Trasformare la progettazione dei prodotti per la sostenibilità zero netto

Di Pete Bartolik

Contributo di Editori nordamericani di DigiKey

2024-04-24

Molteplici forze si stanno allineando per promuovere un'importante esigenza aziendale di sostenibilità nei prossimi decenni. In tutto il mondo, i governi, le imprese e le persone si stanno mobilitando per sostenere l'obiettivo di emissioni nette di carbonio pari a zero per il 2050. I progettisti di prodotti farebbero bene a tener conto della sostenibilità "zero netto" nei loro futuri piani di prodotto per non rischiare di perdere affari a favore di concorrenti più capaci di rispondere alle intense pressioni del mercato.

Alla fine del 2022, la National Association of Manufacturers (NAM) ha riferito che il 58% dei dirigenti delle aziende manifatturiere intervistate ritiene che la sostenibilità sia essenziale per la competitività futura, un dato sostanzialmente superiore a quello emerso da un'indagine analoga condotta nel 2019.^[i] La sostenibilità, nel caso di produttori e aziende manifatturiere, si riferisce alla capacità di portare avanti processi e pratiche nel tempo senza esaurire le risorse come l'energia, i materiali e l'acqua da cui dipendono.

Il termine "zero netto" è stato codificato nel 2015 sotto l'egida delle Nazioni Unite, quando 196 Paesi hanno adottato l'Accordo di Parigi, un trattato internazionale giuridicamente vincolante.^[ii] Successivamente, nel 2017, un gruppo intergovernativo delle Nazioni Unite ha fissato il 2050 come obiettivo per il raggiungimento di obiettivi zero netto per le emissioni di anidride carbonica (CO₂) e di profonde riduzioni delle emissioni non CO₂. Nonostante l'assenza di un mandato applicabile universalmente, l'obiettivo "zero netto" è sempre più adottato da governi e imprese:

Trenta Paesi, tra cui gli Stati Uniti, si sono impegnati a raggiungere l'obiettivo zero netto per le loro operazioni governative entro il 2050 e a ridurre le emissioni del 65% entro il 2030.
La metà delle 2.000 società quotate in borsa al mondo ha fissato obiettivi zero netto, rappresentando il 66% del fatturato annuo della categoria top 2000^[iii].
Il 45% degli intervistati da NAM afferma che le proprie aziende hanno fissato obiettivi formali di zero netto e il 30% prevede di raggiungerli entro il 2030.^[iv]

Implicazioni commerciali degli obiettivi zero netto

Le ramificazioni commerciali della sostenibilità a zero netto sono enormi.

Secondo le stime, nel 2022 le agenzie della difesa statunitensi hanno speso 210 miliardi di dollari in prodotti, mentre le agenzie civili hanno speso 49 miliardi di dollari.^[v] La Commissione Europea, nel proporre un ecosistema di produzione di prodotti a tecnologia zero netto, prevede che il mercato globale delle tecnologie zero netto prodotte in massa ammonterà a 600 miliardi di euro all'anno entro il 2030.^[vi]

I produttori dovranno realizzare, tra l'altro, prodotti per veicoli elettrici e infrastrutture, reti elettriche modernizzate, controller per edifici e pompe di calore. Inoltre, gli investimenti nella tecnologia di cattura del carbonio determineranno la necessità di progettare nuovi prodotti e soluzioni per l'adeguamento degli impianti di produzione esistenti.

Il passaggio a zero netto richiederà una massiccia riallocazione del capitale, che probabilmente ammonterà a centinaia di trilioni di dollari e importi equivalenti entro il 2050. Ciò richiederà una trasformazione massiccia del modo in cui gli operatori del settore manifatturiero svolgono le loro attività, dal modo in cui alimentano gli impianti e gli strumenti all'adozione di materiali più leggeri e resistenti.

Intere supply chain manifatturiere ne saranno interessate. I produttori che misurano i loro progressi verso l'azzeramento delle emissioni dovranno calcolare la loro impronta di carbonio complessiva, compresi i progressi verso zero netto dei loro fornitori. Le aziende che vogliono trarre profitto da opportunità commerciali zero netto dovranno dimostrare che si stanno muovendo per raggiungere obiettivi zero netto.

Le aziende dovranno calcolare l'impatto di carbonio dell'intero ciclo di vita del prodotto, dall'approvvigionamento dei materiali alla gestione del fine vita. I progettisti devono acquisire nuove competenze, adattare o sostituire i processi esistenti e rinnovare le operazioni per rendere la sostenibilità un concetto di progettazione fondamentale. Le principali aree di best practice includono:

Adottare pratiche di economia circolare che riducano l'uso dei materiali e recuperino i prodotti di scarto per utilizzarli nella produzione di nuovi materiali e prodotti.
Ottimizzare i processi per decarbonizzare lo sviluppo dei prodotti, riducendo al minimo il consumo di materiali e l'utilizzo di risorse durante la fabbricazione dei prodotti.
Innovare in nuovi concetti di design e investire in nuovi strumenti e tecnologie per ottenere prodotti e processi più efficienti dal punto di vista energetico.
Promuovere una mentalità zero netto concentrandosi sui problemi di gestione del cambiamento, tra cui l'elevazione dei campioni della sostenibilità nell'organizzazione, la gestione dei timori e della riluttanza dei lavoratori, la riqualificazione e l'introduzione di nuove competenze necessarie per raggiungere gli obiettivi zero netto.
Estendere l'utilità dei sistemi meccanici con servizi digitalizzati che forniscono nuove caratteristiche e funzioni in base alle necessità.

Sfruttare i progressi dei fornitori

Analog Devices, Inc. (ADI) è un'azienda leader nel settore dei semiconduttori con un fatturato di 12 miliardi di dollari (anno fiscale 2023) che combina tecnologie analogiche, digitali e software per creare colmare il divario tra mondo fisico e digitale. I suoi prodotti contribuiscono al progresso delle fabbriche digitalizzate, dell'automazione degli edifici, della mobilità e dell'assistenza sanitaria digitale. L'azienda si è impegnata a raggiungere lo zero netto entro il 2050, se non prima, a ridurre le emissioni di carbonio Scope 1 e 2 del 50% entro il 2030 e a deviare il 100% dei rifiuti dagli impianti di produzione entro il 2030.

ADI mira a ridurre il consumo energetico, a prolungare la vita utile delle risorse e a ridurre l'utilizzo di materie prime attraverso un controllo del movimento efficiente dal punto di vista energetico, un monitoraggio di precisione a basso consumo dello stato di salute delle risorse e un rilevamento, un'attuazione e un controllo intelligenti adattivi.

Con una vasta gamma di prodotti, ADI offre ai progettisti un'ampia scelta di componenti volti a migliorare l'efficienza energetica nelle applicazioni di automazione industriale e di edifici intelligenti:

Azionamenti a velocità variabile: si stima che i motori elettrici siano responsabili di circa il 65% dell'utilizzo di energia elettrica a livello industriale.^[vii] Storicamente, la maggior parte di questi motori è costituita da dispositivi a rotazione fissa, mentre dotarli di azionamenti a velocità variabile potrebbe ridurre l'utilizzo di energia a livello globale fino al 10%.^[viii] Le soluzioni di azionamento a velocità variabile di ADI incorporano il rilevamento di corrente e tensione ad alte prestazioni, isolamento robusto, gestione dell'alimentazione ad alta densità e connettività senza soluzione di continuità.

Gli amplificatori per rilevamento della corrente ad alta tensione ed elevata larghezza di banda, come AD8410A e AD8411A, eseguono misurazioni di corrente bidirezionali attraverso un resistore di shunt per fornire dati che possono migliorare le prestazioni dell'inverter e determinare la larghezza di banda e il tempo di risposta dei motori, assicurando che il motore funzioni al massimo dell'efficienza. La gestione dell'alimentazione in involucri di dimensioni ridotte è un aspetto fondamentale della progettazione. ADI offre circuiti integrati di regolazione a commutazione flyback come MAX17692 che rilevano la tensione di uscita isolata direttamente dalla forma d'onda flyback sul lato primario durante la conduzione del raddrizzatore sul lato secondario. Senza un amplificatore di errore sul lato secondario e un optoaccoppiatore, i progettisti possono risparmiare fino al 20% di spazio sulla scheda a circuiti stampati (PCB) rispetto a un convertitore flyback tradizionale.^[ix]

Encoder di posizione: i motori servoassistiti ad alta efficienza con un controllo preciso della posizione e della coppia possono ottimizzare il consumo di energia consentendo una lavorazione più rapida di componenti complessi. La tecnologia di condizionamento e conversione dei segnali di precisione di ADI misura con precisione i segnali piccoli in ambienti industriali rumorosi. Le offerte di ADI contribuiscono allo sviluppo di soluzioni di encoder di posizione ad alte prestazioni che forniscono prestazioni avanzate dell'anello di controllo, alta efficienza e tecnologia di gestione dell'alimentazione altamente integrata in grado di ridurre il consumo energetico richiesto nel processo di lavorazione e di aumentare la produttività dello stabilimento.

Le tecnologie di ADI possono contribuire ad accelerare il time-to-market nella fornitura di encoder di posizione ad alte prestazioni. L'azienda offre soluzioni per la catena di segnali degli encoder per tipi di sensori ottici e magnetici, resolver e trasformatori differenziali a variabile lineare. ADP320 a tripla uscita a bassa caduta di tensione (LDO) è caratterizzato da una bassa corrente di quiescenza, una bassa caduta di tensione e un ampio intervallo della tensione di ingresso per alimentare tutti i componenti delle catene di segnali di encoder ottici e magnetici.

Nella Figura 1 viene illustrato un diagramma a blocchi semplificato del dispositivo MAX32672 di ADI. Si tratta di un microcontroller a 32 bit compatto, a bassissimo consumo, altamente integrato e affidabile, che consente di realizzare progetti per l'elaborazione complessa dei sensori senza compromettere la durata della batteria e può fornire un percorso semplice e ottimale dal punto di vista dei costi dai microcontroller a 8 o 16 bit dei progetti precedenti.

Figura 1: Diagramma a blocchi semplificato del microcontroller MAX32672. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

I progettisti che incorporano gli encoder sui motori per supportare capacità produttive avanzate trarranno vantaggio dai fattori di forma ridotti degli encoder.

Gestione dell'alimentazione integrata: ADI offre soluzioni di gestione in micropotenza altamente integrate in CI dall'ingombro compatto, tra cui regolatori a basso rumore come LT3029, per applicazioni quali regolatori lineari per uso generale, sistemi alimentati a batteria e alimentatori di core/logica di microprocessori, nonché LT3024, adatto a telefoni cellulari, modem wireless e sintetizzatori di frequenza.

Connettività affidabile: ADI offre transceiver RS-485 half e full-duplex per la trasmissione dati affidabile ad alta velocità. I modelli ADM3066E e ADM3067E, ad esempio, forniscono la comunicazione dati bidirezionale ad alta velocità, 50 Mbps, su linee di trasmissione bus multipunto e sono caratterizzati da un'impedenza di ingresso con carico di 1/4 di unità che consente di collegare fino a 128 transceiver su un unico bus. I progettisti possono avvalersi di diverse schede di valutazione, come EVAL-ADM3066EEBZ (Figura 2), per valutare e dimostrare le capacità di questi transceiver.

Immagine della scheda di valutazione EVAL-ADM3066EEBZ di ADI Figura 2: La scheda di valutazione EVAL-ADM3066EEBZ di ADI prevede un ingombro per il transceiver RS-485 half-duplex ADM3066EBRMZ in un contenitore MSOP a 10 conduttori. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

Controller per edifici: per rendere più sostenibili gli edifici nuovi ed esistenti sono necessarie tecnologie di misurazione, connettività ed elaborazione per controllare HVAC e illuminazione, rilevare l'occupazione e monitorare le condizioni ambientali. Questo spingerà la domanda di dispositivi edge intelligenti per la digitalizzazione dei sistemi edilizi.

I sistemi di automazione degli edifici incorporano in genere più controller e nodi diversi, ognuno dei quali richiede una connettività affidabile. ADIN1110 è un transceiver a basso consumo a una porta con un'interfaccia MAC (Media Access Control) integrata che richiede un ridotto consumo energetico complessivo a livello di sistema e presenta un CI di monitoraggio dell'alimentazione e di reset all'accensione per migliorare la robustezza del sistema.

Gli edifici intelligenti necessitano di una gestione efficiente dell'energia all'edge. LTC4296-1 di ADI offre alimentazione Single-Pair PoE (Power over Ethernet) a controller e switch 10Base-T1L, con trasmissione di potenza fino a 52 W più dati su un singolo cavo Ethernet a doppino intrecciato. LTC9111 è un controller di dispositivi di alimentazione SPoE conforme allo standard IEEE 802.3cg, particolarmente adatto ai sistemi basati sulla classificazione nell'automazione di edifici e fabbriche.

Conclusione

La crescente domanda di sostenibilità zero netto entro il 2050 rappresenta un'enorme opportunità per i prodotti che supportano l'innovazione produttiva, il riattrezzaggio e l'avanzamento delle nuove tecnologie. Sebbene il 2050 possa sembrare lontano, i dati citati in questo articolo sottolineano che le pressioni governative, commerciali e sociali stanno già spingendo molte aziende a inserire nelle loro strategie attuali gli obiettivi di emissioni zero netto e di neutralità carbonica per il 2030. In ultima analisi, ogni fornitore dovrà probabilmente dimostrare i progressi compiuti verso questi obiettivi. I progettisti di prodotti che incorporano in modo proattivo questi obiettivi nella pianificazione, nei processi e nelle forniture di componenti potranno beneficiare di una delle più grandi trasformazioni industriali mai avvenute.

Risorse

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