NEL CORSO della storia gli ingegneri hanno avuto un profondo impatto sulla società e sul mondo. Fin dagli antichi Greci e Romani, abilità di ingegneria ha permesso e guidato le economie che hanno sostenuto imperi. La prima e la seconda rivoluzione industriale portarono con sé la formalizzazione della professione di ingegnere. Che cosa significa essere un ingegnere si intrecciò con l’impatto delle grandi sfide che venivano affrontate in quel momento.
Queste “Grandi sfide” hanno caratterizzato, consapevolmente o meno, cosa significa essere un ingegnere. L’ingegneria civile è nata dall’aspirazione ad applicare tecnologie sviluppate per scopi militari a beneficio di una società civile più ampia. L’industrializzazione ha spinto i requisiti per nuove specializzazioni in ingegneria meccanica e successivamente elettrica. Più recentemente l’emergere di industrie ad alta intensità energetica ha richiesto una nuova generazione di discipline tra cui la nostra ingegneria chimica e di processo. Mentre ci muoviamo attraverso una quarta rivoluzione basata su dati e comunicazioni, senza dubbio emergerà un altro insieme di discipline.
Come professione dovremmo essere molto orgogliosi di ciò che abbiamo realizzato: miliardi sono stati sollevati dalla povertà; l’istruzione e la buona salute sono diventate la norma prevista nella maggior parte dei paesi; le economie sono vibranti di innovazione e creatività. Ma dobbiamo anche assumerci la responsabilità dell’impatto che il progresso ha avuto: l’inquinamento mette a repentaglio gli ecosistemi di tutto il pianeta; c’è un esaurimento senza precedenti di risorse non rinnovabili; e soprattutto, i cambiamenti climatici e il riscaldamento globale minacciano l’esistenza stessa della società. Forse per la prima volta nella storia ci troviamo di fronte a una grande sfida di nostra creazione!
Affrontare il cambiamento climatico
La comunità globale non ha alcuna ambizione, né urgenza, quando si tratta di cambiamenti climatici. Per oltre trent’anni il Gruppo intergovernativo per il cambiamento climatico (IPCC) ha esposto il caso scientifico per il cambiamento climatico, limitando l’aumento della temperatura globale e riducendo le emissioni di gas serra. L’accordo di Parigi del 2015 è stato adottato da quasi tutte le nazioni, impegnandosi a limitare l’aumento della temperatura globale al di sotto di 2°C, pur perseguendo i mezzi per limitarlo a 1,5°C. Tuttavia, su quasi ogni sforzo-scale-up delle energie rinnovabili, reenergising nucleare, o diffusione di cattura, utilizzo e stoccaggio del carbonio (CCU) – attualmente ritardiamo le traiettorie richieste, mentre le emissioni globali assolute continuano a salire. L’ambizione e l’urgenza non bastano; occorrono anche soluzioni pragmatiche.
Nel 2009, un team dell’Università di Cambridge, preoccupato per la mancanza di progressi reali ha posto la semplice domanda: cosa farebbe una grande differenza? Hanno scoperto che le emissioni globali di carbonio erano guidate da tre attività quasi uguali: uso di energia negli edifici, nei veicoli e nell’industria. Per edifici e veicoli il miglioramento dell’efficienza e il passaggio alla tecnologia erano chiari percorsi tecnici per ridurre le emissioni, ma l’industria era già relativamente efficiente, possedeva poche alternative di produzione valide e stava affrontando una significativa crescita futura della domanda di materiali. In quanto tale industria è stata etichettata come “difficile da decarbonizzare”.
L’acclamato libro del team di Cambridge, Sustainable Materials: Con entrambi gli occhi aperti (Allwood et al. 2012), delinea le sfide della decarbonizzazione affrontate dall’industria e riesamina tutte le opzioni disponibili. Il libro presenta due approcci. “Con un occhio aperto” descrive una serie di opzioni tecniche perseguite: efficienza energetica, cattura del calore, nuovi percorsi di processo, CCU ed elettricità decarbonizzata. Il team ha modellato le traiettorie di queste tecnologie fino al 2050, per cinque materiali. Se ogni tecnologia fosse implementata, al suo limite tecnico, in ogni settore, le emissioni per tonnellata di materiale potrebbero essere dimezzate. Tuttavia, la domanda di questi materiali dovrebbe raddoppiare entro il 2050, con un conseguente risparmio assoluto di emissioni pari a zero. Questo è chiaramente un problema!
“Con entrambi gli occhi aperti” delinea una gamma alternativa di opzioni di mitigazione, raggruppate sotto la bandiera di “efficienza dei materiali”: utilizzando meno materiale in base alla progettazione, riducendo le perdite di rendimento, deviando gli scarti di produzione, riutilizzando componenti metallici, prodotti a vita più lunga e riducendo la domanda finale. Queste sei opzioni erano state tradizionalmente trascurate dall’industria, ma con nuovi approcci e modelli commerciali, queste potevano diventare redditizie e ridurre le emissioni. La modellazione di queste opzioni è stata impegnativa, ma i risultati hanno mostrato che perseguire l’efficienza dei materiali tra i cinque materiali potrebbe dimezzare le emissioni per tonnellata di materiale entro il 2050. La combinazione di entrambe le opzioni (un occhio e entrambi gli occhi aperti) potrebbe portare a una riduzione del 75% delle emissioni per tonnellata, pari a un dimezzamento delle emissioni assolute—alcuni veri progressi!
Entrambi gli approcci affrontano sfide significative e sono ancora necessari molti sforzi per implementare con successo qualsiasi opzione su larga scala.
Una domanda chiave che emerge da questa analisi è: cosa dovrebbe fare l’industria? Ridurre le perdite di rendimento nelle industrie metallurgiche è un buon inizio: attualmente il 25% di tutto l’acciaio e il 50% di tutto l’alluminio non lo trasformano mai in un prodotto, ma viene ri-fuso all’interno dell’impianto, sprecando energia e producendo emissioni indesiderate. Un altro è colmare il divario tra gli impianti migliori e peggiori, che può essere grande come 30% per alcune industrie. Per fare ciò è necessario un nuovo approccio metodologico che consideri le interazioni tra energia e materiali negli impianti di processo e fornisca una metrica comparabile di come le piante trasformino in modo efficiente le risorse (energia e materiali) in prodotti. L’efficienza delle risorse fornisce un tale approccio.
Efficienza delle risorse
Migliorare l’efficienza delle risorse industriali è una delle opzioni più convenienti per evitare contemporaneamente lo spreco di risorse scarse e tossiche, ridurre i costi operativi e le emissioni di CO2 e migliorare la reattività alle future normative climatiche. Infatti, comprendere lo stato attuale dell’uso delle risorse di un impianto, i fattori che lo guidano e le opportunità disponibili per ridurlo al minimo, è un prerequisito per le aziende di rimanere competitive.
La buona notizia è che vi sono prove schiaccianti che il potenziale di miglioramento delle misure circolari e di efficienza delle risorse nelle industrie di processo è vasto. L’attuale serie di metriche, tuttavia, è inefficace: vengono criticate per non aver quantificato adeguatamente l’impatto energetico e ambientale degli interventi di miglioramento. Inoltre, queste metriche in genere forniscono informazioni a livello nazionale o globale, ma sono difficili da applicare alla produzione di materiali ad alta intensità di risorse. Per tali industrie, applicare strategie di circolarità per ridurre le emissioni in pratica significa ridurre gli input globali di risorse e gli sprechi di (energia e materiali) per tonnellata di prodotto.
Sappiamo che la misurazione è il dogma della produzione industriale. Comprendere l’affidabilità, la sicurezza o la qualità della produzione di un’azienda richiede il monitoraggio delle relative metriche di performance. L’efficienza delle risorse non è diversa. Il primo passo per diventare più efficiente delle risorse comporta mettere un numero su di esso. Gli amministratori delegati di settori ad alta intensità di risorse sono sottoposti a una maggiore pressione da parte degli azionisti per rivelare come si stanno preparando per l’economia a basse emissioni di carbonio e per dimostrare le loro strategie commerciali sostenibili. Questa pressione si traduce quindi in richieste per i gestori dei siti di quantificare la loro efficienza operativa delle risorse. Tuttavia, i manager stanno lottando per trovare una metrica significativa.
Quindi, come può un’azienda misurare adeguatamente la sua efficienza integrata delle risorse? Insieme all’Università di Cambridge, Emerson ha sviluppato una soluzione ingegneristica basata sulla termodinamica consolidata. Anche se ideato nel 1900, questo metodo (comunemente noto come exergy o disponibilità) ha vissuto una rinascita negli ultimi due decenni.
L’approccio traccia l’uso delle risorse attraverso interi sistemi di produzione e caratterizza le risorse come una combinazione di due componenti: una porzione chimica, basata sulla composizione e la concentrazione della risorsa; e una porzione fisica, che rappresenta la temperatura e la pressione della risorsa. L’utilizzo della termodinamica per disaggregare i componenti chimici e fisici delle risorse ci consente anche di misurare la qualità e la quantità di queste risorse. Questo è fondamentale perché non tutte le risorse sono ugualmente preziose. Vogliamo garantire che le misure di miglioramento dell’efficienza che identifichiamo si concentrino sulle risorse che fanno la maggiore differenza per le emissioni di CO2.
A differenza delle metriche convenzionali di intensità energetica o di efficienza del materiale, questo nuovo indicatore integra energia e flussi di materiale in un unico numero adimensionale. In tal modo, consolida più KPI che attualmente misurano l’utilizzo delle risorse da diversi punti di vista. Di conseguenza, i produttori hanno il potere di fare le scelte giuste al momento giusto, ampliando l’ampiezza delle opzioni di efficienza disponibili e catturando i compromessi inevitabili.
Sulla base di ciò, possiamo ora misurare l’efficienza delle risorse come rapporto tra output di risorse utili e input di risorse. I risultati di questi metodi sono basati su dati accurati del sensore di flusso di energia e materiale e sono comprovati attraverso rigorosi processi di raccolta, pulizia e analisi dei dati.
Dotate di una misura significativa di efficienza delle risorse, le aziende possono ora gestire e monitorare la loro efficienza delle risorse dal basso verso l’alto, sia attraverso sistemi di gestione in tempo reale, revisioni delle prestazioni operative o lo sviluppo di benchmark settoriali. L’integrazione di tutte e tre le attività lungo la scala di gestione e lungo la catena del valore sarebbe l’ideale.
Engineering redefined
Abbiamo fatto passi da gigante nel rendere sicure le industrie di processo in cui lavoriamo. Ora dobbiamo affrontare la questione del cambiamento climatico e della neutralità del carbonio con la stessa determinazione. All’interno della carriera-memoria di molti di noi, gravi infortuni e decessi hanno caratterizzato il funzionamento delle industrie di processo. Sforzi straordinari sono stati e continuano ad essere compiuti per affrontare questo problema. L’idea di zero lesioni si è spostata dall’essere un’aspirazione selvaggia alla norma prevista con la sicurezza un obiettivo centrale di ogni ingegnere chimico. Ci siamo circondati di pratiche, procedure e regolamenti che istituzionalizzano questo pensiero e assicurano un miglioramento continuo, ma a quale costo per la nostra professione?
Negli ultimi 30-40 anni le caratteristiche che definiscono gli ingegneri sono cambiate. Poiché le procedure sono diventate automatizzate e istituzionalizzate e le pratiche di sicurezza standardizzate e formule, alcuni sostengono che gli ingegneri si sono spostati lungo lo spettro da rompitori di regole e creatori di regole ad essere prevalentemente seguaci di regole. L’efficienza e la conformità hanno superato l’innovazione e la creatività come le caratteristiche più apprezzate.
Ironia della sorte, poiché la nostra volontà e capacità come professione di innovare sono diminuite, ci troviamo ad affrontare forse la sfida più grande di tutte: come proteggere il nostro pianeta dagli impatti dei cambiamenti climatici senza danneggiare i sistemi economici che hanno fatto così tanto per far uscire le persone dalla povertà. Non c’è mai stato un bisogno più urgente per le qualità e le capacità che hanno definito l’ingegneria e gli ingegneri per secoli. Dobbiamo riscoprire il nostro patrimonio e imparare a premiare l’assunzione di rischi e il pensiero alternativo, senza compromettere la sicurezza. Dobbiamo promuovere un rinnovato senso di creazione di regole e imparare a tollerare e gestire una quantità appropriata di rottura delle regole – perché se non lo facciamo, e non riusciamo a vivere all’altezza delle nostre responsabilità e capacità di influire sui cambiamenti climatici, non ci sono gruppi alternativi con le conoscenze e le competenze necessarie per prendere il nostro posto.
Centrale a questo è la necessità costante di attrarre i talenti giusti, svilupparli e mantenerli all’interno della professione.
Dobbiamo in particolare nutrire e sostenere coloro che hanno la mentalità per sfidare i comportamenti e rendere le nuove regole essenziali per superare questa ultima grande sfida.
La percezione pubblica della nostra industria è sbagliata e fuorviante, e dobbiamo assicurarci di non perpetuare il mito. C’è un’ondata di attività da parte di ingegneri e industria per affrontare questa grande sfida – lavorando insieme attraverso organizzazioni e alleanze come l’Oil & Gas Climate Initiative (OGCI) e la Task Force on Climate-related Disclosures (TFCD) per garantire che i progressi siano il più rapidi e di impatto possibile. ICheme ha rivisto la propria strategia per adattarsi agli obiettivi di sviluppo sostenibile delle Nazioni Unite e alle grandi sfide ingegneristiche (vai a dare un’occhiata a loro se non sai cosa sono).
Continueremo questi temi e inizieremo a cambiare la conversazione ad APAC 2019, dove figure di spicco del campo dell’automazione e del controllo dei processi si riuniranno per esaminare temi diversi come la sostenibilità, le tecnologie emergenti e la sicurezza informatica. Per ulteriori informazioni, visitare il sito: https://www.icheme.org/career/events/advances-in-process-automation-and-control/