提高運動效率，助力工業(yè)碳減排

作者： Maurice O’Brien，戰(zhàn)略營銷經理

工業(yè)碳減排已刻不容緩！

如今，消費者熱衷于使用低碳產品和服務，各國政府也紛紛出臺相關法規(guī)，以減少碳排放并實現凈零排放。在追求這一目標的過程中，工業(yè)制造企業(yè)有望借助新技術加速制造業(yè)低碳轉型。本文將深入探討減少工業(yè)碳排放的兩大主題：

(資料圖片)

擴大電機驅動器部署以提高能效

數字化轉型戰(zhàn)略對提高制造效率的影響

2015年的《巴黎協定》要求將全球變暖限制在1.5℃以內，這意味著，2050年前須將當前的碳排放量減少80%以上。依照目前的趨勢，全球將升溫1.9℃至2.9℃，這將導致各國GDP大幅下降，多達33%的人口流離失所，相關災害每年將造成數萬億美元的損失。

全球已經升溫1.1℃，專家稱本世紀30年代增幅可能會突破1.5℃，實現控溫目標面臨艱巨挑戰(zhàn)。投資須從化石燃料轉向能效提升、可再生能源與核能發(fā)電，以及碳捕集、利用與封存(CCUS)和其他低碳領域。圖1顯示了將碳排放量減少至60億噸以實現1.5℃控溫目標的途徑，詳見《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實現氣候、能源獲取和空氣質量目標以及《巴黎協定》愿景的路徑。與此同時，它始終高度關注能源的可靠性和經濟性，以滿足全球不斷增長人口的需求。作為《巴黎協定》的一部分，效率對于碳排放減少量的貢獻占比最大，達37%。¹2022年，全球與能源相關的碳排放量增長了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)能效投資將是實現2050年凈零排放目標的關鍵舉措之一。

更高效率的工業(yè)電機可顯著減少工業(yè)碳排放

圖2.工業(yè)電機關鍵統計數據。

擴大電機驅動器部署以提高能效

最基本、最低效的運動解決方案是基于并網或交流3相電機，它們使用開關設備來提供開關控制和保護電路。這些基本的運動控制解決方案以相對固定的速度運行，不受負載變化影響。節(jié)流閥、阻尼器、閥門等機械控制裝置可調整輸出變量（例如泵和風扇中的流體流量），而齒輪可實現顯著的速度變化。據估計，目前所有已部署的電機中有70%至80%已并網，連接到逆變器或變速驅動器(VSD)將有助于降低能耗。

增加整流器、直流母線和3相逆變器級會得到可變頻率和可變電壓輸出的逆變器，應用于電機可實現變速控制。這種逆變器驅動的電機可以使其在負載和應用中以優(yōu)化的速度運行，從而大幅降低能耗，例如高效率的泵和風扇。當添加到泵、風扇或壓縮機的現有電機時，逆變器通?？梢越档图s25%的功耗。⁴

對于更高性能的運動控制應用，VSD可以助力實現精準的扭矩、速度和位置控制。為了實現上述控制，我們在基本的開環(huán)逆變器驅動中增加了電流和位置測量，輸送機、繞組、打印和沖壓機器就是這些應用的典型示例。據估計，工業(yè)領域部署的所有電機中，有20%到30%是由逆變器驅動或連接到VSD。通過將更多已部署的運動資產從電網連接轉移到逆變器驅動或VSD，我們可以顯著降低工業(yè)領域中4.5億臺電機的能耗和碳排放量。

電機能效法規(guī)的重要作用

智能運動控制解決方案通過讓越來越多的應用從定速電機轉向高效率電機和VSD，正在并將繼續(xù)大幅降低能耗，能效法規(guī)功不可沒。能耗降低可以助力可持續(xù)制造，同時減少碳排放。為加速部署更高效的電機驅動系統，國際電工委員會(IEC)推動制定了節(jié)能電機標準，包括IEC 60034-2-1電機測試標準和涵蓋四級電機效率（IE1到IE4）的IEC 60034-30-1分類方案，便于比較不同電機制造商的效率水平。這些標準為政府確定其最低能耗性能標準(MEPS)的效率水平提供了參考，有助于各國實現其能源效率和碳排放目標。

IEC 60034-1效率等級：

IE1 標準效率

IE2 高效率

IE3 超高效率

IE4 超優(yōu)級效率

各國政府在制定電機MEPS方面已取得重大進展。自2020年以來，占全球電機系統電力消耗76%的國家/地區(qū)已引入IE2或IE3級別的電機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電機的最低能效等級為IE3（超高效率），0.12 kW至0.75 kW的小型電機須達到IE2（高效率）。從2023年7月1日開始，歐盟將75 kW至200 kW電機的MEPS提高到IE4（超優(yōu)級效率）。

我們可以看一下電機驅動系統在其部署期內的總擁有成本，電力占總成本的70%，購置費用僅占5%，維護占20%（見圖3）。⁶因此，通過部署更高效的運動驅動系統，我們可以顯著降低工業(yè)電機的運行成本，同時減少碳排放。

圖3.電機系統的總擁有成本。

提高制造效率的數字化轉型戰(zhàn)略

VSD使用來自電壓、電流、位置、溫度、功率、能耗的數據，結合使用外部傳感器來監(jiān)測振動和其他過程變量。利用融合了信息技術/操作技術(IT/OT)的以太網網絡，運動應用彼此互聯，并將數據和運動洞察傳輸到云端數據存儲或本地存儲設施。運動數據和洞察現已更易獲得，并且可通過強大的云計算和人工智能(AI)進行分析，以優(yōu)化制造流程，減少能耗和制造過程中產生的碳排放。利用運動洞察可延長設備使用壽命，改善制造質量，減少計劃外停機時間和材料浪費，同時提高制造工廠的安全性。

電機驅動系統現正集成先進的傳感、信號處理、邊緣AI和連接解決方案，以在智能邊緣產生運動數據和洞察，新的洞察將傳至制造執(zhí)行系統(MES)（見圖4）。然后，MES可以識別工作輸出明顯低于標稱額定輸出、導致利用率不足和耗電量增加的已部署電機。另一個關鍵功能是識別工作輸出過于接近或略高于額定輸出的已部署電機，這種情況也會導致耗電量增加，影響使用壽命。在部署了數百至數千臺電機的大型制造設施中，數字化轉型戰(zhàn)略對于減少電力消耗和碳排放尤為重要。

世界經濟論壇——可持續(xù)燈塔網絡

世界經濟論壇的塑造先進制造和價值鏈的未來平臺已建立全球燈塔網絡，制造業(yè)佼佼者將入選燈塔。⁷該網絡展示了數字化轉型戰(zhàn)略加速工業(yè)碳減排的真實案例，⁸其社區(qū)內的制造商利用先進技術推動智能制造的創(chuàng)新，以提高生產力和可持續(xù)性。截至2023年1月，全球燈塔網絡包括132個制造基地，其中13個為可持續(xù)發(fā)展燈塔。⁸施耐德電氣的Le Vaudreuil工廠是處于數字化轉型前沿的可持續(xù)發(fā)展燈塔之一，⁹展示了數據驅動的洞察對可持續(xù)制造的推動作用，具體表現如下：

用電量減少25%

材料浪費減少17%

碳排放量減少25%

圖4.提供運動洞察的關鍵技術。

結論

在追求凈零排放目標的過程中，工業(yè)制造企業(yè)有望借助新技術加速制造業(yè)低碳轉型。到2040年，工業(yè)活動的增加（其中近一半位于中國和印度）將會使所部署的電機數量翻一倍。¹⁰因此，新的更高效率電機驅動系統將為碳減排作出更大貢獻，同時創(chuàng)造大量商機。ADI公司全力推動自動化走向更加可持續(xù)、更高效的未來。我們先進的技術和解決方案旨在支持新一代制造系統，從精確運動控制和無縫連接到增強的邊緣洞察和分析，ADI專注于提高各層面的效率。欲了解有關ADI運動解決方案的更多信息，請訪問analog.com/intelligentmotion。

參考資料

1 《2019年世界能源展望》，國際能源署，2019年。

2 《2023年電力市場報告》，國際能源署，2023年2月。

3 Paul Waide、Conrad U. Brunner，Energy-Efficiency Policy Opportunities for Electric Motor-Driven Systems（節(jié)能政策賦予電機驅動系統的良機），國際能源署，2011年。

4 Program Insights: Variable Frequency Drives（計劃洞察：變頻驅動器），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（電機系統國際標準如何支持在其法規(guī)中應用此類標準的國家的政策），國際電工委員會。

6 The Future Is Energy-Efficient, the Future Is Data-Driven（節(jié)能和數據驅動的未來），ABB，2022年。

7 Global Lighthouse Network: Shaping the Next Chapter of the Fourth Industrial Revolution（全球燈塔網絡：塑造第四次工業(yè)革命的新篇章），世界經濟論壇，2023年1月。

8 Global Lighthouse Network（全球燈塔網絡），世界經濟論壇。

9 New Recognition for Schneider Electric from World Economic Forum（世界經濟論壇對施耐德電氣的最新褒獎），施耐德電氣，2022年。

10 《2017年世界能源展望》，國際能源署，2017年。

關于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領先的半導體公司，致力于在現實世界與數字世界之間架起橋梁，以實現智能邊緣領域的突破性創(chuàng)新。ADI提供結合模擬、數字和軟件技術的解決方案，推動數字化工廠、汽車和數字醫(yī)療等領域的持續(xù)發(fā)展，應對氣候變化挑戰(zhàn)，并建立人與世界萬物的可靠互聯。ADI公司2022財年收入超過120億美元，全球員工2.4萬余人。攜手全球12.5萬家客戶，ADI助力創(chuàng)新者不斷超越一切可能。更多信息，請訪問www.analog.com/cn。

關于作者

Maurice O’Brien是ADI公司工業(yè)自動化部的戰(zhàn)略營銷經理。他負責交付以工業(yè)自動化為重點的系統級解決方案。在此之前，Maurice在ADI公司的工業(yè)以太網領域工作了3年，在電源管理應用和營銷領域工作了15年。他擁有愛爾蘭利默里克大學的電子工程學士學位。

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