Un nuevo marco de investigación desarrollado por científicos chinos aborda el desafío crítico de equilibrar la conservación del agua, la reducción de emisiones de carbono y la preservación de ecosistemas acuáticos en el sector industrial de China, minimizando al mismo tiempo los costos. El enfoque de doble impulso mecanismo-datos combina el modelado híbrido de los procesos de uso y tratamiento del agua con la optimización de superestructuras para identificar las vías óptimas para la optimización de redes de agua industriales.
Yuehong Zhao y Hongbin Cao del Instituto de Ingeniería de Procesos de la Academia de Ciencias de China crearon este marco para resolver el complejo problema de la interrelación agua-carbono-economía que enfrenta la industria china. La investigación, detallada en el estudio publicado en Water & Ecology (doi:https://doi.org/10.1016/j.wateco.2025.100003), integra la comprensión mecanicista de los procesos del agua con técnicas basadas en datos para mejorar la interpretabilidad del modelo y sus capacidades de generalización, incluso con conjuntos de datos de entrenamiento limitados.
El enfoque de modelado híbrido se basa en una comprensión profunda de los procesos típicos de uso del agua, tratamiento de aguas residuales y reutilización dentro de los parques industriales. Al combinar el conocimiento mecanicista con tecnologías de aprendizaje automático e inteligencia artificial, el marco representa un método efectivo para promover técnicas computacionales avanzadas en el sector industrial. Sin embargo, los investigadores señalan que la teoría y metodología sistemática para el modelado híbrido aún están poco desarrolladas, con desafíos clave que incluyen cómo seleccionar mecanismos apropiados y sus expresiones para integrarlos con el aprendizaje automático.
El modelo de optimización de superestructura construido como parte del marco abarca tecnologías unitarias factibles, sus interconexiones y restricciones relevantes para identificar soluciones óptimas. Se aplicaron algoritmos de optimización deterministas para alcanzar soluciones óptimas globales con un costo mínimo de uso del agua. En estudios de caso, los investigadores establecieron una metodología de optimización multiescala para la conservación del agua en parques industriales, lo que llevó al desarrollo de herramientas de software prácticas aplicadas con éxito en empresas siderúrgicas.
La efectividad del marco para equilibrar beneficios económicos y ambientales ha sido confirmada a través de estudios de caso. Como explica Zhao, "Al resolver el modelo de optimización obtenido, se puede identificar la vía técnica óptima para la conservación simultánea del agua y la reducción de emisiones de carbono con un costo mínimo de uso del agua. Proporciona información valiosa para respaldar la toma de decisiones sobre la optimización de redes de agua dentro de parques industriales".
La investigación, apoyada por una subvención del Programa Clave de la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (51934006), ofrece implicaciones significativas para la sostenibilidad industrial. Según Cao, "El marco puede proporcionar una solución que equilibre los beneficios locales y generales, así como los beneficios económicos y los impactos ambientales". Este enfoque representa un avance crucial para abordar los desafíos interconectados de la escasez de agua, las emisiones de carbono y la preservación ecológica en entornos industriales, pudiendo servir como modelo para aplicaciones similares en todo el mundo. La investigación original está disponible en https://doi.org/10.1016/j.wateco.2025.100003.
