技術通報 298期_危機變轉機－淨零排放趨勢下 綠色工具機之設計及評估 2024.02.05

快速標籤

「淨零排放」刻不容緩

何謂淨零排放?

臺灣邁向淨零排放之決心

工具機產業如何應對淨零排放浪潮

工具機節能設計及評估之步驟

德國EMO展-節能減碳作法

總結

參考文獻

 

▋ 「淨零排放」刻不容緩
　　隨著全球暖化及極端氣候愈加劇烈，已威脅到人類生存及環境影響，為有效減緩氣候變遷、控制全球升溫及減少溫室氣體產生，現已超過130 多個國家針對氣候議題採取行動及宣示「淨零排放(Net Zero Emissions)」目標。

 

▋ 何謂淨零排放?
　　淨零排放並非不排放，而是竭盡所能地減少溫室氣體排放量，並提升負碳技術及自然碳匯等方法，即為溫室氣體排放量與碳匯量達成平衡，有助於達到淨零排放之願景，如圖一所示。

 

▋ 臺灣邁向淨零排放之決心
　　為呼應全球淨零排放趨勢及共同保護地球環境之責任，蔡總統已於2021 年4 月22 日世界地球日宣示，2050 淨零轉型是全世界的目標，也是臺灣的目標。隨後政府發布「臺灣2050 淨零排放路徑及策略總說明」及「淨零轉型12 項關鍵戰略行動計畫」等計畫，以利國家及環境永續發展，如圖二及圖三所示。

 

▋ 工具機產業如何應對淨零排放浪潮
　　在淨零排放浪潮中許多國際品牌，如Apple、Microsoft 和Google 等均已宣告淨零排放的目標，亦要求供應商必須配合減碳要求及歐盟推行「碳邊境調整機制（Carbon Border Adjustment Mechanism，簡稱 CBAM）」之趨勢下，臺灣以代工及出口導向為主，機械設備 與工具機產業更是以外銷為主，是國際供應鏈的要角，以往的設備著重於第一階段研發製程/ 加工技術及第二階段考量設備安全，但其技術均已相當成熟，然而面對上述挑戰，雖然生產一台工具機/ 設備耗能與排碳並不大，但是未來的使用到除役前所產生的電量及排碳量亦相當可觀，因此，產業轉型刻不容緩。
　　針對工具機產業如何提升節能減碳技術，可從組織面及設備面等兩方面著手，並導入國際標準，分別為(1) ISO 14060 系列標準之ISO 14064-1 進行組織溫室氣體盤查，如圖四所示，以利瞭解及檢視自身營運活動中直接或間接溫室氣體排放量，並分析具有減量潛力的部分及落實執行相關溫室氣體減量計畫與(2) ISO 14955 系列標準進行工具機節能設計及評估，進一步降低機台能耗。透過落實執行上述標準之要求與方法，除了能達到節能減碳之目標，亦能提升競爭力及獲得更多綠色商機。 　　然而，工具機產業從設備面進行節能減碳時，不像一般家電已有相關節能標章與能源效率分級，故無法直接定義工具機的節能等級，但可藉由加裝數位電錶等儀器於機台，如國際工具機大廠(DMG MORI) 透過能耗可視化方式將效率、能耗及CO2 排放量等監控數據直觀的呈現於螢幕，以利瞭解製程於任一階段下之能耗表現，如圖五所示，並根據ISO 14955 系列標準之原則，主要分為5 大部分，如圖六所示，係著重於從產品的開發設計著手，如結構輕量化、降低冷卻系統進行額外散熱之需求及找出高效率且節能的製程參數等方法，並依自家產品與前一代產品進行比較，從中持續精進及改善，最終達到節能減碳之目的。

 

▋ 工具機節能設計及評估之步驟
1. 分析工具機生命週期對於環境的衝擊
根據ISO 14955-1 標準得知，應透過調查產品生命週期，並評估各階段對於環境衝擊（亦可視為能源消耗）的占比，其步驟為(1) 原料取得、(2) 生產製造、(3) 運輸、(4) 安裝、(5) 使用過程及(6) 回收報廢，其中「使用過程」係對於環境衝擊最為顯著，因此，從工具機研發設計階段進行整體改善及優化，有助於大幅度降低用戶使用過程的能源消耗，進而達到節能減碳之目的，如圖七所示。 2. 工具機能耗設計開發流程及測試方法
如何著手工具機的節能設計及開發？首先，分析機台設計的原理及分解工具機加工過程的步驟，並將相對應的功能元件進行映射，以利分析機台能源消耗過程及主要耗電的元件，方能做出有效益的改善方案。
第一部分，分析機台的系統邊界，除了工具機本身、輸入能源及相關使用之附屬設備外，如有熱交換系統、冷卻潤滑系統及廢氣等需要額外的能源消耗，則需一併納入系統邊界進行分析，除非不需要額外能源消耗，則可不考慮，如圖八所示。 第二部分，分析工具機之功能及其對應之工具機元件，由於工具機涵蓋的類型較多，應依據其設計應用狀況，評估工具的實際應用生產時的功能，且需與能源消耗有關。
工具機一般性功能，分別為(1) 工具機操作（加工程序、運動及控制），即為實現加工程序所需之所有能量供應，包含加工程序（如切削率及加工力等）、加工運動（如進給運動及平台移動等）及機器控制（如數值及系統控制等），如主軸、滾珠螺桿及PLC 等、(2) 製程調節，包含所有冷卻、加熱及其他與程序有關之調節，如冷卻泵、加工平台保溫等、(3) 工件裝卸，包含工件更換、工件抓取、工件夾持、工件抬升及原料進料等，如機械手臂及工件升降平台等、(4) 刀具裝卸或模具更換，包含刀具更換、刀具抓取及刀具夾持等，如換刀系統及液/ 氣壓夾頭等、(5)可回收物及廢棄物處理，即為處理切屑或廢料及切削液等，如切屑輸送機或廢料輸送機及過濾系統等及(6) 工具機冷卻/ 加熱，即為所有與機械加工程序無關的冷卻及加熱，如電控箱冷卻系統，如圖九所示。 第三部分，根據ISO 14955-1 及ISO 14955-2 標準之工具機範例，係以量化方式完成功能性映射，數據以百分比(%) 呈現，此部分可依經驗推測及估算或實際量測所得之能耗數據達成，如表一及圖十所示。
如採用經驗評估，可依據每元件於各功能下所運行時間進行分配，此方法雖然無法達到非常精確之計算，但仍能提供初步系統的分析應用。
如採用實際量測，其為較科學且精確的計算方式，根據ISO 14955-2 及ISO 14955-3 標準得知，主要可分為電能及非電能二大方向進行測量，並以量測功率而非能量之方式呈現，步驟為(1) 系統及工具機狀態描述( 如環境條件、操作狀態及試驗條件)，除了確認測試條件外，亦可供後續數據再現性之依據、(2) 於各元件分路上架設量測設備、(3) 拆解測量階段，有助於進一步分析各階段的能耗數據，如表2 所示、(4) 紀錄各元件或系統之消耗功率，並轉換成各功能性的映射量化比例表及(5) 產出測試報告及分析各功能性的映射量化比例表，其中測試報告主要分為三大部分，分別為(1) 系統描述、(2) 量測設計描述及(3) 量測結果描述，便於後續進行較精確的分析及優化設計之依據。 3. 工具機能耗優化設計及改善方案
針對測試報告進行分析及優化設計，ISO 14955-1 標準已提供相關改善方案，共分成13 個項目，分別為(1) 整體機台概念、(2) 驅動單元、(3) 液壓系統、(4) 氣壓系統、(5) 真空系統、(6)電氣系統、(7) 製程加熱系統、(8) 冷卻/ 潤滑系統、(9) 切屑及粉塵抽取罩、(10) 其他泵、(11)其他周邊裝置、(12) 節能源效率使用之指引及(13) 控制系統，其內容包含結構輕量化、系統及參數最佳化等方案，亦有註明此種對應方式可應用之範疇，如金屬切削工具機、液壓沖床、機械( 伺服) 沖床、木工機械，如表三所示，可依循其方法進行優化設計，有助於提升改善效率。隨著設計技術不斷精進，相信能提出更多節能的構思與方案，其中財團法人精密機械研究發展中心(PMC) 已發展工具機ISO 14995 輔導、檢測、驗證及ISO 14064-1 溫室氣體確證與查證等服務，進而協助業者加速提升綠色競爭力，促使工具機產業永續發展。

 

▋ 德國EMO展-節能減碳作法

1. 於2023 年EMO 展，可觀察到產業趨勢，除了加工技術及設備安全外，也朝向節能減碳目標邁進，以DMG MORI 為例，提供以下節能減碳作法：
   1. 節能模式，分別在SATNDBY, NC READY 及MACHINING 下減少能耗並依據過往經驗將其量化為一年，說明可為客戶省下多少電力（參考圖十一）
   2. 提供自適應製程冷卻系統，在不降低品質下，能耗節省達20%（參考圖十二）
   3. 提出循環經濟概念，減少原料使用，進而降低碳排（參考圖十三）
   4. 降低非計畫停機及增加氣壓系統氣密性，進而達到節能效果（參考圖十四）
   5. 利用變頻控制，精確控制功率及速度，減少應力及磨損，減少能耗（參考圖十五）

 

▋ 總結
因應溫室氣體過量導致的氣候變遷問題，全球共同面臨嚴峻的挑戰，為控制溫升在1.5 度C內，全球已有136 個國家宣示淨零排放目標，台灣為出口導向國家，2021 年出口總產值達4,463億美元，約佔GDP 的57%，歐盟及美國為台灣的第3 及第4 出口國，此兩個區域為達淨零排放目標，也紛紛設立碳貿易技術障礙-CBAM（歐盟碳關稅）及美國版碳關稅──清潔競爭法案（CCA）。國內廠商迫切需要因應設備節能設計評估以及溫室氣體盤查/ 查證問題，PMC 為協助業界低碳轉型及順利外銷，已通過TAF 金管會及環保署溫室氣體確認/ 查證資格，協助工具機業者綠色轉型。

---

 

▋ 參考文獻

1. 經濟部，https://www.go-moea.tw/
2. 國家發展委員會，(2022) 臺灣2050 淨零排放路徑及策略總說明。
3. 國家發展委員會，(2022) 淨零轉型之階段目標及行動。
4. ISO 14064-1: 2018 Greenhouse gases - Part 1: Specification with guidance at the organization level for quantification and reporting of greenhouse gas emissions and removals.
5. DMG MORI，DMG MORI Going Green with New Energy-Saving Functions，Sep. 5, 2014.
6. ISO 14955-1: 2017 Machine tools - Environmental evaluation of machine tools - Part 1: Design methodology for energy-efficient machine tools.
7. ISO 14955-2: 2018 Machine tools - Environmental evaluation of machine tools - Part 2: Methods for measuring energy supplied to machine tools and machine tool components.
8. 2023 德國EMO 展-DMG MORI 電子看板