De shift van productontwerp naar net-zero-duurzaamheid

Door Pete Bartolik

Bijgedragen door De Noord-Amerikaanse redacteurs van DigiKey

2024-04-24

Veel grote spelers zijn het erover eens dat er de komende decennia een significante zakelijke behoefte aan duurzaamheid zal ontstaan. Overal ter wereld scharen overheden, bedrijven en individuen zich achter de doelstelling om tegen 2050 de koolstofuitstoot terug te brengen tot nul (net-zero). Productontwerpers zouden er goed aan doen om in hun toekomstige productplannen rekening te houden met net-zero-duurzaamheid, of lopen het risico business te verliezen aan concurrenten die beter kunnen reageren op de intense marktdruk.

De Amerikaanse National Association of Manufacturers (NAM) meldde eind 2022 dat 58% van de ondervraagde leidinggevenden van fabrikanten van mening is dat duurzaamheid essentieel is voor het toekomstige concurrentievermogen. Dat is aanzienlijk meer dan in een soortgelijke enquête in 2019.^[i] Duurzaamheid verwijst wat betreft fabrikanten en producenten naar het vermogen om processen en praktijken in de loop der tijd voort te zetten zonder de hulpbronnen waarvan ze afhankelijk zijn uit te putten, zoals energie, materialen en water.

De term net-zero werd in 2015 gecodificeerd onder auspiciën van de Verenigde Naties, toen 196 landen het Akkoord van Parijs ondertekenden, wat een internationaal, juridisch bindend verdrag is.^[ii] Vervolgens stelde een Intergouvernementeel Panel van de VN in 2017 het jaar 2050 vast als doel voor het bereiken van net-zero-doelen voor de uitstoot van koolstof (CO₂) en verregaande reducties van niet-CO₂-emissies. Ondanks het ontbreken van een universeel handhavingsmandaat, wordt de net-zero-doelstelling steeds vaker door overheden en bedrijven aanvaard:

Dertig landen, waaronder de VS, hebben toegezegd om tegen 2050 een net-zero-doelstelling te behalen voor hun overheidsactiviteiten en om hun uitstoot tegen 2030 met 65% te verminderen.
De helft van alle 2000 beursgenoteerde bedrijven wereldwijd hebben doelstellingen voor net-zero vastgesteld, wat neerkomt op 66% van de jaarlijkse omzet voor die top 2000-categorie.^[iii]
45% van de NAM-ondervraagden zegt dat hun bedrijf formele net-zero-doelen heeft gesteld, en 30% is van plan om die tegen 2030 te bereiken.^[iv]

De commerciële implicaties van net-zero

De zakelijke gevolgen van net-zero-duurzaamheid zijn enorm.

Amerikaanse defensieagentschappen gaven in 2022 naar schatting 210 miljard dollar uit aan producten, terwijl civiele agentschappen 49 miljard dollar besteedden.^[v] De Europese Commissie, die een ecosysteem voor de productie van net-zero-technologieproducten voorstelt, voorspelt dat de wereldwijde markt voor massa-geproduceerde net-zero-technologieën in 2030 een bedrag van 600 miljard euro per jaar zal bedragen.^[vi]

Van fabrikanten wordt verwacht dat ze goederen produceren voor onder andere elektrische voertuigen en infrastructuur, gemoderniseerde elektriciteitsnetten, gebouwcontrollers en warmtepompen. Daarnaast zullen investeringen in koolstofafvangtechnologieën de behoefte aan nieuwe productontwerpen stimuleren, evenals oplossingen om bestaande fabrieken aan te passen.

De shift naar net-zero zal een enorme herverdeling van kapitaal vereisen, dat waarschijnlijk zal oplopen tot honderden triljoenen Amerikaanse dollar en equivalenten tegen 2050. Dit vereist een geweldige transformatie in de manier waarop mensen in de productiesector zaken doen, van de manier waarop ze hun fabrieken en gereedschappen van stroom voorzien tot het gebruik van lichtere en sterkere materialen.

Hele toeleveringsketens zullen worden beïnvloed. Fabrikanten die hun voortgang naar net-zero meten, zullen hun totale koolstofvoetafdruk moeten berekenen, inclusief de net-zero-voortgang van hun leveranciers. Bedrijven die willen profiteren van niet-zero zakelijke kansen zullen moeten aantonen dat ze wel degelijk op weg zijn naar net-zero.

Bedrijven zullen de koolstofimpact van de volledige levenscyclus van een product moeten berekenen, van materialeninkoop tot buitendienststellingsbeheer. Ontwerpers moeten nieuwe vaardigheden aanleren, bestaande processen aanpassen of vervangen en activiteiten herzien om van duurzaamheid een kernconcept van het ontwerp te maken. Belangrijke best practices zijn onder andere:

Gebruik van een circulaire economie om materiaalgebruik te verminderen en afvalproducten te hergebruiken voor de productie van nieuwe materialen en producten.
Optimalisatie van processen om productontwikkeling koolstofvrij te maken, inclusief het minimaliseren van materiaalverbruik en het gebruik van hulpbronnen tijdens de vervaardiging van producten.
Innovatie in nieuwe ontwerpconcepten en investering in nieuwe tools en technologieën voor het realiseren van energie-efficiëntere producten en processen.
Bevordering van een net-zero-mentaliteit door te focussen op verandermanagement, inclusief het promoten van duurzaamheidskampioenen in de organisatie, het aanpakken van de vrees en weerstand van werknemers, en het bijscholen en inbrengen van nieuwe vaardigheden die nodig zijn om net-zero-doelen te bereiken.
Uitbreiding van mechanische systemen met gedigitaliseerde services die naar behoefte nieuwe functies en mogelijkheden bieden.

Gebruik van de vooruitgang van leveranciers

Analog Devices, Inc. (ADI) is een wereldwijde leider in halfgeleiders ter waarde van $ 12 miljard (FY2023) die analoge, digitale en softwaretechnologieën combineert om fysieke en digitale werelden te overbruggen. De producten worden gebruikt bij de vooruitgang in gedigitaliseerde fabrieken, gebouwautomatisering, mobiliteit en digitale gezondheidszorg. Het bedrijf hoopt net-zero te bereiken in 2050 of eerder, scope 1 en 2 koolstofuitstoot met 50% terug te dringen in 2030 en 100% van het afval uit de productiefaciliteiten van ADI te recyclen in 2030.

ADI streeft ernaar het energieverbruik te verminderen, de levensduur van activa te verlengen en het gebruik van grondstoffen te verminderen. Het bedrijf doet dit door middel van energiezuinige bewegingsbesturing, nauwkeurige bewaking van de gezondheid van low-power activa en adaptieve intelligente detectie, actuatie en besturing.

ADI biedt productontwerpers een uitgebreid portfolio van een breed scala aan componenten gericht op het verbeteren van de energie-efficiëntie in industriële automatisering en toepassingen voor intelligente gebouwen:

Frequentieregelaars: Geschat wordt dat elektromotoren ongeveer 65% van het industriële elektriciteitsverbruik voor hun rekening nemen.^[vii] Historisch gezien hebben de meeste van deze motoren een vaste rotatie, en door ze allemaal uit te rusten met frequentieregelaars kan het wereldwijde energieverbruik met wel 10% worden teruggedrongen.^[viii] De frequentieregelaars van ADI bevatten krachtige stroom- en spanningssensoren, een robuuste isolatie, energiebeheer met hoge dichtheid en een naadloze connectiviteit.

Stroommeetversterkers met hoge spanning en hoge bandbreedte, zoals de AD8410A en AD8411A, voeren bi-directionele stroommetingen uit over een shuntweerstand en leveren feedback die de prestaties van de aandrijving kan verbeteren en de bandbreedte en responstijd van motoren kan bepalen, zodat de motor op piekefficiëntie werkt. Energiebeheer in kleinere behuizingen is een belangrijke ontwerpoverweging. ADI biedt geïntegreerde flyback-schakelregelaars zoals de MAX17692 die de geïsoleerde uitgangsspanning rechtstreeks aflezen van de primaire flyback-golfvorm tijdens geleiding van de secundaire gelijkrichter. Zonder de noodzaak van een secundaire foutversterker en optocoupler kunnen ontwerpers tot 20% printplaatruimte besparen in vergelijking met een traditionele flyback-converter.^[ix]

Positie-encoders: zeer efficiënte servomotoren met nauwkeurige positie- en koppelregeling kunnen het energieverbruik optimaliseren door een snellere bewerking van complexe componenten mogelijk te maken. De precisiesignaalconditionering en -omzettingstechnologie van ADI meet nauwkeurig signalen van kleine magnitude in lawaaiige industriële omgevingen. Het aanbod van ADI helpt bij de ontwikkeling van hoogwaardige positie-encoderoplossingen met geavanceerde regelkringprestaties, hoge efficiëntie en sterk geïntegreerde energiebeheertechnologie. Dit kan het energieverbruik tijdens het machinale bewerkingsproces verlagen en de verwerkingscapaciteit in de fabriek verhogen.

ADI-technologieën kunnen de time-to-market versnellen door middel van hoogwaardige positie-encoderoplossingen. Het bedrijf biedt encodersignaalketenoplossingen voor sensortypen zoals resolvers en optische, magnetische en lineaire variabele differentiaaltransformatoren. De ADP320 low-dropout (LDO) met drievoudige uitgang heeft een lage ruststroom, een lage dropout-spanning en een breed ingangsspanningsbereik om alle componenten in optische en magnetische encodersignaalketens van stroom te voorzien.

Afbeelding 1 toont een vereenvoudigd blokschema van de MAX32672 van ADI. Het is een kleine, ultra-low-power, hooggeïntegreerde en betrouwbare 32-bits microcontroller, die ontwerpen met complexe sensorverwerking mogelijk maakt zonder afbreuk te doen aan de levensduur van de batterij. Deze microcontroller kan een eenvoudige, kostenoptimale mogelijkheid bieden ten opzichte van 8- of 16-bits microcontrollers van oudere ontwerpen.

Afbeelding 1: Vereenvoudigd blokschema van de MAX32672-microcontroller. (Bron afbeelding: Analog Devices, Inc.)

Ontwerpers die encoders in motoren inbouwen om geavanceerde productiemogelijkheden te ondersteunen, kunnen profijt trekken van kleinere encodervormfactoren.

Geïntegreerd energiebeheer: ADI biedt zeer geïntegreerde micropowerbeheeroplossingen in IC’s met een compacte voetafdruk, waaronder low-noise regelaars zoals de LT3029, voor toepassingen zoals algemene lineaire regelaars, systemen op batterijen en microprocessor core/logic supplies, evenals de LT3024, die geschikt is voor mobiele telefoons, draadloze modems en frequentiesynthesizers.

Betrouwbare connectiviteit: ADI biedt half- en full-duplex RS-485-transceivers voor betrouwbare gegevenstransmissie bij hoge datasnelheden. De ADM3066E en ADM3067E leveren bijvoorbeeld high-speed, 50 Mbps, bidirectionele datacommunicatie op multipoint-bus transmissielijnen en zijn voorzien van een 1/4 unit load inputimpedantie die tot 128 transceivers op een bus mogelijk maakt. Ontwerpers kunnen gebruik maken van verschillende evaluatiekaarten, zoals de EVAL-ADM3066EEBZ (afbeelding 2), om de mogelijkheden van deze transceivers uit te proberen en te demonstreren.

Afbeelding van de EVAL-ADM3066EEBZ-evaluatiekaart van ADI Afbeelding 2: De EVAL-ADM3066EEBZ-evaluatiekaart heeft een footprint voor de ADM3066EBRMZ half-duplex RS-485-transceiver in een 10-afleidingen MSOP-pakket. (Bron afbeelding: Analog Devices, Inc.)

Gebouwcontrollers: Om nieuwe en bestaande gebouwen duurzamer te maken, zijn meet-, verbindings- en verwerkingstechnologieën nodig om HVAC en verlichting te regelen, de bezettingsgraad te meten en omgevingscondities te bewaken. Dit stimuleert de vraag naar intelligente randapparatuur om digitalisering van gebouwsystemen mogelijk te maken.

Automatiseringssystemen voor gebouwen bevatten meestal meerdere regelaars en verschillende knooppunten, die allemaal een betrouwbare verbinding nodig hebben. De ADIN1110 is een low-power single-port transceiver met een geïntegreerde MAC-interface (media access control) die een lager algemeen stroomverbruik op systeemniveau vereist. Daarnaast heeft deze transceiver een geïntegreerde spanningstoevoerbewaking en power-on resetcircuits voor een betere robuustheid op systeemniveau.

Intelligente gebouwen hebben efficiënt energiebeheer aan de ‘edge’ nodig. De LTC4296-1 van ADI maakt Single-pair Power over Ethernet (SPoE) mogelijk voor 10Base-T1L-controllers en -switches, met overdracht van maximaal 52 W vermogen plus data via een enkele twisted-pair ethernetkabel. De LTC9111 is een IEEE 802.3cg-conforme SPoE-voedingscontroller die bijzonder geschikt is voor classificatiesystemen in gebouw- en fabrieksautomatisering.

Conclusie

De groeiende vraag naar net-zero-duurzaamheid in 2050 betekent een enorme kans voor producten die productie-innovatie, retooling en geavanceerde nieuwe technologieën ondersteunen. Hoewel 2050 nog ver weg lijkt, benadrukken de verwijzingen in dit artikel dat veel bedrijven onder druk van de overheid, het bedrijfsleven en de maatschappij al druk bezig zijn om de doelstellingen voor net-zero in 2050 en CO2-neutraal in 2030 in hun huidige strategieën op te nemen. Waarschijnlijk zal elke leverancier uiteindelijk vooruitgang moeten aantonen ten opzichte van deze doelen. Productontwerpers die deze doelen proactief opnemen in hun planning, processen en componentenvoorraad kunnen profiteren van een van de grootste industriële transformaties ooit.

Bronnen

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.