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新工業時代的再生能源熱潮
潔淨技術與先進製造
[作者 盧傑瑞]   2023年07月24日 星期一 瀏覽人次: [1759]

透過將最新技術整合到各種流程和系統中,協助製造業者成功地提高生產力和效率,但更重要的是,可讓生產能力變得更加靈活、敏捷,來面對未來的市場挑戰。


自動化與機器學習等先進技術的興起,加速了製造業的數位化轉型,帶來更智慧、更高效的生產流程。透過將最新技術整合到各種流程和系統中,協助製造業者成功地提高生產力和效率,但更重要的是,可讓生產能力變得更加靈活、敏捷,來面對未來的市場挑戰。


如今,隨著對環境和社會責任的高度關注,智慧製造已轉向更綠色、更可永續的實踐。面對即將到來的2050年,實現淨零排放的時間已經不多了。因此更嚴格的環境監管、不斷增加的投資綠色要求,和不斷變化的客戶期望等因素,正在把永續發展推向商業模式的首要位置。這意味著有效解決碳足跡的業者將可獲得競爭優勢。


因此,再生能源的使用是全球工業領域的一個重要項目,透過高科技減少材料浪費變得越來越重要。雖然我們都已經習慣了風力渦輪機和太陽能發電,但製造業在使用可再生能源方面有何突破呢?


綠色生產永續驅動力:潔淨技術與先進製造的結合

問題是,應該如何平衡先進製造與永續的方法來延長使用壽命?而且,潔淨技術和先進製造如何協同作用以產生更佳的成果?


什麼是潔淨技術?

雖然潔淨技術沒有確切的定義,但它可以被視為利用可再生能源,和生態友好的流程和服務,來避免使用不可再生資源、減少廢物產生,並提高環境永續性的技術。因此,研究單位StartUs Insights也歸納了8大潔淨技術,包括了:可再生能源、低碳建設、交通新選擇、碳捕獲和利用、廢棄物循環管理、綠色材料、能源消耗管理、永續自動化。



圖1 : StartUs Insights歸納了8大潔淨技術與投入業者佔比。(source:StartUs Insights)
圖1 : StartUs Insights歸納了8大潔淨技術與投入業者佔比。(source:StartUs Insights)

什麼是先進製造?

傳統製造是透過機械化方法,將原材料和材料轉化為最終產品的過程,而按照Manufacturing.gov的定義,先進製造則是「利用創新技術製造現有產品和新產品」,並且可以包括「依賴資訊、自動化、運算、軟體、感測和網路的生產活動」。例如,添加劑製造、自動化、網路一體化機械。


為什麼智慧生產是可永續的?

從表面上看,先進製造方法和潔淨技術可能並不密切相關。然而有人認為,先進智慧的製造技術可以為更乾淨、更環保的成果做出重大貢獻,而對永續的推動業者開發出更高效、更先進的生產技術。


永續發展作為製造的重要目標,也導致了「綠色智慧」製造概念的出現,也就是環保流程和智慧技術的協同作用,來實現更高的生產力成果,從而將永續發展作為單一目標來實現。


綠色智慧製造的成功仰賴幾個關鍵機制和流程,包括了:


● 氫、生物丁醇和生物乙醇等環境友好類型的可再生資源,可減少碳排放和廢物。


● 透過先進的設計工具來促進更智慧化的生產和分配。


● 利用網路來讓製造流程最佳化,提供高度整合、數據分析功能和強化監控。


● 人工智慧可取代重複性任務,並提高能源效率。


● 重複利用來延長產品的生命週期,節約能源並減少浪費。


利用AI技術來達到綠色製造轉型支援工具

iFORCOM Smart Ecology能源預測系統

目前已出現許多利用AI技術的綠色製造轉型(GX)工具來協助進行綠色轉型,以達到潔淨和智慧化製造的目標。


能源預測系統是由iFORCOM Smart Ecology所開發,是基於15年超過5,000個設施的能源測量和管理記錄來設計,借助先進的人工智慧技術,可以準確預測因天氣影響、外部因素和周期性波動等各種因素,進而調整對能源的需求與影響。因此該系統不僅是基於人工智慧的數據分析,而是高度專業化的分析。


預測目標主要是對於電力需求和熱預測的業者,包括了各種產業或商業類型,例如工廠、辦公大樓、教育設施、醫療機構等,都可以預測電力需求,即使一般家庭也可使用此一技術。此外,熱預測對於預測區域供熱也有相當的幫助,因為它可以支援分析鍋爐,和冷水機組/加熱器發電機,和天然氣與水相關的其他能源需求,也可以進行相關分析。


對於建築物的部分,也可以用來實現淨零能耗建築,將設施的單次能源消耗降至零,同時保持舒適的室內空間(圖2)。



圖2 : iFORCOM Smart Ecology借助先進的人工智慧技術,來預測因天氣影響、外部因素和周期性波動等各種因素。(source:iFORCOM Smart Ecology)
圖2 : iFORCOM Smart Ecology借助先進的人工智慧技術,來預測因天氣影響、外部因素和周期性波動等各種因素。(source:iFORCOM Smart Ecology)

多場景模擬的ReNom Apps

Grid所開發的ReNom Apps,是一種在虛擬空間中再現客戶的需求,並將未來成本和二氧化碳排放量等,各種管理指標轉換成可視化的工具。工具中的AI能力,還可以自動分析生成,來制定最佳的二氧化碳減排計劃。


在二氧化碳排放模擬中,採用數位分身平台來顯示出公司的商業模式,並再現多個場景來模擬未來的二氧化碳排放量。由於場景可以靈活地任意改變,提供管理層更多的選擇來作為決策參考。而AI還可以根據模擬產生的數據,制定最佳化的減排方案,提高運行效率,降低推廣綠色轉換和製造的成本。


此外,還可開發出業務系統串聯機制,達到內部系統與人工智慧運算的減排計劃聯動,無論是各種產業或業務類型,都可以利用這樣的機制平台達到綠色製造轉型的目標。


微軟Azure雲端二氧化碳排放量計算

雲端平台業者也開始注意到綠色轉型和二氧化碳排放量這個問題,例如微軟的Azure雲端平台,現在就提供了Microsoft Sustainability Calculator的服務。這個工具可以幫助用戶來計算二氧化碳排放量,不過到目前為止,微軟並未提供有關如何減少排放量的任何建議。有用戶表示,為了鼓勵開發人員和系統管理員更主動地使用這些工具,微軟應該將此一平台發展成為主動運作且更智慧化的工具(圖3)。



圖3 : Azure雲端平台可以幫助用戶計算二氧化碳排放量。(source:微軟)
圖3 : Azure雲端平台可以幫助用戶計算二氧化碳排放量。(source:微軟)

全球大廠正積極導入綠色電源計畫

打造綠電超級工廠的特斯拉

電動車廠特斯拉曾經誓言到2019年底,將透過100%可再生能源為其「超級工廠」提供電力。這個自給自足的計畫結合了風力機、屋頂太陽能和特斯拉自己的能源儲存動力組,而這座超級工廠坐落於內華達州的Gigafactory 1佔地1500萬平方英尺(比美國中央公園大3倍),當時被稱為界上佔地面積最大的建築。


但時至今日,所完成的廠房規模僅有最初計劃規模的30%左右,焦點也由100%可再生能源轉向優化產能,不過最近有消息稱,特斯拉將再次尋求擴建工廠,致力擴建電池製造的「C」部分。此次擴建是為了支持特斯拉未來電動汽車的生產。


雖是如此,特斯拉仍舊完成了當初利用再生能源來提供電力的規劃承諾,目前這座超級工廠使用100%的潔淨能源來發電,主要技術是太陽能,另外也有一些風能發電。


寶潔在北美達成購買100%再生能源

以生產消費性產品為主的企業寶潔(Procter & Gamble),也在前些年計劃為其北美生產工廠與所有設施提供100%風力發電,因此購入了德州庫克縣風力電場80%的電力,並已在2020年實現了在加拿大和美國購買100%可再生能源的目標。


寶潔更進一步規劃,將在2030年在全球範圍內購買100%可再生能源。同時,寶潔也和ENGIE北美公司合作,計劃在2040年時實現溫室氣體淨零排放。這項合作將使ENGIE每年向寶潔公司提供超過53萬MWh的可再生能源,消除電網中的二氧化碳排放。


英特爾計劃2030年在美實現100%使用再生能源

英特爾更早就投入改善電力供應結構的研究。2015年,他們從生物質和太陽能等多種來源,購買了34億KWh的可再生能源,實現美國製造業100%使用可再生能源的目標。目前,英特爾計劃到2030年,將在全球範圍內的所有製造業務實現100%可再生能源,以實現其2030 RISE永續發展目標。


到目前為止,英特爾在減少廢料、用水、能源使用和促進循環經濟等領域,已經達到了高環境標準。


日產汽車致力推動綠色轉型

日產汽車支持日本經濟產業省倡導的「GX聯盟基本理念」,以達到2050年實現碳中和目標,該公司計劃在2030年所發表新車都將採電力驅動,為此日產汽車正積極發展電氣化能力和生產技術的創新。


另外,日產汽車還制定了2030年長期願景「Nissan Ambition 2030」,計劃未來五年內在電氣化方面投資2萬億日元,以加強尖端技術。未來也計劃與其他業者合作,參與GX系統的創建。


三菱化學控股的KAITEKI Vision 30零排放策略

三菱化學控股在2020年2月,製定了名為「KAITEKI Vision 30」的中長期經營策略,計畫在2050年實現碳中和。這個策略有兩個目標:到2030年將全球溫室氣體排放量減少29%(與2019年相比);到2050年實現碳中和和溫室氣體(GHG)零排放。為了實現這一目標,公司不僅在公司內部,而且在整個價值鏈中全力的推動。


再生能源與地緣政治

根據國際能源署估計,到2030年,再生能源製造業的就業機會將增加一倍多,從600萬個增至近1400萬個。而到本世紀末,全球關鍵大規模製造技術(包括太陽能電池板、風力渦輪機、電動汽車電池、熱泵和氫電解槽)的市場價值每年將達到約6500億美元。這一數字比目前水平高出三倍多,但前提是各國充分履行其能源和氣候承諾。


另外麥肯錫的研究顯示,2021年至2030年間,全球已承諾的太陽能以及陸上和海上風電項目(不包括中國)的發電量將增加兩倍以上,從125GW增至459GW(圖4)。



圖4 : 2021年至2030年間,全球太陽能以及風電的發電量將增加兩倍以上。(source:Mckinsey;作者整理)
圖4 : 2021年至2030年間,全球太陽能以及風電的發電量將增加兩倍以上。(source:Mckinsey;作者整理)

而隨著各國尋求將可再生能源,納入其解決當前地緣政治能源危機戰略的一部分,這種情況可能會進一步加速。例如,歐盟委員會最近的REPowerEU提案,期望到2030年將歐洲大陸再生能源發電的比例提高到45%(原先的目標為40%);美國「通貨膨脹削減法案」為再生能源發展提供了全面的財政激勵措施,也刺激額外的風能和太陽能發電能力。


結語

雖然潔淨技術和先進製造可以將智慧製造和可持續發展目標結合起來,使整個產業受益,但企業在有效衡量和改進永續發展工作,來滿足不斷變化的消費者需求方面仍然面臨挑戰。這就是使用基準測試工具下,使企業受益匪淺的地方,導引出最佳化的機會,並為客戶提供更大的業務工作透明度。業者不僅可以節省成本、環境效益和提高生產力,從長遠來看,還可以強化面對未來的能力並提高敏捷性。


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