TW202305676A

TW202305676A - 智慧綠能碳排放計算系統

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Publication number: TW202305676A
Application number: TW110127736A
Authority: TW
Inventors: 陳毅君; 許國洲
Original assignee: 潔能氏新能源股份有限公司; 蟲洞科技股份有限公司
Priority date: 2021-07-28
Filing date: 2021-07-28
Publication date: 2023-02-01
Also published as: TWI820458B

Abstract

本發明提出了一種智慧綠能碳排放計算系統，包含以下元件：控制模組，提供系統之運作與管理；供電平台模組，提供系統運作所需的電力，同時作為綠電與非綠電的調度平台，管理生產設備在各個時點中的消耗電力。生產設備管理模組，連接控制模組，監控生產設備的設備運作參數；當量管理模組，連接控制模組，儲存綠電與非綠電對應至產品製程時的碳排當量；碳排放量計算模組，用以計算出產品製造過程中的碳排放量。

Description

智慧綠能碳排放計算系統

本發明涉及一種智慧綠能碳排放計算系統，更詳而言之，為一種綜合產品結構、生產結構及電力結構，自動計算出產品生產過程中碳足跡的智慧綠能碳排放計算系統。

近年來，由於環保議題興起，對於人類能源供應、產品生產、運輸過程中的碳足跡(Carbon Footprint)儼然成為最重要的環境保護指標之一。為此，世界各國在追求經濟發展的同時，必須同時考量藉由制定相關的環境保護政策降低溫室氣體的排放以減緩氣候變遷的問題，許多國家已實施多項法規或相關規範來進行「碳定價」(Carbon Pricing)，而碳定價的主要工具則是透過「排放交易機制」(Emission Trading Scheme，ETS)或「碳稅」(Carbon Tax)兩種，例如歐盟即是全球第一個具有國際ETS體系的碳排放交易市場。做為未來產業趨勢的ETS運作機制，涉及到受管制對象所獲得免費碳額度(Allowance)之發放，即在單位時間內所能排碳的數量管制，而對於電力業、製造業等高耗能的管制對象，則設有對應的碳排放量的交易規則，允許受管制對象可透過拍賣市場在法定配額外，得以取得額外的碳排放量，以利ETS成員國家管制每年的碳排放總額。

以上述的製造業來舉例，為了計算每種不同的產品在其生產過程中，加工機台的運作狀況與其原料、物流來源，以利評估受管制對象的廠房的碳排放量，並依據評估的結果進行碳排放量的交易，因此為了達到上述目的，對於廠房在生產過程中必須能夠透過即時監控每條生產線中的加工機台運作參數，並加以輸出至控制終端中以便管理加工機台中所消耗的電力數量，並將所消耗的電力數量換算為等量的碳排放量。

就目前現有的碳排放管理相關技術而言，中華民國專利公告號M609203揭示了一種減少環境碳排放量的輔助系統，其系統可由行動裝置進行管理操作，並包含了商品碳足跡比對單元、碳權資料庫、碳權交易模組等等的元件。其中碳權資料庫提供用戶端從現有的生產排程中進行碳排放量的預測與試算，碳權交易模組則連接所述的碳權資料庫，並根據上述的試算結果判斷，若當試算的碳排放量超過或不足於法定的配額時，則可透過碳權交易模組購入或販售碳排放權以進行交易。

然而，對於製造業或是其它消耗電量較龐大的產業來說，目前市場上的供電來源並不僅限於一端，其實質包含了國營電廠(例如台灣電力公司)、民營電廠或自力發電的情況，由於不同的電力來源所對應的碳排放量並不一樣，使其增加了製造業的電力來源的管理難度。尤其近年來，人們開始重視分散式能源(Distributed Generator)、可控式負載、儲能設備(Battery Energy Storage System)等等的整合，亦即，將用戶端與供電端中所包含的發電機、變電所、儲能設備等各種綠能與非綠能所產生的電力整合於一套管理系統之下，使閒置的電力能有效地調度，透過整合用戶端的負載狀況，與電力調度中心簽訂購電、需量反應的合約，於所需時刻提供的電力。此外，在綠電方面開放電證分離的制度以後，綠電電廠每生產一度綠電，就會伴隨一度的綠電憑證，並將綠電，以及其對應的憑證分開來賣給不同的用戶端，導致雖然用戶端在法規層面上可宣稱使用綠電，但其電力的來源在技術層面上並不見得為真正的綠電。因此，若僅就綠電的來源而言，其可能來自於用戶端和外部的供電端所採購，亦可能為自力發電，其採購或自行發電的來源又可進一步區分係由電證合一或電證分離而來，而若以發電方式來區分種類又包含了來自於太陽能發電、潮汐發電、風力發電或其餘來源，而若考量到非綠電的電力來源問題則需設定的計算變數會更多，故若單單的純以製造業本身的加工機台參數與電力消耗狀況，而不詳加考量電力的確切來源，則勢必無法精準計算其實質上的碳排放量。

諸多美商，例如，蘋果公司宣布包含台積電、鴻海、和碩等多家台灣供應商已加入潔淨能源計畫，承諾未來將百分之百使用綠電生產蘋果產品。蘋果宣布所有產品製程將於2030年達成「碳中和」目標，亦即10年後出售的每一Apple裝置，對氣候的影響都必須是「零」，比起《巴黎協定》(Paris Agreement)的2050年減碳目標超前20年。另外，《再生能源發展條例》也訂出用電大戶強制用綠電條款，規範一定用電量以上的大戶需使用一定比例綠電，讓全台綠電需求更為迫切。蘋果所定義的潔淨能源，指的是風力、太陽能、生質燃料電池及低衝擊的水力發電，並未包含核能，受多家台廠加入蘋果供應鏈潔淨能源計畫影響，多數廠商各處尋求綠電。

綜合以上，儘管目前的技術中，已經出現了碳排放量的碳權交易系統，也具有諸如管理分散式能源的智慧電網等系統，但仍然缺乏根據製造業或用戶端的實際生產設備的運行狀況、電力使用狀況進一步計算每一商品、每一設備的碳排放量的技術整合平台，使得製造業對於本身的用電控管、產品環保法規的認定，以及符合特定廠商使用綠電的證明等項目依然不夠精確，因此，現在的市場中，仍然需要一種能綜合產品結構、生產結構及電力結構，較為精準地計算出產品生產過程中碳足跡的管理系統。

有鑑於此，本發明提出了一種智慧綠能碳排放計算系統，其包含：控制模組，提供系統之運作與管理；供電平台模組，耦接控制模組，提供系統運作所需的電力，其電力的來源，包含綠電來源端與非綠電來源端，並由智慧電錶紀錄與傳輸生產設備在各個時點中的消耗電力；生產設備管理模組，耦接控制模組，管理與監控生產設備的設備運作參數(例如使用時數、電源功耗)，並加以輸出至控制模組中以便管理生產設備中消耗的電力，其中，生產設備管理模組包含一設備控制單元，以提供用戶端操作生產設備；當量管理模組，耦接控制模組，儲存綠電與非綠電對應至綠電製程(低碳製程)和非綠電製程(排碳製程)時的碳排當量(即一度綠電/非綠電所對應的碳排放量)；碳排放量計算模組，耦接控制模組，擷取設備運作參數、消耗電力與碳排當量，計算出產品製造過程中的碳排放量。

根據本發明內容，為使智慧綠能碳排放計算系統在執行綠電製程或非綠電製程時的用電狀況能為外部的終端所監控，因此供電平台模組耦接一綠電評量系統，其中綠電評量系統包含電力調度管理模組，分別耦接綠電來源端或非綠電來源端，使用戶端能藉由該綠電評量系統取得綠電憑證。上述綠電評量系統用以監控智慧綠能碳排放計算系統的元件，包含製造令單管理模組，用以監控生產設備管理模組中所規劃的生產排程與用電計畫。

根據本發明之內容，上述的生產設備管理模組包含一製程單元，用以監管產品生產過程中的製程順序(工序結構)，供電平台模組則依據其中的製程順序，藉此做出生產過程中的用電預測，其中，用電預測的內容中，包含了製程順序中的用電總量與用電負載的狀況(即用電峰值、用電低谷，平常時段負載)，作為供電平台模組擬定用電計畫的根據。其中，該用電計畫包含電力調度管理模組，用以調度綠電來源端與非綠電來源端的電力比例。在本發明一實施例中，上述的綠電來源端的電力來源包含由用戶端自發自用(如用戶端所自備的太陽能發電機組)與外部採購的電力，使電力調度管理模組能就電力的使用情況，比對用電預測與實體電力中，理論用電與實際用電情況，並透過綠電來源監管端，以取得綠電憑證。

根據本發明之內容，智慧綠能碳排放計算系統還包含產品管理模組，用以管理生產過程中，產品所需使用的原料，包含原料的品項及來源。

根據本發明之一實施例，上述的產品管理模組包含一BOM(Bill of Material)資料庫，依據生產設備管理模組擬定的製程順序，提供控制模組所需原料品項，以及該原料本身在製造、運輸過程中的碳排放量的查詢。

根據本發明之一實施例，上述的產品管理模組還包含材料供應管理單元，用以管理BOM資料庫中的原料來源(供應商)，提供BOM資料庫當同一原料品項，但有不同的來源時，其原料在製造、運輸過程中的碳排放量資訊。

根據本發明之內容，供電平台模組耦接智慧電網與控制模組，作為一電力調度以及電力來源相對應碳排放量的管理平台，所述電力的來源，則包含了綠電與非綠電。

根據本發明之內容，供電平台模組耦接一綠電來源監管端，以針對電力的來源提供政策法規的監管，其中該綠電來源監管端可為一碳揭露專案(Carbon Disclosure Project，CDP)的管理終端。

以上所述係用以說明本發明之目的、技術手段以及其可達成之功效，相關領域內熟悉此技術之人可以經由以下實施例之示範與伴隨之圖式說明及申請專利範圍更清楚明瞭本發明。

100:綠電評量系統

110:製造令單模組

111:生產排程

113:用電計畫

120:電力調度管理模組

121:用電預測

123:實體電力

130:綠電來源端

131:自發自用

133:外部採購

140:非綠電來源端

141:夜間充電

143:日間負載

150:綠電來源監管端

200:智慧綠能碳排放計算系統

201:控制模組

203:供電平台模組

205:碳排放量計算模組

207:智慧電錶

209:產品管理模組

209a:材料供應管理單元

209c:BOM資料庫

211:生產設備管理模組

211a:製程單元

211c:設備控制單元

213:當量管理模組

215:產品

217:原料

401:智慧電網

403:電力儲存模組

405:發電模組

407:購電模組

如下所述之對本發明的詳細描述與實施例之示意圖，應使本發明更被充分地理解；然而，應可理解此僅限於作為理解本發明應用之參考，而非限制本發明於一特定實施例之中。

圖1係說明本發明為達整合電力供應與產品生產過程中，如何進一步計算碳排放量的觀念示意圖。

圖2A顯示綠電評量系統的系統架構。

圖2B顯示智慧綠能碳排放計算系統，包含綠電評量系統以碳排放計算系統架構圖。

圖3進一步說明智慧綠能碳排放計算系統中其各元件間的運作方式。

圖4說明供電平台模組與智慧電網間的連結關係。

圖5說明碳排放量的計算方式。

本發明將以較佳之實施例及觀點加以詳細敘述。下列描述提供本發明特定的施行細節，俾使閱者徹底瞭解這些實施例之實行方式。然該領域之熟習技藝者須瞭解本發明亦可在不具備這些細節之條件下實行。此外，本發明亦可藉由其他具體實施例加以運用及實施，本說明書所闡述之各項細節亦可基於不同需求而應用，且在不悖離本發明之精神下進行各種不同的修飾或變更。本發明將以較佳實施例及觀點加以敘述，此類敘述係解釋本發明之結構，僅用以說明而非用以限制本發明之申請專利範圍。以下描述中使用之術語將以最廣義的合理方式解釋，即使其與本發明某特定實施例之細節描述一起使用。

本發明之具體的目的，請參閱圖1的發明概念說明。本發明提出了一種智慧綠能碳排放管理系統，包含綠電評量系統(100)，以及圖3之碳排放計算系統(200)。圖1中，製造令單模組(110)中，其必須依據生產的所需排定生產排程(111)，藉由生產排程(111)中所需生產的產品(215)種類、原料(217)的來源、生產量、製程順序等要素擬定用電計畫(113)。電力調度管理模組(120)耦接製造令單(110)，以評估電力評估與調度。電力調度管理模組(120)，耦接智慧電錶(207)，用於管理演算分配電力系統。依據前述的用電計畫(113)，可針對產品(215)生產的過程中進行用電預測(121)，此時的用電預測(121)，除了在生產過程中所消耗的電力以外，亦會針對電力傳輸的來源、時點進行評估，例如其來源可能為綠電來源端(130)，或是非綠電來源端(140)，則產品(215)在生產過程中所分別對應的使用綠電或碳排放量較低的綠電製程，與使用黑電或碳排放量較高的非綠電製程，碳排放量計算模組(205)耦合上述的綠電評量系統(100)，可計算評估使用綠電比例。上述之綠電製程模組(180)所需綠電來自自發自用或是綠電採購。綠電來源監管端(150)，耦接電力調度管理模組(120)或是綠電來源端(130)，可透過外部認證對電力來源做第三方綠電認證。例如碳揭露計畫(CDP)組織，要求廠商在產品(215)生產的過程中所實際利用的實體電力(123)中，揭露使用綠電來源端(130)的使用情況。

綠電來源端(130)包含太陽能發電、風力發電等等，其中綠電來源端(130)若以調度對象分類，則可分為電證合一或電證分離。所述的電證係指「再生能源憑證」，為一種證明用戶所使用的電力來自綠電的機制，其記錄綠電的產出量和使用量、確保綠電的發電端與用戶端所產出、使用的電力度數彼此相等，以避免發電端重複賣出或多賣出綠電的情形，其通常以1000度為單位。若為電證合一，則代表發電端所產生的電力與「再生能源憑證」將被售予同一個用戶端，而「電證分離」則將電力與「再生能源憑證」分別售予二個不同的用戶端，上述兩種狀況均對應不同的碳排當量。

在一實施例中，電力調度管理模組(120)必須依據需求對於綠電/非綠電的適配性進行調整，例如綠電來源端(130)中自發自用(131)、外部採購(133)，或是非綠電來源端(140)中的夜間充電(140)、日間負載(190)。夜間充電(140)，用於除能調度與輔助服務；日間負載(190)，作用於生產製造與回充儲能。本發明藉由一電力調度的管理平台，以使最終的製造碳排放量能夠符合各區域法規政策上的管理規範，抑或符合美國、歐洲科技巨頭對於使用綠電的要求，並解決過往技術中，碳排放量無法精準核實，導致無法精確掌握每一產品或每一設備所產生的碳排放量。此外，在本發明中所述的控制模組(201)包含處理器、記憶體、暫存記憶體、顯示器、網路通訊模組、路由端、監控端、服務端、IO設備、作業系統及應用程式等等，以通常已知方式相互連接，以執行運算、暫存、顯示及資料傳輸，與提供智慧綠能碳排放計算系統之運作與管理協調等功能，其同樣用以說明而非用以限制本發明之申請專利範圍，於此先行敘明。基於透過外部電力來源監管單位(150)所核發之綠電憑證，則可以總體知悉所用於生產之綠電比例與份額。

基於本發明目標，請參閱圖2A、圖2B，以及圖3-4，本發明提出了一種智慧綠能碳排放計算系統(200)，其包含：控制模組(201)，提供智慧綠能碳排放計算系統(200)之運作、運算與管理；供電平台模組(203)，耦接控制模組(201)，提供系統運作所需的電力，其電力的來源，包含綠電來源端(130)與非綠電來源端(140)，並由智慧電錶(207)紀錄與傳輸生產設備在各個時點中的消耗電力；生產設備管理模組(211)，耦接控制模組(201)，管理與監控生產設備的設備運作參數(例如使用時數、電源功耗)，並加以輸出至控制模組(201)中，以管理生產設備中消耗的電力，其中，生產設備管理模組(211) 包含一設備控制單元(211c)，以提供用戶端操作生產設備；當量管理模組(213)，耦接控制模組(201)，儲存綠電與非綠電對應至綠電製程(低碳製程)和非綠電製程(排碳製程)時的碳排當量(即一度綠電/非綠電所對應的碳排放量)；碳排放量計算模組(205)，耦接控制模組(201)，擷取設備運作參數、消耗電力與碳排當量，計算出產品(215)製造過程中的碳排放量。此外，在本發明的一實施例中，上述的生產設備管理模組(211)還包含一製程單元(211a)，用以監控與管理產品生產過程中的製程順序(工序結構)，供電平台模組(203)則依據其中的製程順序，藉此做出生產過程中的用電預測。而在本發明的另一實施例中，當供電平台模組(203)於特定時段調整供電，例如提供較高比例的綠電來源端(130)或非綠電來源端(140)的電力時，製程單元(211c)亦可以依據供電的狀況選擇對應的綠電製程與非綠電製程，以利於提供綠電製程或非綠電製程的製程排序，並透過生產設備管理模組(211)將相應的設備運作參數傳輸至控制模組(201)中，以使碳排放量計算模組(205)能依據各個時段的製程狀況計算即時的碳排放量，達到本發明提高綠電或是高碳排放量計算精準度的目的。

其中，請參閱圖2B，其說明了綠電評量系統(100)與智慧綠能碳排放計算系統(200)的連結關係。在本發明一實施例中，綠電評量系統(100)係作為智慧綠能碳排放計算系統(200)的電力管理、綠電來源分配、監管平台，耦接供電平台模組(203)，傳輸控制模組(201)智慧綠能碳排放計算系統(200)的運作狀況。其中該綠電評量系統(100)包含電力調度管理模組(120)，製造令單模組(110)則接收製程單元(211a)與中，生產設備正在執行的綠電製程或非綠電製程的製造排程，以及供電平台模組(203)所供給的綠電來源端(130)與非綠電來源端(140)的綠電/非綠電比例，比對電力調度管理模組(120)中，用電預測(121)與實體電力(123)的理論用電與實際用電情況，並透過綠電來源監管端，以取得綠電憑證。

請參閱圖1與圖4，根據本發明之內容，供電平台模組(203)的電力的來源，包含綠電來源端(130)與非綠電來源端(140)。綠電來源端(130)又包含自發自用(131)與外部採購(133)兩個來源。如上所述，若為電證合一，則代表發電端所產生的電力與「再生能源憑證」將被售予同一個用戶端，而「電證分離」則將電力與「再生能源憑證」分別售予二個不同的用戶端，上述兩種狀況均對應不同的碳排當量，於本發明實施例中，供電平台模組(203)依據消耗電力來源的不同，提供碳排放量計算模組(205)提供對應的碳排當量，以計算出產品(215)於製造過程中的碳排放量。

請參閱圖5，其中，根據本發明之一觀點，無論生產設備係為執行綠電製程或非綠電製程，生產設備於運作過程中依據設備運作參數的不同，以及消耗綠電/非綠電的比例不同，在每個單位時間內均會排放或產生出不同重量的等效溫室氣體或物質，例如二氧化碳(CO₂)、甲烷(CH₄)、氧化亞氮(N₂O)、氯氟碳化物(CFC)、二氧化硫(SO₂)、二氧化氮(NO₂)、水氣等等，而以國際上計算碳排放量時，均會透過一碳排當量，將同等重量的溫室氣體或物質換為等效的二氧化碳重量，因此當量管理模組(213)儲存有各個物質相對於二氧化碳的碳排當量，例如甲烷在特定時間內(通常被定義為100年)影響溫室效應、臭氧層破壞，或酸雨等現象的趨勢為二氧化碳的25倍，氧化亞氮為二氧化碳的298倍，亦即一單位的氧化亞氮相當於298二氧化碳當量單位，因此碳排放量計算模組(205)在計算碳排放量的結果時，會擷取當量管理模組(213)中所儲存，各個物質間的碳排當量，以計算出產品(215)製造過程中的實際碳排放量，達到本發明改善碳排放量的計算精準度的目的。此外，在本發明之一實施例中，當量管理模組(213)可以藉由控制模組(201)，或藉由外部的終端機，根據法規的修正，更新上述的各物質間碳排當量(即二氧化碳當量)。應注意者為，上述的碳排當量的量值僅為舉例，本領域熟知技術者，當能在閱讀本說明書後，加以依據應用的情況或法規加以實施二氧化碳當量的修正，其僅用以說明而非限制本發明之申請專利範圍。

承上述，根據本發明一較佳的實施例中，供電平台模組(203)可做為一分散式能源設備的管理平台，以作為調度智慧電網(401)中，電力儲存模組(403)、發電模組(405)、購電模組(407)中的綠電來源端(130)與非綠電來源端(140)的比例，使碳排放量計算模組(205)能根據上述綠能/非綠能的比例，累加並計算一段單位時間內的碳排放量，此外，供電平台模組(203)同時也提供了智慧綠能碳排放計算系統(200)中在電力調度時所需要的需量反應(Demand Response，DR)調度控制，於需量反應調度控制中，則透過控制模組(201)傳輸生產設備管理模組(211)中的設備運作參數，以因應生產設備運作時的電力所需做出調整。

根據本發明之一觀點，於碳排放量的計算中，其計算的種類包含三種因素，分別為：a.綠電來源端(130)與非綠電來源端(140)的比例；b.產品(215)製造過程中的製程順序(工序結構)；以及c.產品(215)的原料(217)來源。因此，在本發明一實施例中，為了進一步考量到產品(215)的原料(217)來源以精進碳排放量的計算，智慧綠能碳排放計算系統(200)還包含一產品管理模組(209)，用以記錄生產過程中，產品(215)所需使用的原料(217)之品項及來源的原料資訊。其中，產品管理模組(209)中設置有一BOM資料庫(209c)，以儲存上述的原料資訊，該原料資訊中包含原料(217)本身在生產、運輸的過程中的碳排放量，使得碳排放量計算模組(205)進行計算時，除了生產設備所利用的綠電/非綠電來源的比例以及製程順序外，也能加總原料資訊中的碳排放量。

其中，在本發明一實施例中，上述的產品管理模組(209)還包含一材料供應管理單元(209a)，以提供用戶端於控制模組(201)或是智慧綠能碳排放計算系統(200)的遠端輸入與更新BOM資料庫(209c)中的原料資訊，例如供應來源(供應商)、批號，以及不同來源間原料(217)本身的碳排放量數值。

根據本發明之內容，供電平台模組(203)耦接一綠電來源監管端(150)，以針對電力的來源提供政策法規的監管，其中該綠電來源監管端(150)可為一碳揭露專案(Carbon Disclosure Project，CDP)或/與用電大戶條款的管理終端，使得智慧綠能碳排放計算系統(200)中綠電/非綠電的使用得以被傳輸至外部終端，以配合生產過程中相對應的減碳計畫。

以上敘述係為本發明之較佳實施例。此領域之技藝者應得以領會其係用以說明本發明而非用以限定本發明所主張之專利權利範圍。其專利保護範圍當視後附之申請專利範圍及其等同領域而定。凡熟悉此領域之技藝者，在不脫離本專利精神或範圍內，所作之更動或潤飾，均屬於本發明所揭示精神下所完成之等效改變或設計，且應包含在下述之申請專利範圍內。