L'interesse verso i mutamenti climatici globali, l'impennata dei prezzi dell'energia e l'inasprirsi delle leggi governative hanno dato luogo a nuove priorità e aspettative - dai prodotti di consumo alle responsabilità aziendali. Per far fronte a queste domande, le società, grandi e piccole a livello globale si contendono la creazione di prodotti e tecnologie non solo in grado di rispondere a tali questioni ma di modificare le procedure per la propria realizzazione. La ricerca a livello mondiale sta fronteggiando una delle più grandi sfide per la società, poiché tecnici e ingegneri hanno la possibilità di ottenere un maggiore impatto ambientale rispetto a qualsiasi politica di governo. A tale scopo, il “green engineering” fornisce strumenti, tecniche e tecnologie per incoraggiare l'innovazione.
Che cos'è il Green Engineering?
Gli ingegneri desiderosi di ridurre le emissioni dei propri prodotti, sviluppare dispositivi a basso consumo energetico, fornire tecnologie sostenibili con fonti rinnovabili, avere una maggiore consapevolezza dell'ecosistema globale, fanno appello all'ingegneria verde. Il Green Engineering impiega tecniche di misura e controllo per progettare, sviluppare e ottimizzare prodotti, tecnologie e processi che apportano vantaggi ambientali ed economici. Sebbene il concetto di “green” rappresenti il focus attuale, l'impiego del green engineering è fondamentalmente identico a qualsiasi altro tipo di innovazione ingegneristica. Per prima cosa è necessario misurare le variabili che destano maggiori preoccupazioni, successivamente ha inizio il processo di progettazione o “ottimizzazione” di prodotti e processi in grado di raggiungere lo scopo desiderato. Il Green Engineering include misure ordinarie come la qualità e il consumo energetic; le emissioni di veicoli e industrie, quali mercurio e ossido di azoto; e dati ambientali relativi a carbonio, temperatura e qualità dell'acqua. National Instruments agevola il “green engineering” tramite la fornitura di strumenti di misura, automazione e progettazione che consentono, in primo luogo, di misurare e interpretare correttamente i dati reali e, in secondo luogo, di risolvere i problemi grazie alla progettazione e allo sviluppo di prodotti avanzati e tecnologie dotate di maggiore efficienza e minore impatto ambientale.
Tecnologia e opportunità
I due quesiti che emergono tra gli argomenti di maggiore interesse del green engineering sono: La moderna tecnologia costituisce una soluzione fattibile in termini di impatto? Esiste in essa, una reale opportunità di affari? Di seguito, delle brevi risposte alle domande, accompagnate da case study per illustrare maggiormente il green engineering.
Tecnologia - I componenti tecnologici richiesti per il green engineering non solo sono accessibili, ma ora anche più facili da usare e disponibili a un prezzo inferiore. Alcune delle tecnologie chiave che favoriscono il green engineering includono:
- software grafico di misura
- misure ad alta velocità e alta risoluzione
- librerie di analisi specifiche
- Fpga per il controllo avanzato.
Alcune di queste tecnologie sono il risultato dell'evoluzione dell'industria dei semiconduttori. Questa crescita ha portato a dei miglioramenti nelle funzionalità dei convertitori analogico-digitali, mentre la diffusione dell'elettronica di consumo ha favorito la riduzione dei costi. Nonostante alcune di queste tecnologie siano presenti da tempo sul mercato, il loro utilizzo è stato possibile solo grazie a strumenti ingegneristici che hanno portato miglioramenti nella progettazione, rendendole più accessibili agli esperti del settore. Questo passaggio ha messo la tecnologia necessaria direttamente nelle mani di chi è più vicino al problema, in modo da permettere lo sviluppo di soluzioni migliori rispetto al passato.
Opportunità di business - Esiste un'ampia opportunità di guadagno e risparmio derivante dai prodotti "green". I prezzi del petrolio in continuo aumento implicano un forte e costante richiesta di tecnologie e prodotti che consentano alle società di risparmiare combustibile per le proprie macchine e processi, mantenendo invariato il livello di produzione. Altre società, cercano di evitare il pagamento di multe eccessive derivanti dalla mancata conformità con le leggi ambientali, acquistano sistemi di monitoraggio e report. Secondo tale tendenza, uno studio recente di PricewaterhouseCoopers dimostra come l'investimento di capitale in applicazioni tecnologiche pulite, quali risparmio energetico, riciclaggio, depurazione dell'acqua, controllo delle emissioni ed energie rinnovabile, è triplicato nel 2006 superando la cifra di 1,4 miliardi di dollari, con una crescita nel 2007 di circa il 50%, raggiungendo la cifra di 2 miliardi di dollari.
L'ingegneria verde applicata
Le applicazioni di ingegneria verde si estendono a qualsiasi settore industriale spaziando dal monitoraggio della salute delle foreste, per fornire agli ecologisti una maggiore comprensione degli effetti del riscaldamento globale, al recupero di vecchi impianti di produzione e macchine con nuovi sistemi di controllo per renderli più efficaci. Esistono diverse maniere di raggruppare le applicazioni green, tuttavia la maggior parte di esse rientra nelle seguenti cinque categorie:
- fonti energetiche rinnovabili
- qualità dell'energia
- monitoraggio ambientale
- ottimizzazione di macchine e processi
- sviluppo e test di prodotti e tecnologie “green”
I seguenti esempi mostrano l'impiego del green engineering nella generazione di energie rinnovabili e nell'ottimizzazione di macchine e processi.
Fonti energetiche rinnovabili
L'utilizzo di fonti energetiche rinnovabili ricopre una vasta gamma di tecnologie inclusa l'energia eolica, solare (fotovoltaico e termico), i biocarburanti, l'energia idroelettrica, l'energia delle maree, quella geotermica e perfino la fisica delle alte energie. Il settore Ricerca & Sviluppo in queste aree è in forte crescita a livello globale, animato da obiettivi di sostenibilità e dall'aumento di leggi ambientali. Oggi, oltre 50 Paesi, con diverse condizioni politiche, geografiche ed economiche hanno avviato una serie di obiettivi imponenti per la quantità di energia generata da risorse rinnovabili. Con mandati di oltre il 60% e scadenze prossime al 2010, le innovazioni e le risorse dedicate al raggiungimento di tali obiettivi rappresenteranno un notevole impegno ingegneristico. Per fare un esempio concreto, nel 2007 solo il 3% dell'energia consumata a livello globale proveniva da fonti rinnovabili. Sebbene tutto ciò possa apparire scoraggiante a fronte del lavoro da compiere, gli ultimi due anni hanno mostrato un notevole progresso. Storicamente, scienza e tecnologia hanno affrontato sfide simili, come ad esempio raggiungere la luna; a rendere la situazione odierna ancora più promettente è lo scopo globale. Per raggiungere tali obiettivi, gli ingegneri sono impegnati nella realizzazione di nuove tecnologie, e molti di essi utilizzano strumenti NI per rispondere a tempistiche strette e specifiche complesse. Le tecnologie relative all'energia eolica, creano una vasta gamma di sfide per lo sviluppo e la validazione di nuovi progetti. Una delle maggiori sfide nelle tecnologie eoliche prevede lo sviluppo di sistemi accurati per ridurre i danni causati dal forte vento ai componenti delle turbine. È necessario utilizzare complessi algoritmi per regolare il passo dell'elica e mantenere una velocità di rotazione costante in condizioni di vento variabile. Il software LabView Real-Time e l'hardware Pxi rappresentano i fattori chiave per la prototipazione di questi algoritmi, per il test dell'affidabilità e la validazione delle prestazioni. Inoltre, la progettazione di turbine eoliche necessita di sofisticate strutture dinamiche, quali pale eoliche con lunghezza superiore ai 100 metri, installate per generare grandi quantità di elettricità. I produttori di dispositivi a energia solare cercano di superare degli ostacoli ingegneristici nello sforzo di ridurre il costo dei pannelli solari e aumentarne l'efficienza della produzione. È necessario un metodo più semplice e rapido per effettuare il test delle prestazioni degli output di un dispositivo fotovoltaico come la caratteristica corrente/tensione (I-V), il controllo preciso e dettagliato del processo di fabbricazione dei semiconduttori e le accurate misure di qualità degli inverter che collegano gli array solari alla griglia. I requisiti delle applicazioni solari ed eoliche danno voce al bisogno di realizzare applicazioni ad energia rinnovabile in maniera migliore e mediante tecnologie avanzate.Grazie alla piattaforma comune di strumentazione offerta da LabView, il controllo, la prototipazione e la validazione dei sistemi avviene più rapidamente, favorendo l'ingresso nel mercato di nuove tecnologie.
Monitoraggio ambientale nella foresta pluviale in Costa Rica
I ricercatori alla stazione biologica di La Selva in Costa Rica studiano l'impatto delle emissioni di gas serra sull'ambiente. L'area osservata ha un'estensione di 3900 acri, raccoglie una media di quattromila millimetri di pioggia all'anno e si trova nella zona di affluenza tra due maggiori fiumi nella pianura caraibica della zona nord orientale del Costa Rica. Essi impiegano tecnologia National Instruments per misurare lo scambio di CO2, noto anche come flusso di carbonio, e di altre sostanze tra il suolo della foresta e l'atmosfera. Tramite tecnologia di misura wireless, gli ingegneri del Center for Embedded Networked Sensing dell'università della California hanno sviluppato Nims, un sistema infomeccanico connesso in rete in grado di misurare e analizzare una varietà di indicatori ambientali e offrire opzioni di configurazione remota grazie all'ambiente di progettazione grafica di sistemi NI LabView e la piattaforma Pac NI CompactRIO. Il sistema Nims è stato distribuito nel 2008 ed è attualmente in fase di espansione, grazie all'aggiunta di torri nella volta della foresta per estendere la copertura delle misure. Oltre a incrementare le capacità di misura wireless e ottimizzare l'infrastruttura, il progetto prevede l'accesso remoto alle unità locali tramite LabView; in questo modo è possibili accedere ai dati tramite web direttamente dal laboratorio e configurare eventuali misure aggiuntive.
Monitorare le emissioni di gas di scarico
In conformità con la norma federale Clean Air Mercury Rule e altre regolamentazioni dell'Environmental Protection Association, è necessario monitorare costantemente le emissioni di mercurio provenienti da centrali a carbone. Negli Stati Uniti, le centrali a carbone emettono oltre 40 tonnellate di mercurio all'anno, classificandosi tra gli impianti più inquinanti del paese. Un Alliance Partner di National Instruments, Data Science Automation, in collaborazione con il proprio cliente Clean Air Engineering, ha sviluppato un sistema di monitoraggio per le emissioni gassose che impiega LabView e una piattaforma Pac NI Compact FieldPoint per la misura, l'elaborazione e il controllo. Questa applicazione automatizza totalmente il campionamento di dati, la calibrazione e le modalità di controllo delle perdite. Sulla base dei dati raccolti e delle analisi compiute a bordo, il sistema Compact FieldPoint controlla due processi: uno mantiene fisse le temperature, l'altro regola in maniera dinamica il flusso di gas. Infine, il sistema Compact FieldPoint pubblica i dati su rete wireless a un Pda, il quale mostra tutti gli stati e le interazioni con l'operatore. Nel caso di requisiti impegnativi per misure a segnale misto e controlli complessi, gli ingegneri del Dsa hanno notato che “il successo del progetto era dovuto alla potenza di elaborazione e automazione di Compact FieldPoint.”
Ridurre l'utilizzo di diserbanti
Per la Agenzia Ferroviaria Nazionale Danese, i binari ricoperti di sterpaglie rappresentano un problema per la sicurezza ma anche un incubo per la manutenzione. Generalmente, per eliminare le sterpaglie, un locomotore spruzza gli erbicidi per tutta l'intera lunghezza del binario. Nonostante funzionasse bene, il costo della soluzione era elevato ed era dannosa per l'ambiente poiché il diserbante raggiungeva ampie zone incontaminate. T&O Stelectric, in collaborazione con Hardi International, ha sviluppato una soluzione migliore. Il sistema utilizza telecamere a infrarossi per rilevare la presenza di fogliame nei pressi dei binari e spruzza il diserbante solo in quelle aree. Il locomotore raccoglie e invia i dati a un computer di bordo, che utilizza software NI di visione per elaborare le immagini e rilevare con precisione l'area sulla quale applicare l'erbicida. Il sistema riduce di oltre il 50% la quantità di diserbante utilizzato e favorisce un risparmio sul costo della manutenzione.
Integrare la potenza del vento sulla rete elettrica
L'energia eolica sta diventando la maggiore fonte di energia alternativa, pertanto è importante garantire che i campi eolici non vengano danneggiati dai disturbi sulla rete di distribuzione. Le anomalie sulla rete possono creare delle cadute di tensione che in passato causavano la disconnessione delle turbine dal sistema. Tuttavia, ora si considera vantaggioso tenere accese e connesse le turbine eoliche durante i disturbi, ma per fare ciò è necessario testare il sistema durante le cadute di tensione. A tale scopo, il sistema di test genera dei corto circuiti tramite interruttori a tensioni fino a 36 kV, operazione che richiede notevoli precauzioni per la sicurezza degli utenti. Energy To Quality, società con sede a Madrid, ha testato, negli ultimi due anni, campi eolici in conformità con i principali codici di rete europei e americani con un generatore portatile di cadute di tensione controllato da LabView e da un sistema Pxi/Scxi. Il sistema Pxi/Scxi utilizza dei moduli di input di alta tensione per misurare tensioni secondarie a 110 Vac mentre si controllano i relay connessi alle bobine. L'hardware comunica i risultati ad un'ulteriore applicazione di LabView in esecuzione su un computer remoto via Tcp/IP per la sicurezza dell'utente. Grazie a un test di durata inferiore al minuto, l'operatore capisce immediatamente se una turbina soddisfa i requisiti, consentendo a nuove torri eoliche di diventare operative in tempi brevi.
Ottimizzare l'efficienza di grandi motori a combustione interna
I grandi motori stazionari a combustione interna, ampiamente utilizzati nell'industria pesante per azionare compressori e generatori, sono responsabili di una notevole emissione di monossido di azoto. Tali emissioni sono il risultato della combustione di carburanti fossili quali diesel e gas naturale. Il monossido d'azoto è un componente dello smog, poiché forma l'ozono quando si mescola con gli idrucarburi nell'atmosfera. L'ozono è un gas reattivo che danneggia la vita delle piante e i polmoni dell'uomo. Negli ultimi 20 anni, Enginuity ha progettato e installato tecnologie per ottimizzare l'efficienza e ridurre le emissioni di grandi motori, inclusi sistemi a iniezione, sistemi di monitoraggio di motori e turbocompressori utilizzati per il revamping di macchine esistenti. Gli ingegneri di Enginuity utilizzano l'hardware di acquisizione dati di National Instruments, Pxi e software LabView in un simulatore motore/compressore per il test funzionale di tutti i pannelli di controllo. Il simulatore viene utilizzato sia per lo sviluppo che per la validazione dei controlli, simulando gli input del motore e acquisendo i dati di output del controller. I sistemi e la tecnologia di Enginuity rimuovono ogni anno oltre 122000 tonnellate di monossido di carbonio, che corrisponodono all'eliminazione di 6 milioni di veicoli dalle autostrade americane.
