領袖觀點｜高效率馬達在製程動力系統節能應用

低碳製造勢在必行
因全球暖化問題嚴重，各國紛紛宣示以淨零與碳中和為目標，預定在2050年達到淨零排放，國際大型企業也陸續設定自身的淨零排放目標，加入減碳行列。此外，歐盟為防止產業碳洩漏並促使全球產業往低碳製造轉型，歐盟執委會於2021年7月14日提出碳邊境調整機制（Carbon Border Adjustment Mechanism, CBAM）計畫，規範碳密集型產品若進口到歐盟，必須購買憑證（CBAM Certificates）才能將其產品銷往歐洲市場，降低碳洩漏風險。除了歐盟之外，美國亦正在研擬碳關稅CCA（Clean Competition Act），預計2024年開始徵收碳稅。與歐盟的CBAM不同，CCA並無試行期間。因此，淨零碳排早已不再是口號，而是真正地進入各國政府政策規劃及經濟活動中。

2050年正好是工業設備投資的另一個循環開始，現在到2030年間是達成2050年淨零排放的關鍵與機會，企業進行設備汰舊換新的投資決策時，順勢導入低碳生產設備或創新技術，才可大幅降低工業CO2排放。

馬達最低能效標準（MEPS）法規趨勢
依國際能源總署（International Energy Agency, IEA）2050淨零排放路徑規劃（Net-Zero Emissions by 2050 Scenario, NZE），工業部門的CO2排放量在2030年必須下降20%，2050年下降93%；未來30年達成全球能源系統脫碳的主要支柱為：能源效率提升、行為改變、電氣化、再生能源、氫及氫基燃料、生質能源、碳捕獲再利用與封存（Carbon Capture, Utilization and Storage, CCUS）等7大項。其中，能源效率提升是最先被導入的措施，主要是因為從現在到2030年期間，能效提升在減少能源需求與排碳量上，扮演最重要的角色。

依據IEA對全球電力需求統計，其中53%的電力為馬達驅動系統所消耗。另以臺灣的工業用電為例，每年約有70%消耗在馬達上。臺灣目前的能源消耗仍以電力為主，因此馬達效率的高低，直接影響能源的使用效率。目前各國政府除了各自的「最低容許耗用能源基準」（Minimum Energy Performance Standard, MEPS），亦搭配國際電工委員會（International Electrotechnical Commission, IEC）國際通用分級制，將「馬達額定效率」由低至高分為IE1~IE4四個級距（每提升一個級距，馬達的能源損失需要減少20%）。歐盟已規劃於2023年7月將馬達MEPS提升至IE4 (針對75~200 kW範圍的馬達)。臺灣則參考歐盟的相關規範，計劃於2025年將馬達的最低能效標準提升至IE4。美國能源局也預計於2023年9月正式釋出新版法規，將100~250 HP範圍的馬達最低能效要求由Premium（等同IE3）提升至同等於IE4的Super Premium能效。在可預見的未來，馬達最低能效標準將會再進一步提升至IE5（甚至是IE6），藉以提升馬達驅動系統的能源效率。

高效率馬達技術發展趨勢
隨著各國政府最低能源效率標準提升，以及企業對能效的重視，國際上主要的馬達製造商紛紛致力於更高效率馬達的開發。除了目前廣泛使用的感應馬達之外，永磁馬達及同步磁阻馬達等，亦為發展高效率馬達方案的選項之一。

以感應馬達為例，在持續提高能效的技術發展歷程中，往往被認為已達到瓶頸，無法再往更高能效發展（如IE5效率或IE5效率以上），但透過先進的電腦輔助設計優化磁路、高度自動化設備提升品質穩定性及低鐵損與薄型矽鋼片的發展下，以東元為例，已成功開發符合IE5效率的感應馬達，憑藉其不需驅動器啟動的優勢，在危險環境的防爆應用上仍為首選。

永磁馬達主要原理是利用永久磁鐵產生磁場，因此不同於感應馬達，無須通電就帶有磁場且磁通密度高，因此馬達效率高且體積較感應馬達小，同時可以在短時間內達到高轉速、出力更快、耗能更少。不過永久磁鐵需要使用釹鐵硼這類稀土金屬打造，在資源有限的情況下，導致製造成本較高。

不同於永磁馬達透過永久磁鐵產生磁場，同步磁阻馬達在優化的磁障層設計及與驅動器間搭配的優化，也能在無磁石輔助的條件下達到IE5能效，隨著稀土元素開始被視為戰略物資的今天，儼然已成為高效率馬達的後起之秀。

馬達節能應用
依據IEA的研究，改善馬達驅動系統可提升用電效率20%~25%，其中提升用電效率最有效的三種改善方法分別是，使用變速控制（節能比例10~50%）、換用高效率馬達（節能比例2%~8%）及傳動效率改善（節能比例2~10%）。

1.使用變速控制
流體機械（風扇、泵浦及空壓機等）其流量與轉速一次方成正比，風機或泵浦耗能與流量（轉速）三次方成正比。利用此特性，將流體機械搭配變頻器進行轉速控制，可以達到相當可觀的節能效益。以空調系統為例，透過減少送風量、水量或冷媒量即可達到節能效果。一般而言，以變頻器驅動風扇或泵浦調整轉速，可節省能源25%~50%。此外，將多部泵浦並聯使用，亦可達到節能效果。例如，將兩部泵浦以50%額定流量操作，大約只需要單部泵浦100%運轉所需的1/4功率。