Esame di stato Ingegnere Industriale - Tracce I e II prova scritta - con soluzione di svolgimento

Svolgimento Tema 9 (classe ingegneria chimica)

Traccia:

La transizione energetica da combustibili fossili a rinnovabili sta acquistando sempre maggiore

importanza. Illustrare vantaggi e problematiche legate alla sostituzione dei combustibili fossili.

Descrivere un processo che sfrutti fonti rinnovabili per la produzione di energia, di combustibili

o di prodotti chimici. ----- o ----- o ----- o -----

Svolgimento:

La transizione energetica da combustibili fossili a fonti rinnovabili rappresenta una delle sfide più

urgenti e cruciali del nostro tempo, in risposta alla crisi climatica, alla crescente domanda di energia

e alla necessità di ridurre le emissioni di gas serra. Questa trasformazione, sebbene ricca di

opportunità, comporta anche numerosi ostacoli che devono essere affrontati con strategie innovative

e sostenibili.

Vantaggi della sostituzione dei combustibili fossili con fonti rinnovabili. Innanzitutto, le energie

rinnovabili come il solare, l’eolico, l’idroelettrico e la geotermia sono inesauribili e disponibili in

molte parti del mondo, riducendo la dipendenza da risorse fossili limitate e soggette a fluttuazioni di

prezzo. Questo contribuisce a una maggiore sicurezza energetica e a una stabilità dei costi nel lungo

termine. Inoltre, le fonti rinnovabili producono pochissime emissioni di gas serra e inquinanti

atmosferici, contribuendo significativamente alla lotta contro il cambiamento climatico e alla tutela

della salute pubblica. Un altro vantaggio importante è la possibilità di generare energia

decentralizzata, favorendo l’autonomia energetica di comunità locali e riducendo le perdite di

trasmissione. La crescita del settore delle rinnovabili stimola inoltre l’innovazione tecnologica,

creando nuovi posti di lavoro e opportunità economiche sostenibili.

Problematiche associate alla transizione. Nonostante i benefici, la transizione presenta diverse sfide.

Innanzitutto, l’intermittenza di alcune fonti come il solare e l’eolico richiede sistemi di accumulo

energetico avanzati per garantire una fornitura stabile e affidabile. La realizzazione di grandi

infrastrutture di stoccaggio, come le batterie di ultima generazione, comporta costi elevati e questioni

ambientali legate al loro smaltimento. Un altro problema riguarda la necessità di una rete di

distribuzione adeguata e intelligente, che possa integrare efficacemente le fonti rinnovabili e gestire

fluttuazioni di produzione e domanda. La transizione richiede anche investimenti considerevoli, sia

pubblici che privati, e un quadro normativo stabile e favorevole che stimoli l’innovazione e la

diffusione delle tecnologie pulite. Inoltre, alcuni territori e comunità potrebbero incontrare difficoltà

nell’adattarsi ai cambiamenti economici e sociali derivanti dalla riduzione dell’industria fossile,

evidenziando la necessità di politiche di supporto e riqualificazione professionale.

Un esempio di innovazione sostenibile: produzione di idrogeno verde. Uno dei processi più

promettenti e innovativi nella transizione verso un sistema energetico più sostenibile è la produzione

di idrogeno verde, che sfrutta fonti rinnovabili per generare energia pulita e combustibili alternativi.

L’idrogeno verde si ottiene attraverso il processo di elettrolisi dell’acqua, alimentato da energia

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proveniente da fonti rinnovabili come il solare o l’eolico. L’idrogeno ha molteplici applicazioni: può

essere utilizzato come combustibile per alimentare veicoli a celle a combustibile, come materia prima

nell’industria chimica, e come vettore energetico per lo stoccaggio e il trasporto di energia. La

produzione di idrogeno verde permette di sfruttare l’energia rinnovabile anche in assenza di sole o

vento, agendo come un “serbatoio energetico” che può essere utilizzato quando la domanda è elevata

o le fonti intermittenti non producono. Inoltre, l’idrogeno verde può contribuire a decarbonizzare

settori difficili da elettrificare, come l’industria pesante, il trasporto marittimo e aereo, e la produzione

di acciaio. La sua capacità di essere immagazzinato e trasportato tramite pipeline o cisterne lo rende

un vettore energetico molto flessibile e adatto a una vasta gamma di applicazioni. Tuttavia, la

produzione di idrogeno verde presenta anche importanti criticità e sfide. Prima di tutto, il processo di

elettrolisi richiede grandi quantità di energia, e la sua efficacia dipende dalla disponibilità di energia

rinnovabile a basso costo e a elevata capacità di produzione. Attualmente, la produzione di idrogeno

verde è ancora costosa rispetto a quella di idrogeno prodotto da combustibili fossili (idrogeno grigio),

principalmente a causa dei costi elevati degli elettrolizzatori e della necessità di impianti di grande

scala. Inoltre, lo stoccaggio e il trasporto dell’idrogeno presentano problemi tecnici e di sicurezza.

L’idrogeno è un gas molto leggero e infiammabile, e richiede infrastrutture specializzate per il suo

stoccaggio e distribuzione, con rischi di perdite e incidenti che devono essere attentamente gestiti.

Un’altra criticità riguarda l’impatto ambientale di alcune tecnologie di produzione di energia

rinnovabile necessarie per alimentare gli elettrolizzatori. Per esempio, la costruzione di grandi

impianti solari o eolici può avere impatti su habitat e biodiversità, e richiede uno sviluppo sostenibile

e integrato con le comunità locali. Infine, la transizione verso un’economia dell’idrogeno richiede

politiche di supporto, investimenti e innovazioni tecnologiche continue. La creazione di un mercato

stabile e competitivo per l’idrogeno verde richiederà tempo e coordinamento internazionale, oltre a

un quadro normativo chiaro e favorevole. 8

Svolgimento Tema 10 (classe ingegneria gestionale)

Traccia:

Dopo aver descritto un problema di progettazione, gestione o controllo di un sistema produttivo,

si illustri un modello di ottimizzazione che tenga conto sia degli aspetti economico-organizzativi

che di quelli tecnologici e progettuali del problema. Inoltre, riferendosi alla struttura lineare o

non lineare di tale modello di ottimizzazione, si discuta dell'esistenza delle soluzioni ottime e si

introducano alcuni metodi di soluzione.

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Svolgimento:

Il problema di progettazione, gestione o controllo di un sistema produttivo rappresenta una sfida

complessa che coinvolge molteplici aspetti, tra cui quelli economico-organizzativi e tecnologici. Per

illustrare tale problema, consideriamo un impianto di produzione di beni di consumo, come

un'azienda che produce diversi tipi di prodotti in un impianto industriale. La sfida principale consiste

nel pianificare la produzione in modo ottimale, tenendo conto delle risorse disponibili, dei costi, delle

capacità, delle restrizioni tecnologiche e delle esigenze di mercato.

Un problema tipico di progettazione riguarda la determinazione delle quantità di produzione ottimali

per ciascun prodotto, la sequenza delle operazioni, l’allocazione delle risorse e la gestione delle

scorte. La gestione, invece, può coinvolgere il controllo dei processi produttivi, la pianificazione a

breve termine e la gestione delle capacità. La difficoltà risiede nel bilanciare gli aspetti economici,

come minimizzare i costi totali di produzione e distribuzione, con aspetti tecnologici, quali le capacità

di macchinari, i tempi di lavorazione e le restrizioni di processo. Per affrontare tali problematiche, si

utilizza frequentemente un modello di ottimizzazione che tenga conto sia degli aspetti economico-

organizzativi sia di quelli tecnologici e progettuali. Un modello comune è il Programma Lineare (PL),

che permette di formulare il problema in termini di variabili decisionali, funzioni obiettivo e vincoli

lineari. Ad esempio, si può definire la funzione obiettivo come la minimizzazione dei costi totali di

produzione e distribuzione, mentre i vincoli rappresentano le capacità produttive, le richieste di

mercato, le restrizioni di risorse e le sequenze di lavorazione. Nel caso in cui le relazioni tra variabili

siano lineari, il modello si definisce come un problema di programmazione lineare. La struttura

lineare permette di applicare metodi efficienti di soluzione, come il metodo del simplesso, che

garantiscono l’individuazione di soluzioni ottimali in tempi ragionevoli anche per problemi di

dimensioni considerevoli. Tuttavia, molte volte il problema presenta aspetti non lineari, come costi

di setup variabili, efficienze di processo che cambiano con le quantità di produzione o restrizioni di

capacità non lineari. In questi casi, si parla di modelli di programmazione non lineare (PNL), più

complessi da risolvere, poiché la loro funzione obiettivo o i vincoli non sono lineari. L’esistenza di

soluzioni ottime dipende dalla natura del modello. Per i problemi lineari, il Teorema di dualità e la

convessività delle funzioni garantiscono che, sotto certe condizioni di fattibilità, esiste almeno una

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soluzione ottima. Inoltre, i modelli lineari sono caratterizzati dalla proprietà di essere convessi, il che

assicura che le soluzioni trovate tramite metodi come il simplesso siano globali e ottimali.

Per i modelli non lineari, la situazione è più complessa. La presenza di punti di massimo o minimo

locali può impedire di trovare la soluzione globale ottima. In questi casi, si ricorre a metodi di

ottimizzazione numerica come gli algoritmi di gradient descent, le tecniche di programmazione

differenziale, le procedure di ottimizzazione globale come gli algoritmi genetici, la simulazione o i

metodi di ricerca locale. Questi metodi cercano di esplorare lo spazio delle soluzioni per individuare

il minimo globale, anche se senza garanzie assolute di successo in tempi ragionevoli.

In conclusione, la scelta del modello di ottimizzazione dipende dalla natura del problema specifico.

Se le relazioni sono lineari, i metodi di programmazione lineare offrono soluzioni ottimali in modo

efficiente. Se il problema presenta relazioni non lineari, è necessario adottare tecniche più avanzate e

spesso più complesse, con l’obiettivo di trovare soluzioni che migliorino significativamente le

performance del sistema produttivo, considerando tutti gli aspetti economici, organizzativi e

tecnologici. La corretta modellizzazione e la scelta del metodo di soluzione sono fondamentali per

ottimizzare i processi produttivi e mantenere la competitività dell’impresa nel mercato globale. 10

Svolgimento Tema 11 (classe ingegneria della sicurezza)

Traccia:

Il candidato descriva, con riferimento agli elementi di progettazione della sicurezza, criteri e

modelli di valutazione dei rischi adottabili nelle fasi di realizzazione e gestione di un sistema

produttivo scelto a piacere, evidenziando vantaggi e