Water and Energy Integration Systems

(WEIS)

O conceito de Sistemas de Integração de Água e Energia (SIAE), em inglês, Water and Energy Integration Systems (WEIS), foi desenvolvido pelo investigador Miguel Castro Oliveira.

O conceito foi formalizado na sua tese de doutoramento, com o títutlo Simulation and Optimisation of Water and Energy Integration Systems (WEIS): An Innovative Approach for Process Industries, defendida no Instituto Superior Técnico em 2023.

O que são WEIS?

WEIS é um paradigma inovador focado na indústria de processo, que subsiste em:

Integração Simultânea: Aborda os processos que consomem água e energia como um todo, em vez de os analisar isoladamente;
Nexus Água-Energia: Explora as interdependências entre estes recursos para maximizar a eficiência, reduzir o consumo de água e diminuir a pegada energética;
Recirculação de Fluxos: Implementa recuperação de energia residual (por exemplo, calor residual) e a reutilização de correntes de água;.
Ferramenta ThermWatt: Como parte deste ecossistema, Castro Oliveira criou a ferramenta computacional ThermWatt, que serve como um conjunto de gémeos digitais construídos para auxiliar projetos de Engenharia para a implementação destes sistemas na vida real.

O conceito de WEIS e a ferramenta ThermWatt foram desenvolvidos no âmbito dos trabalhos e projetos desenvolvidos pelo CERENA (Centro de Recursos Naturais e Ambiente) e pelo ISQ (Instituto de Soldadura e Qualidade), visando promover a economia circular e a descarbonização em setores de uso final (em particular, a indústria).

Aplicação da ferramenta ThermWatt

Desenvolvida nas linguagens Modelica e Python, a ferramenta ThermWatt funciona como um software de modelação, simulação e otimização. No contexto dos trabalhos realizadas pelo ISQ, a sua aplicação subsiste nos seguintes aspetos:

Criação de Gémeos Digitais: Modela o comportamento real de sistemas de água e energia de uma fábrica;
Identificação de Ineficiências: Simula cenários para detetar desperdícios de calor residual e consumo excessivo de água;
Projeção de Melhorias: Avalia o impacto da instalação de novos equipamentos de recuperação térmica antes do investimento real;
Análise de Casos-Estudo de Setores de uso final: Foi validada com sucesso em setores como a indústria cerâmica e a petroquímica, demonstrando reduções significativas de consumos.

Indicadores de Desempenho (KPIs) dos WEIS

Para medir o sucesso da integração, Miguel Castro Oliveira estabeleceu indicadores específicos que avaliam a ecoeficiência e a circularidade, que no geral subsiste em:

Redução de Consumos: Medem a percentagem de poupança de água de entrada e energia total (Ex.: casos-estudo mostraram reduções de até 38% em água e 8% em energia total);
Potencial de promoção de Economia Circular: Avalia o nível de calor recirculado sobre o consumo total de energia;
Indicador de Ecoeficiência Agregado: Uma métrica composta que reflete o equilíbrio entre o desempenho económico e ambiental;
Payback Time (Tempo de Retorno de Investimento): Calcula a viabilidade financeira dos projetos de integração (com registos médios entre 22 a 34 meses, assumindo um tempo de retorno de investimento favorável de referência de até 36 meses);
Pegada de Carbono: Quantifica as emissões de CO₂ evitadas anualmente.

O conceito de WEIS toca num dos maiores desafios da humanidade para as próximas décadas: como manter a produção industrial necessária para o desenvolvimento global enquanto protegemos recursos escassos como a água potável e combatemos as alterações climáticas.

O grande trunfo deste trabalho do Miguel Castro Oliveira, do ISQ e do CERENA é transformar a sustentabilidade de algo "teórico" numa solução técnica e rentável. Por exemplo, quando uma fábrica consegue poupar milhões de litros de água ao reutilizar a energia que antes "ia para o lixo" (na forma de calor residual), a sustentabilidade torna-se um motor de competitividade económica.

Esta abordagem é um pilar essencial para:

Indústria 5.0: Onde a tecnologia serve a resiliência e o bem-estar humano;
Neutralidade Carbónica: Ao reduzir a queima de combustíveis fósseis através de aumento de eficiência energética;
Segurança Hídrica: Crucial para zonas com stress hídrico severo.

É o tipo de ciência aplicada que coloca Portugal (e, de forma mais abrangente, a Europa) no mapa da inovação para a transição verde.

The concept of Water and Energy Integration Systems (WEIS) was developed by the researcher Miguel Castro Oliveira.

The concept was formalized in his doctoral thesis entitled Simulation and Optimisation of Water and Energy Integration Systems (WEIS): An Innovative Approach for Process Industries, defended at Instituto Superior Técnico in 2023.

What are WEIS?

WEIS is an innovative paradigm focused on the process industry, subsisting on:

Simultaneous Integration: It addresses processes that consume water and energy as a whole, rather than analyzing them separately;
Water–Energy Nexus: It explores the interdependencies between these resources to maximize efficiency, reduce water consumption, and lower the energy footprint;
Flow Recirculation: It implements residual energy recovery (e.g., waste heat) and the reuse of water streams;
ThermWatt Tool: As part of this ecosystem, Castro Oliveira developed the computational tool ThermWatt, which functions as a set of digital twins designed to support engineering projects for real-world implementation of these systems.

The WEIS concept and the ThermWatt tool were developed in the scope of the work and projects carried out at CERENA (Centro de Recursos Naturais e Ambiente) and ISQ (Instituto de Soldadura e Qualidade), aiming to promote the circular economy and decarbonization in end-use sectors (particularly industry).

Application of the ThermWatt Tool

Developed in the Modelica and Python languages, ThermWatt operates as a modelling, simulation, and optimisation software. In the context of work carried out by ISQ, its application includes:

Creation of Digital Twins: Models the real behaviour of a plant's water and energy systems;
Identification of Inefficiencies: Simulates scenarios to detect waste heat losses and excessive water consumption;
Projection of Improvements: Assesses the impact of installing new heat recovery equipment before actual investment;
Analysis of End-Use Sector Case-studies: Successfully validated in sectors such as ceramics and petrochemicals, demonstrating significant consumption reductions.

Key Performance Indicators (KPIs) of WEIS

To measure integration success, Miguel Castro Oliveira established specific indicators that assess eco-efficiency and circularity, including:

Consumption Reduction: Measures the percentage of savings in inlet water and total energy (e.g., case studies showed reductions of up to 38% in water and 8% in total energy);
Circular Economy Promotion Potential: Assesses the level of recirculated heat relative to total energy consumption;
Aggregated Eco-efficiency Indicator: A composite metric reflecting the balance between economic and environmental performance;
Payback Time: Calculates the financial viability of integration projects (with average values between 22 and 34 months, considering a favourable benchmark of up to 36 months);
Carbon Footprint: Quantifies the annual CO₂ emissions avoided.

The WEIS concept addresses one of humanity's greatest challenges in the coming decades: how to maintain the industrial production required for global development while protecting scarce resources such as potable water and combating climate change.

The major strength of the work by Miguel Castro Oliveira, ISQ, and CERENA lies in transforming sustainability from something "theoretical" into a technical and profitable solution. For example, when a factory can save millions of liters of water by reusing energy that would otherwise be "wasted" (in the form of residual heat), sustainability becomes a driver of economic competitiveness.

This approach is a key pillar for:

Industry 5.0: Where technology serves resilience and human well-being;
Carbon Neutrality: By reducing fossil fuel consumption through improved energy efficiency;
Water Security: Crucial for regions facing severe water stress.

It is the kind of applied science that places Portugal (and, more broadly, Europe) on the map of innovation for the green transition.