Förändring av produktkonstruktion för hållbarhetskrav med nettoutsläpp som är noll

Av Pete Bartolik

Bidraget med av DigiKeys nordamerikanska redaktörer

2024-04-24

Stora krafter samverkar för att garantera ett betydande verksamhetskrav kring hållbarhet under de närmaste decennierna. Runt om i världen samlas regeringar, företag och människor för att stödja ett mål om koldioxidneutralitet 2050. Konstruktörer av produkter gör klokt i att ta hänsyn till hållbarhet med nettoutsläpp som är noll i sin framtida produktplanering, annars riskerar de att förlora affärer till konkurrenter som är bättre på att hantera det intensiva marknadstrycket.

NAM (National Association of Manufacturers) rapporterade i slutet av 2022 att 58 % av de tillfrågade tillverkarna anser att hållbarhet är avgörande för framtida konkurrenskraft, vilket är betydligt högre jämfört med en liknande undersökning 2019.^[i] Hållbarhet, när det gäller tillverkare och producenter, avser förmågan att fortsätta med processer och metoder över tid utan att göra slut på resurser som t.ex. energi, material och vatten som de är beroende av.

Termen nettoutsläpp som är noll fastställdes 2015 under överinseende av FN när 196 länder antog Paris-avtalet, ett internationellt, rättsligt bindande fördrag.^[ii] 2017 fastställde sedan en mellanstatlig panel inom FN att målet för koldioxidneutralitet (CO₂) och kraftig minskning av andra utsläpp utöver CO₂ skulle vara uppnått till 2050. Trots att det inte finns något universellt mandat för att genomföra målet antar regeringar och företag i allt högre grad målet med ett nettoutsläpp som är noll:

Trettio länder, däribland USA, har åtagit sig att uppnå målet med ett nettoutsläpp som är noll för sin statliga verksamhet till 2050 och att minska utsläppen med 65 % till 2030.
Hälften av världens 2 000 börsnoterade företag har satt upp mål för ett nettoutsläpp som är noll, vilket motsvarar 66 % av årsomsättningen för denna topp 2000-kategori.^[iii]
45 % av dem som tillfrågats av NAM säger att deras företag har satt upp formella mål för ett nettoutsläpp som är noll varav 30 % planerar att uppnå detta till 2030.^[iv]

Kommersiella konsekvenser av ett nettoutsläpp som är noll

De företagsekonomiska konsekvenserna av hållbarhet med ett nettoutsläpp som är noll är enorma.

Amerikanska försvarsmyndigheter spenderade uppskattningsvis 210 miljarder dollar på produkter 2022, medan civila myndigheter spenderade 49 miljarder dollar.^[v] Europeiska kommissionen, som föreslår ett ekosystem för tillverkning av produkter med ett nettoutsläpp som är noll, beräknar att den globala marknaden för masstillverkad teknik med ett nettoutsläpp som är noll kommer att uppgå till 600 miljarder euro per år 2030.^[vi]

Tillverkarna förväntas producera varor för bland annat elfordon och infrastruktur, moderniserade elnät, styrenheter för byggnader och värmepumpar. Dessutom kommer investeringar i teknik för koldioxidinsamling att driva på behovet av nya produktkonstruktioner och -lösningar för att uppgradera befintliga tillverkningsanläggningar.

Övergången till ett nettoutsläpp som är noll kommer att kräva en massiv omfördelning av kapital som sannolikt kommer att uppgå till hundratals biljoner amerikanska dollar eller motsvarande fram till 2050. Detta kommer att kräva en omfattande förändring av hur tillverkningsindustrin bedriver sin verksamhet, från hur de driver sina fabriker och verktyg till hur de använder lättare och starkare material.

Hela leveranskedjor inom tillverkningsindustrin kommer att påverkas. Tillverkare som mäter sina framsteg mot ett nettoutsläpp som är noll måste beräkna sitt totala koldioxidavtryck, inklusive sina leverantörers framsteg mot ett nettoutsläpp som är noll. Företag som vill dra nytta av affärsmöjligheter där nettoutsläppen inte är noll måste visa att de arbetar för att uppnå målen för nollutsläpp.

Företagen kommer att behöva beräkna sin koldioxidpåverkan i hela produktens livscykel, från inköp av material till hantering av uttjänta produkter. Konstruktörer måste skaffa nya kunskaper, anpassa eller ersätta befintliga processer och förnya verksamheten för att göra hållbarhet till ett centralt konstruktionskoncept. Viktiga områden för bästa metoder inkluderar:

Anta metoder för cirkulär ekonomi som minskar användningen av material och återvinner avfallsprodukter för tillverkning av nya material och produkter.
Optimering av processer för att minska koldioxidutsläpp från produktutveckling, inklusive minimering av materialförbrukning och resursanvändning vid tillverkning av produkter.
Innovationer i form av nya konstruktionsidéer och investeringar i nya verktyg och tekniker för att uppnå mer energieffektiva produkter och processer.
Främja en inställning kring nettoutsläpp som är noll genom att fokusera på frågor som rör förändringshantering, inklusive att lyfta fram hållbarhetsmästare i organisationen, hantera medarbetarnas rädsla och motstånd samt omskola och tillföra ny kompetens som är nödvändig för att uppnå målen för noll nettoutsläpp.
Utöka användbarheten av mekaniska system med digitaliserade tjänster som levererar nya egenskaper och funktioner efter behov.

Dra nytta av leverantörernas framsteg

Analog Devices, Inc (ADI) är ett globalt ledande halvledarföretag med en omsättning på 12 miljarder USD (bokslutsår 2023) som kombinerar analoga-, digitala- och mjukvaruteknologier för att överbrygga fysiska och digitala världar. Bolagets produkter bidrar till att driva utvecklingen framåt inom digitaliserade fabriker, byggnadsautomation, mobilitet och digital sjukvård. ADI har åtagit sig att uppnå ett nettoutsläpp som är noll senast 2050, minska koldioxidutsläppen i Scope 1 och 2 med 50 % senast 2030 och avleda 100 % av avfallet från ADI:s tillverkningsanläggningar senast 2030.

ADI strävar efter att minska energiförbrukningen, förlänga resursernas livslängd och minska användningen av råmaterial genom energieffektiv rörelsestyrning, noggrann statusövervakning av resurser med låg effekt samt adaptiv intelligent avkänning, aktivering och styrning.

Med ett omfattande produktsortiment erbjuder ADI produktutvecklare ett stort utbud av komponenter som syftar till att förbättra energieffektiviteten för tillämpningar inom industriell automation och intelligenta byggnader:

Frekvensomriktare: Det uppskattas att elmotorer står för cirka 65 % av industrins elanvändning.^[vii] Historiskt sett är de flesta av dessa motorer enheter med fast rotation och att utrusta alla med frekvensomriktare kan minska den globala energiförbrukningen med upp till 10 %.^[viii] ADI:s frekvensomriktarlösningar innehåller ström- och spänningsavkänning med hög prestanda, robust isolering, krafthantering med hög densitet och sömlösa anslutningsmöjligheter.

Strömavkänningsförstärkare för hög spänning och hög bandbredd, som t.ex. AD8410A och AD8411A, utför dubbelriktade strömmätningar över en shuntresistor för att ge återkoppling som kan förbättra frekvensomriktarens prestanda och bestämma motorernas bandbredd och svarstid, för att säkerställa att motorn arbetar med maximal verkningsgrad. Strömhantering i mindre kapslingar är en viktig konstruktionsfråga. ADI erbjuder integrerade flyback-regulatorkretsar som t.ex. MAX17692 som känner av den isolerade utspänningen direkt från primärsidans flyback-vågform när sekundärsidans likriktare leder. Utan behovet av en felförstärkare och optokopplare på sekundärsidan kan konstruktörer spara upp till 20 % av kretskortets utrymme jämfört med en traditionell flyback-omvandlare.^[ix]

Lägesgivare: Högeffektiva servomotorer med exakt läges- och momentstyrning kan optimera energiförbrukningen genom att möjliggöra snabbare maskinbearbetning av komplexa komponenter. ADI:s teknik för exakt signalbehandling och -omvandling mäter små signaler noggrant i industrimiljöer med mycket störningar. ADI gör det lättare att utveckla lägesgivarlösningar med hög precision som har hög prestanda i reglerkretsen, hög effektivitet och högintegrerad teknik för eneergihantering som kan minska den energiförbrukning som krävs i bearbetningsprocessen och öka fabrikens genomströmning.

ADI:s teknik kan bidra till att förkorta tiden till marknaden för högkvalitativa lösningar med lägesgivare. Bolaget erbjuder lösningar för lägesgivarnas signalkedjor för givartyper som t.ex. optiska, magnetiska, resolvers och linjära variabla differentialomvandlare. ADP320 LDO (lågt spänningsfall) med tre utspänningar har låg viloström, lågt spänningsfall och stort inspänningsområde för att driva alla komponenter i optiska och magnetiska givares signalkedjor.

Ett förenklat schema över MAX32672 från ADI visas i figur 1. Det är en liten, högintegrerad och tillförlitlig 32-bitars microcontroller med extremt låg strömförbrukning som möjliggör konstruktioner med avancerad givarbearbetning utan att äventyra batteritiden och kan erbjuda en enkel, kostnadsoptimal väg från 8- eller 16-bitars microcontroller i äldre konstruktioner.

Figur 1: Ett diagram över microcontrollern MAX32672. (Bildkälla: Analog Devices, Inc.)

Konstruktörer som bygger in lägesgivare i motorer för att stödja avancerad tillverkningskapacitet kan dra nytta av givarnas mindre format.

Integrerad strömhantering: ADI erbjuder högintegrerade lösningar för hantering av låga strömnivåer i små integrerade kretsar, inklusive regulatorer med lågt brus som t.ex. LT3029, för tillämpningar som exempelvis linjära regulatorer för allmänna ändamål, batteridrivna system och mikroprocessorkärnor/logikmatningar, samt LT3024, som passar för mobiltelefoner, trådlösa modem och frekvenssynthesizers.

Tillförlitliga anslutningsmöjligheter: ADI har tranceivers för RS-485 med halv och full duplex för tillförlitlig dataöverföring med höga datahastigheter. ADM3066E och ADM3067E levererar exempelvis dubbelriktad datakommunikation med hög hastighet, 50 Mbit/s, på flerpunktsbussar och har en ingångsimpedans på 1/4 av enhetslasten för att tillåta upp till 128 transceivrar på en buss. Konstruktörer kan dra nytta av flera utvärderingskort, som t.ex. EVAL-ADM3066EEBZ (figur 2), för att utvärdera och demonstrera kapaciteten hos transceivrarna.

Bild på utvärderingskortet EVAL-ADM3066EEBZ från ADI Figur 2: Utvärderingskortet EVAL-ADM3066EEBZ från ADI är anpassad för RS-485 transceivern ADM3066EBRMZ med halvduplex i en MSOP-kapsling med tio stift. (Bildkälla: Analog Devices, Inc.)

Styrenheter för byggnader: För att göra nya och befintliga byggnader mer hållbara krävs mät-, anslutnings- och behandlingstekniker för att styra luftkonditioneringssystem och belysning, känna av närvaro och övervaka miljöförhållanden. Detta kommer att driva på behovet av intelligenta enheter i molnkanten för att möjliggöra digitalisering av byggnadssystem.

System för byggnadsautomation innehåller vanligtvis flera styrenheter och olika noder som alla kräver en tillförlitlig anslutning. ADIN1110 är en transceiver med en port och integrerat MAC-gränssnitt (Media Access Control) som kräver lägre total strömförbrukning på systemnivå. Den har integrerad övervakning av spänningsmatning och kretsar för återställning vid strömtillslag för att förbättra robustheten på systemnivå.

Intelligenta byggnader kräver effektiv hantering av ström i molnkanten. LTC4296-1 från ADI möjliggör strömförsörjning via SPoE-(Single-pair Power over Ethernet) för 10Base-T1L-styrenheter och switchar, med en överföringseffekt på upp till 52 W plus data över en enda partvinnad Ethernet-kabel. LTC9111 är en effektstyrkrets för SPoE som uppfyller standarden IEEE 802.3cg och är särskilt lämpad för klassificeringsbaserade system inom fastighets- och fabriksautomation.

Sammanfattning

Det ökande kravet på hållbarhet med nettoutsläpp som är noll till 2050 innebär en enorm möjlighet för produkter som stödjer tillverkningsinnovation, omställning och utveckling av ny teknik. Även om 2050 kan tyckas ligga långt fram i tiden, visar data som citeras i den här artikeln att statliga, företagsrelaterade och samhälleliga påtryckningar redan får många företag att bygga in mål för nettoutsläpp som är noll till 2050 och koldioxidneutralitet till 2030 i sina nuvarande strategier. Respektive leverantör kommer i slutänden sannolikt att behöva påvisa sina framsteg mot dessa mål. Produktkonstruktörer som proaktivt införlivar dessa mål i sin planering, sina processer och komponentleveranser kan dra nytta av en av de största industriella omvandlingarna någonsin.

Källor

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.