1度に1台のモーターで地球を守る
電動モーターは少なくとも1800年代後半から製造業の用途で一般的に使用されてきました。従来の方法と比較して、電動モーターは瞬時のトルク、より高い制御性、そして低いメンテナンスコストなど数々の利点を提供しました。モーター技術は確かに年々進化を遂げてきましたが、依然として大きな進歩を果たす余地があります。Analog Devicesによるこの記事では、電動モーターをより効率的にするプロセスが、気候変動に寄与する排出量削減にどのように役立つかについて考察しています。
2015年のパリ協定では、2050年までに地球温暖化を1.5°Cに抑える計画が策定されました。2050年に1.5°Cの目標を達成するには、2018年のレベルからCO2排出量を約70%削減する必要があります。現在の地球温暖化の進行状況は、重大な経済的、社会的、環境的混乱を引き起こす可能性があります。世界の気温はすでに1.1°C上昇しており、専門家によれば、2030年代に1.5°Cを超える可能性が高いとされています。
図1では、世界エネルギー見通し2019において取り上げられているCO2排出量を10 Gt CO2未満に削減し、1.5°C目標を達成する道筋が示されています。そのレポートでは、国際エネルギー機関（IEA）が世界の排出量の軌跡に関する2つのシナリオを検討しています。1つ目は、「既定策シナリオ（Stated Policies Scenario）」で、公に発表された政府政策に基づいて排出量を推定します。2つ目は、「持続可能な開発シナリオ（Sustainable Development Scenario）」で、排出量削減のための追加的な道筋を検討します。IEAの持続可能な開発シナリオの一環としてCO2排出量を削減する最大の機会は、エネルギー効率の向上であり、「既定策シナリオ」と比較して「持続可能な開発シナリオ」の排出量削減の37%を占めています。2022年にはCO2排出量の25%が産業から発生していることから[2]、産業のエネルギー効率向上への投資を加速することが、2050年ネットゼロ排出に向けた道筋の重要な一部となるでしょう。
図1: CO2排出削減への道筋
なぜ産業用モーターが重要なのか
2022年の世界の電力供給量は28,642テラワット時であり、これにより13.2 Gtの炭素排出が発生しました。産業は世界の電力の約30%を消費しており、その産業内では電動モーターが電力消費の約70%を占めています。これらのコンポーネントの効率性は、図1で特定された効率向上効果に重大な貢献を果たす可能性があることは明らかです。最も基本的で効率が低いモーションソリューションは、スイッチギアを用いてオン/オフ制御および基本的な保護を提供する、直接ACグリッド接続の3相モーターに基づいています。これらのモーションソリューションは、負荷変動にかかわらず、比較的一定の速度で運転されます。出力変数（例えばポンプやファンにおける流体の流れ）の調整はスロットル、ダンパー、バルブなどの機械的な制御によって行われ、重大な速度変更はギアを用いて実現されます。
図2: 世界のエネルギー使用における産業用モーターの役割
図3(b)に示されているように、整流器、DCバス、および3相インバータステージを追加することで、可変周波数および可変電圧出力を持つインバータが作られます。この出力はモーターに適用され、可変速制御を可能にします。このインバータ駆動モーターは、負荷や用途に応じた最適な速度でモーターを稼働させることで、システムのエネルギー消費を大幅に削減します。例としては、高効率なポンプやファンが挙げられます。ポンプ、ファン、またはコンプレッサーの既存のモーターにインバータを追加することで、使用するモーターや用途によりますが、電力消費を25%から60%削減する可能性があります。より高性能なモーション制御用途では、VSD（図3(c)）がトルク、速度、および位置の正確な制御を可能にします。
図3：（a）グリッド接続型ACモーター （b）インバータ供給モーター （c）可変速モータードライブ
産業界で使用されているすべてのモーターのうち、インバータ駆動または可変速度ドライブ (VSD) に接続されているものは約6台に1台と推定されています。グリッド接続モーターからインバータ駆動またはVSDへの移行を進めることで、エネルギー消費とCO排出量を大幅に削減することが可能です。これらのエネルギー消費削減により、CO2排出量を減らした持続可能な製造が実現されます。すべてのモーター駆動システムが最大効率で運転された場合、2030年には世界の電力需要が10%削減され、CO2排出量を2490 Mt削減することができると推定されています。
モーター効率基準
より効率的なモーター駆動システムの普及を加速させるために、国際電気標準会議（IEC）はエネルギー効率の高い電動機に関する基準の定義に貢献しています。この基準には、電動機に関するIEC 60034-2-1試験規格と、モーター効率の4段階（IE1からIE4）の分類スキームを含むIEC 60034-30-1が含まれており、将来的にはIE5のレベルも導入される予定です。高効率の基準を達成するためには、効率的なモーター設計による場合や、標準モーター設計にインバーターや可変速ドライブ（VSD）を追加する方法があります。効率クラスがますます厳しくなるにつれて、モーター設計のみで基準を満たすことはますます難しく、高コスト化しています。可変速制御によるアプリケーションにおける追加の利点に併せて、ほとんどの産業用モーターにVSDを取り付けることの必要性はますます説得力を増しています。
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