Cambiar el diseño de productos hacia la sostenibilidad neta cero

Por Pete Bartolik

Colaboración de Editores de DigiKey de América del Norte

2024-04-24

Las principales fuerzas se están alineando para garantizar una importante exigencia empresarial de sostenibilidad en las próximas décadas. Gobiernos, empresas y ciudadanos de todo el mundo se están uniendo para apoyar un objetivo de emisiones netas de carbono cero para 2050. Los diseñadores de productos harían bien en incluir la sostenibilidad neta cero en sus futuros planes de producto o arriesgarse a perder negocio frente a competidores más capaces de responder a las intensas presiones del mercado.

La Asociación Nacional de Fabricantes (NAM) informó a finales de 2022 que el 58% de los ejecutivos de fabricantes encuestados creen que la sostenibilidad es esencial para la competitividad futura, un porcentaje sustancialmente mayor que el de una encuesta similar realizada en 2019^[i] La sostenibilidad, en el caso de los fabricantes y productores, se refiere a la capacidad de continuar los procesos y prácticas a lo largo del tiempo sin agotar recursos como la energía, los materiales y el agua de los que dependen.

El término "cero neto" se codificó en 2015 bajo el auspicio de las Naciones Unidas, cuando 196 países adoptaron el Acuerdo de París, un tratado internacional jurídicamente vinculante^[ii]. Posteriormente, en 2017, un Grupo Intergubernamental de las Naciones Unidas fijó el año 2050 como meta para alcanzar los objetivos de cero neto para las emisiones de dióxido de carbono (CO₂) y profundas reducciones de las emisiones distintas del CO₂. A pesar de la falta de un mandato de aplicación universal, los gobiernos y las empresas adoptan cada vez más el objetivo de cero emisiones netas:

Treinta países, entre ellos Estados Unidos, se han comprometido a alcanzar un objetivo de cero emisiones netas en sus operaciones gubernamentales para 2050 y a reducir las emisiones en un 65% para 2030.
La mitad de las 2.000 empresas del mundo que cotizan en bolsa se han fijado objetivos de emisión neta cero, lo que representa el 66% de los ingresos anuales de esa categoría de las 2000 principales^[iii].
El 45% de los encuestados por NAM afirman que sus empresas se han fijado objetivos formales de cero emisiones netas, y el 30% tiene previsto conseguirlo para 2030^[iv].

Implicaciones comerciales de la red cero

Las ramificaciones empresariales de la sostenibilidad neta cero son enormes.

Se calcula que los organismos de defensa estadounidenses gastaron 210.000 millones de dólares en productos en 2022, mientras que los organismos civiles gastaron 49.000 millones^[v]. La Comisión Europea, al proponer un ecosistema de fabricación de productos de tecnología neta cero, prevé que el mercado mundial de tecnologías netas cero fabricadas en serie ascenderá a 600.000 millones de euros anuales en 2030^[vi].

Los fabricantes deberán producir bienes para vehículos eléctricos e infraestructuras, redes eléctricas modernizadas, controladores de edificios y bombas de calor, entre otros. Además, la inversión en tecnología de captura de carbono impulsará la necesidad de nuevos diseños de productos y soluciones para modernizar las plantas de fabricación existentes.

El cambio a cero neto requerirá una reasignación masiva de capital, que probablemente ascenderá a cientos de billones de dólares estadounidenses y equivalentes para 2050. Esto exigirá una transformación masiva de la forma de hacer negocios de los industriales, desde cómo alimentan sus plantas y herramientas hasta la adopción de materiales más ligeros y resistentes.

Toda la cadena de producción se verá afectada. Los fabricantes que midan su progreso hacia el cero neto tendrán que calcular su huella de carbono global, incluido el progreso hacia el cero neto de sus proveedores. Las empresas que quieran beneficiarse de oportunidades de negocio distintas de cero tendrán que demostrar que se están moviendo para alcanzar objetivos de cero neto.

Las empresas tendrán que calcular el impacto de carbono de todo el ciclo de vida del producto, desde el abastecimiento de materiales hasta la gestión al final de su vida útil. Los diseñadores deben aprender nuevas técnicas, adaptar o sustituir los procesos existentes y renovar las operaciones para hacer de la sostenibilidad un concepto central del diseño. Entre los principales ámbitos de buenas prácticas figuran:

Adoptar prácticas de economía circular que reduzcan el uso de materiales y recuperen los productos de desecho para utilizarlos en la fabricación de nuevos materiales y productos.
Optimizar los procesos para descarbonizar el desarrollo de productos, lo que incluye minimizar el consumo de materiales y el uso de recursos durante la fabricación de los productos.
Innovación en nuevos conceptos de diseño e inversión en nuevas herramientas y tecnologías para lograr productos y procesos más eficientes desde el punto de vista energético.
Fomentar una mentalidad de balance cero centrándose en cuestiones de gestión del cambio, como elevar el nivel de los defensores de la sostenibilidad en la organización, abordar los temores y la resistencia de los trabajadores, y reciclar e incorporar las nuevas competencias necesarias para alcanzar los objetivos de balance cero.
Ampliación de la utilidad de los sistemas mecánicos con servicios digitalizados que ofrecen nuevas características y funciones en función de las necesidades.

Aprovechar los avances de los Proveedores

Analog Devices, Inc. (ADI) es una empresa líder mundial en semiconductores con un volumen de negocio de 12.000 millones de dólares (año fiscal 2023) que combina tecnologías analógicas, digitales y de software para tender puentes entre el mundo físico y el digital. Sus productos ayudan a impulsar los avances en fábricas digitalizadas, automatización de edificios, movilidad y sanidad digital. Se ha comprometido a alcanzar el objetivo de cero emisiones netas para 2050 o antes, a reducir las emisiones de carbono de alcance 1 y 2 en un 50% para 2030 y a desviar el 100% de los residuos de las instalaciones de fabricación de ADI para 2030.

El objetivo de ADI es reducir el consumo de energía, prolongar la vida útil de los activos y reducir el uso de materias primas mediante un control del movimiento eficiente desde el punto de vista energético, una supervisión del estado de los activos de precisión y bajo consumo, y sensores, actuadores y controles inteligentes y adaptables.

Con una amplia cartera, ADI proporciona a los diseñadores de productos una amplia gama de componentes destinados a mejorar la eficiencia energética en aplicaciones de automatización industrial y edificios inteligentes:

Variadores de velocidad: Se calcula que los motores eléctricos representan alrededor del 65% del consumo industrial de electricidad^[vii] Históricamente, la mayoría de esos motores son dispositivos de rotación fija, y equiparlos todos con variadores de velocidad podría reducir el consumo mundial de energía hasta en un 10%^[viii] Las soluciones de variadores de velocidad de ADI incorporan detección de corriente y voltaje de alto rendimiento, aislamiento robusto, gestión de energía de alta densidad y conectividad sin fisuras.

Los amplificadores de detección de corriente de alta tensión y gran ancho de banda, como el AD8410A y el AD8411A, realizan mediciones de corriente bidireccionales a través de una resistencia de derivación para proporcionar una retroalimentación que puede mejorar el rendimiento de la unidad y determinar el ancho de banda y el tiempo de respuesta de los motores, garantizando que el motor funcione con la máxima eficacia. La gestión de la alimentación en gabinetes/recintos más pequeños es un aspecto clave del diseño. ADI ofrece circuitos integrados reguladores de voltaje de conmutación flyback como el MAX17692 que detectan el voltaje de salida aislado directamente de la forma de onda flyback del lado primario durante la conducción del rectificador del lado secundario. Sin necesidad de un amplificador de error del lado secundario ni de un optoacoplador, los diseñadores pueden ahorrar hasta un 20% de espacio en la placa de circuito impreso (PCB) en comparación con un convertidor flyback tradicional^[ix].

Codificadores de posición: Los servomotores de alta eficiencia con control preciso de posición y par de torsión pueden optimizar el consumo de energía al permitir un mecanizado más rápido de componentes complejos. La tecnología de acondicionamiento de señales y conversión de precisión de ADI mide con precisión señales de pequeña magnitud en entornos industriales ruidosos. Las ofertas de ADI ayudan a desarrollar soluciones de encóder de posición de alto rendimiento que proporcionan un rendimiento avanzado del bucle de control, alta eficiencia y tecnología de gestión de energía altamente integrada que puede reducir el consumo de energía requerido en el proceso de mecanizado e impulsar el rendimiento de la fábrica.

Las tecnologías de ADI pueden ayudar a acelerar la comercialización de soluciones de encóder de posición de alto rendimiento. La empresa ofrece soluciones de cadena de señales de encóder para tipos de sensores como ópticos, magnéticos, resolvers y transformadores diferenciales de variación lineal. La salida triple ADP320 de baja caída (LDO) presenta una baja corriente de reposo, un bajo voltaje de caída y un amplio rango de voltaje de entrada para alimentar todos los componentes de las cadenas de señales de codificadores ópticos y magnéticos.

En la Figura 1 se muestra un diagrama de bloques simplificado del MAX32672 de ADI. Se trata de un microcontrolador de 32 bits diminuto, de consumo ultrabajo, altamente integrado y fiable, que permite diseños con procesamiento de sensores complejos sin comprometer la duración de la batería, y puede proporcionar una vía fácil y de coste óptimo desde los microcontroladores de 8 o 16 bits de los diseños heredados.

Figura 1: Diagrama de bloques simplificado del microcontrolador MAX32672. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

Los diseñadores que incorporen codificadores en los motores para respaldar las capacidades de fabricación avanzadas se beneficiarán de los factores de forma reducidos de los codificadores.

Gestión de potencia integrada: ADI proporciona soluciones de gestión de micropotencia altamente integradas en CI de huella compacta, incluyendo reguladores de bajo ruido como el LT3029, para aplicaciones como reguladores lineales de propósito general, sistemas alimentados por baterías y fuentes de alimentación de núcleo/lógica de microprocesador, así como el LT3024, que es adecuado para teléfonos móviles, módems inalámbricos y sintetizadores de frecuencia.

Conectividad fiable: ADI ofrece transceptores RS-485 semidúplex y dúplex completos para una transmisión de datos fiable a altas velocidades de datos. Los ADM3066E y ADM3067E, por ejemplo, ofrecen comunicación de datos bidireccional de alta velocidad a 50 Mbps en líneas de transmisión de bus multipunto y presentan una impedancia de entrada de carga de 1/4 de unidad que permite hasta 128 transceptores en un bus. Los diseñadores pueden aprovechar varias placas de evaluación, como la EVAL-ADM3066EEBZ (Figura 2), para evaluar y demostrar las capacidades de estos transceptores.

Imagen de la placa de evaluación EVAL-ADM3066EEBZ de ADI Figura 2: La placa de evaluación EVAL-ADM3066EEBZ de ADI tiene una huella para el transceptor semidúplex RS-485 ADM3066EBRMZ en un encapsulado MSOP de 10 terminales. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

Controladores de edificios: Hacer más sostenibles los edificios nuevos y existentes requiere tecnologías de medición, conectividad y procesamiento para controlar la calefacción, la ventilación y el alumbrado, detectar la ocupación y supervisar las condiciones ambientales. Esto impulsará la demanda de dispositivos de borde inteligentes para permitir la digitalización de los sistemas de construcción.

Los sistemas de automatización de edificios suelen incorporar múltiples controladores y nodos dispares, cada uno de los cuales requiere una conectividad fiable. El ADIN1110 es un transceptor de puerto único de bajo consumo con una interfaz de control de acceso a medios (MAC) integrada que requiere un menor consumo total de energía a nivel del sistema, y tiene circuitos integrados de monitorización de la fuente de alimentación y reinicialización por activación para mejorar la resistencia a nivel del sistema.

Los edificios inteligentes necesitan una gestión eficiente de la energía. El LTC4296-1 de ADI permite la fuente de alimentación de par único Power over Ethernet (SPoE) para controladores y conmutadores 10Base-T1L, con transmisión de hasta 52 W de potencia más datos a través de un único cable de par trenzado Ethernet. El LTC9111 es un controlador de dispositivos de alimentación SPoE compatible con IEEE 802.3cg especialmente adecuado para sistemas basados en clasificación en la automatización de edificios y fábricas.

Conclusión:

La creciente demanda de sostenibilidad neta cero para 2050 representa una enorme oportunidad para los productos que apoyan la innovación en la fabricación, el reequipamiento y el avance de nuevas tecnologías. Aunque el año 2050 pueda parecer lejano, los datos citados en este artículo subrayan que las presiones gubernamentales, empresariales y sociales ya están haciendo que muchas empresas incorporen a sus estrategias actuales objetivos de emisiones netas cero en 2050 y neutralidad de carbono en 2030. En última instancia, es probable que cada proveedor tenga que demostrar sus avances hacia esos objetivos. Los diseñadores de productos que incorporen proactivamente estos objetivos a su planificación, procesos y suministro de componentes podrán beneficiarse de una de las mayores transformaciones industriales de la historia.

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