Zelená transformace ve výrobě: evoluce a nové příležitosti

Zelenou transformaci v oboru strojírenské výrobní techniky nahlížíme optikou dvou hlavních tematických oblastí, kterým se musíme věnovat a ve kterých je třeba absolvovat nezbytné změny. První tematickou oblastí je Snižování spotřeby energie a uhlíkové stopy a druhou Využití principů cirkulární ekonomiky. Obě sdružují řadu výzev a příležitostí, které je nutné věcně posoudit, připravit se na ně a dobře je využít pro budoucí konkurenční výhodu. V tomto článku se věnujeme první oblasti.

Vývoj v oblasti energetické náročnosti výroby reaguje na řadu hybných sil ve společnosti. V první řadě je toto téma pod velkým tlakem legislativně-regulatorních podmínek, které jsou určující pro definici cílů a požadavků dalšího vývoje. Hlavní hnací motivací je ochrana klimatu a životního prostředí. Zvyšování energetické účinnosti strojů je současně jedním z řešení, která přispívají ke snižování provozních nákladů, a tudíž ke zvyšování užitných vlastností strojů. Hnací silou pro vývoj pokročilých řešení nižší energetické náročnosti provozu strojů je i nedostatek kvalifikovaných pracovníků, vedoucí k nahrazování chybějící zkušenosti autonomními systémy optimalizovaného řízení provozu strojů. Schopnosti servisovatelnosti a znovupoužití strojů, které ve svém důsledku šetří spotřebu materiálu a energií, souvisejí s hledáním nových obchodních modelů a principy oběhového hospodářství.

Energetická náročnost výroby je pouze jednou z podčástí širší problematiky tzv. zelené transformace. Pod pojmem zelená transformace je v současné době chápáno několik oblastí aktivit, jejichž cílem je snížit spotřebu energie a surovinových zdrojů a omezit produkci odpadů, uvolňování CO₂ (uhlíková stopa) a skleníkových plynů (GHG – Green House Gases). Rostoucí globální spotřeba energie v průmyslu má za následek značné dopady nejen ekonomické, ale též environmentální. Průmyslová výroba rozhodujícím způsobem přispívá ke zvyšování standardu životní úrovně společnosti. Zásadní výzvou současnosti je ovšem otázka, jak dosáhnout trvalé udržitelnosti dalšího rozvoje a minimalizace negativních dopadů na stav životního prostředí. Průmysl spotřebovává suroviny, energii a produkuje teplo, hluk, vibrace, zplodiny, vyvolává ale také zátěž pro člověka (obsluhu), produkuje další zátěžné faktory pro životní prostředí, a v konečném důsledku také odpad (produkty na konci životnosti).

Moderní průmyslová výroba se musí podílet na řešení environmentálních otázek a snižování zátěže na několika rovinách, které nejsou v současné době dostatečně řešeny a akcentovány:

● spotřeba elektrické energie – řada strojů, technologií a výrob již byla energetické optimalizaci v prvních dvou dekádách 21. století podrobena, ale rostoucí závažnost zatěžování Země skleníkovými plyny a rostoucí náklady na výrobu energií vedou nyní k nutnosti druhé, podstatně intenzivnější a náročnější vlny energetické optimalizace všech spotřebičů ve strojírenském průmyslu i strategií jejich využití (přímá vazba na proces);

● smysluplné využívání materiálu – využití materiálu ve strojírenství je předmětem dimenzování a optimalizací. Dimenzování a optimalizace je možné zdokonalovat dvěma způsoby. Jednak zpřesňovat samotné metody návrhu produktů (výpočtové a optimalizační techniky, virtuální modelování, digitální dvojčata), ale stejně důležité je také zpřesňovat okrajové podmínky a zátěžná spektra. Snaha po optimálním využití materiálů a jejich kombinací je jedním ze stěžejních témat současnosti, přesto v řadě oblastí strojírenství existuje stále potenciál pro další zvyšování účinnosti využití materiálů a uplatňování pokročilých technik navrhování struktur;

● prodlužování životnosti a využitelnosti produktů – jedná se pro průmysl o velmi nové téma. Průmysl směrem ven (spotřební zboží) i směrem dovnitř (B2B) má hodnotový řetězec a komerční koncept podnikání postavený na opakovaném prodeji nových produktů, strojů a zařízení. Podnikání, které by vedlo k prodlužování životnosti, řešení zdokonalené opravitelnosti, repasovatelnosti, znovupoužití, je nyní v globální míře opomíjeno. Zde je třeba hledat nové obchodní modely současně s novým technickým přístupem, aby bylo možné konzumní systém nahradit systémem cirkulární ekonomiky, v němž účastníci vydělávají a prosperují, ale nikoli za cenu zbytečného zpracovávání dalšího materiálu a energií;

● postupy ke snižování environmentálních dopadů průmyslové výroby spočívají také ve strategiích znovuvýroby a znovupoužití materiálů z průmyslového odpadu a z produktů. Toto nové paradigma může podpořit výzvy udržitelnosti ve strategických průmyslových odvětvích. Navíc návrhy systémů pro demontáž a renovaci, řízení a kontrolní přístupy, jakož i pokročilé technologické prostředky hrají klíčovou roli při podpoře modelu oběhové ekonomiky.

Snižování spotřeby energie a environmentálního dopadu průmyslové výroby patří k nejnaléhavějším aktuálním tématům s dlouhodobou platností. Dotýká se všech aktivit průmyslové společnosti, jejíž další schopnost udržitelného rozvoje a existence významně ovlivňuje a představuje proto jedno z klíčových společensko-politických témat. V oblasti výrobní techniky a průmyslové výroby je předmětem zejména aplikovaného výzkumu na úrovni TRL 5 – 8 s primární motivací uvádět do praxe ověřené technické koncepty. Výzkum a vývoj pro snižování spotřeby energie a snižování uhlíkové stopy vyžaduje interdisciplinární přístup, který zahrnuje konstrukci a vývoj výrobní techniky, systémů a produktů, organizaci výroby, elektroniku a řízení, informatiku, senzoriku, měření a diagnostiku, materiálové inženýrství, matematické modelování a simulace.

Celosvětová výroba elektřiny závisí v současnosti především na využívání fosilních paliv, což představuje v důsledku asi čtvrtinu celosvětových emisí skleníkových plynů. V rámci Zelené dohody pro Evropu (Green Deal) si EU stanovila závazný cíl dosáhnout do roku 2050 klimatické neutrality a do roku 2070 dosáhnout nulových emisí CO₂. To je kritickým předpokladem pro klimatický cíl nárůstu průměrné globální teploty do 2 °C. K tomu je zapotřebí, aby se emise skleníkových plynů výrazně snižovaly již v nejbližších desetiletích a EU se zavázala snížit emise CO₂ do roku 2030 alespoň o 55 % (tzv. balíček Fit for 55). Naproti tomu však stále stojí nedostatek obnovitelných zdrojů a aktuálně přistupující krize dodávek zemního plynu a drastický nárůst cen energií.

Na celosvětové spotřebě energie ve výši 22 964 TWh se průmysl podílel z 38 % (oba údaje k roku 2018), odhaduje se, že 5–10 % z tohoto podílu připadá na spotřebu energie výrobních strojů. Lze tedy odvodit, že se stroje podílejí 2–4 % na globální spotřebě energie, přičemž 70–80 % připadá na stroje pro třískové obrábění. Výrobní stroje se vyznačují poměrně velkými energetickými ztrátami. Na optimalizaci spotřeby energie na úrovni jednotlivých strojů, i výrobních systémů, se zvýšená pozornost zaměřuje zejména v posledních dvou dekádách, přičemž intenzita tohoto zájmu prochází různými vlnami. Zájem výrobců obráběcích strojů o tuto problematiku je do značné míry motivován legislativně-regulatorními podmínkami a iniciativami. Jednou z nejviditelnějších, která našla jasnou marketingovou odezvu výrobců strojů v letech 2014–2015, byla iniciativa Blue competence, vyhlášená v roce 2012 asociací evropských výrobců strojů Cecimo.

Z podstaty definice je zvýšení energetické účinnosti stroje dosaženo maximalizací řezného výkonu při současné minimalizaci celkové spotřeby energie. Řešení zvyšování energetické účinnosti, resp. snižování spotřeby energie výrobních strojů, vyžadují komplexní a systémový přístup, vyplývající z řady vzájemných vazeb. Primárním požadavkem je, aby nebyla narušena spolehlivost provozu stroje, nebyly dotčeny klíčové užitné vlastnosti a návratnost zvýšených vstupních pořizovacích nákladů byla maximálně 2–3 roky. Optimalizační opatření lze nacházet v praxi na straně periferních agregátů např. v úpravách dodávky řezného a chladicího oleje s využitím frekvenčního řízení, menším dimenzování čerpadel, optimalizacích chlazení řezného procesu, změnách emulzního hospodářství, využití efektivních chladicích agregátů nebo v úsporách použití stlačeného vzduchu. V oblasti stavby strojů se na snižování spotřeby energie podílí nejen v provozu stroje, ale i při jeho výrobě zejména snižování hmotnosti a lepší využití disponibilního materiálu. To vede sekundárně k dalším úsporám v podobě nižších požadavků na instalovaný výkon pohonů. Významný příspěvek k vyšší energetické účinnosti výroby mají také optimalizace strategií obrábění a výrobních cyklů, vedoucí ke zkracování výrobních časů. Kratší výrobní časy znamenají zejména menší spotřebu energie pohonů a periferních zařízení.

Výzkum v oblasti spotřeby energie strojů probíhá v několika směrech. V první řadě je to systémová úroveň rozboru energetické náročnosti provozu strojů a identifikace hlavních spotřebičů energie v různých výrobních procesech. Zatímco z hlediska podílů instalovaného výkonu představuje vřeteno obvykle nejvýkonnější komponent s cca 50% podílem a pohony os dalších téměř 25 %, v procesech obrábění se na celkové spotřebě energie podílí vřeteno a pohony obvykle 25 %. Zbývajících cca 75 % spotřeby energie připadá na periferie. Cesta k energeticky účinnému stroji tak vede zejména přes energeticky účinné procesy, energeticky účinné komponenty, energeticky účinný návrh systémů a energeticky účinné řízení a energetický management.

Otevřenými výzkumnými tématy jsou v oblasti konstrukce strojů aktuálně:

● možnosti náhrady pneumatických a hydraulických komponent za elektromechanické pohony („bezmédiový obráběcí stroj“);

● pokročilé teplotně-mechanické modely se snadnou implementací pro účinný teplotní management;

● inteligentní pohotovostní režimy pro periferie a komponenty obráběcích strojů;

● strategie pro dovybavení stávajících obráběcích strojů energeticky účinnějšími komponenty.

Kromě konstrukce stroje je energetická účinnost strojů do značné míry určena jejich provozem. Parametry procesů by měly být voleny tak, aby maximalizovaly produktivitu. Při zvyšování intenzity procesů obrábění je však potřeba brát v úvahu vedlejší účinky, jako je zvýšené opotřebení nástroje nebo vyšší požadavky na chladicí kapalinu. Značný potenciál pro úspory energie představuje suché obrábění. K otevřeným výzkumným tématům patří v oblasti energeticky účinných procesů:

● výzkum vzájemných závislostí mezi produktivitou a opotřebením nástrojů;

● identifikace skutečně požadovaného objemu řezné kapaliny a tlaku;

● další výzkum minimálního množství mazání (MQL) a téměř suché obrábění;

● strategie pro energeticky efektivní výběr procesních parametrů, optimalizaci dráhového řízení a adaptivní strategie chlazení, včetně samo-optimalizace na základě procesních dat.

Postupy ke snižování environmentálních dopadů průmyslové výroby spočívají také ve strategiích znovuvýroby a znovupoužití materiálů z průmyslového odpadu a z produktů. Toto nové paradigma může podpořit výzvy udržitelnosti ve strategických průmyslových odvětvích. Navíc návrhy systémů pro demontáž a renovaci, řízení a kontrolní přístupy, jakož i pokročilé technologické prostředky hrají klíčovou roli při podpoře modelu oběhové ekonomiky.

Reference

[1]   B. Denkena, et al. Energy Efficient Machine Tools. CIRP Annals - Manufacturing Technology, 69 (2) (2020), pp. 646-667, DOI: 10.1016/j.cirp.2020.05.008

[2]   Denkena B (2013) Abschlussbericht zum BMBF-Verbundprojekt NCplus: Prozessund wertschöpfungsorientiert gesteuerte Werkzeugmaschine. Report, Gottfried Wilhelm Leibniz University Hannover

[3]   J. R. Duflou, et al. Towards energy and resource efficient manufacturing: a processes and systems approach. CIRP Annals, 61 (2012), pp. 587-609, DOI: 10.1016/J.CIRP.2012.05.002

[4]   T. Tolio et al. Design, management and control of demanufacturing and remanufacturing systems. CIRP Annals - Manufacturing Technology 66 (2017) 585–609, DOI: 10.1016/j.cirp.2017.05.001

Příště: Využití principů cirkulární ekonomiky.

Článek vznikl s podporou projektu Technologická platforma strojírenská výrobní technika v rámci řešení projektu CZ.01.01.01/07/23_010/0001228.