Izveštaj o energiji u budućnosti: Tehnologije u razvoju i buduće fabrike

2015 фебруар 04, 09:00 CEST

AUTOR: Profesor Piter J. Dobson, titula sa ordenom Kraljevske imperije OBE (OBE - Officer of the Order of the British Empire), Kraljičin koledž, Oksford i Grupa za prerađivačku industriju Vorvik, Univerzitet u Vorviku.

U svetu proizvodnje je tokom poslednje dve decenije došlo do dramatičnih promena, sa danima i godinama bučnih i prljavih fabrika, koja se oslanjala na zastarele alate i radne prakse koje su otpremljene u istorijske knjige. Čak i u slučajevima inženjerske proizvodnje velikih razmera, radno mesto je primetno čistije i bolje organizovano. Ove promene su uglavnom podstaknute poboljšanjem efikasnosti, robama boljeg kvaliteta i metodima smanjenja troškova.

Pitanje koje se sada postavlja je sledeće: Kako će tehnologije u razvoju i napredovanja u tradicionalnoj tehnologiji promeniti budući oblik i organizaciju fabrike? Sa rasprostranjenom upotrebom informacione i komunikacione tehnologije (ICT), koja kreira raznovrsnu mešavinu tehnologija i primena, stavovi prema proizvodnji se već menjaju, uključujući način na koji se buduća radna snaga razvija i obučava.

Nove tehnologije i tehnologije u razvoju:

Sveprisutan rast značaja i sofisticiranosti ICT-a ne može da prođe neopaženo. Procesi mogu da se prate i kontrolišu. Zalihe, kako na ulazu u proizvodni proces, tako i na izlazu iz njega, mogu sada da se prate, a podaci mogu da se koriste da bi se maksimalno povećala efikasnost. Stanje mašina koje se koriste u fabrikama može kontinuirano da se prati i ovo može, i imaće velike implikacije na smanjenje troškova održavanja i vremena zastoja. Ovo bi takođe trebalo da smanji mogućnost ljudske greške (Dilon, 2014.).

I sam proces projektovanja je promenjen i došlo je do velikog smanjenja u broju projektantskog osoblja i varijacije u odgovarajućoj infrastrukturi. Ovo bi moglo dovesti do povećanja broja timova koji rade kod kuće i specijalizovanih timova, ili kompanija koje rade za nekoliko proizvodnih jedinica. Reference u odnosu na ‘projektovanje’ će ćešće ulaziti u vokabular inženjera. To će postati deo više grana inženjeringa, što će bez sumnje imati prilično duboke efekte na obrazovanje na svim nivoima.

Od novih tehnologija u razvoju, biotehnologija je poboljšana novim dostignućima u sistemima i sintetičkoj biologiji, koju slede nanotehnologija i njene primene u materijalima, medicini, energetici i drugim sektorima. Sada je moguće predvideti novi tip fabrike koji bi možda mogao da stvara ljudske ćelije i manipuliše njima.

Biotehnologija je u mnogim aspektima već započela sa stvaranjem mesta u pejzažu fabrike, ali ima široku varijabilnost u veličini i obimu. Iako već postoje operacije velikih razmera koji pretvaraju bio-useve u neprehrambene proizvode i energiju, postoje takođe i manje fabrike, a ipak sa visokim tehnologijama, koje stvaraju čiste enzime, proteine i biomolekule za medicinu i druge svrhe. Ove aktivnosti će rasti, uprkos javnim zabrinutostima u vezi genetske modifikacije. Zajednički faktor kroz ove aktivnosti je veći značaj interdisciplinarne aktivnosti i već povećana potreba za hemijskim i procesnim inženjerima.

Jedan vrlo verovatno novi razvoj je razvoj 'fabrika matičnih ćelija’ i kasnije, mogućih ‘fabrika organa za zamenu’. Međutim, o poslovnom modelu za njih i načinu na koji će biti organizovane i izgrađene, tek treba da se odluči. Svet biotehnologije je veoma sklon kontaminaciji neželjenim mikrobiološkim, virusnim i gljivičnim vrstama. Zbog toga, dobro vođenje domaćinstva i čistoća su od najveće važnosti i većina biotehnoloških fabrika jesu i biće karakterisane veoma čistim sterilnim uslovima rada, zajedno sa pažljivim ograničavanjem tokova otpada.

Kao i u mnogim drugim hemijskim procesima, takve fabrike će nastojati da u potpunosti koriste sav ‘otpad’, uključujući termički i ugljen dioksid za ulaganje u druge procese u fabrici. Ovaj nulti otpad, stav o maksimalnoj termičkoj efikasnosti postaje ugrađen u psihu procesnih inženjera. Dobar primer koji se pojavljuje je korišćenje energije iz sakupljanja otpadne toplote, fluida ili vibracija da bi se obezbedila električna energija za senzore koji su sada više integrisani u fabričko postrojenje, čime često eliminišu potrebu za postavljanjem mnogo kablova, već korišćenjem bežične telemetrije. 

Nanotehnologija ima potencijal da obezbedi veoma značajna poboljšanja i izmene materijala kroz postepeni pristup, kao i da obezbedi istinski transformativnu akciju u oblastima kao što su osvetljenje s niskom potrošnjom energije, novo skladištenje energije i konverzija energije, i nanomedicinske razvoje. Doći će do potrebe da se dogodi veoma značajno proporcionalno povećanje da bi nanočestice i druge nanostrukture mogle masovno da se proizvode pod strogo kontrolisanim uslovima, a nakon toga ugrade u materijale i proizvode. Ovo ‘putovanje’ je zapravo samo početak. Mi smo već svesni potencijalnih opasnosti nanočestica koje bi mogle biti puštene nehotice u okruženje ili na radnom mestu, tako da će njihova upotreba biti strogo kontrolisana i to će sâmo po sebi dovesti do korisnih novih načina za kontrolisanje vrsta otpada koji proizilaze iz budućih fabrika. Uz to, moramo da se bavimo ekonomijom uvođenja novih nanokompozitnih materijala, čak i ako se u cilju postepenih poboljšanja. U većini industrija, ‘trošak je kralj’ je glavna paradigma i tržište će odrediti da li mala korist u performansama može opravdati povećanje troškova proizvodnje. U budućnosti će se pojaviti mnogo detaljnija analiza životnog ciklusa proizvodnje. Ovo postaje očigledno već u oblasti kompozita, jer je za takve materijale veoma teško obnoviti originalne sirovine za reciklažu. Pošto resursi postaju nedovoljni, to može čak dovesti do novih koncepata fabrika za reciklažu.

Sektori gde će biti potrebni novi koncepti fabrika:

Farmaceutski sektor će verovatno uskoro pretrpeti radikalne promene. Mnogi od tradicionalnih metoda pripreme novih lekova će biti zadržani, ali da bi se osigurao kvalitet i smanjili troškovi, procesi će postati automatizovani i sadržavaće više instrumenata. Uvođenje nanotehnologije da bi se povezale nove metode davanja lekova i dijagnoze će, posebno, dovesti do velikih promena u proizvodnji proizvoda. Ovo bi moglo da se desi u nizu različitih faza, sa početnim 'produžetkom života' postojećih formulacija, davanjem leka preko nanočestica ili nanokapsula. Ovo bi se moglo posebno odnositi na lekove za inhalaciju. Sve takve nanočestice će takođe imati prilično sofisticiran površinski sloj za 'ciljano prepoznavanje' da bi se osiguralo da dospeju do pravog cilja u telu. Činjenje da fabrički proces radi ovo reproduktibilno i na način koji će zadovoljiti regulatorna tela će biti izazov.

Energetski sektor će zahtevati nove proizvodne metode. Nanočestice i mnogi aspekti biotehnologije će postati centralni za nove metode skladištenja i generisanja energije. Većina novih napredaka u oblasti baterija se oslanja na razvoj novih materijala za skladištenje i oslobađanje naelektrisanih jona. Ovo zahteva integraciju novih materijala na bazi ugljenika koji se mogu projektovati tako da imaju ogromne unutrašnje površine u takvim baterijama. Pokretači za ovo nisu ograničeni na industriju hibridnih i električnih vozila, već se šire preko skladištenja energije uopšte, posebno za razmenljive obnovljive izvore kao što su energija vetra i solarna energija. Nanočestice za katalizu će takođe biti potrebne u sve sofisticiranijoj formi. Postoji veliki potencijal da se naprave katalizatori i reaktori koji bi pomogli u pretvaranju 'rezervnog električnog kapaciteta’ u gas, bilo vodonika elektrolizom ili fotoelektrolizom vode i eventualno da se proizvede metan iz ugljen dioksida i vode. Takođe će biti potrebni katalizatori i novi specijalizovani reaktori za konverziju gasa u tečnost, jer su, sviđalo nam se ili ne, goriva na bazi ugljovodonika veoma efikasan način za prenošenje energije.



Transportna i automobilska industrija će postaviti veoma izazovne zahteve za nove materijale za smanjenje težine, koji ipak zadržavaju snagu i integritet. Već postoje promene na vozilima u prebacivanju sa čelika na aluminijum radi dobijanja manje težine i ove opšte promene se mogu nastaviti. Uloga kompozita u zameni čelika je poseban izazov zbog pitanja reciklaže, što je pomenuto ranije. Obnavljanje energije od onoga što je trenutno otpadna toplota, kako u automobilskom, tako i u građevinskom sektoru će dovesti do novih vrsta toplotnih pumpi i drugih energetskih pretvarača.

Obuka:

Jasno je da postoji veoma realna i hitna potreba za obuku ljudi za fabrike budućnosti. Postojao je veliki broj evropskih inicijativa kao što je ‘Proizvodnja' i uporedna situacija sa SAD i Japanom, što su lepo sumirali Mavrikios i saradnici (2013.). Globalni trendovi u ovoj oblasti su prikupljeni i analizirani u naučnom radu, Sekundo i saradnici (2013.). Ovo je identifikovalo posebno društvene potrebe očuvanja oskudnih resursa, uzimajući u obzir klimatske promene i smanjenje siromaštva. Oni takođe identifikuju program Proizvodnja i program IMS2020 koji sprovode Evropa, Japan, Koreja, SAD i Švajcarska koji se bavi svim ovim pitanjima, kao što se bavi i standardizacijom, inovacijama i važnim u svakom pogledu razvoja kompetencija i obrazovanja.

Velika Britanija, na primer, postavlja obuku na nekoliko nivoa. Ona povećava svoje kapacitete za obuku u ranom stadijumu veština putem stažiranja i postoje novi specijalni koledži za tehnologiju pri univerzitetu, osnovani da se uvećaju neki od koledža za dodatno obrazovanje. Na višem nivou, za nivo diplomskih studija, postoji nekoliko specijalizovanih centara za obuku za doktorske studije. Trenutno postoji jaz u Velikoj Britaniji i na drugim mestima verovatno u post-iskustvenoj fazi i organizovanju kurseva za kontinuirani profesionalni razvoj. Iskreno, ovim se treba pozabaviti.

EPSRC je nedavno predstavio veoma fokusiranu ideju za poboljšanje transfera obuke i znanja u oblast proizvodnje i to je stvorilo 16 novih centara za inovativnu proizvodnju. Ova odredba za istraživanje i razvoj u ranim fazama Nivoa spremnosti za tehnologiju 1-3 se dopunjava na novim inicijativama Innovate UK Catapults, koje pokrivaju više nivoe spremnosti za tehnologiju (TRL). Trenutno, postoji njih 7 koji se nalaze širom zemlje sa ulaganjem od 140 miliona funti sterlinga tokom perioda od 6 godina.

Jedan dodatni aspekt koji nije do sada pokriven je pitanje da naše fabrike budućnosti budu operativne. Tokom godina, usvojen je neki oblik praćenja stanja ili preventivnog održavanja, posebno u vazdušno kosmičkom programu i automobilskoj industriji. Pošto proizvodni procesi postaju sve raznovrsniji i automatizovaniji, biće potrebno da se predupredi neuspeh postrojenja i posebno ljudske greške. Problemi su dobro opisani u nedavnom naučnom radu, Dilon (2014.).

Koje su regionalne i nacionalne politike koje su u razvoju da bi se pomoglo razvoju fabrika budućnosti?

Postoji širok konsenzus o odgovoru na ovo i čini se da postoji razvoj zajedničkog cilja.

Evropska Komisija je izdala dokument naručen od strane istraživačkog udruženja Evropske fabrike budućnosti: ‘Factories of the Future’ koji postavlja detaljan plan za njegov program Horizont 2020. Ovaj dokument pruža veoma širok pogled koji pokriva tehničke, društvene i organizacione aspekte.

Vlada Velike Britanije je izdala dokument naručen kao deo predviđene budućnosti proizvodnog projekta: The Factory of the Future (Ridgeway et al (2013). Ovaj dokument preporučuje:
  • Veću integraciju lanaca snabdevanja
  • Bolju saradnju između industrije i univerziteta Velike Britanije
  • Fokus kako na organizacione, tako i tehničke inovacije
  • Pristup ‘integracija sistema’
  • Projekat fabrika i operacija koje se mogu ponovo konfigurisati
  • Povoljan zakonski okvir za nove fabrike, posebno u prirodnim naukama
  • Viziju Velike Britanije koja promoviše inovacije i ohrabruje mreže talenta
  • Priznavanje da mora da dođe do promene u kulturi.

Postoje jaki dokazi da regionalne politike za stvaranje fabrika budućnosti počinju da dobijaju na snazi. Na primer, koncept modularnog pristupa „uključi i radi“ se primenjuje u hemijskoj proizvodnji na lokaciji Bayer Technology Services u Nemačkoj koju podržava finansiranje EU. Velika lokacija za hemijsku proizvodnju kompanije BASF u Ludvigshafenu već pruža primer potpuno integrisane proizvodnje gde postoji minimalna količina otpadnih materijala i energije

Jasno je da je misija da se stvore te buduće fabrike sada na snazi i suočavamo se sa uzbudljivim i izazovnim vremenima da bi ih primenili.

Reference:
Mavrikios D, Papakostas N, Mourtzis, D, and Chryssolouris G. (2013). On industrial learning and training for the factories of the future: a conceptual, cognitive and technology framework. J.Intell. Manuf. 24, 473.

Dhillon BS. (2014). Human error in maintenance: An investigative study for factories of the future. Materials Science and Engineering. 65, 012031.

Ridgway K, Clegg CW, Williams DJ. (2013). The Factory of the Future. ISBN-13:987-0-9927172-0-9

Secundo G, Passiante G, Romano A and Moliterni P (2013) Developing the next generation of engineers for intelligent and sustainable manufacturing: A case study. International Journal of Engineering Education 29, 248.

[END]

Piter Dobson, bio.

Piter je vodeći stručnjak za proizvodnju, napredne materijale i nanotehnologiju. On je trenutno Glavni predavač u Grupi za prerađivačku industriju Vorvik Univerziteta u Vorviku, koji predsedava na nekoliko panela i komiteta EPSRC i konsalting za široke oblasti industrije. Od 2002. do 2013. godine, upravljao je Begbroke naučnim sektorom na Univerzitetu u Oksfordu i osnovao je brojne izdvojene kompanije sa novom proizvodnjom. Piteru je dodeljena titula sa ordenom Kraljevske imperije OBE (OBE - Officer of the Order of the British Empire) kao priznanje za njegov rad u nauci i inženjeringu u 2013. godini, a iste godine se povukao sa Univerziteta u Oksfordu, gde je bio strateški savetnik za nanotehnologiju za Istraživačke savete u Velikoj Britaniji (2009-2013).

P. J. Dobson, diplomirani inženjer, magistar (Univerzitet u Oksfordu), doktor nauka, ovlašćeni fizičar, saradnik Instituta za fiziku, član ACS, FRCS.

SKF logo