A terméktervezés átállítása a fenntarthatóságot segítő nettó nulla szén-dioxid-kibocsátásra

Számottevő erők állnak össze annak érdekében, hogy a következő évtizedekben a fenntarthatóságot segítő jelentős üzleti követelményeket támasszanak. A kormányok, a vállalkozások és az emberek világszerte támogatják a szén-dioxid-kibocsátás nullára csökkentését, amelynek 2050 a céldátuma. A terméktervezők jól teszik, ha jövőbeli termékeik tervezésekor számolnak a fenntarthatóságot segítő nettó nulla szén-dioxid-kibocsátással, különben azt kockáztatják, hogy az intenzív piaci nyomásra jobban reagálni tudó versenytársakkal szemben elveszítenek egyes üzleteket.

Az amerikai gyártók országos szövetsége (National Association of Manufacturers, NAM) 2022 végén arról számolt be, hogy a megkérdezett gyárak vezetőinek 58%-a szerint a fenntarthatóság segítése alapvető fontosságú a jövőbeli versenyképesség szempontjából, ami lényegesen magasabb, mint amit egy 2019-es hasonló felmérés során mértek.^[i] A fenntarthatóság segítése a gyártók és termelők esetében arra utal, hogy a folyamatok és technológiák használata hosszabb időn át folytatható anélkül, hogy kimerítenék az olyan erőforrásokat, mint az energia, a nyersanyagok és a víz, amelyektől függnek.

A nettó nulla [szén-dioxid-kibocsátás] fogalmát 2015-ben határozták meg az ENSZ égisze alatt, amikor 196 ország elfogadta a Párizsi megállapodást, egy nemzetközi, jogilag kötelező érvényű szerződést.^[ii] 2017-ben az ENSZ kormányközi testülete 2050-re tűzte ki a szén-dioxid- (CO₂-) kibocsátást nettó nullára csökkentő célkitűzés elérését és a nem CO₂-kibocsátás nagymértékű csökkentését. Annak ellenére, hogy nincs általános érvényesítési rendelkezés, a kormányok és a vállalatok egyre inkább elfogadják a nettó nulla szén-dioxid-kibocsátási célkitűzést:

• Harminc ország – köztük az Amerikai Egyesült Államok is – vállalta, hogy 2050-ig teljesíti a nettó nulla szén-dioxid-kibocsátási célkitűzést kormányzati tevékenységei tekintetében, és 2030-ra 65%-kal csökkenti a szén-dioxid-kibocsátást.
• A világ 2000 tőzsdén jegyzett vállalatának fele vállalta a nettó nullás célkitűzést. Ezek a vállalatok az éves bevételt tekintve a 2000 legnagyobb vállalat 66%-át teszik ki.^[iii]
• A NAM által megkérdezettek 45%-a állítja, hogy cége hivatalosan nettó nullás célokat tűzött ki, és 30%-uk azt tervezi, hogy ezt 2030-ra eléri.^[iv]

A nettó nulla kereskedelmi vonatkozásai

A fenntarthatóságot segítő nettó nulla szén-dioxid-kibocsátási célkitűzés üzleti vonatkozásai óriásiak.

Az amerikai védelmi szervezetek 2022-ben becslések szerint 210 milliárd dollárt költöttek termékekre, míg a polgári szervezetek 49 milliárd dollárt.^[v] Az Európai Bizottság a nettó nulla szén-dioxid-kibocsátással készült műszaki termékek gyártási ökorendszerére tett javaslatában azt vetíti előre, hogy a nettó nulla szén-dioxid-kibocsátással készült tömeggyártású műszaki cikkek globális piaca 2030-ra évi 600 milliárd euróra rúg majd.^[vi]

A gyártóknak a várakozások szerint többek között villanyjárművekhez és azok infrastruktúráihoz, korszerűsített villamos hálózatokhoz, épületfelügyeleti rendszerekhez és hőszivattyúkhoz szükséges termékeket kell gyártaniuk. Emellett a szén-dioxid-leválasztó technikákba történő beruházás serkenti az új termékek tervezésére és a meglévő gyártóüzemek utólagos fejlesztésére irányuló igényeket.

A nettó nulla szén-dioxid-kibocsátásra való áttérés hatalmas tőkeátcsoportosítást igényel, ami 2050-re összesen valószínűleg több százbillió dollárt tesz majd ki. Ehhez a gyáripar technológiáinak hatalmas átalakítására lesz szükség, kezdve az üzemek és szerszámok energiaellátásától a könnyebb és erősebb anyagok használatáig.

Ez egész gyártási ellátási láncokat fog érinteni. A nettó nulla szén-dioxid-kibocsátás felé tett előrehaladásukat mérő gyártóknak ki kell számítaniuk a teljes karbonlábnyomukat, beleértve beszállítóik nettó nulla szén-dioxid-kibocsátás irányába tett előrelépését is. Azoknak a vállalatoknak, amelyek a nem nulla szén-dioxid-kibocsátású üzleti lehetőségekből szeretnének profitálni, bizonyítaniuk kell, hogy a nettó nulla szén-dioxid-kibocsátási célkitűzés elérése felé mozdulnak el.

A vállalatoknak ki kell számítaniuk a terméknek a teljes életciklusa alatti szén-dioxid-kibocsátását, az anyagbeszerzéstől az életciklus végéig. A tervezőknek új készségeket kell elsajátítaniuk, át kell átalakítaniuk vagy le kell cserélniük a meglévő technológiákat, és át kell tervezniük a tevékenységeket, hogy a tervezés alapelvévé tegyék a fenntarthatóság segítését. A legfontosabb bevált megoldások a következők:

• Olyan körforgásos gazdasági technológiák használata, amelyek csökkentik az anyagfelhasználást, és új anyagok és termékek előállítása céljából újra felhasználják a termékhulladékokat.
• A technológiák optimalizálása a termékfejlesztés szén-dioxid-kibocsátásának csökkentése érdekében, beleértve az anyag- és erőforrás-felhasználás minimálisra csökkentését a termékek gyártása során.
• Újítások az új termékek kialakításában és beruházás új eszközökbe és technikákba a jobb hatásfokú termékek és technológiák elérése érdekében.
• A nulla nettó szén-dioxid-kibocsátást előtérbe helyező gondolkodásmód elősegítése a változáskezelés kérdéseire összpontosítva, beleértve a fenntarthatóság-segítés bajnokainak népszerűsítését a szervezeten belül, a munkavállalók félelmeinek és ellenállásának kezelését, valamint a nulla nettó szén-dioxid-kibocsátási célkitűzés eléréséhez szükséges új készségek bevezetését és az azokra való átképzést.
• A mechanikus rendszerek hasznosságának kiterjesztése digitalizált szolgáltatásokkal, amelyek igény szerinti új funkciókat tesznek elérhetővé.

A beszállítók által végzett fejlesztések kihasználása

Az Analog Devices, Inc. (ADI) egy 12 milliárd dolláros (2023-as pénzügyi év) globális félvezetőgyártó vállalat, amely az analóg, a digitális és a szoftveres technikákat egyesítve hidat képez a fizikai és digitális világ között. Termékei segítik a digitalizált gyárak, az épületautomatizálás, a közlekedés és a digitális egészségügy fejlődését. A vállalat elkötelezte magát amellett, hogy 2050-re vagy hamarabb eléri a nettó nulla szén-dioxid-kibocsátást, 2030-ra 50%-kal csökkenti az 1. és 2. szintű szén-dioxid-kibocsátását, és 2030-ra megszünteti az ADI gyártási létesítményeiben keletkező hulladék 100%-át.

Az ADI célja az energiafogyasztás csökkentése, az eszközök élettartamának meghosszabbítása és a nyersanyag-felhasználás csökkentése a jó hatásfokú mozgásvezérlés, a nagy pontosságú, kis energiaigényű eszközállapot-felügyelet és az alkalmazkodó intelligens érzékelés, működtetés és vezérlés révén.

Kiterjedt termékválasztékában az ADI az ipari automatizálás és az okosépületek jelentette felhasználási területeken a hatásfok javítását célzó alkatrészek széles választékát kínálja a terméktervezőknek:

Frekvenciaváltók: A becslések szerint az ipari villamosenergia-felhasználás mintegy 65%-át a villanymotorok teszik ki.^[vii ] Történelmileg ezeknek a motoroknak a többsége állandó fordulatszámú gép, és ha mindet frekvenciaváltókkal szerelnék fel, akár 10%-kal is csökkenteni lehetne a globális energiafelhasználást.^[viii] Az ADI frekvenciaváltói nagy teljesítményű áram- és feszültségérzékelést, erős szigetelést, nagy sűrűségű energiagazdálkodást és problémamentes csatlakoztathatóságot kínálnak.

A nagyfeszültségű, nagy sávszélességű áramerősség-érzékelő erősítők, mint például az AD8410A és az AD8411A, kétirányú áramerősség-méréseket végeznek egy söntellenálláson keresztül, hogy visszajelzést adjanak, ami javíthatja a motorvezérlő egység teljesítményét, és meghatározhatja a villanymotorok sávszélességét és reagálási idejét, biztosítva, hogy a motor a legjobb hatásfokkal működjön. A kisebb kapcsolószekrényekben kulcsfontosságú tervezési szempont az energiagazdálkodás. Az ADI olyan visszafutásos kapcsolóüzemű feszültségszabályozó integrált áramköröket kínál, mint a MAX17692, amelyek a szekunderoldali egyenirányító vezetési fázisa alatt közvetlenül a primeroldali visszafutásos hullámformából érzékelik a leválasztott kimenőfeszültséget. Azzal, hogy nincs szükség szekunderoldali hibaerősítőre és optocsatolóra, a tervezők a hagyományos visszafutásos áramátalakítókhoz képest akár 20%-nyi helyet is megtakaríthatnak a nyomtatott áramköri lapon.^[ix]

Helyzetkódolók: A pontos helyzet- és nyomatékszabályozással ellátott, jó hatásfokú szervomotorok optimalizálhatják az energiafelhasználást, mivel lehetővé teszik az bonyolult alkatrészek gyorsabb megmunkálását. Az ADI nagy pontosságú jelformáló és áramátalakító technikája zajos ipari környezetben is pontosan méri a kis jeleket is. Az ADI választékában szereplő termékek segítik a nagy teljesítményű helyzetkódoló eszközök kifejlesztéséi, amelyek fejlett szabályozásihurok-teljesítményt, jó hatásfokot és nagy integráltsági fokú energiagazdálkodási technikát kínálnak, ami csökkentheti a megmunkálási folyamathoz szükséges energiafogyasztást, és növelheti a gyártási teljesítményt.

Az ADI technikái segíthetnek lerövidíteni a nagy teljesítményű helyzetkódoló eszközök piacra kerülési idejét. A vállalat kódoló jellánchoz való megoldásokat kínál olyan érzékelőtípusokhoz, mint az optikai és mágneses érzékelők, rezolverek és egyenes vonalú elmozdulást mérő (vagy lineáris) differenciáltranszformátorok. Az ADP320 háromkimenetű kis feszültségkülönbségű (LDO) feszültségszabályozónak kicsi a nyugalmi áramerőssége, kicsi a feszültségkülönbsége és nagy a bemenőfeszültség-tartománya, hogy az optikai és mágneses kódoló jelláncok minden alkatrészét képes legyen táplálni.

Az 1. ábrán a MAX32672 egyszerűsített blokkvázlata látható. Ez egy parányi, rendkívül kis fogyasztású, nagy integráltsági fokú és megbízható 32 bites mikrovezérlő, amely módot ad összetett érzékelőjel-feldolgozást végző eszközök létrehozására anélkül, hogy ez az akkumulátor üzemidejét veszélyeztetné, és egyszerű, költségoptimalizált megoldást kínál a régi eszközök 8 vagy 16 bites mikrovezérlőiről való áttérésre.

1. ábra: A MAX32672 mikrovezérlő egyszerűsített blokkvázlata (ábra: Analog Devices, Inc.)

Azok a tervezők, akik a fejlett gyártási képességek elősegítése érdekében kódolókat építenek be a villanymotorokba, kihasználhatják annak előnyeit, hogy a kódolók mérete kisebb lett.

Beépített energiagazdálkodás: Az ADI nagy integráltsági fokú mikroteljesítmény-kezelő eszközöket kínál kis alapterületű IC-k formájában, beleértve az olyan kis zajszintű feszültségszabályozókat, mint az LT3029, amelyet olyan eszközökbe szántak, mint például az általános célú lineáris feszültségszabályozók, az akkumulátorról táplált rendszerek és a mikroprocesszorok magjának és logikai részének tápegységei, valamint az LT3024, amely mobiltelefonokba, vezeték nélküli modemekbe és frekvenciaszintézerekbe alkalmas.

Megbízható kapcsolat: Az ADI fél- és teljes duplex RS-485-ös adó-vevőket kínál a megbízható, nagy átviteli sebességű adatátvitelhez. Az ADM3066E és az ADM3067E például nagy, 50 Mb/s sebességű kétirányú adatkommunikációt tesz lehetővé többpontos sínű adatátviteli vonalakon, és 1/4 egységnyi bemeneti terhelőimpedanciával van ellátva, amely akár 128 adó-vevő használatát is lehetővé teszi egy sínen. A tervezők számos fejlesztőkártyát használhatnak, amilyen például az EVAL-ADM3066EEBZ (2. ábra), amelyek segítségével értékelhetik és szemléltethetik ezen adó-vevők képességeit.

2. ábra: Az ADI EVAL-ADM3066EEBZ fejlesztőkártya a 10 lábú, MSOP-tokozású ADM3066EBRMZ félduplex RS-485 adó-vevő tartalmazza (kép: Analog Devices, Inc.)

Épületfelügyeleti rendszerek: Az új és meglévő épületek fenntarthatóságot jobban segítővé tételéhez mérési, csatlakoztatási és feldolgozási technikákra van szükség a fűtő-, szellőző- és légkondicionáló (HVAC, heating, ventilation and air conditioning) rendszer és a világítás szabályozásához, az emberi jelenlét érzékeléséhez és a környezeti viszonyok figyeléséhez. Ez növeli az épületrendszerek digitalizálását lehetővé tevő helyi okoseszközök iránti keresletet.

Az épületautomatizálási rendszerek jellemzően több vezérlőegységet és többféle csomópontot tartalmaznak, amelyek mindegyikének megbízható kapcsolatra van szüksége. Az ADIN1110 egy kis fogyasztású, egyportos adó-vevő beépített médiahozzáférés-vezérlő (MAC) illesztőfelülettel, kisebb általános rendszerszintű fogyasztással. Az eszköz a rendszerszintű teljesítőképesség javítása érdekében beépített feszültségellátás-figyelő és bekapcsoláskor alaphelyzetbe állító áramkörrel ellátva.

Az okosépületeknek helyi szinten hatékony energiagazdálkodásra van szükségük. Az ADI LTC4296-1 lehetővé teszi 10Base-T1L vezérlőegységek és kapcsolók egy érpáras ethernetes áramellátását (SPoE, Single-pair Power over Ethernet), valamint akár 52 W teljesítmény és adatok átvitelét egyetlen sodrott érpáros Ethernet-kábelen keresztül. Az LTC9111 egy IEEE 802.3cg-kompatibilis, nagy teljesítményű eszközökhöz használható SPoE vezérlőegység, amely különösen alkalmas az épület- és gyárautomatizálásban használt, minősítésen alapuló rendszerekhez.

Összegzés

A 2050-ig elérendő, a fenntarthatóságot segítő nettó nulla szén-dioxid-kibocsátás iránti növekvő igény óriási lehetőséget jelent a gyártásbeli újításokat, az újfajta szerszámokra való átállást és az új technikák fejlesztését elősegítő termékek számára. Bár 2050 még távolinak tűnhet, az ebben a cikkben idézett adatok egyértelműen arra utalnak, hogy a kormányzati, üzleti és társadalmi nyomás már most arra késztet számos vállalatot, hogy a 2050-es nettó nulla szén-dioxid-kibocsátási és 2030-ra elérendő szén-dioxid-semlegességi célokat már a jelenlegi stratégiájába is beépítse. Valószínűleg minden beszállítónak fel kell mutatnia, hogy milyen lépéseket tett ezen célkitűzések elérésére. Azok a terméktervezők, akik előrelátóan beépítik ezeket a célokat a tervezésbe, a folyamatokba és az alkatrészellátásba, minden idők egyik legnagyobb ipari átalakulásának előnyeiből húzhatnak hasznot.

Források:

1. https://nam.org/sustainability-is-a-top-manufacturer-priority-survey-shows-19992/?stream=business-operations
2. https://unfccc.int/process-and-meetings/the-paris-agreement
3. https://zerotracker.net/analysis/new-analysis-half-of-worlds-largest-companies-are-committed-to-net-zero
4. https://nam.org/sustainability-is-a-top-manufacturer-priority-survey-shows-19992/?stream=business-operations
5. https://gaoinnovations.gov/Federal_Government_Contracting/
6. https://ec.europa.eu/commission/presscorner/detail/en/IP_23_1665
7. https://iea.blob.core.windows.net/assets/98909c1b-aabc-4797-9926-35307b418cdb/WEO2019-free.pdf
8. https://new.abb.com/news/detail/75020/abb-urges-greater-adoption-of-high-efficiency-motors-and-drives-to-combat-climate-change-global-electricity-consumption-to-be-reduced-by-10
9. https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/max17692a-max17692b.pdf