Faire évoluer la conception de produits vers une durabilité « zéro net »

Par Pete Bartolik

Avec la contribution de Rédacteurs nord-américains de DigiKey

2024-04-24

Des forces majeures s'alignent pour garantir une exigence commerciale significative en matière de durabilité au cours des prochaines décennies. Partout dans le monde, les gouvernements, les entreprises et les citoyens se mobilisent pour soutenir un objectif de zéro émission nette de carbone d'ici à 2050. Les concepteurs ont tout intérêt à intégrer la durabilité « zéro net » dans leurs futurs plans de produits, au risque de perdre des marchés au profit de concurrents mieux à même de répondre à la pression intense du marché.

La NAM (National Association of Manufacturers) a rapporté fin 2022 que 58 % des dirigeants des fabricants interrogés estiment que la durabilité est essentielle à la compétitivité future, un chiffre nettement supérieur à celui d'une enquête similaire réalisée en 2019.^[i] La durabilité, dans le cas des fabricants et des producteurs, fait référence à la capacité de perpétuer les processus et les pratiques au fil du temps sans épuiser les ressources telles que l'énergie, les matériaux et l'eau dont ils dépendent.

Le terme « zéro net » a été codifié en 2015 sous l'égide des Nations Unies lorsque 196 pays ont adopté l'Accord de Paris, un traité international juridiquement contraignant.^[ii] Par la suite, en 2017, un groupe d'experts intergouvernemental des Nations Unies a fixé 2050 comme limite pour atteindre les objectifs de zéro émission nette de dioxyde de carbone (CO₂) et de fortes réductions des émissions non-CO₂. Malgré l'absence de mandat d'application universel, l'objectif zéro net est de plus en plus adopté par les gouvernements et les entreprises :

Trente pays, dont les États-Unis, se sont engagés à atteindre un objectif zéro net pour leurs opérations gouvernementales d'ici à 2050 et à réduire leurs émissions de 65 % d'ici à 2030.
La moitié des 2000 sociétés cotées en bourse dans le monde se sont fixé des objectifs zéro net, ce qui représente 66 % du chiffre d'affaires annuel de cette catégorie des 2000 plus grandes entreprises.^[iii]
45 % des personnes interrogées par la NAM déclarent que leurs entreprises se sont fixées des objectifs zéro net formels, et 30 % prévoient d'y parvenir d'ici à 2030.^[iv]

Implications commerciales du zéro net

Les conséquences commerciales d'une durabilité zéro net sont énormes.

Les agences de défense américaines ont dépensé environ 210 milliards de dollars en produits en 2022, tandis que les agences civiles ont dépensé 49 milliards de dollars.^[v] La Commission européenne, en proposant un écosystème de fabrication de produits technologiques zéro net, prévoit que le marché mondial des technologies zéro net fabriquées en masse atteindra 600 milliards d'euros par an d'ici à 2030.^[vi]

Les fabricants devront produire des biens pour les véhicules et infrastructures électriques, les réseaux électriques modernisés, les contrôleurs de bâtiments et les pompes à chaleur, entre autres. En outre, les investissements dans les technologies de piégeage du dioxyde de carbone entraîneront le besoin de nouvelles conceptions de produits et de solutions pour moderniser les usines de fabrication existantes.

Le passage au zéro net nécessitera une réaffectation massive des capitaux, qui se chiffrera probablement en centaines de billions de dollars américains et équivalents d'ici à 2050. Cela nécessitera une transformation massive de la manière dont les acteurs du secteur manufacturier exercent leurs activités, depuis les moyens d'alimentation de leurs usines et de leurs outils jusqu'à l'adoption de matériaux plus légers et plus résistants.

Des chaînes d'approvisionnement manufacturières entières seront touchées. Les fabricants mesurant leur progression vers le zéro net devront calculer leur empreinte carbone globale, y compris la progression vers le zéro net de leurs fournisseurs. Les entreprises souhaitant tirer parti d'opportunités commerciales non-zéro devront démontrer qu'elles s'efforcent d'atteindre les objectifs zéro net.

Les entreprises devront calculer l'impact carbone du cycle de vie complet des produits, depuis l'approvisionnement en matériaux jusqu'à la gestion de fin de vie. Les concepteurs doivent acquérir de nouvelles compétences, adapter ou remplacer les processus existants et réorganiser les opérations pour faire de la durabilité un concept de conception central. Les bonnes pratiques clés incluent les suivantes :

Adopter des pratiques d'économie circulaire permettant de réduire l'utilisation de matériaux et de récupérer les déchets pour les utiliser dans la fabrication de nouveaux matériaux et produits.
Optimiser les processus de décarbonisation du développement de produits, notamment en minimisant la consommation de matériaux et l'utilisation des ressources lors de la fabrication des produits.
Innover dans de nouveaux concepts de développement et investir dans de nouveaux outils et technologies pour obtenir des produits et des processus plus écoénergétiques.
Favoriser un état d'esprit zéro net en se concentrant sur les questions de gestion du changement, notamment en augmentant le nombre de défenseurs du développement durable au sein de l'organisation, en répondant aux résistances et aux craintes des travailleurs, et en apportant de nouvelles compétences nécessaires pour atteindre les objectifs zéro net.
Étendre l'utilité des systèmes mécaniques avec des services numérisés qui fournissent de nouvelles fonctions et caractéristiques en fonction des besoins.

Exploiter les avancées des fournisseurs

Analog Devices, Inc. (ADI) est un leader mondial en semi-conducteurs pesant 12 milliards de dollars (exercice 2023), qui combine les technologies analogiques, numériques et logicielles pour relier les mondes physique et numérique. Leurs produits contribuent aux avancées dans les domaines des usines numérisées, de l'immotique, de la mobilité et des soins de santé numériques. L'entreprise s'engage à atteindre le zéro net d'ici à 2050 voire avant, à réduire les émissions de carbone des scopes 1 et 2 de 50 % d'ici à 2030 et à traiter 100 % des déchets des installations de fabrication ADI d'ici à 2030.

ADI s'est fixé pour objectif de réduire la consommation d'énergie, d'étendre la durée de vie des actifs et de réduire l'utilisation de matières premières grâce à un contrôle de mouvement économe en énergie, une surveillance précise de l'état des actifs basse consommation, et à des capteurs, actionneurs et contrôles intelligents adaptatifs.

Avec un portefeuille de produits étendu, ADI propose aux concepteurs un vaste choix de composants visant à améliorer le rendement énergétique dans les applications d'automatisation industrielle et de bâtiments intelligents :

Variateurs de vitesse : On estime que les moteurs électriques représentent environ 65 % de la consommation d'électricité dans l'industrie.^[vii] Historiquement, la plupart de ces moteurs sont des dispositifs à rotation fixe, et les équiper de variateurs de vitesse pourrait réduire la consommation énergétique mondiale de jusqu'à 10 %.^[viii] Les solutions de variateurs de vitesse d'ADI intègrent des fonctions de détection du courant et de la tension hautes performances, un isolement robuste, une gestion de l'alimentation haute densité et une connectivité transparente.

Les amplificateurs de détection du courant à large bande passante et haute tension, tels que l'AD8410A et l'AD8411A, effectuent des mesures de courant bidirectionnel via une résistance shunt pour fournir un retour qui peut améliorer les performances du variateur et déterminer la bande passante et le temps de réponse des moteurs, garantissant ainsi que le moteur fonctionne à un rendement de crête. La gestion de l'alimentation dans des boîtiers plus petits est une considération de conception clé. ADI propose des circuits intégrés de régulateurs à découpage indirects comme le MAX17692 qui détectent la tension de sortie isolée directement à partir de la forme d'onde indirecte côté primaire pendant la conduction du redresseur côté secondaire. Sans photocoupleur et amplificateur d'erreur côté secondaire, les concepteurs peuvent économiser jusqu'à 20 % d'espace carte par rapport à un convertisseur indirect traditionnel.^[ix]

Codeurs de position : Les servomoteurs à haut rendement avec contrôle précis de la position et du couple peuvent optimiser la consommation d'énergie en permettant un ajustement plus rapide des composants complexes. La technologie de mise en forme et de conversion des signaux de précision d'ADI mesure avec précision les signaux de faible amplitude dans les environnements industriels bruyants. Les offres d'ADI aident à développer des solutions de codeurs de position de pointe qui offrent des performances de boucle de contrôle avancées, un rendement élevé et une technologie de gestion de l'alimentation hautement intégrée pouvant réduire la consommation d'énergie requise dans le processus d'ajustement et augmenter le rendement de l'usine.

Les technologies d'ADI peuvent contribuer à accélérer la mise sur le marché en fournissant des solutions de codeurs de position hautes performances. L'entreprise propose des solutions de chaînes de signaux de codeurs pour les capteurs optiques, les capteurs magnétiques, les résolveurs et les transformateurs différentiels variables linéaires. Les régulateurs à faible chute de tension (LDO) à trois sorties ADP320 présentent un faible courant de repos, une tension de relâchement et une vaste plage de tensions d'entrée pour alimenter tous les composants dans les chaînes de signaux de codeurs optiques et magnétiques.

Un schéma fonctionnel simplifié du MAX32672 d'ADI est illustré à la Figure 1. Ce microcontrôleur 32 bits miniature ultrabasse consommation, hautement intégré et fiable, permet des conceptions avec un traitement de capteur complexe sans compromettre la durée de vie des batteries, et peut fournir une voie simple et rentable à partir de microcontrôleurs 8 bits ou 16 bits existants.

Figure 1 : Schéma fonctionnel simplifié du microcontrôleur MAX32672. (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)

Les concepteurs intégrant des codeurs sur les moteurs pour prendre en charge des capacités de fabrication avancées peuvent tirer parti de facteurs de forme de codeurs réduits.

Gestion de l'alimentation intégrée : ADI fournit des solutions de gestion micropuissance hautement intégrées dans des circuits intégrés compacts, y compris des régulateurs à faible bruit comme le LT3029, pour des applications telles que les régulateurs linéaires à usage général, les systèmes alimentés par batterie et les alimentations logiques/cœurs de microprocesseur, et le LT3024, adapté aux téléphones portables, aux modems sans fil et aux synthétiseurs de fréquence.

Connectivité fiable : ADI propose des émetteurs-récepteurs RS-485 semi-duplex et duplex intégral pour une transmission de données fiable à hauts débits de données. Les dispositifs ADM3066E et ADM3067E, par exemple, fournissent des communications de données bidirectionnelles haut débit, 50 Mbps, sur des lignes de transmission de bus multipoints, et présentent une impédance d'entrée de 1/4 de charge unitaire qui permet jusqu'à 128 émetteurs-récepteurs sur un bus. Les concepteurs peuvent tirer parti de plusieurs cartes d'évaluation, comme la carte EVAL-ADM3066EEBZ (Figure 2), pour évaluer et démontrer les capacités de ces émetteurs-récepteurs.

Image de la carte d'évaluation EVAL-ADM3066EEBZ d'ADI Figure 2 : La carte d'évaluation EVAL-ADM3066EEBZ d'ADI a une empreinte pour l'émetteur-récepteur RS-485 semi-duplex ADM3066EBRMZ dans un boîtier MSOP à 10 broches. (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)

Contrôleurs de bâtiment : Rendre les bâtiments nouveaux et existants plus durables requiert des technologies de mesure, de connectivité et de traitement pour contrôler les systèmes CVC et d'éclairage, détecter la présence et surveiller les conditions environnementales. Cela stimule la demande en matière de dispositifs périphériques intelligents pour permettre la numérisation des systèmes immotiques.

Les systèmes immotiques intègrent généralement plusieurs contrôleurs et nœuds disparates, chacun nécessitant une connectivité fiable. L'ADIN1110 est un émetteur-récepteur à un port basse consommation doté d'une interface MAC intégrée qui requiert une consommation d'énergie niveau système inférieure, et qui intègre des circuits de surveillance de la tension d'alimentation et de réinitialisation à la mise sous tension pour améliorer la robustesse au niveau du système.

Les bâtiments intelligents nécessitent une gestion efficace de l'alimentation en périphérie. Le LTC4296-1 d'ADI permet une source d'alimentation SPoE (Single-pair Power over Ethernet) pour les commutateurs et contrôleurs 10Base-T1L, avec transmission de jusqu'à 52 W de puissance et des données sur un câble Ethernet à une seule paire torsadée. Le LTC9111 est un contrôleur de périphérique d'alimentation SPoE conforme à la norme IEEE 802.3cg, particulièrement adapté aux systèmes basés sur la classification dans l'automatisation des bâtiments et des usines.

Conclusion

La demande croissante d'une durabilité zéro net d'ici à 2050 représente une énorme opportunité pour les produits qui soutiennent l'innovation manufacturière, le rééquipement et l'avancement des nouvelles technologies. Même si 2050 peut sembler une date lointaine, les données citées dans cet article montrent que les pressions gouvernementales, commerciales et sociétales poussent déjà de nombreuses entreprises à intégrer des objectifs zéro net pour 2050 et de neutralité carbone pour 2030 dans leurs stratégies actuelles. Chaque fournisseur devra probablement montrer qu'il a progressé dans la réalisation de ces objectifs. Les concepteurs de produits qui intègrent de manière proactive ces objectifs dans leur planification, leurs processus et leur approvisionnement en composants ont toutes les chances de bénéficier de l'une des plus grandes transformations industrielles jamais réalisées.

Ressources

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