PhD Thesis

Simulation and optimisation of water and energy integration systems (WEIS): an innovative approach for process industries

Miguel Castro Oliveira — 2023

Key information

Authors:

Miguel Castro Oliveira (Miguel Castro Oliveira)

Supervisors:

Henrique Aníbal Santos de Matos (Henrique Aníbal Santos de Matos); Muriel de Carvalho Iten

Published in

December 22, 2023

Abstract

A melhoria do uso de água e energia é uma preocupação importante para diminuir os problemas económicos e a carga ambiental total produzida pelas atividades dos setores de uso final. A indústria é um dos principais contribuintes do consumo final de energia e das emissões associadas de GEE, consumos de água doce e descargas de águas residuais. O conceito de nexus água-energia foi introduzido para analisar as interdependências entre o uso de água e energia. Por sua vez, a metodologia de integração de processos foi introduzida para explorar os benefícios das interdependências entre diversos recursos. Neste trabalho, são apresentados dois ativos inovadores: o conceito de Sistemas de Integração de Água e Energia (SIAE) e uma ferramenta computacional criada com a finalidade de ser usada em projetos de Engenharia relacionados com a instalação destes sistemas denominada de ThermWatt (desenvolvida com as linguages Modelica e Python). Dois casos-estudo são analisados e avaliados. Para os casos-estudo 1 e 2, foram respetivamente estimadas reduções de 8,80% e 7,92% no consumo total de energia, estimando-se uma redução no consumo total de água de 23,71% e 38,57% no sistema de água estudado. Foi avaliado um tempo de retorno de 22 meses para o caso-estudo 1 e 34 meses para o caso-estudo 2. Também foi avaliado um 1,82 e 1,76 kton CO2,eq/ano para os casos-estudo 1 e 2, respetivamente. Os resultados para os indicadores da avaliação final comprovaram que os projetos de SIAE conceptualizados são robustos em termos de ecoeficiência, potencial de economia circular e potencial de alcance de objetivos estratégicos, com uma melhoria de 6,67% e 4,00% para o indicador agregado de ecoeficiência obtido para os casos-estudo 1 e 2, respetivamente, uma descarga de água nula para ambos os casosestudo e um nível de 8,58% e 6,69% de calor reciclado sobre o consumo total de energia. The improvement of water and energy use is an important concern to diminish economic issues and the total environmental burden produced by the activities of end-us sectors. Industry is one of the main contributors of the final energy consumption, associated GHG emissions, freshwater consumption and wastewater discharges. The concept of water-energy nexus has been introduced to analyse the interdependencies between water and energy use. In its turn, the methodology of process integration has been introduced to exploit the benefits of the interdependencies between several resources. In this work, two innovative assets are introduced: the concept of Water and Energy Integration Systems (WEIS) and a computation tool created for the purpose to assist on Engineering projects related to the installation of these systems designated as ThermWatt (developed with the Modelica and Python languages). Two case-studies are analysed and assessed. For respectively case-studies 1 and 2, it was assessed an 8.80% and 7.92% total energy consumption reduction, a 23.71% and 38.57% total water consumption reduction in the studied water system have been estimated. It has been assessed a payback time of 22 months for case-study 1 and 34 months for case-study 2. It has also been assessed a 2.42 and 1.76 kton CO2, eq/year for case-studies 1 and 2, respectively. The results for final assessment indicators proved that the conceptualized WEIS projects are robust in terms of eco-efficiency, circular economy potential and strategic objective achievement potential, with a 6.46% and 4.00% improvement for the aggregated eco-efficiency indicator having been obtained for respectively case-studies 1 and 2, a null water discharge for both case-studies and a level of 8.58% and 6.69% of recirculated heat over total energy consumption.

Publication details

Authors in the community:

Supervisors of this institution:

RENATES TID

101669860

Degree Name

Doutoramento em Sistemas Sustentáveis de Energia

Fields of Science and Technology (FOS)

environmental-engineering - Environmental engineering

Keywords

  • Sistemas de Integração de Água e Energia
  • nexus água-energia
  • recuperação de energia
  • recirculação de água
  • ThermWatt tool
  • Water and Energy Integration Systems
  • water-energy nexus
  • energy recovery
  • water recirculation

Publication language (ISO code)

eng - English

Alternative identifier (URI)

https://www.researchgate.net/publication/382636889_Simulation_and_Optimisation_of_Water_and_Energy_Integration_Systems_WEIS_An_Innovative_Approach_for_Process_Industries

Rights type:

Open access

Institution name

Instituto Superior Técnico

Financing entity

Instituto de Soldadura e Qualidade