Tuotesuunnittelun siirtyminen kohti ilmastoneutraaliutta

Useat merkittävät vallankäyttäjät haluavat varmistaa, että yrityksiin kohdistetaan huomattavia kestävyysvaatimuksia seuraavien vuosikymmenten aikana. Hallitukset, yritykset ja ihmiset ympäri maailman pyrkivät yhdessä edistämään ilmastoneutraaliustavoitteiden toteutumista vuoteen 2050 mennessä. Tuotesuunnittelijoiden on syytä huomioida ilmastoneutraaliustavoitteet tulevissa tuotesuunnitelmissaan, jotta he eivät menettäisi bisnesmahdollisuuksia kilpailijoille, jotka pystyvät vastaamaan paremmin markkinoiden paineisiin.

Yhdysvaltalaisen valmistusalan järjestön (National Association of Manufacturers, NAM) vuoden 2022 lopussa toteuttamaan kyselytutkimukseen vastanneista teollisuusyhtiöiden johtajista 58 % ilmoitti uskovansa, että kestävyys on erittäin tärkeää kilpailukyvyn varmistamiseksi tulevaisuudessa. Tulos on huomattavasti korkeampi kuin vuonna 2019.^[i] Teollisuus- ja tuotantoyhtiöiden kestävyydellä tarkoitetaan kykyä jatkaa prosesseja ja toimintaa pitkällä aikavälillä köyhdyttämättä tarvittavia resursseja, kuten energiaa, materiaaleja ja vettä.

Termi nettonolla kodifioitiin vuonna 2015 Yhdistyneiden kansakuntien johdolla, kun 196 maata hyväksyi Pariisin sopimuksen, joka on kansainvälinen ja oikeudellisesti sitova sopimus.^[ii] Vuonna 2017 YK:n hallitustenvälinen paneeli asetti tavoitteeksi saavuttaa vuonna 2050 nettonollatavoite hiilidioksidipäästöissä (CO₂) ja merkittävät vähennykset muissa kuin hiilidioksidipäästöissä. Vaikka mitään yleispätevää toimeenpanomandaattia ei olekaan, yhä useammat hallitukset ja yritykset ottavat ilmastoneutraaliustavoitteen osaksi toimintaansa:

• Jo 30 maata (mukaan lukien Yhdysvallat) on luvannut täyttävänsä hallinnossaan ilmastoneutraaliustavoitteen vuoteen 2050 mennessä ja vähentävänsä päästöjä 65 % vuoteen 2030 mennessä.
• Puolet 2000:sta maailman suurimmasta julkisesti noteeratusta yrityksestä on asettanut ilmastoneutraaliustavoitteet, mikä merkitsee 66 prosenttia tämän segmentin vuosittaisesta liikevaihdosta.^[iii]
• NAM-järjestön kyselyyn vastanneista 45 % kertoi, että heidän yrityksensä ovat määrittäneet viralliset ilmastoneutraaliustavoitteet ja 30 % suunnittelee täyttävänsä tavoitteen vuoteen 2030 mennessä.^[iv]

Ilmastoneutraaliuden kaupalliset implikaatiot

Ilmastoneutraaliudella on valtavat seuraukset liiketoiminnalle.

Vuonna 2022 Yhdysvaltain maanpuolustusvirastot käyttivät arviolta 210 miljardia dollaria tuotteisiin ja siviilivirastot 49 miljardia.^[v] Euroopan komissio ennustaa teknologiatuotteiden ilmastoneutraalien valmistusjärjestelmien ekosysteemiä koskevassa ehdotuksessaan, että ilmastoneutraalien teknologioiden maailmanmarkkinoiden vuosittainen arvo tulee olemaan 600 miljardia euroa vuoteen 2030 mennessä.^[vi]

Valmistajien odotetaan myös tarjoavan tuotteita sähköajoneuvoille ja niiden infrastruktuurille, modernisoituja sähköverkkoja, rakennusten ohjausjärjestelmiä, lämpöpumppuja ja niin edelleen. Lisäksi investoinnit hiilen talteenottomenetelmiin lisäävät tarvetta uusille tuotteille ja ratkaisuille nykyisissä tuotantolaitoksissa suoritettavia jälkiasennuksia varten.

Siirtyminen kohti ilmastoneutraaliutta vaatii massiivista pääoman uudelleenkohdentamista, mikä luultavasti kasvaa satoihin biljooniin dollareihin vuoteen 2050 mennessä. Tämä vaatii massiivisia muutoksia teollisuussektorin liiketoimintaan aina laitosten ja työkalujen uusista tehonlähteistä kevyempien ja kestävämpien materiaalien käyttöönottoon.

Vaikutukset kohdistuvat siis koko teollisuuden toimitusketjuihin. Ilmastoneutraaliustavoitteiden mittaamiseksi valmistajien pitää laskea kokonaishiilijalanjälkensä, mukaan lukien käyttämiensä toimittajien ilmastovaikutukset. Ei-ilmastoneutraaleja liiketoimintatilaisuuksia hyödyntävien yritysten tarvitsee osoittaa, että he etenevät kohti ilmastoneutraaliutta.

Yritysten täytyy pienentää tuotteidensa hiilijalanjälkeä niiden koko elinkaarelta materiaalien hankinnasta käyttöiän päättymisen hallintaan asti. Suunnittelijoiden pitää oppia uusia taitoja, muuttaa tai korvata olemassa olevia prosesseja sekä uudistaa toimintaansa siten, että kestävyys on kaikessa suunnittelussa keskeinen tekijä. Keskeisiä parhaiden käytäntöjen kohteita:

• Kiertotalousmenetelmien hyödyntäminen materiaalien käytön vähentämiseksi ja jätetuotteiden uudelleenkäyttämiseksi uusien materiaalien ja tuotteiden valmistuksessa.
• Prosessien optimointi tuotekehityksen hiilipäästöjen vähentämiseksi, myös materiaalikulutuksen ja resurssienkulutuksen minimointi tuotteiden valmistuksessa.
• Uusien suunnittelukonseptien innovointi sekä investoiminen uusiin työkaluihin ja teknologioihin, jotka parantavat tuotteiden ja prosessien energiatehokkuutta.
• Ilmastoneutraaliuteen tähtäävän ajattelutavan vaaliminen keskittymällä muutostenhallintaan, mihin sisältyy kestävyydessä onnistuneiden työntekijöiden huomioiminen organisaatioissa, työntekijöiden pelkojen ja vastustuksen huomiointi sekä ilmastoneutraaliuden vaatima uudelleenkoulutus ja uusien taitojen kehittäminen.
• Mekaanisten järjestelmien hyödyllisyyden parantaminen digitaalisilla palveluilla, jotka mahdollistavat tarvittavia uusia ominaisuuksia ja toimintoja.

Toimittajien edistysten hyödyntäminen

Analog Devices, Inc. (ADI) on liikevaihdoltaan 12 miljardin dollarin (tilivuosi 2023) maailmanlaajuinen puolijohdealan johtava toimija, joka luo yhteyksiä fyysisen ja digitaalisen maailman välille analogisilla, digitaalisilla ja ohjelmistopohjaisilla teknologioilla. Sen tuotteet tukevat digitaalisten tehtaiden, rakennusautomaation, liikkuvuuden ja digitaalisen terveydenhuollon kehitystä. Yritys on sitoutunut saavuttamaan ilmastoneutraaliuden viimeistään vuonna 2050. Tarkoituksena on vähentää Scope 1- ja Scope 2 -hiilipäästöjä 50 % vuoteen 2030 mennessä ja ohjata 100 % ADI:n tuotantolaitosten jätteistä myöhempiin prosesseihin samalla aikajänteellä.

ADI pyrkii vähentämään energiankulutusta, pidentämään omaisuuden käyttöikää ja vähentämään raakamateriaalien käyttöä energiatehokkaalla liikkeenohjauksella, tarkalla ja vähävirtaisella omaisuuden kunnonvalvonnalla sekä mukautuvalla älykkäällä tunnistusteknologialla, toimilaitteilla ja ohjauksella.

ADI:n laajaan tuotevalikoimaan kuuluu kattava valikoima komponentteja energiatehokkuuden parantamiseksi teollisuusautomaatiossa ja älyrakennussovelluksissa:

Taajuusmuuttajat: Sähkömoottoreiden arvioidaan kattavan noin 65 % teollisuuden sähkönkulutuksesta.^[vii] Useimmat näistä ovat kiinteänopeuksisia ja taajuusmuuttajien lisääminen niihin kaikkiin voisi vähentää maailmanlaajuista energiankulutusta jopa 10 %.^[viii] ADI:n taajuusmuuttajaratkaisut tarjoavat erittäin suorituskykyisen virran- ja jännitteenmittauksen, tehokkaan eristyksen, tehonhallinnan korkealla tiheydellä ja saumattoman liitettävyyden.

Korkean jännitteen ja korkean kaistanleveyden virtamittausta käyttävät vahvistimet, kuten AD8410A ja AD8411A, suorittavat kaksisuuntaiset virtamittaukset mittausvastuksella takaisinkytkentää varten. Tämän avulla voidaan parantaa suorituskykyä sekä määrittää moottoreiden kaistanleveys ja vasteaika sekä varmistaa, että moottorit toimivat huipputehokkuudella. Virranhallinta on pienemmissä koteloissa tärkeä suunnittelutekijä. ADI tarjoaa flyback-hakkuriregulaattoreja, kuten MAX17692, jotka mittaavat eristetyn lähtöjännitteen suoraan ensiöpuolen flyback-aaltomuodosta tosiopuolen tasasuuntaajan johtamisen aikana. Koska toisiopuolen virhevahvistinta ja optoerotinta ei tarvita, suunnittelijat voivat säästää jopa 20 % piirilevytilaa verrattuna perinteiseen flyback-muuntimeen.^[ix]

Asentoenkooderit: Huipputehokkaat servo-ohjatut moottorit, jotka tarjoavat tarkan asennon ja vääntömomentin ohjauksen, nopeuttavat kompleksisten komponenttien koneistusta ja näin optimoivat energiankäyttöä. ADI:n huipputarkka signaalinkäsittely- ja muuntoteknologia mahdollistaa suuruusluokaltaan pienien signaalien mittaamisen myös teollisuusympäristöissä, joissa esiintyy paljon kohinaa. ADI:n tuotetarjonta helpottaa suorituskykyisten asentoenkooderiratkaisujen kehittämistä. Nämä tarjoavat edistyneet ohjaussilmukat, korkean hyötysuhteen ja korkeasti integroidun tehonhallintateknologian. Näin voidaan vähentää koneistusprosessin energiankulutusta ja parantaa valmistuskapasiteettia.

ADI:n teknologiat voivat nopeuttaa tuotteen markkinoille tuontia tarjoamalla suorituskykyiset enkooderiratkaisut. Yritys tarjoaa signaaliketjuratkaisuja enkoodereita varten esimerkiksi optisille ja magneettisille antureille, resolvereille sekä lineaarisille differentiaalimuuntajille. ADP320 on kolmilähtöinen LDO (low dropout), jonka ominaisuuksiin kuuluvat matala lepovirta ja alhainen jännitehäviö sekä laaja tulojännitealue. Se pystyy syöttämään virtaa kaikille optisten ja magneettisten enkooderisignaaliketjujen komponenteille.

Kuvassa 1 esitetään ADI MAX32672 -piirin yksinkertaistettu lohkokaavio. Se on hyvin pieni, äärimmäisen vähävirtainen, pitkälle integroitu ja luotettava 32-bittinen mikrokontrolleri, joka tarjoaa suunnittelijoille anturisignaaleiden kompleksisen käsittelyn vaarantamatta akunkestoa. Tämä on helppo ja kustannustehokas tapa päivittää vanhan ratkaisun 8- tai 16-bittiset mikrokontrollerit.

Kuva 1: MAX32672-mikrokontrollerin yksinkertaistettu lohkokaavio. (Kuvan lähde: Analog Devices, Inc.)

Suunnittelijat, jotka lisäävät moottoreihin enkoodereita kehittyneiden valmistusprosessien mahdollistamiseksi, hyötyvät enkoodereiden pienemmästä koosta.

Integroitu tehonhallinta: ADI tarjoaa korkeasti integroituja mikrokokoisia tehonhallintapiirejä, esimerkkinä pienikohinainen LT3029, joka sopii sellaisiin sovelluksiin kuten yleiskäyttöiset lineaariset regulaattorit, akkukäyttöiset järjestelmät ja mikroprosessoriytimet/logiikkaohjaimet. LT3024 taas sopii matkapuhelimiin, langattomiin modeemeihin ja taajuussyntetisoijiin.

Luotettavat verkkoyhteydet: ADI tarjoaa puoli- ja kokodupleksisia RS-485-lähetin-vastaanottimia luotettavaan tiedonsiirtoon korkeilla nopeuksilla. Esimerkiksi ADM3066E ja ADM3067E tarjoavat 50 Mbps:n nopean kaksisuuntaisen tiedonsiirron monipisteväylillä ja 1/4-yksikkökuorman tuloimpedanssin, mikä mahdollistaa jopa 128 lähetin-vastaanottimen käyttämisen väylällä. Suunnittelijat voivat käyttää näiden lähetin-vastaanotinten ominaisuuksien arvioinnissa ja testauksessa erilaisia evaluointikortteja, kuten EVAL-ADM3066EEBZ (kuva 2).

Kuva 2: ADI EVAL-ADM3066EEBZ -evaluointikortti sisältää 10-jalkaista MSOP-koteloa käyttävän puolidupleksisen RS-485-lähetin-vastaanottimen ADM3066EBRMZ. (Kuvan lähde: Analog Devices, Inc.)

Rakennusten ohjausjärjestelmät: Uusien ja olemassa olevien rakennusten kestävyyden parantaminen vaatii mittaus-, verkkoyhteys- ja prosessointitekniikat ilmastointijärjestelmien ja valaistuksen ohjaukseen, läsnäolon havainnointiin ja ympäristötekijöiden seuraamiseen. Tämä lisää älykkäiden reunalaitteiden kysyntää rakennusjärjestelmien digitalisoinnin edistämiseksi.

Rakennusten automaatiojärjestelmiin kuuluu tyypillisesti useita ohjaimia ja erillisiä solmuja, jotka vaativat luotettavaa verkkoyhteyttä. ADIN1110 on vähävirtainen yksiporttinen lähetin-vastaanotin integroidulla Media Access Control (MAC) -rajapinnalla, jännitesyötön valvonnalla ja nollauksella käynnistyksen aikana. Nämä ominaisuudet parantavat robustisuutta ja vähentävät virrankulutusta koko järjestelmätasolla.

Älyrakennukset tarvitsevat tehokkaan tehonhallinnan järjestelmän reunalla. ADI LTC4296-1 mahdollistaa SPoE-virransyötön (Single-pair Power over Ethernet) 10Base-T1L-ohjaimiin ja -kytkimiin tarjoten tiedonsiirron ja jopa 52 W:n virransyötön käytettäessä yhtä kierrettyä Ethernet-parikaapelia. LTC9111 on IEEE 802.3cg-vaatimukset täyttävä SPoE-virtaohjain, joka sopii erityisesti rakennus- ja tehdasautomaation luokittelupohjaisiin järjestelmiin.

Yhteenveto

Kasvava kysyntä saavuttaa ilmastoneutraalius vuoteen 2050 mennessä on merkittävä liiketoimintatilaisuus tuotteille, jotka tukevat valmistustoiminnan innovointia, uudelleenjärjestelyjä ja uusien teknologioiden kehitystä. Vuosi 2050 saattaa tuntua kaukaiselta, mutta tässä artikkelissa käytetyt tiedot viittaavat, että hallituksilta, yrityksiltä ja yhteiskunnalta tulevan paineen myötä monet yritykset kehittävät jo strategioita saavuttaakseen ilmastoneutraaliuden vuonna 2050 ja hiilineutraaliuden vuonna 2030. Kaikkien toimittajien pitää lopulta osoittaa pyrkivänsä näihin tavoitteisiin. Tuotesuunnittelijat, jotka toteuttavat näitä tavoitteita proaktiivisesti suunnittelussa, prosesseissa ja komponenttien valinnassa, voivat saada hyötyä merkittävästi yhdestä kaikkien aikojen suurimmista teollisuuden uudistuksista.

Resursseja

1. https://nam.org/sustainability-is-a-top-manufacturer-priority-survey-shows-19992/?stream=business-operations
2. https://unfccc.int/process-and-meetings/the-paris-agreement
3. https://zerotracker.net/analysis/new-analysis-half-of-worlds-largest-companies-are-committed-to-net-zero
4. https://nam.org/sustainability-is-a-top-manufacturer-priority-survey-shows-19992/?stream=business-operations
5. https://gaoinnovations.gov/Federal_Government_Contracting/
6. https://ec.europa.eu/commission/presscorner/detail/en/IP_23_1665
7. https://iea.blob.core.windows.net/assets/98909c1b-aabc-4797-9926-35307b418cdb/WEO2019-free.pdf
8. https://new.abb.com/news/detail/75020/abb-urges-greater-adoption-of-high-efficiency-motors-and-drives-to-combat-climate-change-global-electricity-consumption-to-be-reduced-by-10
9. https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/max17692a-max17692b.pdf