Ændring af produktdesign til netto-nul-bæredygtighed

Af Pete Bartolik

Bidraget af DigiKeys nordamerikanske redaktører

2024-04-24

Store kræfter er på vej til at sikre et betydeligt forretningsmæssigt krav om bæredygtighed i løbet af de næstkommende årtier. Overalt på kloden samles regeringer, virksomheder og mennesker om at støtte et mål om netto-nul-kulstofudledning i 2050. Produktdesignere gør klogt i at indregne netto-nul-bæredygtighed i deres fremtidige produktplaner eller risikere at miste forretning til konkurrenter, der er bedre i stand til at reagere på det intense markedspres.

Den amerikanske nationale sammenslutning af producenter, National Association of Manufacturers (NAM), rapporterede i slutningen af 2022, at 58% af de adspurgte erhvervsledere af producerende virksomheder mener, at bæredygtighed er afgørende for den fremtidige konkurrenceevne, hvilket er væsentligt højere end i en lignende undersøgelse i 2019^[i]. For fabrikanter og producenter refererer bæredygtighed til evnen til at fortsætte processer og praksisser over tid uden at opbruge ressourcer som energi, materialer og vand, som de er afhængige af.

Udtrykket ’netto-nul’ blev fastsat i 2015 i FN-regi, da 196 lande vedtog Paris-aftalen, en international, juridisk bindende traktat^[ii]. Efterfølgende, i 2017, fastsatte et mellemstatsligt FN-panel 2050 som målet for at opnå netto-nul-målerne for kuldioxid- (CO₂) udledninger og dybe reduktioner af ikke-CO₂-udledninger. På trods af manglen på et universelt fuldbyrdelsesmandat bliver netto-nul-målet i stigende grad vedtaget af regeringer og virksomheder:

Tredive lande, heriblandt USA, har lovet at opfylde et mål om netto-nuludledning for deres offentlige aktiviteter inden 2050 og at reducere udledningen med 65 % inden 2030.
Halvdelen af verdens 2.000 børsnoterede virksomheder har sat sig netto-nul-mål, hvilket svarer til 66 % af den årlige omsætning for denne top 2000-kategori^[iii].
45 % af de adspurgte i NAM siger, at deres virksomheder har fastsat formelle mål for netto-nul, og 30 % planlægger at nå det inden 2030^[iv].

Kommercielle konsekvenser af netto-nul

De forretningsmæssige konsekvenser af netto-nul-bæredygtighed er enorme.

Amerikanske forsvarsorganer brugte anslået 210 milliarder USD på produkter i 2022, mens civile agenturer brugte 49 milliarder USD.^[v] Europa-Kommissionen foreslår et økosystem for fremstilling af netto-nul-teknologiprodukter og anslår, at det globale marked for masseproducerede netto-nul-teknologier vil udgøre 600 milliarder euro om året i 2030.^[vi]

Producenterne forventes at producere varer til bl.a. elektriske køretøjer og infrastruktur, moderniserede el-net, bygningcontrollere og varmepumper. Desuden vil investeringer i kulstofopsamlingsteknologi øge behovet for nye produktdesigns og løsninger til eftermontering på eksisterende produktionsanlæg.

Skiftet til netto-nul vil kræve en massiv omfordeling af kapital, som sandsynligvis vil beløbe sig til hundredvis af billioner USD og ækvivalenter inden 2050. Det vil kræve en massiv ændring af, hvordan produktionssektoren driver forretning, lige fra, hvordan de energiforsyner deres anlæg og værktøjer til anvendelse af lettere og stærkere materialer.

Hele produktionsforsyningskæder vil blive påvirket. Producenter, der måler deres fremskridt mod netto-nul, skal beregne deres samlede kulstofaftryk, herunder deres leverandørers fremskridt mod netto-nul. Virksomheder, der ønsker at drage fordel af ’ikke-nul’ forretningsmuligheder, skal vise, at de bevæger sig i retning af at nå netto-nul-mål.

Virksomhederne bliver nødt til at beregne kulstofbelastningen i hele produktets livscyklus, fra indkøb af materialer til håndtering af udtjente produkter. Designere skal lære nye færdigheder, tilpasse eller udskifte eksisterende processer og omlægge driften for at gøre bæredygtighed til et kernedesignkoncept. De vigtigste områder for bedste praksis inkluderer:

Vedtagelse af cirkulær økonomipraksis, der reducerer materialeforbruget og genvinder affaldsprodukter, der kan bruges til fremstilling af nye materialer og produkter.
Optimering af processer for at afkarbonisere produktudvikling, herunder minimering af materialeforbrug og ressourceforbrug under fremstillingen af produkter.
Innovation i nye designkoncepter og investering i nye værktøjer og teknologier for at opnå mere energieffektive produkter og processer.
Fremme af en netto-nul-tankegang ved at fokusere på spørgsmål om forandringsledelse, herunder at udnævne foregangsmænd i bæredygtighed i organisationen, håndtere medarbejdernes frygt og modstand samt omskole og tilføre nye færdigheder, der er nødvendige for at nå netto-nul-målene.
Udvidelse af anvendeligheden af mekaniske systemer med digitaliserede tjenester, der leverer nye egenskaber og funktioner efter behov.

Udnyttelse af leverandørernes fremskridt

Analog Devices, Inc. (ADI) er en global leder inden for halvledere til en værdi af 12 milliarder USD (FY2023), der kombinerer analoge, digitale og softwareteknologier for at bygge bro mellem fysiske og digitale verdener. Deres produkter er med til at drive udviklingen inden for digitaliserede fabrikker, bygningsautomatisering, mobilitet og digital sundhedspleje. De har forpligtet sig til at opnå ’netto-nul’ inden 2050 eller tidligere, reducere Scope 1- og 2-kulstofemissioner med 50 % inden 2030 og omdirigere 100 % af affaldet fra ADI's produktionsanlæg inden 2030.

ADI sigter mod at reducere energiforbruget, forlænge aktivernes levetid og reducere brugen af råmaterialer ved hjælp af energieffektiv bevægelsesstyring, præcisionsstrømbesparende overvågning af aktivernes tilstand og adaptivt intelligent registrering, aktivering og styring.

Med en omfattende portefølje giver ADI-produktdesignere en bred vifte af komponenter, der har til formål at forbedre energieffektiviteten i industriel automatisering og intelligente bygningsapplikationer:

Frekvensomformere: Det anslås, at elektriske motorer står for omkring 65 % af det industrielle elforbrug^[vii]. Historisk set er de fleste af disse motorer enheder med fast rotation, og hvis alle udstyres med frekvensomformere, kan det globale energiforbrug reduceres med op til 10 %^[viii]. ADI's frekvensomformerløsninger inkorporerer højtydende strøm- og spændingsmåling, robust isolering, strømstyring med høj densitet og problemfri konnektivitet.

Højspændings-, og højbåndbredde-strømregistreringsforstærkere, som AD8410A og AD8411A, udfører tovejs strømmålinger over en shuntmodstand for at levere feedback, der kan forbedre frekvensomformerens ydeevne og bestemme motorernes båndbredde og responstid, hvilket sikrer, at motoren arbejder med maksimal effektivitet. Strømstyring i mindre kabinetter er en vigtig designovervejelse. ADI tilbyder flyback-switching-regulator-integreretkredsløb som MAX17692, der aflæser den isolerede udgangsspænding direkte fra primærsidens flyback-bølgeform under sekundærsidens ensretterledning. Uden behovet for en fejlforstærker på sekundærsiden og en optokobler kan designere spare op til 20 % af pladsen på printkortet sammenlignet med en traditionel flyback-konverter^[ix].

Positionsindkodere: Højeffektive servomotorer med præcis positions- og momentstyring kan optimere energiforbruget ved at muliggøre hurtigere bearbejdning af komplekse komponenter. ADI's teknologi til præcisionssignalbehandling og -konverteringsteknologi måler nøjagtigt små signaler i støjende industrimiljøer. ADI's produktudbud hjælper med at udvikle højtydende positionsindkoderløsninger, der leverer avanceret kontrolsløjfeydelse, høj effektivitet og højt integreret strømstyringsteknologi, der kan reducere det nødvendige energiforbrug i bearbejdningsprocessen og øge fabrikkens kapacitet.

ADI-teknologier kan hjælpe med at fremskynde tiden til markedet ved at levere højtydende positionsindkoderløsninger. Virksomheden tilbyder indkoder-signalkædeløsninger til sensortyper såsom optiske, magnetiske, resolvere og lineære variable differentialtransformatorer. ADP320’en tredobbelt-udgange lavt udfald (low dropout/LDO) byder på lav hvilestrøm, lav udfaldsspænding og et bredt indgangsspændingsområde til at energiforsyne alle komponenter i optiske og magnetiskindkoderes signalkæder.

Et forenklet blokdiagram over ADI's MAX32672 er vist i figur 1. Det er et minimal, ultra-lavt strømforbrug højt integreret og pålidelig 32-bits- mikrocontroller, der muliggør design med kompleks sensorbehandling uden at gå på kompromis med batterilevetiden, og som kan give en nem, omkostningsoptimal vej fra 8- eller 16-bit mikrocontrollere i ældre design.

Figur 1: forenklet blokdiagram over MAX32672-mikrocontrolleren. (Billedkilde: Analog Devices, Inc.)

Designere, der inkorporerer indkodere i motorer for at understøtte avancerede produktionsmuligheder, vil drage fordel af reducerede indkoderformfaktorer.

Integreret strømstyring: ADI leverer højt integrerede mikrostrømstyringsløsninger i kompakte IC'er, herunder lavstøjsregulatorer som LT3029 til anvendelser som lineære regulatorer til generelle formål, batteridrevne systemer og mikroprocessorkerner/logikforsyninger samt LT3024, der er velegnet til mobiltelefoner, trådløse modemmer og frekvenssynthesizere.

Pålidelig konnektivitet: ADI tilbyder RS-485-transceivere med halv- og fuld dupleks til pålidelig datatransmission ved høje datahastigheder. ADM3066E'en og ADM3067E'en leverer f.eks. højhastigheds- 50 Mbps, tovejs datakommunikation på multipunktsbus-transmissionslinjer og har en indgangsimpedans på 1/4 enhedsbelastning, der tillader op til 128 transceivere på en bus. Designere kan drage fordel af flere evalueringskort, som EVAL-ADM3066EEBZ (figur 2), for at hjælpe med at vurdere og demonstrere funktionerne i disse transceivere.

Billede af ADI's EVAL-ADM3066EEBZ-evalueringsprintkort Figur 2: ADI's EVAL-ADM3066EEBZ-evalueringsprintkort har et fodaftryk til ADM3066EBRMZ-halvdupleks RS-485 transceiver i en 10-leders MSOP-pakke. (Billedkilde: Analog Devices, Inc.)

Bygningcontrollere: For at gøre nye og eksisterende bygninger mere bæredygtige kræves der måle-, konnektivitets- og behandlingsteknologier til at styre HVAC og belysning, registrere belægningsgrad og overvåge miljøforhold. Det vil øge efterspørgslen efter intelligente edge-enheder, der kan muliggøre digitaliseringen af bygningssystemer.

Bygningsautomatiseringssystemer indeholder typisk flere controllere og forskellige noder, som hver især kræver pålidelig konnektivitet. ADIN1110'en er en laveffekt enkeltportstransceiver med en integreret medieadgangsstyrings- (media access control/MAC) grænseflade, der kræver et lavere samlet strømforbrug på systemniveau, og som har integreret overvågning af spændingsforsyningen og kredsløb til nulstilling ved tænding (power-on reset) for at forbedre robustheden på systemniveau.

Intelligente bygninger har brug for effektiv styring af effekten ved kanten. ADI's LTC4296-1 muliggør enkeltpar strømforsyning over Ethernet (Single-pair Power over Ethernet/SPoE) til 10Base-T1L controllere og switche med transmission af op til 52 W strømforsyning plus data over et enkelt parsnoet Ethernet-kabel. LTC9111’en er en IEEE 802.3cg-kompatibel SPoE-controller til strømforsyning, der er særligt velegnet til klassifikationsbaserede systemer i bygnings- og fabriksautomatisering.

Konklusion

Den voksende efterspørgsel efter netto-nul-bæredygtighed inden 2050 repræsenterer en enorm mulighed for produkter, der understøtter produktionsinnovation, omlægning og udvikling af nye teknologier. Selv om 2050 kan synes langt ude i fremtiden, understreger de data, der er nævnt i denne artikel, at presset fra regeringer, virksomheder og samfund allerede får mange virksomheder til at indarbejde mål om kulstofneutralitetsmål i 2050 og 2030 i deres nuværende strategier. I sidste ende vil hver leverandør sandsynligvis skulle vise fremskridt i forhold til disse mål. Produktdesignere, der proaktivt indarbejder disse mål i deres planlægning, processer og komponentforsyning, vil kunne drage fordel af en af de største industrielle forandringer nogensinde.

Ressourcer

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.