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数位智慧催动绿色制造进程
绿色转型刻不容缓
[作者 季平]   2023年08月07日 星期一 浏览人次: [2661]

智慧制造或绿色制造早已不是新闻,全球制造业积极采用制程中不产生污染、节能低碳或使用替代性/再生能源以达永续目标。除了在产品生命周期的各个阶段仔细考量经济效益与永续性,甚至进一步将触角延伸至与员工、客户、社群、供应链及与消费者有关的绿色经济与安全需求。


世界自然基金会指出,1970年代开始地球资源急剧耗竭,光是2018年,状况已经严重到一天之内可以耗尽一年内的地球树、水、土地等资源量。因应此一状况,国际能源总署在2021年宣布「2050净零:全球能源部门路径图」,台湾也在2022年3月宣布「2050净零排放路径及策略」,希??与国际接轨。占全国碳排50%以上的制造业包含水泥、造纸、钢铁、石化、纺织等,制造业如何因应碳盘查、制定减碳策略甚至规划减碳路径图,成为业者亟需面对的课题。


化工业占全球工业碳排量约18%,不少业者的减碳策略包含使用再生能源、发展新制程技术、使用生质原料取代石化原料,或者透过改善工厂制程、回收??产品等方式减少碳排。钢铁业占全球约7-9%的温室气体排放量,多数业者积极开发关键低碳排技术,如使用绿氢生产还原铁(DRI),或致力於碳捕捉、碳封存等技术。


电子业占全球碳排量约2%,有业者透过替换高温室潜势气体、安装制程尾气处理设备、制程气体用量最隹化等方式找出新的制程气体,如台湾的半导体龙头台积电与联电已朝此方向努力。事实上,台湾的电子业碳排比逾10%,除了导入新技术,业者也朝外购绿电、改善制程、循环再利用材料或提升原料利用率等方向努力。


值得一提的是,制造业历经3年疫情,除了积极数位转型,减少碳排及落实ESG永续目标也成为新的里程碑,而制造业永续转型的关键推力之一是IT。近年来,不少制造业者在技术转型方面向加速云原生布局、部署多云混合云架构靠拢,内部应用系统上云和容器化的比例也明显提升。


由於台湾部分大型企业自今年6月起必须依法於年报中揭露碳盘查资讯,直接影响对永续科技的采购金额,用於碳盘查及碳足迹系统化、建置碳足迹仪表板及供应链碳排数据搜集等需求,甚至因此需要调整及强化内部ERP系统。


从灯塔工厂看绿色制造进程

提出减碳蓝图,同时维持企业竞争力,是制造业不得不面对的新课题。在这波绿色转型的过程中,除了自动化、数位转型,越来越多业者善用「智慧化」或「智动化」能量,推出更具永续性、高附加价值产品以提升营运绩效,同时达到减少能耗、降低成本的目的,影响所及,供应链、库存管理乃至於现场机台/机械设备的效率掌控都与绿色/永续连结。


随着科技与AI技术日趋成熟,这些先进技术也成为推动绿色制造的助力,比方远端作业、虚拟实境或模拟运作的应用,不少业者导入电脑辅助设计(CAD)、扩增实境(AR)软体、3D列印、数位孪生(Digital Twin)、工业物联网(IIoT)解决方案及产品生命周期管理 (PLM)软体等工具,或者采用低碳机具设计、低碳包材或强化循环经济商业模式,达成改善生产流程与监控整体制造环境,进一步落实永续制造的目标。


2018年起,世界经济论坛(World Economic Forum;WEF)与麦肯锡公司正式启动全球「灯塔工厂网路专案」(Light house Network),遴选永续灯塔工厂(Sustainability Lighthouses),评选标准包含自动化、数位化、大数据分析、5G、工业物联网等数位建置以及科技运用成熟度,入选名单最能看出绿色制造与工业4.0的发展趋势。不少业者已能将自动化、数位化、感测器、物联网(IoT)与智慧联网(AI+IoT)等技术运用自如,同时也能运用数位软体系统或平台转化数据,即时取得有利的改善方案。


以2022年入选的威腾电子(Western Digital)、施耐德电机(Schneider Electric)为例,已走向数位分身(Digital Twin)无人工厂,透过IIoT即时能源管控系统、AI流程管理等工具提升整体效率。威腾电子采用「熄灯(Lights-out)制造」策略,透过生产与物流自动化,缩减工厂成本约32%;智能计画系统转向接单生产模式,工厂产品库存及订单交货时间均减少约50%。


全球能源管理及自动化大厂施耐德电机主要提供与工业控制、基础设施、大楼自动化、资料中心及网路相关的解决方案,该公司透过能源管理与自动化解决方案面对永续挑战,比方透过「工业扩增实境(AR)顾问」技术解决方案(EcoStruxure Augmented Operator Advisor),结合生产环境情境与即时动态资讯,提供实体环境与虚拟物件结合的行动体验,减少停机时间与人为错误,由此提高工厂营运效率。AR技术有助操作员加速操作,生产率从2%提升至7%,并能节省30%以上的能耗。



图1 : 施耐德EcoStruxure工业扩增实境顾问。(source:Schneider Electric)
图1 : 施耐德EcoStruxure工业扩增实境顾问。(source:Schneider Electric)

在110多家入围「灯塔工厂」的企业中,中企占比逾30%,主要行业别包含3C、家电、汽车、钢铁及新能源。以三一重工长沙18号工厂为例,面对重工业市场周期性波动、少量多样等挑战,工厂导入柔性自动化生产、AI及IIoT,建立数位化重型设备制造系统,使产能扩大123%,生产率提高98%,单位制造成本则降低29%。宁德时代宜宾工厂同样运用AI、IoT与柔性自动化技术,提高17%产线速度,减少14%生产过程中导致的产量损失。


台湾电子大厂日月光半导体(日月光投控子公司)位於高雄的先进晶圆级封装厂同样入选灯塔工厂。与传统IC晶片封装相比,晶圆先进封装制程工序超过100道,为简化及优化制程,日月光在整个运营过程中导入工业4.0技术,利用AI技术提升良率,提高生产排程正确性,产能因此提高67%,订单交期则缩短39%。



图2 : 日月光高雄先进晶圆级封装厂获选全球级灯塔工厂。(source:日月光)
图2 : 日月光高雄先进晶圆级封装厂获选全球级灯塔工厂。(source:日月光)

纬创资通(Wistron)华南厂则是在绿色转型及数位营运的过程中导入多项数位技术,为满足60%的订单能在72小时内交付,工厂透过自主研发的33个数位案例重构价值链,人均小时产能(Units Per Hour Per Person;UPPH)提高32%,产品缺陷率降低55%,产品交付时间则缩短至48小时,单台产品制造成本降低22%。至於能源管理系统方面则是樽节逾8百万美元,产品能耗降低41%,电量下降33%,碳排下降37%。


纬创也首度由全球性非营利组织CDP评选为2022 CDP供应链议合领导者,协助供应商设置减碳目标,2022年高碳排供应商减量计画完成率100%,线上培训平台累计逾千家供应商注册,定期对供应商进行永续性风险评估,以协助监别供应链潜在风险及精进领域,与供应商合作开发回应永续议题的创新方案,2021年显示器产品领域逾九成机种导入再生塑料即为一例。


图3 : 入选灯塔工厂的纬创华南厂积极拥抱绿色与数位转型。(source:Wistron)
图3 : 入选灯塔工厂的纬创华南厂积极拥抱绿色与数位转型。(source:Wistron)

护国神山台积电的绿色制造作法

晶圆代工龙头大厂台积电早已迈向「绿色制造」,透过能源管理、水管理、废弃物管理及空气污染防制,希??2050年达到净零排放。台积电从生产源头做起,透过减少制程气体用量、置换高暖化气体、全面安装削减气体排放设备、选用低碳足迹原物料等作法,使该公司2022年的温室气体排放量降至2010年的32%。


台积电还推出「新世代机台节能行动专案」,比方为机台制定更隹的节能标准,带动旗下供应链走向绿色制造之路。目前,7奈米制程技术的生产能源效率已提高2.5倍,预计5奈米的生产能源效率在2024年可以提高2.5倍。


此外,台积电也不断扩大使用再生能源,公司内部的「节能减碳委员会」积极提升生产能源使用效率,公司还自行发明AI冰水系统,大幅提升冷却效果。2022年於台南建立第一座半导体再生水厂,目前每日供水量达20,000公吨,预估2030年的自来水消耗量将大幅降低为2020年的60%。


台积电还与供应商合作改良压缩乾燥空气(Compressed Dry Air;CDA)系统的冷却机制,以废热回收温水进行预冷作业,成功节省冰水用量达80%,截至2023年6月,已导入晶圆18厂第4期厂区,节电650万度、减碳3,300公吨;晶圆12厂第8期厂区、晶圆18厂第5期与第6期厂区、先进封测6A厂区也同步进行验证。



图4 : 台积电改良压缩乾燥空气系统冷却机制,提升节能成效。(source:台积电)
图4 : 台积电改良压缩乾燥空气系统冷却机制,提升节能成效。(source:台积电)

机电业的绿色制造

今年3月举办的「台北国际工具机展(TIMTOS)」展中,台湾的友嘉集团、东台精机、永进机械展出各类兼具高效、智慧与永续的「绿色工具机」解决方案。在智慧制造与工厂管理方面,友嘉提供「智慧工厂解决方案」,可全面整合单机、产线、整厂、环境、安防、能源状况等资讯,工厂现场管理及操作人员可於第一时间掌握设备与生产状态,有效降低人工巡检、生产管理及设备维运成本。



图5 : 友嘉提出「绿色工具机」解决方案。(source:友嘉实业)
图5 : 友嘉提出「绿色工具机」解决方案。(source:友嘉实业)

东台精机推出智慧制造解决方案、自动化解决方案、工程集约解决方案、碳管理解决方案、DRTT工业医生平台、新能源产业解决方案及金属积层制造解决方案,协助客户「数位转型」与「零碳转型」。永进机械依ISO14955工具机节能标准开发设计新机台,打造节能、轻量化机械设备,透过模组化、标准化及弹性化自动化系统,结合智慧设备及智慧管理,满足客户少量多样、大量客制化等需求,协助客户从智慧制造升级为绿色制造,减少碳排量及碳排成本。


前述案例不难看出,绿色制造与数位转型、数位工具密不可分。数位虚拟化有助减少浪费,还能串联全厂,使用最少资源、环保生产流程及统合能源管理,一方面保有竞争力,再方面可以同步打造减碳、循环经济的营运或商业模式。不难预期,未来可能看到更多业者加速数位转型,导入工业自动化及AI等数位工具,为落实绿色制造及ESG永续理念持续推动创新作法。


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