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歷史雜誌

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領袖觀點|高效率馬達在製程動力系統節能應用

作者 孫健榮

刊登日期:2023/09/01

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。

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