面對環境變遷衝擊，各國已著手透過相關法案來減少碳排放量，包括美國及歐盟制定了嚴苛的碳關稅法案，試圖使碳密集產業降低碳排放量。台灣為製造業密集且以出口為導向的經濟體，美國和歐盟又分別是台灣第二和第四大出口市場，因此台灣的製造業首當其衝，受影響企業除了積極減碳，更需發展新低碳技術、加強綠色轉型等，以確保產業出口競爭力。本文作者在第57屆國際製造工程研究院(Collège International pour la Recherche en Productique, CIRP)製造系統研討會(Conference on Manufacturing Systems, CMS)中，發表了針對工具機加工能耗的快速建模技術。其中包括三項關鍵技術：(1)使用外掛式感測器，無須變更電力系統即可快速安裝；(2)基於馬達功率特徵降低主軸及進給軸實驗次數；(3)使用田口穩健設計方法大幅縮短切削實驗次數。使得建模時間縮短了85%，並透過在十台不同廠牌型號工具機上進行驗證，能耗模型平均誤差僅約3.98%，證明了其泛用性及可靠性。基於此工具機能耗快速建模技術，可協助企業快速導入，進行精準能源消耗預測系統，不僅能夠對能源成本更有效掌握，還可以進一步結合企業需求，用以調整加工參數及製造流程，從而降低生產過程中的碳排放量及成本，增加企業競爭力。
氣候變遷已成為全球永續發展的最大威脅，目前全球已有超過130個國家宣示將於2050年前達到溫室氣體淨零排放目標，以應對全球氣候緊急狀態。在這樣的背景下，歐盟為了在2050年實現氣候中和與零碳排放，計畫在2030年前將碳排放量較1990年減少55%。其中一項重要措施是歐盟碳邊境調整機制(Carbon Border Adjustment Mechanism, CBAM)，該機制對進口到歐洲的產品和服務徵收碳費。CBAM已於2023年5月17日生效，並將於2023年10月1日正式實施。此機制在前三年為過渡期，期間進口商需在每季度結束後一個月內提交CBAM報告，內容包括該季度進口的數量、產品碳含量、間接排放以及在出口國繳納的碳價。自2026年1月起，CBAM將正式全面徵收碳關稅。
美國參議院於2022年6月7日推出了清潔競爭法案(Clean Competition Act, CCA)，計劃實施碳關稅。目前法案已經通過二讀，預計今年內將完成三讀。一旦國會正式通過，美國海關將於2024年開始徵收碳關稅。這項法案優先針對碳密集的初級產品，並計劃逐步擴展至下游碳密集產品，未來可能涵蓋金屬材料產業的二次加工品項。
與歐盟的碳邊境調整機制(CBAM)相比，美國的CCA法案沒有過渡期，實施速度更快，且涵蓋的產業範圍更廣。未來甚至可能包括高耗電的電子資訊產品和電動車零組件。未來，未進行碳盤查與減碳的企業，不僅公司形象會受損，其出口貨物將會被海關課以高額碳稅，甚至可能導致進口商不再向這些企業下訂單，將其排除在供應商名單之外，將對企業的生存造成嚴重影響。
碳關稅對台灣的衝擊
根據財政部統計資料，美國及歐盟均是台灣主要出口市場[1]，2023年美國是台灣第二大市場，對美國出口金額高達762.3億美元，2024年1-6月的最新統計，美國甚至躍升為台灣第一大出口國，對美國出口金額已達521億美元，創歷年同期新高，且出口金額持續增加中。歐盟則是台灣第四大出口市場，2023年對歐盟出口金額也高達368.2億美元，美歐兩者合計貢獻台灣出口金額超過千億美元，占台灣總出口金額的26%，由此可見美歐是台灣相當重要的經濟夥伴。一旦歐盟CBAM及美國CCA正式上路，估計台灣每百美元出口就有21美元將面臨碳關稅規範，台灣的製造業勢必受到最大且最直接的衝擊。
此外，製造業在產品生產過程中消耗了大量的能源和資源，並產生大量的碳排放。根據美國能源訊息署(Energy Information Administration, EIA)發布的能源年鑑[2]，工業用電量占總用電量的31%，其中製造業用電量占工業用電量的90%，而工具機用電量占製造業用電量的75%。反觀台灣是以出口為導向的經濟體，也是關鍵零組件的世界領先製造國，亦極度依賴工具機的生產製造。根據我國經濟部統計[3]，2023年台灣部門別電力消費中，工業部門佔比高達55.31%[3]，比美國的31%還高，其中金屬基本工業和金屬製品製造業合計約15%，而廣義工具機使用的場域也包括化學材料、塑膠製品、非金屬礦物製品等，合計超過40%。因此，生產線的減碳任務，是國內製造業遲早必須面對的現實。
企業因應辦法和需求
經濟部產發署為協助產業因應國際淨零趨勢、碳關稅管制及國際品牌商對供應鏈之要求，建構了製造部門碳盤查專區[4]，這些專區包含國內外相關碳排議題、碳盤查懶人包、數位工具、數位教材及線上諮詢等內容，利用一致性的標準與方法計算各種排放量，並登錄環保署盤查登錄平台。
此舉目的是讓產業了解自身的溫室氣體排放狀況，找出減量的潛力環節，並訂定減量措施，以應對未來產品出口所要面對的國際碳管制措施。針對排放量較小的製造業、因供應鏈要求而進行碳盤查的企業或其他自願進行盤查的中小企業，產發署做出更簡明的規範，業者僅需將用電資料輸入環保署系統，透過電力排放係數計算碳排放即可，盤查資料不強制要經查驗機構查驗，可由環保署協助查核後登錄於資訊平台。而對於年排放量超過2.5萬公噸二氧化碳的工廠，則需每年盤查並登錄揭露排放量。
然而，隨著氣候變遷的加劇，未來有可能會需要更詳細的排放量計算規範。因此，為了達到此目的，就必須在在對生產線影響最小的前提下，導入能源消耗監控系統，進行更全面、精準的能源紀錄。
從企業角度而言，產能仍為最重要的前提下，無論是採購時程或人力操作，都需要配合機台的運作以維持產能，企業若要導入能源監控系統，往往選擇機台停擺時間最短的方式，通常是裝設智慧電錶。然而，智慧電錶雖然安裝方便，也能夠快速佈署在廠內，但卻無法精準識別設備的運作模式，例如，CNC銑床在切削工件時，是透過切削刀具的高速旋轉以及進給軸的相對運動，搭配冷卻系統的輔助完成工件的成型，但智慧電錶無法明確的區分CNC銑床各部件運作造成的能耗，因此企業難以利用電錶的數據對加工參數進行優化。此外，產品從原料到成型之間，會經過鑄造、切削、磨削、車削等多種機械設備，中間也可能使用機械手臂或無人車做工件的傳輸，這些機械設備的能源消耗模式也完全不同，不易透過智慧電錶來建立不同設備能耗模型。
因此，最理想、對產線影響最小的方案應是建立產線的能耗模型，在加工前即可進行能耗預測估計，進一步可針對製造流程、加工參數進行對能耗的優化。
工具機能耗快速建模
建立能耗模型往往需要一定數量的加工實驗，以獲得足夠的數據來進行訓練。然而，此過程需要停機來進行，進而影響稼動率乃至於需要付出額外製造成本。為了解決此問題，作者在第57屆國際製造工程研究院(CIRP)製造系統研討會(Conference on Manufacturing Systems, CMS)中，發表基於數控銑削過程的能耗快速建模方法[5]，就此針對此文章內容進行介紹。
...更多內容，請見《 機械新刊 》雜誌
