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(yíng)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(guó)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(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(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(duì)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(shì),全球?qū)⑸郎?.9℃至2.9℃,這將導(dǎo)致各國(guó)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(wàn)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(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(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(zhǎng)人口的需求。作為《巴黎協(xié)定》的一部分,效率對(duì)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(zhǎng)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(kāi)關(guān)設(shè)備來(lái)提供開(kāi)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(duì)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(duì)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?cè)诨镜拈_(kāi)環(huán)逆變器驅(qū)動(dòng)中增加了電流和位置測(cè)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(guò)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(guò)讓越來(lái)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(méi)。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(guó)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(cè)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(guó)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(guó)政府在制定電機(jī)MEPS方面已取得重大進(jìn)展。自2020年以來(lái),占全球電機(jī)系統(tǒng)電力消耗76%的國(guó)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(kāi)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(gòu)置費(fèi)用僅占5%,維護(hù)占20%(見(jiàn)圖3)。6因此,通過(guò)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(lái)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(lái)監(jiān)測(cè)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(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(guò)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(guò)程中產(chǎn)生的碳排放。利用運(yùn)動(dòng)洞察可延長(zhǎng)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(jiàn)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(guò)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(duì)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(lái)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(duì)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(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(zhuǎn)型。到2040年,工業(yè)活動(dòng)的增加(其中近一半位于中國(guó)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(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(tǒng),從精確運(yùn)動(dòng)控制和無(wú)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(qǐng)?jiān)L問(wèn)analog.com/intelligentmotion。
參考資料1 《2019年世界能源展望》,國(guó)際能源署,2019年。
2 《2023年電力市場(chǎng)報(bào)告》,國(guó)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(guó)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(guó)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(guó)家的政策),國(guó)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(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(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(duì)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(guó)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(duì)氣候變化挑戰(zhàn),并建立人與世界萬(wàn)物的可靠互聯(lián)。ADI公司2022財(cái)年收入超過(guò)120億美元,全球員工2.4萬(wàn)余人。攜手全球12.5萬(wàn)家客戶,ADI助力創(chuàng)新者不斷超越一切可能。更多信息,請(qǐng)?jiān)L問(wèn)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(yíng)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(yíng)銷領(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。
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