De ce trebuie să reducem acum emisiile industriale de CO2!
În prezent, consumatorii caută produse și servicii cu emisii de carbon mai reduse. Guvernele din întreaga lume sporesc reglementările pentru reducerea emisiilor de carbon în vederea atingerii obiectivelor lor de emisii de gaze cu efect de seră cu zero emisii nete. Parcurgerea drumului spre zero net va crea noi oportunități pentru companiile de producție industrială în vederea adoptării de noi tehnologii care să accelereze producția cu emisii reduse de carbon. Articolul va aprofunda două puncte esențiale pentru a îmbunătăți reducerea emisiilor de CO2 în sectorul industrial:
- Creșterea eficienței energetice printr-o implementare sporită a sistemelor de comandă a motoarelor
- Impactul strategiilor de transformare digitală pentru a asigura o eficiență mai mare a producției
Acordul de la Paris din 2015 a stabilit un plan de limitare a încălzirii globale la 1,5°C până în 2050. Îndeplinirea obiectivului de 1,5°C în 2050 necesită o reducere cu peste 80% a emisiilor actuale de CO2. Traiectoria actuală se îndreaptă spre o creștere a încălzirii globale cuprinsă între 1,9°C și 2,9°C, ceea ce va duce la o reducere semnificativă a PIB-ului global, va strămuta până la 33% din populația mondială și va costa mii de miliarde de dolari în pierderi anuale legate de dezastre.
Temperatura globală a planetei a crescut deja cu 1,1°C, iar experții spun că este posibil să depășească 1,5°C în anii 2030. Obiectivul de a atinge ținta de 1,5°C reprezintă o provocare majoră. Aceasta va necesita o reorientare a investițiilor în favoarea eficienței energetice, a energiilor regenerabile și a producției de energie nucleară, precum și a captării, utilizării și stocării carbonului (CCUS – Carbon Capture, Utilization and Storage) și a altor domenii cu emisii reduse de carbon. Figura 1 prezintă o cale de atingere a obiectivului de 1,5°C prin reducerea emisiilor de CO2 la 6 Gt CO2, așa cum se arată în World Energy Outlook 20191) Acest studiu include două secțiuni principale: “Scenariul politicilor stabilite” și “Scenariul de dezvoltare sustenabilă”.
Figura 1: Reducerea emisiilor de CO2 în funcție de tipul măsurilor luate în “Scenariul de dezvoltare sustenabilă” în raport cu “Scenariul politicilor stabilite”. (© ADI)
Scenariul politicilor stabilite ia în considerare doar inițiativele politice specifice care au fost deja anunțate. Scenariul de dezvoltare sustenabilă descrie o cale care permite tuturor țărilor să își atingă obiectivele privind clima, accesul la energie și calitatea aerului și care respectă pe deplin Acordul de la Paris. În același timp, scenariul menține un accent puternic pe fiabilitatea și accesibilitatea energiei pentru o populație globală în creștere. Cea mai mare reducere a emisiilor de CO2 identificată ca parte a Acordului de la Paris o reprezintă eficiența, de 37%1). Emisiile globale de CO2 legate de energie au crescut cu 0,9% în 2022, atingând un nou maxim de peste 36,8 Gt. Emisiile din industrie au scăzut cu 1,7%, ajungând la 9,2 Gt în 2022. Având în vedere că 25% din emisiile de CO2 în 20221) provin din industrie, accelerarea investițiilor pentru eficiență energetică în sectorul industrial va fi o parte esențială a drumului către emisii nete zero în 2050.
Motoarele de uz industrial cu eficiență mai mare pot reduce semnificativ emisiile de CO2 din industrie
Furnizarea globală de energie electrică în 2022 a fost de 28.642 terawatt-oră, contribuind cu 13,6 Gt la emisiile de carbon (36% din emisiile globale de CO2 în 2022)2). Industria consumă 30% din energia electrică globală, iar în cadrul industriei, motoarele electrice reprezintă 69% din consumul de energie3). Cu aproximativ 450 Mu de motoare instalate în industrie și aproximativ 52 Mu de motoare noi instalate în 2022 (împărțite între modernizări de tip brownfield și dezvoltări de tip greenfield), noile tehnologii de mișcare cu eficiență mai mare reduc semnificativ consumul de energie electrică și emisiile de CO2. Motoarele sunt utilizate în toate aplicațiile industriale pentru a acționa pompe, ventilatoare, sisteme de aer comprimat, sisteme de manipulare a materialelor, sisteme de procesare și multe altele. Se estimează că, dacă toate sistemele acționate de motoare implementate ar funcționa la eficiență maximă, s-ar reduce cererea globală de energie electrică cu 10% și s-ar elimina 2490 Mt de emisii de CO2 în 20303) (vedeți figura 2).
Figura 2: Statistici cheie privind motoarele industriale. (© ADI)
O eficiență energetică îmbunătățită prin creșterea implementării sistemelor de comandă a motoarelor
Cele mai simple și mai puțin eficiente soluții de mișcare se bazează pe un motor trifazat, conectat la rețea sau alimentat cu curent alternativ, care utilizează un angrenaj de comandă pentru a asigura controlul pornit/oprit și circuitele de protecție. Aceste soluții de mișcare elementare funcționează la o viteză relativ fixă, independent de orice variație a sarcinii. Reglajele variabilelor de ieșire (cum ar fi debitul de fluid în pompe și ventilatoare) sunt implementate cu ajutorul unor comenzi mecanice, cum ar fi clapete de accelerație, amortizoare și supape, în timp ce modificările semnificative ale vitezei sunt implementate cu ajutorul unor cutii de viteze. Se estimează că între 70 și 80% din toate motoarele utilizate în prezent sunt conectate la rețea și ar putea beneficia de conectarea la un invertor sau la un variator de viteză (VSD – Variable Speed Drive) pentru a reduce consumul de energie.
Adăugarea unui redresor, a unei magistrale de curent continuu și a unui etaj de invertor trifazat creează un invertor cu frecvență variabilă și tensiune de ieșire variabilă care este aplicat motorului pentru a permite un control variabil al vitezei. Acest motor acționat de invertor reduce semnificativ consumul de energie prin funcționarea motorului la viteza optimă pentru sarcină și aplicație. Exemplele includ pompe și ventilatoare cu eficiență mai mare. Atunci când este adăugat la motorul existent al unei pompe, al unui ventilator sau al unui compresor, un invertor poate reduce de obicei consumul de energie cu ~25%4).
Pentru aplicațiile de control al mișcării cu performanțe mai ridicate, un VSD permite un control precis al cuplului, vitezei și poziției. Pentru a realiza acest lucru, măsurarea curentului și a poziției sunt adăugate în unitatea de comandă de bază cu invertor în buclă deschisă. Benzile transportoare, utilajele de bobinat, de imprimare și de extrudare sunt exemple tipice de astfel de aplicații. Se estimează că între 20% și 30% din toate motoarele utilizate în industrie sunt acționate de un invertor sau conectate la un VSD. Prin înlocuirea unui număr mai mare de motoare conectate la rețeaua electrică cu motoare cu invertor sau VSD, putem reduce semnificativ consumul de energie și emisiile de CO2 ale celor aproximativ 450 Mu de motoare instalate în industrie.
Importanța reglementărilor privind consumul de energie al motoarelor
Soluțiile inteligente pentru controlul mișcării oferă și vor continua să ofere reduceri semnificative ale consumului de energie prin migrarea unui număr tot mai mare de aplicații de la motoarele cu viteză fixă la motoare de înaltă eficiență și VSD-uri, în parte ca urmare a reglementărilor privind eficiența energetică. Această reducere a consumului de energie va permite o producție mai durabilă, cu emisii reduse de CO2. Pentru a accelera implementarea sistemelor acționate de motoare cu eficiență mai mare, Comisia Electrotehnică Internațională (IEC – International Electrotechnical Commission) a contribuit la definirea unor standarde pentru motoare electrice eficiente din punct de vedere energetic. Printre acestea se numără standardul de testare IEC 60034-2-1 pentru motoare electrice și schema de clasificare IEC 60034-30-1, care cuprinde patru niveluri de eficiență a motoarelor (IE1 până la IE4). Aceste standarde au facilitat compararea nivelurilor de eficiență între producătorii de motoare. De asemenea, acestea oferă o referință pentru ca guvernele să definească nivelurile de eficiență pentru standardele lor minime de performanță energetică (MEPS – Minimum Energy Performance Standards), ajutând țările să își atingă obiectivele privind eficiența energetică și emisiile de dioxid de carbon.
Clasele de eficiență IEC 60034-1:
- IE1 Eficiență standard
- IE2 Eficiență ridicată
- IE3 Eficiență Premium
- IE4 Eficiență Super Premium
Guvernele din întreaga lume au făcut progrese semnificative în stabilirea de standarde MEPS pentru motoare. Începând cu 2020, țările care consumă 76% din energia electrică utilizată la nivel global de motoarele electrice au introdus MEPS pentru motoare fie la nivelul IE2, fie la nivelul IE3, contribuind la reducerea consumului industrial de energie electrică5). În UE, începând cu 1 iulie 2021, este necesară o clasă de eficiență minimă IE3 (Eficiență Premium) pentru motoarele de la 0,75 kW la 1000 kW. Pentru motoarele mai mici, de la 0,12 kW la 0,75 kW, este necesară o clasă minimă de IE2 (Eficiență ridicată). Începând cu 1 iulie 2023, clasa MEPS va crește la IE4 (Eficiență Super Premium) pentru motoarele între 75 kW și 200 kW în UE.
Figura 3. Costul total al proprietății pentru un sistem cu motor. (© ADI)
Atunci când analizăm costul total al proprietății al unui sistem acționat de motor pe durata de viață a implementării sale, 70% din costul total este reprezentat de energia electrică, comparativ cu 5% pentru achiziționarea motorului și 20% pentru întreținerea motoarelor (vedeți figura 3)6). Așadar, prin implementarea unor sisteme mai eficiente bazate pe mișcare, putem reduce substanțial costul de operare a motoarelor industriale, reducând în același timp emisiile de CO2.
Strategii de transformare digitală pentru a oferi o eficiență sporită a producției
VSD-urile utilizează date de la tensiuni, curenți, poziție, temperatură, putere și consum de energie, combinate cu senzori externi pentru monitorizarea vibrațiilor și a altor variabile de proces. Cu o rețea Ethernet convergentă de tehnologie a informației / tehnologie de operare (IT/OT), aplicațiile de mișcare sunt conectate în rețea împreună, comunicând datele și informațiile despre mișcare către o stocare de date în cloud sau o stocare la fața locului. Datele și informațiile despre mișcare sunt acum mai accesibile și pot fi analizate de un sistem puternic de calcul în cloud și de inteligența artificială (AI) pentru a optimiza fluxurile de fabricație, reducând consumul de energie și emisiile de CO2 create în producție. Accesul la informații despre mișcare prelungește durata de viață a echipamentelor, îmbunătățește calitatea producției și reduce timpii de oprire neplanificați și risipa de materiale, sporind în același timp siguranța în fabricile de producție.
Utilajele acționate de motoare integrează acum soluții avansate de detectare, procesare a semnalelor, inteligență artificială periferică (edge AI) și conectivitate pentru a crea date și informații despre mișcare în apropierea sursei datelor. Aceste noi perspective sunt comunicate sistemului de execuție a producției (MES – Manufacturing Execution System) (vedeți figura 4). MES poate apoi să identifice motoarele implementate care sunt exploatate cu mult sub puterea lor nominală, ceea ce duce la o utilizare insuficientă și la creșterea consumului de energie electrică. O altă caracteristică importantă este identificarea motoarelor implementate care funcționează prea aproape sau puțin peste puterea lor nominală, ceea ce duce, de asemenea, la creșterea consumului de energie electrică și la potențiale probleme legate de durata de viață. Într-o instalație de producție mare, cu câteva sute până la câteva mii de motoare implementate, strategiile de transformare digitală sunt cruciale mai ales pentru reducerea consumului de energie electrică și a emisiilor de CO2.
Forumul Economic Mondial – “Sustainable Lighthouse Network”
Platforma Shaping the Future of Advanced Manufacturing and Value Chains (Modelarea viitorului producției avansate și a lanțurilor valorice) a Forumului Economic Mondial a înființat “Global Lighthouse Network”, care recunoaște liderii de top din sectorul de producție ca fiind faruri7). Această rețea prezintă exemple reale despre modul în care strategiile de transformare digitală accelerează reducerea emisiilor de CO2 în industrie8). Este o comunitate de producători care utilizează tehnologii avansate pentru a stimula noi inovații în domeniul producției inteligente pentru a crește productivitatea și sustenabilitatea. Începând din ianuarie 2023, rețeaua “Global Lighthouse Network” cuprinde 132 de unități de producție din întreaga lume, inclusiv 13 “faruri de sustenabilitate”8). Fabrica Schneider Electric din Le Vaudreuil este unul dintre farurile de sustenabilitate aflate în prima linie a transformării digitale9). Unitatea din Le Vaudreuil a demonstrat impactul pe care îl au perspectivele bazate pe date pentru a determina o producție mai sustenabilă prin:
- Reducerea consumului de energie cu 25%
- Reducerea deșeurilor cu 17%
- Reducerea emisiilor de CO2 cu 25%
Figura 4. Tehnologii cheie pentru furnizarea de informații despre mișcare. (© ADI)
Concluzie
Calea spre zero net va crea noi oportunități pentru firmele de producție industrială pentru a adopta noi tehnologii care să accelereze producția cu emisii reduse de carbon. Creșterea activității industriale (din care aproape jumătate are loc în China și India) va dubla numărul de motoare utilizate până în 204010). Prin urmare, impactul reducerii emisiilor de CO2 și dimensiunea oportunităților de afaceri pentru noile sisteme acționate de motoare cu eficiență mai mare vor crește semnificativ. La Analog Devices, suntem total implicați în impulsionarea automatizării către un viitor mai durabil și mai eficient. Tehnologiile și soluțiile noastre avansate au fost proiectate pentru a sprijini următoarea generație de sisteme de producție, concentrându-se pe îmbunătățirea fiecărui nivel de eficiență, de la controlul precis al mișcării și conectivitatea fără întreruperi până la informații aprofundate și analize de ultimă oră. Pentru a afla mai multe despre soluțiile de mișcare ale ADI, vă rugăm să vizitați analog.com/intelligentmotion.
Referințe
1) World Energy Outlook 2019. International Energy Agency, 2019.
2) Electricity Market Report 2023. International Energy Agency, February 2023.
3) Paul Waide and Conrad U. Brunner. “Energy-Efficiency Policy Opportunities for Electric Motor-Driven Systems.” International Energy Agency, 2011.
4) “Program Insights: Variable Frequency Drives.” Consortium for Energy Efficiency, Inc., 2019.
5) Conrad U. Brunner, Rita Werle, and Maarten van Werkhoven. “How International Standards for Electric Motor Systems Support Policies of Countries Using These in Their Regulations.” International Electrotechnical Commission.
6) “The Future Is Energy-Efficient, the Future Is Data-Driven.” ABB, 2022.
7) “Global Lighthouse Network: Shaping the Next Chapter of the Fourth Industrial Revolution.” World Economic Forum, January 2023.
8) “Global Lighthouse Network.” World Economic Forum.
9) “New Recognition for Schneider Electric from World Economic Forum.” Schneider Electric, 2022.
10) World Energy Outlook 2017. International Energy Agency, 2017.
Autor: Maurice O’Brien, Director, Strategic Marketing, Industrial Automation, Analog Devices
Despre autor
Maurice O’Brien este Director de marketing strategic pentru automatizări industriale la Analog Devices. Este responsabil pentru furnizarea de soluții la nivel de sistem axate pe automatizări industriale. Înainte de această funcție, Maurice a lucrat 3 ani în sectorul Ethernet industrial și 15 ani în domeniul aplicațiilor și marketingului privind managementul puterii la Analog Devices. Maurice este licențiat în inginerie electronică la Universitatea din Limerick
Vizitați https://ez.analog.com
