, må demonstrere at de beveger seg mot å oppnå netto-null-mål.

Bedrifter må beregne karbonpåvirkningen av hele produktets livssyklus, fra materialinnhenting til deponeringshåndtering. Konstruktører må lære nye ferdigheter, tilpasse eller erstatte eksisterende prosesser og modernisere driften for å gjøre bærekraft til en hovedprioritet i konstruksjonsprosessen. Viktige anbefalte fremgangsmåter omfatter å:

Begynne å bruke sirkulær økonomi som reduserer materialbruk, og gjenvinne avfallsprodukter som kan brukes i produksjonen av nye materialer og produkter.
Optimalisere prosesser for å dekarbonisere produktutvikling, som omfatter minimering av materialforbruk og ressursbruk under produktproduksjon.
Videreutvikle nye konstruksjonskonsepter og investere i nye verktøy og teknologier for å oppnå mer energieffektive produkter og prosesser.
Fremme en netto-null-tankegang ved å fokusere på utfordringer rundt endringsledelse, inkludert å støtte bærekraftsforkjempere i organisasjonen, adressere arbeidernes frykt og motstand, og tilby omlæring og bringe inn nye ferdigheter som er nødvendige for å oppnå netto-null-mål.
Utvide nytten av mekaniske systemer med digitaliserte tjenester som leverer nye egenskaper og funksjoner etter behov.

Dra nytte av videreutviklinger hos leverandører

Analog Devices, Inc. (ADI) er en global leder (på 12 milliarder dollar, FY2023) innen halvledere som kombinerer analog-, digital- og programvareteknologier for å bygge bro mellom fysiske og digitale verdener. Produktene bidrar til å drive videreutvikling innen digitaliserte fabrikker, bygningsautomatisering, mobilitet og digitale helsetjenester. De har forpliktet seg til å oppnå netto-null innen 2050 eller tidligere, kutte Scope 1- og 2-karbonutslipp med 50 % innen 2030 og avlede 100 % av avfallet fra ADI-produksjonsanlegg innen 2030.

ADI har som mål å redusere energiforbruket, forlenge eiendelens levetid og redusere bruken av råmaterialer gjennom strømeffektiv bevegelsesstyring, presis laveffekts-overvåking av eiendelens helsetilstand og adaptiv intelligent føling, aktivering og styringer.

Med et omfattende sortiment gir ADI produktutviklere et bredt utvalg av komponenter rettet mot å forbedre energieffektiviteten innen industriautomatisering og intelligente bygningsutrustninger:

Drivverk med variabel hastighet: Det er anslått at elektriske motorer står for omtrent 65 % av industriell elektrisitetsbruk.^[vii] Historisk sett er de fleste av disse motorene enheter med fast rotasjon, og å utstyre alle med frekvensomformere kan redusere det globale energiforbruket med opptil 10 %.^[viii] ADIs drivverkløsninger med variabel hastighet inkluderer høyytelses strøm- og spenningsføling, robust isolasjon, strømstyring med høy tetthet og sømløs konnektivitet.

Høyspente, strømfølende forsterkere med høy båndbredde, for eksempel AD8410A og AD8411A, utfører toveis strømmålinger over en shuntmotstand for å levere tilbakekobling som kan forbedre ytelsen til drivverket og fastsette båndbredde og responstiden til motorer, og sikre at motoren fungerer med maksimal virkningsgrad. Strømstyring i mindre innfatninger er et viktig konstruksjonshensyn. ADI tilbyr IC-er med ikke-lineære regulatorer med tilbakekobling, slik som MAX17692, som registrerer den isolerte utgangsspenningen direkte fra tilbakekoblingsbølgeformen (flyback wave-form) på primærsiden under likeretterledning på sekundærsiden. Konstruktører kan spare opptil 20 % plass på kretskort (PCB) sammenlignet med tradisjonelle flyback-omformere, uten at det er behov for noen feilforsterker og optokobler på sekundærsiden.^[ix]

Posisjonspulsgivere: Høyeffektive servodrevne motorer med presis posisjons- og dreiemomentstyring kan optimere energibruken ved å muliggjøre raskere maskinering av komplekse komponenter. ADIs presisjonssignalbehandling og konverteringsteknologi måler nøyaktig små signaler i støyende industrimiljøer. ADIs tilbud hjelper til med å utvikle posisjonspulsgiverløsninger med høy ytelse som gir avansert styringssløyfeytelse, høy virkningsgrad og helintegrert strømstyringsteknologi som kan redusere energiforbruket som kreves i maskineringsprosessen og drive fabrikkgjennomstrømning.

ADI-teknologier kan bidra til å akselerere tiden det tar å få produktet ut på markedet ved å levere posisjonspulsgiverløsninger (position encoder solutions) med høy ytelse. Virksomheten tilbyr pulsgiversignalkjedeløsninger for sensortyper som optiske, magnetiske, resolvere og lineære variable differensialtransformatorer. ADP320 med lavt spenningsfall (LDO – low dropout) og tre utganger har lav hvilestrøm og et bredt inngangsspenningsområde for å drive alle komponentene i optiske og magnetiske pulsgiversignalkjeder.

Et forenklet blokkskjema over ADIs MAX32672 er vist i figur 1. Den er en liten, ultra-laveffekts, helintegrert og pålitelig 32-bits mikrokontroller, som muliggjør konstruksjon med kompleks sensorbehandling uten at det går utover batterilevetiden, og kan gi en enkel, kostnadsoptimal vei fra 8- eller 16-bits mikrokontrollere av eldre utforming.

Figur 1: Forenklet blokkskjema over MAX32672-mikrokontrolleren. (Bildekilde: Analog Devices, Inc.)

Konstruktører som har pulsgivere på motorer for å støtte avanserte produksjonsfunksjoner, vil dra nytte av reduserte pulsgiverformfaktorer.

Integrert strømstyring: ADI leverer svært integrerte løsninger for mikrokraftstyring i IC-er med kompakt fysisk størrelse, inkludert støysvake regulatorer som LT3029, for konstruksjoner som generelle lineære regulatorer, batteridrevne systemer og mikroprosessorkjerne-/logikkforsyninger, samt LT3024, som er egnet for mobiltelefoner, trådløse modemer og frekvenssynthesizere.

Pålitelig konnektivitet: ADI tilbyr RS-485-mottakere med halv og full dupleks for pålitelig dataoverføring ved høye datahastigheter. ADM3066E og ADM3067E leverer for eksempel høyhastighets toveis-datakommunikasjon på 50 Mb/s på flerpunktsbussoverføringslinjer, og har en inngangsimpedans på 1/4 av enhetslasten som muliggjør opptil 128 mottakere på en buss. Konstruktører kan dra nytte av flere evalueringskort, for eksempel EVAL-ADM3066EEBZ (figur 2), for å hjelpe til med å vurdere og demonstrere egenskapene til disse transceiverne.

Bilde av ADIs EVAL-ADM3066EEBZ-evalueringskort Figur 2: ADIs EVAL-ADM3066EEBZ-evalueringskort har et format for ADM3066EBRMZ RS-485-transceiveren med halv duplex i en MSOP-kapsling med 10 ledere. (Bildekilde: Analog Devices, Inc.)

Bygningsstyringer: Å gjøre nye og eksisterende bygninger mer bærekraftige krever måle-, tilkoblings- og prosesseringsteknologier for å styre ventilasjon (HVAC) og belysning, registrere opphold og overvåke miljøforhold. Dette vil øke etterspørselen etter intelligente edge-enheter for å muliggjøre digitalisering av bygningssystemer.

Systemer for bygningsautomatisering omfatter vanligvis flere styringer og uforenelige noder, som hver krever pålitelige tilkoblingsmuligheter. ADIN1110 er en laveffekts enkeltports-transceiver med et integrert MAC-grensesnitt (MAC – media access control – kontrolladresse for nettverkstilgang) som krever lavere samlet strømforbruk på systemnivå, og som har integrert spenningsforsyningsovervåking og nullstilling ved påslag (Power on Reset) for å forbedre robustheten på systemnivå.

Intelligente bygninger trenger effektiv strømstyring på inngangspunktet (edge). ADIs LTC4296-1 muliggjør SPoE-strømforsyning (SPoE – Single-pair Power over Ethernet) for 10Base-T1L-styringer og -svitsjer, med overføring av opptil 52 W effekt pluss data over en Ethernet-kabel med ett tvunnet par. LTC9111 er en IEEE 802.3cg-kompatibel SPoE-styring spesielt egnet for klassifiseringsbaserte systemer innen bygg- og fabrikkautomatisering.

Konklusjon

Den økende etterspørselen etter netto-null-bærekraft innen 2050 representerer en enorm mulighet for produkter som støtter produksjonsinnovasjon, ombygging av verktøy og akselerasjon av nye teknologier. Selv om 2050 kan virke langt i det fjerne, understreker data sitert i denne artikkelen at press fra myndighetene, næringslivet og samfunnet allerede får mange selskaper til å integrere 2050-netto-null-mål og 2030-karbonnøytrale mål inn i sine nåværende strategier. Hver leverandør vil sannsynligvis være nødt til å vise fremdrift mot disse målene. Produktkonstruktører som proaktivt integrerer disse målene i planleggingen, prosessene og komponentforsyningene, kan dra nytte av en av de største industrielle transformasjonene noensinne.

Ressurser

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.