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數位智慧催動綠色製造進程
綠色轉型刻不容緩

【作者: 季平】   2023年08月07日 星期一

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智慧製造或綠色製造早已不是新聞,全球製造業積極採用製程中不產生污染、節能低碳或使用替代性/再生能源以達永續目標。除了在產品生命週期的各個階段仔細考量經濟效益與永續性,甚至進一步將觸角延伸至與員工、客戶、社群、供應鏈及與消費者有關的綠色經濟與安全需求。


世界自然基金會指出,1970年代開始地球資源急劇耗竭,光是2018年,狀況已經嚴重到一天之內可以耗盡一年內的地球樹、水、土地等資源量。因應此一狀況,國際能源總署在2021年宣布「2050淨零:全球能源部門路徑圖」,台灣也在2022年3月宣布「2050淨零排放路徑及策略」,希望與國際接軌。占全國碳排50%以上的製造業包含水泥、造紙、鋼鐵、石化、紡織等,製造業如何因應碳盤查、制定減碳策略甚至規劃減碳路徑圖,成為業者亟需面對的課題。


化工業占全球工業碳排量約18%,不少業者的減碳策略包含使用再生能源、發展新製程技術、使用生質原料取代石化原料,或者透過改善工廠製程、回收副產品等方式減少碳排。鋼鐵業占全球約7-9%的溫室氣體排放量,多數業者積極開發關鍵低碳排技術,如使用綠氫生產還原鐵(DRI),或致力於碳捕捉、碳封存等技術。


電子業占全球碳排量約2%,有業者透過替換高溫室潛勢氣體、安裝製程尾氣處理設備、製程氣體用量最佳化等方式找出新的製程氣體,如台灣的半導體龍頭台積電與聯電已朝此方向努力。事實上,台灣的電子業碳排比逾10%,除了導入新技術,業者也朝外購綠電、改善製程、循環再利用材料或提升原料利用率等方向努力。


值得一提的是,製造業歷經3年疫情,除了積極數位轉型,減少碳排及落實ESG永續目標也成為新的里程碑,而製造業永續轉型的關鍵推力之一是IT。近年來,不少製造業者在技術轉型方面向加速雲原生布局、部署多雲混合雲架構靠攏,內部應用系統上雲和容器化的比例也明顯提升。


由於台灣部分大型企業自今年6月起必須依法於年報中揭露碳盤查資訊,直接影響對永續科技的採購金額,用於碳盤查及碳足跡系統化、建置碳足跡儀表板及供應鏈碳排數據蒐集等需求,甚至因此需要調整及強化內部ERP系統。


從燈塔工廠看綠色製造進程

提出減碳藍圖,同時維持企業競爭力,是製造業不得不面對的新課題。在這波綠色轉型的過程中,除了自動化、數位轉型,越來越多業者善用「智慧化」或「智動化」能量,推出更具永續性、高附加價值產品以提升營運績效,同時達到減少能耗、降低成本的目的,影響所及,供應鏈、庫存管理乃至於現場機台/機械設備的效率掌控都與綠色/永續連結。


隨著科技與AI技術日趨成熟,這些先進技術也成為推動綠色製造的助力,比方遠端作業、虛擬實境或模擬運作的應用,不少業者導入電腦輔助設計(CAD)、擴增實境(AR)軟體、3D列印、數位孿生(Digital Twin)、工業物聯網(IIoT)解決方案及產品生命週期管理 (PLM)軟體等工具,或者採用低碳機具設計、低碳包材或強化循環經濟商業模式,達成改善生產流程與監控整體製造環境,進一步落實永續製造的目標。


2018年起,世界經濟論壇(World Economic Forum;WEF)與麥肯錫公司正式啟動全球「燈塔工廠網路專案」(Light house Network),遴選永續燈塔工廠(Sustainability Lighthouses),評選標準包含自動化、數位化、大數據分析、5G、工業物聯網等數位建置以及科技運用成熟度,入選名單最能看出綠色製造與工業4.0的發展趨勢。不少業者已能將自動化、數位化、感測器、物聯網(IoT)與智慧聯網(AI+IoT)等技術運用自如,同時也能運用數位軟體系統或平台轉化數據,即時取得有利的改善方案。


以2022年入選的威騰電子(Western Digital)、施耐德電機(Schneider Electric)為例,已走向數位分身(Digital Twin)無人工廠,透過IIoT即時能源管控系統、AI流程管理等工具提升整體效率。威騰電子採用「熄燈(Lights-out)製造」策略,透過生產與物流自動化,縮減工廠成本約32%;智能計畫系統轉向接單生產模式,工廠產品庫存及訂單交貨時間均減少約50%。


全球能源管理及自動化大廠施耐德電機主要提供與工業控制、基礎設施、大樓自動化、資料中心及網路相關的解決方案,該公司透過能源管理與自動化解決方案面對永續挑戰,比方透過「工業擴增實境(AR)顧問」技術解決方案(EcoStruxure Augmented Operator Advisor),結合生產環境情境與即時動態資訊,提供實體環境與虛擬物件結合的行動體驗,減少停機時間與人為錯誤,由此提高工廠營運效率。AR技術有助操作員加速操作,生產率從2%提升至7%,並能節省30%以上的能耗。



圖1 : 施耐德EcoStruxure工業擴增實境顧問。(source:Schneider Electric)
圖1 : 施耐德EcoStruxure工業擴增實境顧問。(source:Schneider Electric)

在110多家入圍「燈塔工廠」的企業中,中企占比逾30%,主要行業別包含3C、家電、汽車、鋼鐵及新能源。以三一重工長沙18號工廠為例,面對重工業市場週期性波動、少量多樣等挑戰,工廠導入柔性自動化生產、AI及IIoT,建立數位化重型設備製造系統,使產能擴大123%,生產率提高98%,單位製造成本則降低29%。寧德時代宜賓工廠同樣運用AI、IoT與柔性自動化技術,提高17%產線速度,減少14%生產過程中導致的產量損失。


台灣電子大廠日月光半導體(日月光投控子公司)位於高雄的先進晶圓級封裝廠同樣入選燈塔工廠。與傳統IC晶片封裝相比,晶圓先進封裝製程工序超過100道,為簡化及優化製程,日月光在整個運營過程中導入工業4.0技術,利用AI技術提升良率,提高生產排程正確性,產能因此提高67%,訂單交期則縮短39%。



圖2 : 日月光高雄先進晶圓級封裝廠獲選全球級燈塔工廠。(source:日月光)
圖2 : 日月光高雄先進晶圓級封裝廠獲選全球級燈塔工廠。(source:日月光)

緯創資通(Wistron)華南廠則是在綠色轉型及數位營運的過程中導入多項數位技術,為滿足60%的訂單能在72小時內交付,工廠透過自主研發的33個數位案例重構價值鏈,人均小時產能(Units Per Hour Per Person;UPPH)提高32%,產品缺陷率降低55%,產品交付時間則縮短至48小時,單台產品製造成本降低22%。至於能源管理系統方面則是樽節逾8百萬美元,產品能耗降低41%,電量下降33%,碳排下降37%。


緯創也首度由全球性非營利組織CDP評選為2022 CDP供應鏈議合領導者,協助供應商設置減碳目標,2022年高碳排供應商減量計畫完成率100%,線上培訓平台累計逾千家供應商註冊,定期對供應商進行永續性風險評估,以協助鑑別供應鏈潛在風險及精進領域,與供應商合作開發回應永續議題的創新方案,2021年顯示器產品領域逾九成機種導入再生塑料即為一例。


圖3 : 入選燈塔工廠的緯創華南廠積極擁抱綠色與數位轉型。(source:Wistron)
圖3 : 入選燈塔工廠的緯創華南廠積極擁抱綠色與數位轉型。(source:Wistron)

護國神山台積電的綠色製造作法

晶圓代工龍頭大廠台積電早已邁向「綠色製造」,透過能源管理、水管理、廢棄物管理及空氣污染防制,希望2050年達到淨零排放。台積電從生產源頭做起,透過減少製程氣體用量、置換高暖化氣體、全面安裝削減氣體排放設備、選用低碳足跡原物料等作法,使該公司2022年的溫室氣體排放量降至2010年的32%。


台積電還推出「新世代機台節能行動專案」,比方為機台制定更佳的節能標準,帶動旗下供應鏈走向綠色製造之路。目前,7奈米製程技術的生產能源效率已提高2.5倍,預計5奈米的生產能源效率在2024年可以提高2.5倍。


此外,台積電也不斷擴大使用再生能源,公司內部的「節能減碳委員會」積極提升生產能源使用效率,公司還自行發明AI冰水系統,大幅提升冷卻效果。2022年於台南建立第一座半導體再生水廠,目前每日供水量達20,000公噸,預估2030年的自來水消耗量將大幅降低為2020年的60%。


台積電還與供應商合作改良壓縮乾燥空氣(Compressed Dry Air;CDA)系統的冷卻機制,以廢熱回收溫水進行預冷作業,成功節省冰水用量達80%,截至2023年6月,已導入晶圓18廠第4期廠區,節電650萬度、減碳3,300公噸;晶圓12廠第8期廠區、晶圓18廠第5期與第6期廠區、先進封測6A廠區也同步進行驗證。



圖4 : 台積電改良壓縮乾燥空氣系統冷卻機制,提升節能成效。(source:台積電)
圖4 : 台積電改良壓縮乾燥空氣系統冷卻機制,提升節能成效。(source:台積電)

機電業的綠色製造

今年3月舉辦的「台北國際工具機展(TIMTOS)」展中,台灣的友嘉集團、東台精機、永進機械展出各類兼具高效、智慧與永續的「綠色工具機」解決方案。在智慧製造與工廠管理方面,友嘉提供「智慧工廠解決方案」,可全面整合單機、產線、整廠、環境、安防、能源狀況等資訊,工廠現場管理及操作人員可於第一時間掌握設備與生產狀態,有效降低人工巡檢、生產管理及設備維運成本。



圖5 : 友嘉提出「綠色工具機」解決方案。(source:友嘉實業)
圖5 : 友嘉提出「綠色工具機」解決方案。(source:友嘉實業)

東台精機推出智慧製造解決方案、自動化解決方案、工程集約解決方案、碳管理解決方案、DRTT工業醫生平台、新能源產業解決方案及金屬積層製造解決方案,協助客戶「數位轉型」與「零碳轉型」。永進機械依ISO14955工具機節能標準開發設計新機台,打造節能、輕量化機械設備,透過模組化、標準化及彈性化自動化系統,結合智慧設備及智慧管理,滿足客戶少量多樣、大量客製化等需求,協助客戶從智慧製造升級為綠色製造,減少碳排量及碳排成本。


前述案例不難看出,綠色製造與數位轉型、數位工具密不可分。數位虛擬化有助減少浪費,還能串聯全廠,使用最少資源、環保生產流程及統合能源管理,一方面保有競爭力,再方面可以同步打造減碳、循環經濟的營運或商業模式。不難預期,未來可能看到更多業者加速數位轉型,導入工業自動化及AI等數位工具,為落實綠色製造及ESG永續理念持續推動創新作法。


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