技術專輯主編前言|機械淨零碳排技術專輯主編前言

作者:

鄭詠仁

刊登日期:2022/08/30

國發會、環保署及經濟部等共同發表【臺灣2050淨零排放路徑及策略總說明】針對已經宣示於2050年達到淨零碳排的目標,設定了未來的規劃與作法。各產業現況面對的是全球減碳的趨勢以及供應鏈的壓力,包含如歐盟提出的碳邊境調整機制(Carbon Border Adjustment Mechanism, CBAM),針對未來進口鋼鐵、鋁、水泥、肥料及電力產品等五大產業,要求申報碳排放量,碳邊境調整機制於2026年正式實施後,進口歐盟廠商必須購買憑證,作為進口產品碳排放量的繳交費用,價格則依歐盟每週碳權拍賣的平均收盤價格計算。

除五大產業外,如電子業的Apple於2030年將要求供應鏈使用100%再生能源,Microsoft、Google將於2030使用零碳能源。汽車業如Toyota宣示2030全球工廠碳中和,福斯生產每台車也將CO2減量40%(以2018基線為準),GM預計2035年銷售的新車將達到零排放的目標。不論任何產業,只要在供應鏈中,或是要外銷歐美,被要求碳盤查直到淨零碳排或繳付碳稅都將難以避免,這些都是嚴峻的挑戰。而機械業自始至終是所有供應鏈中的主要關鍵生產製造角色,發展減碳技術不僅協助所有產業,對國家2050淨零碳排促成貢獻,並且將帶動新一波的成長動能。

我國是出口導向的國家,工業產品輸出佔GDP五成以上,五大產業以及電子業都將透過各項生產製造節能減碳來達到設定的目標,目前國際能源總署(IEA)評估尚有一半以上的減碳技術需要仰賴創新的突破才可能達成2050的目標,這些都是機械產業需要再持續努力的地方。最主要的產業製程減碳,通常以兩方向著手,第一個短期以製程及廠務系統中的設備汰舊換新切入,以及進行廢熱廢冷回收等,第二階段則需於生產製造系統中導入減碳技術,如採用智慧機械技術,除減少能源使用,並可追蹤碳盤查結果及優化製程。另外,能源轉換歷程中,在短期以擴大使用綠電、天然氣及生質燃料,鼓勵實踐RE100目標為主,長期則推動企業使用百分之百的綠電與無碳化能源。運輸部門方面,目前大約佔全國12.8%的排放量,電動車取代燃油車是不可避免的發展趨勢,透過推動電動車製造在地化,包含大客車、智慧電動車的在地生產與零組件製造,創造更多的國內的使用需求,政策中也指示2040年所有的車輛包含小客車以及機車銷售將全為電動車,因此必須同步強化車輛的碳排管理,提升所有新車能源效率標準,使未來高效規劃的道路上行駛的都是高能效的低碳車輛。

國家為此擬定了12項關鍵策略,包含使用風電及光電,推廣使用氫能源,發展前瞻能源技術,以及推動分散式電網與儲能,創新發展節能技術及碳捕捉利用與封存,運具電動化及無碳化,資源循環零廢棄,自然碳匯如造林保育等,淨零綠生活,綠色金融,最後由公正轉型來追求政策的平衡性。機械產業在此12個面向值得關注的部分,優先在於對準節能減碳的智慧製造整合,協助工廠較低的電力使用,減少材料、水及污染物與廢棄物來達到相同程度的生產績效,與利用感知分析及AI化使製程與廠務運轉達到最佳化。而在燃料的轉換上,發展低碳的電氣化設備尚待發展,例如原本用燃油加熱的鍋爐,或加熱製程改成較低能源使用的微波加熱技術等。儲能的技術發展,如定置型或移動型儲能設備以及電網管理技術,電動車產業發展則以高能量快充電芯,及整體效率安全為重點。循環的經濟包含綠色產品的設計、綠色製造以及產品再製造,透過重新的回收再利用來減少整個產品生命週期的碳排放。接著是當氫能的使用經濟規模達到時,包含氫氣的來源,存儲管線及相關的基礎設施都需要可量產的技術。
機械業面對此一波節能減碳浪潮,將帶動產業技術提升的契機,本專輯也將持續發表相關領域技術供業界參考使用。本期機械淨零碳排技術專輯,共收錄9篇文章,包含如工廠節能的關鍵元件-馬達與流體機械等5篇文章,以及車輛減碳、製程資源回收技術等,提供讀者研習。

本期的第一篇文章為【全球馬達市場與產業發展趨勢解析】,馬達及相關產業在此一波節能需求上迎來大幅改變,20世紀初感應馬達大量使用至所有工廠用於機械生產,現階段透過電力電子及先進控制技術快速發展,直流永磁馬達也成為動力選項,大幅應用於流機等重大耗電設備中。馬達現行效率管制為IE3,預期歐盟近幾年將推動IE4,我國也將隨國際規範提升馬達效率,延伸至設備如變頻器、驅動設備如泵浦、風機、壓縮機等也將實施更高一階的能效管理,為機械業值得關注的地方。【高效率感應馬達智慧化設計】一文提出高效率感應馬達設計流程,並結合智慧化方法,完成建構自動化設計架構,採用Excel試算表建構設計流程與撰寫最佳化程式,以有限元素軟體ANSYS模擬分析來進行確認規格,為現行馬達優化效率的標準設計流程。【雙段離心式冷媒壓縮機流固耦合模擬分析】一文,研究利用商用設計軟體CFturbo設計雙段離心式冷媒壓縮機之流力元件,並與ANSYS-Fluent與ANSYS-Structure模擬雙向流固耦合壓縮機結構受力現象,進行離心壓縮機的效率優化設計工作,兩文對於馬達及離心機效率提升的設計技術可供讀者學習。【真空製程設備節能技術】針對了臺灣電子業大量使用的真空設備進行節能探討,真空設備在電子廠用電約5%左右,採用高效率變頻真空泵,預估可節能20~50%,文章比較了常見的真空泵節能技術及效益,以作為國內電子業導入真空泵系統之參考。【工廠馬達設備系統能源效率改善作法】一文說明馬達動力設備節能改善作法,除了採用更高效率的馬達與動力設備外,包含調整設備規格、變更控制與操作方式及負載合理化等均是常用的節能方法。其實即使設備沒壞,換成高效率新品,都可以在省下的電費中,幾年就回收新品的投資,工程師在推展工廠節能的觀念上,也應關注設備生命週期成本回收的觀念。

【車輛生產製造低碳策略探討】一文提出了八大項在車輛生產製造低碳策略之參考方案,現今低碳生產燃油車到未來二十年全電動車的生產,低碳技術將持續影響到車輛產業並緊緊扣合。因此由上游的能源管理品質系統出發,採用綠電並配合各項零件、材料、生產製造、車輛回收等技術,將會在生產供應鏈中形成發展主流。【石墨烯熱管於電動車電池熱管理系統應用】一文針對電動車熱管理提出創新的散熱技術,使最大熱傳量比傳統熱管提升高達130%,若能大幅應用至電動車電池,在快充及穩定電芯均可獲得最佳的充放電效益,也同時提升電池壽命,對未來更高功率的長程車輛或特用載具將有極大的助益。

在減碳回收技術上有兩篇文章,【應用於塑膠回收料之綠色製造智慧射出機發展介紹】一文介紹了在塑膠回收製程中一種新的自適應程序控制(Adaptive Process Control, APC),使塑膠回收可以快速實現低碳化。【影像辨識系統結合EtherCAT全數位運動控制平台應用於資源回收】一文所發展的影像辨識智慧化技術,發展類似人類眼睛、大腦及手部反應來執行高速且精準的動作,達到整合塑膠資源回收分選的產線,本項技術的識別選物精準性及機器人速度若能有效提升,超越目前人力的效益,將是未來資源回收的明日之星技術。

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