Neues Forschungsrahmenwerk vereint Wassereinsparung und CO₂-Reduktion in der chinesischen Industrie

Ein neues Forschungsrahmenwerk chinesischer Wissenschaftler adressiert die kritische Herausforderung, Wassereinsparung, CO₂-Reduzierung und Schutz aquatischer Ökosysteme im chinesischen Industriesektor bei minimalen Kosten in Einklang zu bringen. Der mechanismus-daten-dual-gesteuerte Ansatz kombiniert hybride Modellierung von Wassernutzungs- und Aufbereitungsprozessen mit Superstruktur-Optimierung, um optimale Wege für die Optimierung industrieller Wassernetze zu identifizieren.

Yuehong Zhao und Hongbin Cao vom Institut für Verfahrenstechnik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften entwickelten das Rahmenwerk, um das komplexe Wasser-Kohlenstoff-Wirtschafts-Nexus-Problem der chinesischen Industrie zu lösen. Die Forschung, detailliert in der in Water & Ecology veröffentlichten Studie (doi:https://doi.org/10.1016/j.wateco.2025.100003), integriert mechanistisches Verständnis von Wasserprozessen mit datengesteuerten Techniken, um die Modellinterpretierbarkeit und Generalisierungsfähigkeiten selbst bei begrenzten Trainingsdatensätzen zu verbessern.

Der hybride Modellierungsansatz baut auf tiefem Verständnis typischer Wassernutzungs-, Abwasserbehandlungs- und Wiederverwendungsprozesse in Industrieparks auf. Durch die Kombination mechanistischen Wissens mit maschinellem Lernen und KI-Technologien stellt das Rahmenwerk eine effektive Methode zur Förderung fortschrittlicher Rechentechniken im Industriesektor dar. Die Forscher weisen jedoch darauf hin, dass systematische Theorie und Methodik für hybride Modellierung noch unterentwickelt sind, wobei Schlüsselherausforderungen darin bestehen, wie geeignete Mechanismen und ihre Ausdrücke für die Integration mit maschinellem Lernen ausgewählt werden.

Das als Teil des Rahmenwerks konstruierte Superstruktur-Optimierungsmodell umfasst machbare Einheitentechnologien, ihre Verbindungen und relevante Einschränkungen, um optimale Lösungen zu identifizieren. Deterministische Optimierungsalgorithmen wurden angewendet, um globale Optimumlösungen mit minimalen Wassernutzungskosten zu erreichen. In Fallstudien etablierten die Forscher eine multiskalige Optimierungsmethodik für Wassereinsparung in Industrieparks, was zur Entwicklung praktischer Softwaretools führte, die erfolgreich in Stahlunternehmen angewendet wurden.

Die Wirksamkeit des Rahmenwerks beim Ausgleich wirtschaftlicher und ökologischer Vorteile wurde durch Fallstudien bestätigt. Wie Zhao erklärt: „Durch Lösen des erhaltenen Optimierungsmodells kann der optimale technische Weg für gleichzeitige Wassereinsparung und CO₂-Reduzierung bei minimalen Wassernutzungskosten identifiziert werden. Es liefert wertvolle Informationen zur Unterstützung der Entscheidungsfindung über Wassernetzoptimierung in Industrieparks.“

Die Forschung, unterstützt durch ein Stipendium des Schlüsselprogramms des Nationalen Naturwissenschaftsfonds Chinas (51934006), bietet bedeutende Implikationen für industrielle Nachhaltigkeit. Laut Cao: „Das Rahmenwerk kann eine Lösung bieten, die lokale und Gesamtnutzen sowie wirtschaftliche Vorteile und Umweltauswirkungen ausbalanciert.“ Dieser Ansatz stellt einen entscheidenden Fortschritt bei der Bewältigung der vernetzten Herausforderungen von Wasserknappheit, CO₂-Emissionen und ökologischer Erhaltung in industriellen Umgebungen dar und könnte als Modell für ähnliche Anwendungen weltweit dienen. Die Originalforschung ist verfügbar unter https://doi.org/10.1016/j.wateco.2025.100003.