製品設計をネットゼロ持続可能性にシフトする

著者 Pete Bartolik（ピート・バートリック）

DigiKeyの北米担当編集者の提供

2024-04-24

今後数十年にわたり、持続可能性に対するビジネス上の重要な要件が確保されるよう、大きな力が整いつつあります。世界中で、政府、企業、そして人々が、2050年のカーボン排出量ネットゼロの目標を支持するために結集しています。製品設計者には、将来の製品計画にネットゼロの持続可能性を織り込むことを強くお勧めします。そうしないと、激しい市場の圧力にうまく対応できる競合他社にビジネスを失うリスクを負う可能性があります。

全米製造業者協会（NAM）が2022年末に報告したところによると、調査対象となった製造業者幹部の58%が、将来の競争力には持続可能性が不可欠だと考えており、2019年の同様の調査を大幅に上回っています^[i]。製造業者や生産者の場合の持続可能性とは、依存するエネルギー、材料、水などの資源を枯渇させることなく、長期にわたってプロセスや慣例を継続できる能力のことを指します。

ネットゼロという用語は、2015年に196カ国が国際的な法的拘束力のある条約であるパリ協定を採択した際に、国連の後援の下で体系化されました^[ii]。その後、2017年に国連の政府間パネルは、二酸化炭素（CO₂）排出量とCO₂以外の排出量の大幅な削減について、ネットゼロの目標を達成するための目標として2050年を設定しました。普遍的な強制力はないにもかかわらず、ネットゼロ目標は政府や企業によってますます採用されるようになっています。

米国を含む30カ国が、2050年までに政府事業のネットゼロ目標を達成し、2030年までに排出量を65%削減することを誓約しました。
世界の上場企業2,000社のうち半数がネットゼロ目標を掲げており、これは上位2,000社の年間売上高の66%に相当します^[iii]。
NAMの世論調査では、45%の企業が正式なネットゼロ目標を設定しており、30%が2030年までに達成する予定だと回答しています^[iv]。

ネットゼロの商業的意味合い

ネットゼロの持続可能性がビジネスにもたらす影響は非常に大きいです。

米国の国防機関は2022年に推定2,100億ドルを製品に費やし、民間機関は490億ドルを費やしました^[v]。欧州委員会は、ネットゼロ技術製品の製造エコシステムを提案する中で、大量生産されるネットゼロ技術の世界市場は、2030年までに年間6,000億ユーロに達すると予測しています^[vi]。

製造業者には、電気自動車やインフラ、近代化された電力網、ビル制御装置、ヒートポンプなどの商品の生産が期待されます。さらに、カーボン回収技術への投資により、新しい製品設計や既存の製造工場を改修するソリューションの必要性が高まるでしょう。

ネットゼロへの移行には、資本の大規模な再配分が必要であり、2050年までに数百兆ドル規模になるでしょう。そのためには、工場やツールの電力供給方法から、より軽量で強靭な素材の採用まで、製造部門のビジネス方法を大きく変革する必要があります。

製造業のサプライチェーン全体が影響を受けるでしょう。ネットゼロへの進捗状況を測定するメーカーは、サプライヤのネットゼロ進捗状況も含めて、自社の二酸化炭素排出量全体を計算しなければなりません。ゼロではないビジネスチャンスから利益を得たい企業は、ネットゼロの目標達成に向けて動いていることを示す必要があります。

企業は、材料の調達から使用済み製品の管理まで、製品のライフサイクル全体がカーボンに与える影響を計算しなければならなくなります。設計者は、持続可能性をデザインの中核概念とするために、新しいスキルを習得し、既存のプロセスを適応させ、あるいは置き換え、業務を見直さなければなりません。主なベストプラクティス分野は以下の通りです。

材料の使用量を削減し、廃棄物を回収して新しい材料や製品の製造に利用する循環型経済を採用する。
製品製造過程における材料消費と資源使用の最小化を含む、製品開発の脱カーボン化のためのプロセスの最適化。
よりエネルギー効率の高い製品やプロセスを実現するために、新しい設計コンセプトで革新を起こし、新しいツールや技術に投資する。
組織内の持続可能性チャンピオンの昇格、従業員の不安や抵抗への対処、ネットゼロ目標の達成に必要なスキルの再教育や新たなスキルの導入など、管理変更の問題に焦点を当てることで、ネットゼロの考え方を育成する。
必要に応じて新しい機能や特徴を提供するデジタル化されたサービスによって、機械システムの有用性を拡大する。

サプライヤの進歩の活用

Analog Devices, Inc.（ADI）は、120億ドル（2023年度）の世界的な半導体のリーダー企業であり、アナログ、デジタル、ソフトウェア技術を組み合わせて、物理的世界とデジタル世界の架け橋となっています。同社の製品は、デジタル化された工場、ビルディングオートメーション、モビリティ、デジタルヘルスケアの進歩に貢献しています。2050年またはそれ以前にネットゼロを達成すること、2030年までにスコープ1と2のカーボン排出量を50%削減すること、2030年までにADIの製造施設からの廃棄物を100%転換することにコミットしています。

ADIは、電力効率の高いモーションコントロール、高精度低消費電力資産の健全性監視、適応型インテリジェントセンシング、アクチュエーション、制御を通じて、エネルギー消費の削減、資産寿命の延長、原材料使用量の削減を目指しています。

ADIは、次のような広範な製品ラインアップにより、産業用オートメーションおよびインテリジェントビルディングアプリケーションにおけるエネルギー効率の改善を目的とした幅広いコンポーネントを製品設計者に提供しています。

可変速ドライブ：産業用電力使用の約65%を電気モータが占めていると推定されています^[vii]。歴史的に、これらのモータのほとんどは固定回転装置であり、すべてのモータに可変速ドライブを装備することで、世界のエネルギー使用量を最大10%削減することができます^[viii]。ADIの可変速ドライブソリューションは、高性能な電流および電圧センシング、堅牢な絶縁、緻密な電源管理、およびシームレスな接続性を内蔵しています

AD8410AやAD8411Aような高電圧、高帯域幅の電流センスアンプは、シャント抵抗を介した双方向電流測定を行い、ドライブ性能を向上させ、モータの帯域幅と応答時間を決定し、モータが最高の効率で動作していることを保証するフィードバックを提供します。小型筐体における電源管理は、設計上の重要な検討事項です。ADIはMAX17692のようなフライバックスイッチングレギュレータICを提供しており、2次側整流器の導通中に1次側フライバック波形から絶縁出力電圧を直接検出します。2次側の誤差アンプとオプトカプラが不要なため、設計者は従来のフライバックコンバータと比較してプリント回路基板（PCB）のスペースを最大20%節約できます^[ix]。

位置エンコーダ：正確な位置とトルクを制御する高効率のサーボ駆動モータは、複雑な部品の高速加工を可能にすることで、エネルギー使用量を最適化できます。ADIの高精度シグナルコンディショニングと変換技術は、ノイズの多い産業環境において小さな振幅の信号を正確に測定します。ADIの製品は、高度な制御ループ性能、高効率、高度に統合された電源管理技術を提供する高性能位置エンコーダソリューションの開発を支援し、加工プロセスに必要なエネルギー消費を削減し、工場のスループットを向上させます。

ADIの技術は、高性能位置エンコーダソリューションの市場投入までの時間を短縮するのに役立ちます。同社は、光学式、磁気式、レゾルバ、リニア可変差動トランスなどのセンサタイプのエンコーダシグナルチェーンソリューションを提供しています。ADP320トリプル出力低ドロップアウト（LDO）は、低静止電流、低ドロップアウト電圧、広い入力電圧範囲を特長とし、光学式および磁気式エンコーダのシグナルチェーンのすべてのコンポーネントに電源を供給します。

ADIのMAX32672を簡略化したブロック図を図1に示します。超小型、超低消費電力、高集積、高信頼性の32ビットマイクロコントローラで、バッテリ寿命を損なうことなく複雑なセンサ処理を行う設計を可能にし、旧来設計の8ビットまたは16ビットマイクロコントローラからの容易でコスト最適化された方向性を提供できます。

図1：MAX32672マイクロコントローラの簡略ブロック図。（画像提供：Analog Devices, Inc.）

高度な製造能力をサポートするためにモータにエンコーダを組み込む設計者は、エンコーダのフォームファクタを小さくすることで利益を得ることができます。

統合された電源管理：ADIは、汎用リニアレギュレータ、バッテリ駆動システム、マイクロプロセッサコア/ロジック電源などのアプリケーション向けのLT3029のような低ノイズレギュレータや、携帯電話、ワイヤレスモデム、周波数シンセサイザに適したLT3024など、小型なフットプリントのICに高度に統合されたマイクロパワー管理ソリューションを提供しています。

信頼性の高いコネクティビティ：ADIは、高データレートで信頼性の高いデータ伝送を実現する半二重および全二重RS-485トランシーバを提供しています。たとえば、ADM3066EとADM3067Eは、マルチポイントバス伝送ライン上で50Mbps の高速双方向データ通信を実現し、1/4単位負荷入力インピーダンスを特長としており、バス上で最大128トランシーバを使用できます。設計者は、EVAL-ADM3066EEBZ（図2）のようないくつかの評価ボードを利用して、これらのトランシーバの能力を評価し、実証することができます。

ADIのEVAL-ADM3066EEBZ評価ボードの画像図2：ADIのEVAL-ADM3066EEBZ評価ボードには、10リードMSOPパッケージの ADM3066EBRMZ半二重RS-485トランシーバ用のフットプリントがあります。（画像提供：Analog Devices, Inc.）

ビルディングコントローラ：新しい建物や既存の建物をより持続可能なものにするには、冷暖房空調機器や照明を制御し、居住状況を感知し、環境条件を監視するための計測、接続、処理技術が必要です。これにより、ビルシステムのデジタル化を可能にするインテリジェントエッジデバイスの需要が高まります。

ビルディングオートメーションシステムは通常、複数のコントローラと異なるノードを内蔵しており、それぞれが信頼性の高いコネクティビティを必要とします。ADIN1110は、システム全体の消費電力を低減するメディアアクセスコントロール（MAC）インタフェースを内蔵した低消費電力シングルポートトランシーバで、システムレベルのロバスト性を改善するために、電圧供給モニタとパワーオンリセット回路を内蔵しています。

インテリジェントビルでは、エッジで効率的に電力を管理する必要があります。ADIのLTC4296-1は、10Base-T1Lコントローラおよびスイッチ用のSPoE（Single-pair Power over Ethernet）給電を可能にし、シングルツイストペアEthernetケーブルで最大52Wの電力とデータを伝送します。LTC9111は、IEEE 802.3cg準拠のSPoEパワーデバイスコントローラで、特にビルディングオートメーションやファクトリオートメーションにおける分類ベースシステムに適しています。

まとめ

2050年までにネットゼロの持続可能性を実現するという需要の高まりは、製造革新、段取り替え、新技術の開発を支援する製品にとって大きなチャンスとなります。2050年は、はるか遠い未来のように思えるかもしれませんが、本記事で引用したデータは、政府、企業、社会からの強い要求によって、多くの企業がすでに2050年のネットゼロや2030年のカーボンニュートラルの目標を現在の戦略に組み込んでいることを強調しています。すべてのサプライヤは最終的に、これらの目標に向けた進捗状況を示す必要があるでしょう。このような目標を計画、プロセス、部品供給に積極的に取り入れる製品設計者は、過去最大級の産業変革の恩恵を受けることになります。