"Gli economisti moderni non ottengono premi e riconoscimenti perché si preoccupano dell'energia, e le società moderne se ne preoccupano solo quando la fornitura di una qualsiasi forma commerciale di energia sembra essere minacciata e i relativi prezzi salgono alle stelle", How the World Really Works, Vaclav Smil
La trasformazione digitale e le procedure consigliate dell'Industria 4.0 stanno aiutando molte industrie a far fronte all'attuale crisi energetica. Molti produttori non sarebbero sopravvissuti all'aumento dei costi di elettricità e gas senza l'automazione e la gestione digitale della potenza.
Le industrie utilizzano sempre più robot, fabbriche "al buio" e sensori di presenza. Le fabbriche intelligenti dotate della più recente tecnologia wireless possono gestire da remoto macchinari e trasporti. Inoltre, molte fabbriche ora dispongono di pannelli solari, finestre fotovoltaiche, sensori di presenza e altre tecnologie per il risparmio energetico.
La nascita della dark factory
L'espressione "dark factory" indica un impianto di produzione in cui non sono presenti persone che necessitano della luce per lavorare e che, teoricamente, potrebbe funzionare senza illuminazione, vale a dire "al buio". Si tratta della cosiddetta produzione "a luci spente". Alla base di questo concetto c'è l'idea che una produzione completamente automatizzata possa avvenire solo implementando tecnologie emergenti quali cloud, apprendimento automatico, intelligenza artificiale (IA) e gemelli digitali.
Le dark factory sono completamente automatizzate e non richiedono la presenza umana sul posto. L'intero processo di produzione, dalla consegna delle materie prime in fabbrica alla consegna dei prodotti finiti, viene svolto interamente da macchine a controllo automatico.
Il riconoscimento delle immagini e l'apprendimento automatico permettono di risparmiare energia e costi ottimizzando il controllo qualità e la produzione
Le nuove tecnologie IA, come l'apprendimento automatico e l'edge computing, contribuiscono a rilevare i problemi di qualità e le interruzioni della produzione. È dimostrato che l'elaborazione delle immagini mediante l'apprendimento automatico è molto più efficiente e accurata rispetto all'ispezione umana tradizionale. Questo contribuisce a ridurre i tempi di inattività e gli sprechi di prodotto, risparmiando così tempo ed energia.
Inoltre, l'abbinamento dei principi dell'economia circolare con le informazioni generate da miliardi di dispositivi intelligenti e connessi consente l'innovazione e l'uso sostenibile, prolungando la durata dei prodotti e contribuendo a creare un utilizzo secondario per i prodotti stessi.
Le energie rinnovabili aiutano ma modificano le operazioni tradizionali di risparmio energetico
Fino a poco tempo fa, nei settori ad alto consumo energetico era prassi comune operare evitando gli orari di punta per usufruire di tariffe elettriche più basse. Molte delle fabbriche che hanno un consumo di corrente elevato scelgono di lavorare di notte per usufruire di tariffe elettriche convenienti. In alcuni casi, le aziende elettriche pagavano queste fabbriche per utilizzare la corrente in eccesso che altrimenti sarebbe andata sprecata.
A causa della pandemia e dell'attuale crisi energetica, la situazione è cambiata drasticamente. Attualmente, soprattutto in Europa, la tariffa elettrica più conveniente potrebbe essere in qualsiasi momento della giornata.
Uno dei motivi è l'aumento della produzione basata sull'energia solare. Poiché i pannelli solari funzionano solo durante le ore diurne, il loro afflusso di energia nella rete fa scendere i prezzi che, invece, risalgono di notte. Inoltre, la stessa situazione risulta invertita nei luoghi in cui la capacità delle turbine eoliche è elevata.
Pertanto, per ottimizzare la possibilità di usufruire delle tariffe più convenienti, le fabbriche devono avere operazioni altamente efficienti e flessibili.
TSN e comunicazione wireless
La connessione di macchine, veicoli, edifici e operazioni è un pilastro fondamentale dell'Industria 4.0. Il monitoraggio e il controllo da remoto di tutti gli aspetti del processo di produzione contribuiscono a migliorare l'efficienza e la sicurezza, prevedere i guasti e consentire la manutenzione preventiva.
Tuttavia, seppure altamente efficienti e affidabili, fare affidamento su nuove tecnologie come le reti private 5G può aumentare notevolmente il consumo energetico. Se il wireless è l'unica opzione, gli standard LPWAN come LoRaWAN o Zigbee sono molto più efficienti dal punto di vista energetico rispetto alle reti cellulari.
Oggi le comunicazioni wireless sono considerate il modo più veloce per connettere molti dispositivi, macchinari e altre risorse nella fabbrica, ma la chiave per la gestione energetica è l'utilizzo di soluzioni CC/CC ad alta efficienza. Questo permette, infatti, di fare in modo che i processori rimangano il più possibile in modalità standby a basso consumo e di ridurre al minimo le comunicazioni wireless.
Attualmente, l'Ethernet sta sostituendo i bus di campo a causa dell'esplosione dei nodi di sensori necessari per l'Industrial Internet of Things (IIoT). Tuttavia, l'Ethernet presenta uno svantaggio: aggiunge latenza e non è deterministica. L'IIoT richiede un sistema deterministico e la soluzione giusta è il Time-Sensitive Networking (TSN), che fornisce un percorso ad alta priorità per i dati time-critical. Il TSN potrebbe prevenire danni alle macchine con una comunicazione in tempo reale, evitando i tempi di fermo e facendo risparmiare denaro.
Inoltre, il TSN può fornire connettività a banda larga e trasporto dei pacchetti garantito riducendo la latenza, la variazione del ritardo dei pacchetti e la perdita di pacchetti su un singolo doppino Ethernet. Il TSN crea una tecnologia di base standardizzata nell'ambito dello standard IEEE 802.1 per garantire la qualità del servizio (QoS) e aumentare le richieste in Ethernet. Questo influisce solo sulla comunicazione OSI Layer 2 e non sull'interfaccia utente.
La produzione distribuita e la stampa 3D consentono ulteriori risparmi energetici e una produzione più sostenibile
La stampa 3D per l'industria consente la produzione di molte strutture geometriche e semplifica il processo di progettazione dei prodotti; inoltre, è relativamente ecologica. La stampa 3D può ridurre i tempi di consegna e i costi totali per volumi di produzione medio-bassi.
A differenza della produzione tradizionale, il costo unitario non dipende dal volume. La stampa 3D consente inoltre di produrre le stesse parti, esattamente con le stesse specifiche, in qualsiasi parte del mondo, permettendo così di risparmiare sui costi aggiuntivi e sul consumo di corrente legati al trasporto e rendendo la produzione più sostenibile. Inoltre, man mano che le stampanti 3D industriali diventano più economiche e veloci, le esigenze di stoccaggio e la necessità di grandi scorte diventano meno critiche, dal momento che le parti possono essere prodotte su richiesta.
Secondo HP, i lotti di produzione inferiori a 100.000 unità della stessa parte possono essere stampati in 3D localmente senza dover sostenere costi aggiuntivi, offrendo così la possibilità di risparmiare tempo e apportare modifiche rapide. È anche un modo molto più sostenibile di fabbricare prodotti, poiché le stampanti 3D utilizzano solo una frazione della corrente consumata dai processi tradizionali di stampaggio a iniezione.
"Il fatto che l'Industria 4.0 consenta economicamente la produzione distribuita significa che possiamo cambiare il modo in cui i prodotti vengono costruiti e distribuiti", afferma Ramón Pastor, Vicepresidente e General Manager, 3D Printing di HP in un'intervista con IoT Times. "Secondo alcune stime, fino alla metà del combustibile, in questo caso combustibile fossile, consumato nel mondo viene utilizzato per trasportare i prodotti dal luogo della produzione a quello del consumo. In questo senso, la combinazione di Industria 4.0, produzione digitale e stampa 3D ci permette di cambiare questo paradigma e di passare alla produzione distribuita, che in sostanza significa produrre il necessario nel momento in cui serve e in un luogo vicino alla domanda".
Nel secolo scorso, i combustibili fossili hanno consentito la più ampia crescita industriale della storia, alimentata dall'accesso illimitato a energie a basso costo, anche se inquinanti. Oggi che ci troviamo di fronte agli effetti del cambiamento climatico e a nuovi conflitti regionali, è fondamentale passare a fonti di energia pulite e ridurre i consumi energetici.
Per competere e sopravvivere, le industrie tradizionali devono adottare urgentemente le procedure consigliate e le tecnologie dell'Industria 4.0 per affrontare la crisi energetica.
