fot. Mouser Electronics

Powszechnie zgadzamy się, że zrównoważony rozwój jest kluczem do przyszłości o mniejszej emisji dwutlenku węgla. Rządy wielu państw oraz inne organizacje tworzą inicjatywy na rzecz poszukiwania i wdrażania rozwiązań we wszystkich aspektach codziennego życia. Są one zróżnicowane, lecz mają wspólny cel: zmniejszenie zużycia energii, zwłaszcza z nieodnawialnych źródeł. Nie istnieje jedna uniwersalna metoda, lecz każdy krok naprzód to niewielki zysk, który przyczynia się do całościowego rozwiązania.

Zrównoważony rozwój może przybierać różne formy: od wspierania rozwoju źródeł energii przyjaznych dla środowiska (np. słonecznej i wiatrowej) po zapewnienie wykorzystywania jej w sposób jak najbardziej wydajny. Nawet przy dostępności „czystej” energii unikanie wszelkich strat to klucz do zrównoważonej przyszłości, opisanej np. w Celach Zrównoważonego Rozwoju ONZ (SDG)^[1].

Niezbędna w codziennym życiu technika potrzebuje ogromnych ilości energii, zwłaszcza powszechnie stosowane silniki elektryczne, które zużywają 40% światowej energii^[2]. Lecz sektor technologiczny przyczynia się jednocześnie w znaczącym stopniu do zrównoważonego życia, dzięki działaniom takim jak opracowywanie bardziej wydajnych urządzeń półprzewodnikowych i monitorowanie zużycia energii.

Etap projektowania ma kluczowe znaczenie dla określenia sposobu działania produktu. Oznacza to, że już w nim zaczyna się zrównoważony rozwój, a projektanci muszą podejmować wspierające go decyzje poprzez zapewnienie wydajnego wykorzystania energii i jej niskiego zużycia w trybie gotowości urządzenia.

Na szczęście producenci urządzeń tworzą elementy i podsystemy o parametrach doskonałych dla zrównoważonego rozwoju. Są to na przykład mikrokontrolery, moduły komunikacji bezprzewodowej i najróżniejsze komponenty związane z zasilaniem.

Ponadto istnieje kilka narzędzi programistycznych, które wspierają projektantów w optymalizacji zużycia energii nowego projektu. Przykładem może być zasilacz i miernik poboru energii w jednym Qoitech Otii Ace Pro (Ilustracja 1). To niewielkie i nowatorskie urządzenie mierzy napięcie i prąd z dużą częstotliwością próbkowania i może precyzyjnie zasilać urządzenia.

fot 1. Otii Ace Pro to nieocenione narzędzie do analizy zużycia energii podczas prac nad zrównoważonymi rozwiązaniami (źródło: Mouser Electronics)

Otii Ace Pro zawiera moduł do szacowania żywotności akumulatora, funkcje analizy w czasie rzeczywistym oraz w pełni konfigurowalny interfejs użytkownika. To narzędzie pozwala projektantom mierzyć i rejestrować zużycie energii, prąd upływu oraz prąd w trybie czuwania i na podstawie tych danych podejmować ekologiczne decyzje.

Oczywiście każda technologia związana z wytwarzaniem i przekształcaniem energii podlega ocenie pod względem zgodności z zasadami zrównoważonego rozwoju. W najwyższym stopniu dotyczy to półprzewodnikowych elementów mocy.

Przez dziesiątki lat krzem był podstawowym surowcem do produkcji elementów mocy. Jednakże w miarę rosnących potrzeb uzyskiwania najwyższej wydajności, zwłaszcza w zrównoważonym pozyskiwaniu energii wiatrowej lub słonecznej, jego potencjał w spełnianiu celów projektowych dramatycznie maleje. Nowe materiały o szerokiej przerwie energetycznej, np. węglik krzemu (SiC), oferują mniejsze straty, zdolność pracy w wysokich temperaturach oraz niezawodność.

Przykładem mogą być przetwornice – kluczowe elementy w procesie zamiany prądu stałego z paneli fotowoltaicznych na przemienny dla sieci energetycznej. Najnowocześniejsze przetwornice krzemowe mogą osiągać sprawność rzędu 98%, natomiast oparte na SiC zwiększają ją do 99%. Wzrost o 1% może się wydawać nieistotny, lecz oznacza o połowę mniejsze straty, a przy 60 gigawatach (GW) energii solarnej zainstalowanej w Stanach Zjednoczonych^[3] przekłada się na dodatkowe 600 MW dostępnej energii. Dla 208,9 GW mocy zainstalowanej na farmach fotowoltaicznych w Europie zysk z technologii opartej SiC wyniósłby odpowiednio około 2089 MW.

Oczywiście znamy liczne zastosowania dla technologii SiC, np. pojazdy elektryczne (EV), w których sprawność i niezawodne osiągi przekładają się na większy zasięg na jednym ładowaniu. Jedną z najbogatszych ofert elementów SiC dysponuje firma onsemi, której tranzystory MOSFET M3S EliteSiC są przeznaczone do zastosowań o wysokiej częstotliwości przełączania, zorientowanych na optymalizację wydajności i sprawności. W porównaniu ze starszymi generacjami elementy te zapewniają całkowite straty przełączania niższe o 40%, istotnie przyczyniając się do ogólnej sprawności systemu.

Mimo że w przyszłości możemy próbować ograniczyć nawyki konsumpcyjne, konsumować będziemy musieli zawsze. Aby zwiększyć zrównoważony rozwój w tej dziedzinie, zakłady produkujące towary muszą zacząć działać w sposób bardziej zrównoważony. Internet rzeczy (IoT) i jego bliski krewny, czyli przemysłowy Internet rzeczy (IIoT), umożliwiają rozmieszczanie w fabrykach i magazynach czujników o bardzo niskim poborze mocy do monitorowania i kontroli zużycia energii, np. przez oświetlenie.

Oświetlenie jest tylko niezbędne, gdy w zakładzie pracują ludzie, a wiele całkowicie zautomatyzowanych zakładów pracuje „po ciemku”. Ręczna obsługa oświetlenia przełącznikami to niezbyt ekologiczna opcja, ponieważ niektóre lampy zawsze pozostaną włączone, marnując cenną energię. Zastosowanie czujników IIoT do wykrywania obecności ludzi i stosownego sterowania oświetleniem eliminuje marnowanie energii i obniża koszty eksploatacji.

Konserwacja to istotny aspekt działania fabryki, który zapewnia optymalną wydajność maszyn i zapobiega awariom mogącym powodować przestoje i spadek produkcji. Zazwyczaj konserwacje przeprowadza się zgodnie z harmonogramem (podanym przez producenta danej maszyny), opartym na szacunkowych wymogach. Jest to jednak niezbyt zrównoważone podejście, ponieważ zamiast na rzeczywistych potrzebach opiera się na interwałach czasowych.

W większości maszyn najszybciej zużywają się części ruchome, więc drgania i odgłosy stanowią dwa mierzalne zjawiska, które mogą oznaczać konieczność konserwacji. Platforma rozwojowa firmy Analog Devices do monitorowania stanu maszyn CN0549 (Ilustracja 2), zawierająca zgodną z IEPE płytkę do akwizycji danych CN0540, płytkę ewaluacyjną CN-0532 oraz blok montażowy EVAL-XLMOUNT1 mierzy poziom drgań z wykorzystaniem akcelerometru, umożliwiając pozyskiwanie dużych zestawów danych w celu wyznaczenia poziomów odniesienia dla danej maszyny.

fot. 2. Platforma rozwojowa CN0549 firmy Analog Devices umożliwia planowanie zrównoważonej konserwacji w zależności od potrzeb (źródło: Mouser Electronics)

Na podstawie algorytmów lub zwykłych wartości progowych pracownicy mogą monitorować konieczność konserwacji. Takie podejście jest najbardziej zrównoważone, ponieważ eliminuje marnowanie zasobów na przedwczesną konserwację, zapewniając jednocześnie wykrywanie i reagowanie na zużycie elementów, zanim doprowadzi ono do kosztownej awarii maszyny.

Zrównoważony rozwój ma zasadnicze znaczenie dla rozwiązania problemów środowiskowych ze zmianami klimatycznymi włącznie i dziś trwa wiele inicjatyw na jego rzecz. Przemysł elektroniczny będzie odgrywać w nich istotną rolę dzięki zapewnianiu wydajnego wytwarzania energii odnawialnej, projektowaniu urządzeń zużywających jak najmniej energii oraz eliminacji marnowania zasobów w fabrykach, zwłaszcza podczas konserwacji.