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高科技產業節能經驗分享

2007/03/05 經濟部能源局 點閱人次: 670

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■撰文:徐繼濤、周承杰 ■圖片提供:台積電公司

依據台灣經濟研究院對台灣電機電子業之能源成本分析,其中半導體製造業在水電瓦斯的費用占其製造成本比例約4.28%,雖然比電線電纜製造業的11.5%為低,但在政府兩兆雙星政策推動下,半導體及光電建廠規模快速成長,能源消耗預期將大幅成長。有鑑於此,筆者僅提供台積電公司歷年來之節能經驗與讀者分享,藉以達到相互交流成長之目的。

半導體產業是一種技術密集、資本密集的高科技產業,也是耗能較高產業之一。半導體工廠內各種機台生產與無塵室環境溫濕度維持,都需要消耗相當多能量以維持系統及機台穩定運轉。因此在全球同業競爭激烈化時期,除了積極研發新技術尋求更大利基與市場外,如何節省生產製造成本也成為企業營運重要大事之一。

由於各半導體廠生產設施組合大同小異,本文僅就一般可行節能措施、執行方式,參酌台積電公司八廠2003年榮獲經濟部節能競賽之績優廠商簡報資料進行整理,提供同業切磋比較,期能收到拋磚引玉之效果。

成立能源管理組織

為有效管理工廠整體能源管理與運作,台積電各廠在廠長領導下,由轄屬單位部門經理擔任推行委員,各直屬課級主管擔任實際執行委員,負責各單位整體能源使用規劃、耗能監控、與節能實施狀況稽核,並定期進行狀況追蹤。該能源管理組織分別選定負責人,能源管理人,就各該權責系統領域推動節能措施與執行耗能監控。

半導體廠節能規劃應由建廠階段即design-in,並將節能設計視為建廠標準規範與遵循標準。在建廠完成後,廠房管理與系統設施運轉、維護也相當程度影響能源消耗,因此各系統皆應制定節能觀念的標準作業程序。而台積電能源管理與技術組織亦透過定期稽核及相互比較方式,瞭解各廠間能源使用差異與提供落後廠改善空間與機會。

建廠階段可採行之節能設計

一、採用空調儲冰系統與冰水主機
儲冰系統不但可以節省尖離峰電價差額,且當廠區供電中斷時它提供數10分鐘不等的空調用冰水以維持潔淨室之溫濕度,就成本及風險而言相當值得設置。台積電在新廠建廠時,皆design-in儲冰系統,提供經濟運轉與系統備援之規劃。

另外在冰水主機選擇部分,採用熱回收冰水主機除可提供製冷能力外,並將部分空調廢熱回收使用,以產生約38℃之溫水,提供空調系統使用,減少添購其他溫水設備,減少設置成本投資及能源額外消耗。

二、使用雙溫度冰水系統,增加熱交換效率
一般傳統用戶冰水系統設計為單溫度輸出,透過熱交換器轉變為其他溫度供應生產與空調需求使用。而一般高科技用戶採用5℃與9℃(或13℃)供應生產與空調需求使用。依據熱傳原理,9℃離心式冰水機效率較5℃離心式冰水機效率約增加12%。若是將9℃之設計更加提高則節能更佳。近來有考慮其他更高溫度標準者。

三、風車數量與路徑最適化設計
一般風管路徑選用,彎頭、三通設計與安裝施工應注意所有省能細節,以降低風阻。風管路徑除影響美觀程度外,與能耗亦有關聯,應做最適化設計。另外在每台風車風量及數量選用部分,除需考量Redundancy設計需求外,對搭配變頻器使用,亦是獲最適化及省能的必要組合。

四、使用變頻器於排氣系統、製程冷卻水系統、與部分空調系統風車及泵浦
變頻器價格不低,但其安裝比例與日後可採行操作模式關聯頗大,所以依系統用途別可做不同考量。雖然操作實務上非同系統每部機器都同時以變頻器投入運轉,一般而言,以其控制轉動機械在能源效率最高處運轉是可節省費用的。

生產運轉階段可採行之節能措施

目前一般所採取作法為:

一、提高用戶責任分界點(POU)電力功因
為有效提高用戶責任分界點(POU)處電力功率因數,目前台積電公司各廠在高壓與低壓供電系統都裝設適當的進相電容器,以減少無效電力的消耗,增加系統容量及節省電費支出。 以半導體廠的系統用電特性而言,功率因數可提至趨近於100%。除實質省電效果外,台電公司對功率因數超過80%以上工業用電戶,每超過1%,有0.15%電費折扣優惠,以彌補用戶相關投資回饋;反之如功率因數不足80%工業用電戶,台電公司亦以每不足1%,有0.3%電費罰款強迫用戶改善。

二、無塵室循環空氣量最適節能操作
空氣循環之目的在於進行室溫微調與去除微塵粒子,無塵室對於溫濕度及微塵粒有一定的規範,無塵室只要穩定符合此規範即可,無需過大的循環風量,因此降低循環風扇轉速可以減少耗能。

三、主冷卻水塔風車控制最適化
水塔風車與冷卻水溫度控制連動關係,但是在不同水溫之下所需運轉的冰水機台數需隨水溫變化,此時冰機與風車的連動控制即有省能的空間。系統運轉操作應以在總體用電效率最佳化原則下設定系統連動控制模式與運轉參數,可有效減少此部分之能源消耗。

四、門與牆氣密狀況
廠務及設施維護單位應定期檢查門與牆氣密狀況,降低無塵室與其他空調區域的冷空氣洩漏量。門的選用應採低洩漏型式,此種型式與能源耗損或防火防煙都有關係。門弓器型式亦會影響氣密度及損壞率。一般潔淨室應嚴加要求「隨手關門」良好習慣,此與潔淨室正壓維持及污染防治亦有關聯性。

以下為防堵無塵室可能外洩漏之實行措施:
(一)安裝自動關之門弓器,伸縮縫妥善檢查是否漏氣。
(二)管道間穿管填縫處理。

五、排氣風車運轉台數適當化
對排氣風車運轉台數而言,應儘量與冰機、冷卻水塔運轉模式相同,排氣風車運轉台數應考量節能性,各系統風車應維持運轉於效率最佳點,避免過多基載運轉台數造成能源耗損。

六、辦公區空調節能與全廠區照明節能
檢討各區域照明法規與實際需求,進行照度調整,並採用高效率省電型燈具與省電燈泡使用,與建立各區域使用人員「隨手關燈」良好習慣。在空調系統操作則設定在人員基本舒適的條件下即可,不應過冷。無人的空間或夜間,空調系統降載運轉或進一步考慮關閉,皆為可行之省電策略。

定期節能查核

節能查核是獲致成效的最佳保證。透過台積電公司各廠能源管理組織負責推動與查核,並定期提報節能成效。在實務上,可有甚多不同作法。通用作法如下:

一、由電力系統SCADA擷取主要分區及各系統用電量(kW),並算出其用電比例(%),將每日用電量(kWH)做成趨勢圖,觀察其變化,以及觀察有否異常用電量狀況發生。

二、各委員於節能會議上提報該責任區相關能耗檢討。各主要機台是否操作在最省能狀態,唯有靠各成員之相互支持,才會協力做好節能工作。

近年來能源成本逐漸上漲,台電公司電價亦於2006年下半年調漲約7%;另外受到國內及國際上之各項管制措施之影響,如京都議定書、溫室氣體減量等,各企業均積極投入「節約能源」之研究課題,以期有效降低整體成本,提升公司競爭力。(作者任職於台灣積體電路製造股份有限公司八廠廠務部)


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