La asociación busca abordar los sistemas de agua potable con fugas

Publicado: 03 de agosto de 2023

Autor: Erin Blasko

Las condiciones de sequía en el suroeste de Estados Unidos han drenado ríos y embalses y han provocado una escasez constante de agua en lugares como California y Arizona, lo que pone de relieve la naturaleza precaria del suministro de agua potable del país y la necesidad de proteger y conservar el agua dulce que hay en los Estados Unidos. Estados.

Pero incluso en lugares como el Medio Oeste, donde el acceso al agua dulce es relativamente abundante, las infraestructuras con fugas amenazan con limitar el suministro a medida que la Tierra se calienta debido al cambio climático, con implicaciones para el medio ambiente y los bolsillos de las personas.

Según la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Civiles, hasta 300.000 tuberías de agua se rompen cada año debido a su antigüedad u otros factores, lo que interrumpe el suministro. La tubería de agua promedio en Estados Unidos tiene 45 años. Algunas, que datan de principios del siglo XX, todavía están hechas de madera.

El problema es especialmente grave en los estados del norte, donde el ciclo regular de congelación y descongelación ejerce una presión adicional sobre las válvulas y tuberías.

Como resultado, incluso las empresas de servicios públicos y privadas mejor administradas pierden alrededor del 15 por ciento del agua potable debido a fugas (y algunas hasta el 50 por ciento), según estimaciones, lo que suma billones de galones de los llamados “no ingresos”. agua cada año.

Pero ¿qué pasaría si la tecnología pudiera evitar parte de esa pérdida y acercar la cifra a cero?

Ésa es la pregunta que Luis Montestruque y un grupo de estudiantes de la Universidad de Notre Dame están tratando de responder.

"Es muy común ver a una empresa de servicios públicos bien administrada perder alrededor del 30 por ciento del agua en aguas no contabilizadas, lo cual es bastante revelador. Y esa es una empresa de servicios públicos bien administrada. He visto a empresas de servicios públicos perder algo en el orden. del 50 al 60 por ciento a través de fugas”.

Montestruque, originario de Perú y que obtuvo su doctorado en ingeniería de sistemas de control de la Universidad de Notre Dame, es cofundador de HydroDigital, una consultoría de diseño con sede en South Bend que ayuda a las empresas de servicios públicos y privados a adoptar tecnologías digitales para transformar la forma en que gestionan el agua. .

Con el apoyo del Centro de Innovación Cívica de Notre Dame (CCI), parte de la Facultad de Ingeniería, y la ciudad de South Bend, Montestruque está desarrollando tecnología para detectar fugas en el sistema de agua en tiempo real, antes de que tengan la oportunidad de expandirse, socavar infraestructura crítica e interrumpir el servicio.

Las fugas también aumentan los costos operativos, como los de tratamiento y bombeo, que se trasladan a los consumidores y contribuyen al creciente impacto ambiental de los sistemas de agua potable del país, que consumen mucha energía.

"En términos generales, es muy común ver que una empresa de servicios públicos bien administrada pierda alrededor del 30 por ciento de su agua en aguas no contabilizadas, lo cual es bastante revelador", dijo Montestruque, quien nació en South Bend mientras su padre estudiaba física. en Notre Dame. “Y esa es una empresa de servicios públicos bien administrada. He visto a las empresas de servicios públicos perder entre el 50 y el 60 por ciento debido a fugas”.

Tal como se prevé actualmente, la tecnología se basaría en sensores montados en el exterior de las tuberías para "escuchar" las fugas, que tienen un sonido distintivo. Cuando se detecta una fuga, se envía una alerta a un panel donde los empleados del agua pueden verla y tomar medidas. La tecnología no es necesariamente nueva. Montestruque, sin embargo, espera hacerlo más barato y accesible.

South Bend, por su parte, actualmente contrata a alguien para que recorra todo su sistema de agua cada dos años y busque fugas manualmente con un micrófono de palo. Otras empresas de servicios públicos utilizan métodos similares de baja tecnología para detectar fugas.

Aprovechando sus conexiones y proximidad a Notre Dame, y con el apoyo de iNDustry Labs, una plataforma universitaria para la colaboración con la industria local, Montestruque trabajó con un grupo multidisciplinario de estudiantes la primavera pasada para validar la tecnología como parte de Industry and Community-based. Proyectos de Innovación, un curso de 1 a 3 créditos dirigido por el director de CCI, Jay Brockman, profesor de la práctica en la Facultad de Ingeniería.

"Diseñaron un sistema que es capaz de detectar cuando está sucediendo un evento en un sistema de agua potable... y (de forma inalámbrica) activar una alerta", dijo Montestruque sobre los estudiantes.

Ahora, los pasantes de verano de CCI están trabajando para avanzar aún más en la tecnología en asociación con la ciudad y su Departamento de Obras Públicas, que proporciona agua potable a más de 112,000 clientes a través de 550 millas de tuberías de agua, equivalente a la distancia entre Chicago y Kansas. Ciudad.

"Actualmente, South Bend pierde alrededor de 365 millones de galones de agua al año debido a fugas, y el único proceso para detectar fugas es la encuesta bianual en la que una persona recorre 500 millas de tuberías para detectar fugas", Ishani Basak, uno de los pasantes. , dicho. "Nuestro proyecto intenta automatizar eso utilizando un sistema integrado".

Por el contrario, la ciudad vende alrededor de 5 mil millones de galones de agua por año, o alrededor de 3 millones de galones por día, a clientes tanto dentro como adyacentes a la ciudad propiamente dicha. Eso es suficiente para llenar un cuarto de millón de piscinas en los patios traseros.

La misión de los pasantes es doble: 1) documentar el estado actual del sistema de agua potable de la ciudad; y 2) desarrollar un prototipo funcional de la tecnología de detección de fugas, incluido un algoritmo para interpretar los datos recopilados por los sensores.

Con ese fin, los pasantes recorrieron recientemente una planta de tratamiento a lo largo del río St. Joseph en South Bend junto con un campo de pozos y una estación de bombeo en el lado suroeste de la ciudad.

También han estado ocupados ensamblando y probando un prototipo que consiste en el llamado sensor piezoeléctrico y una abrazadera o soporte de aluminio.

Aproximadamente del tamaño y la forma de un dólar de plata, el sensor mide la vibración y la convierte en una señal eléctrica. La señal viaja a lo largo de un cable hasta un amplificador y luego a una computadora portátil, donde aparece como una onda.

Todo esto tiene lugar dentro de un sistema de agua a escala que consta de un conjunto de tuberías y válvulas suspendidas en una tina de plástico y conectadas a una manguera de agua.

Ensamblado a partir de piezas y materiales disponibles en el mercado, el sistema permite a los pasantes controlar una serie de factores, incluida la presencia y ausencia de fugas.

De esta manera, pueden simular condiciones del mundo real y entrenar el algoritmo para que reconozca una fuga en función de su patrón de onda distintivo, y en contraste con un patrón de onda "normal".

El soporte actúa como conductor, transmite sonido desde la tubería al sensor y proporciona una superficie plana sobre la cual fijar el sensor, que de otro modo no podría doblarse ni flexionarse para adaptarse a la forma de la tubería.

El sensor piezoeléctrico, que forma la columna vertebral del sistema, es una forma de tecnología barata y confiable y, por lo tanto, fácilmente escalable. Un físico francés descubrió el efecto piezoeléctrico en la década de 1880, y los sensores diseñados para medir el efecto existen desde hace décadas. Puedes comprar uno por menos de un dólar.

Con el tiempo, el sistema se comunicará de forma inalámbrica basándose en el llamado "Internet de las cosas".

Todos los pasantes son estudiantes de tercer o cuarto año de Notre Dame. Basak es un estudiante de ingeniería mecánica con especialización aeroespacial de Calcuta, India. Steven Conaway es un estudiante de ingeniería informática de Star, Idaho. Noah Sim tiene una doble especialización en informática e historia de Carmel, Indiana. Jonathan D'Alonzo es un estudiante de informática de Saratoga Springs, Nueva York.

“El agua es cada vez más escasa, especialmente en los dos tercios de los estados más calurosos. Así que tenemos la esperanza de que funcione. Pero al menos vale la pena intentarlo porque es algo que no se ha avanzado en mucho tiempo y es algo que debería avanzarse”.

Los pasantes están trabajando actualmente en un prototipo final para el soporte del sensor, con miras a optimizarlo para que funcione sin problemas dentro de un sistema integrado, que consta del hardware y el software necesarios para recopilar, transmitir y analizar los datos del sensor dentro de un sistema completamente automatizado. .

"Nuestro objetivo al final del proyecto es entregar un prototipo de sistema de sensores y un prototipo de algoritmo de aprendizaje automático", dijo Sim, y agregó: "Básicamente, estamos en la recta final".

Según Kieran Fahey, director de control a largo plazo de la ciudad de South Bend, South Bend pierde entre el 15 y el 20 por ciento de su agua potable por fugas y, en menor medida, por robo cada año, lo que está en el promedio de la industria. Y aunque la ciudad no corre peligro de quedarse sin agua, "todavía tenemos la responsabilidad de mantener los costos lo más bajos posible", dijo el ingeniero nacido en Irlanda.

Los pasantes terminarán su trabajo a principios de agosto, después de lo cual dependerá de Montestruque e HydroDigital seguir avanzando y escalando la tecnología, y South Bend servirá como un campo de pruebas crítico para la tecnología.

Fahey, por su parte, está entusiasmado con las posibilidades.

"Es una tecnología muy útil, especialmente con el cambio climático", dijo Fahey, quien supervisa el inicio y la implementación de tecnología hídrica inteligente en South Bend. “El agua es cada vez más escasa, especialmente en los dos tercios de los estados más calurosos. Así que tenemos la esperanza de que funcione. Pero al menos vale la pena intentarlo porque es algo que no se ha avanzado en mucho tiempo y es algo que debería avanzarse”.

Montestruque no es ajeno a South Bend, ya que ha trabajado extensamente con la ciudad en el pasado.

En 2004, fundó EmNet, una empresa pionera de alcantarillado inteligente, en asociación con la ciudad y Notre Dame, incluida la Facultad de Ingeniería y el Centro IDEA.

Basado en tecnología desarrollada con Michael Lemmon, profesor de ingeniería eléctrica en Notre Dame, EmNet se especializó en sistemas automatizados diseñados para redirigir el flujo de alcantarillado durante períodos de fuertes lluvias o deshielo para evitar los llamados "desbordamientos combinados de alcantarillado", que contaminan las áreas locales. vías fluviales en violación de la Ley de Agua Limpia.

Implementada por primera vez en South Bend, la tecnología le ahorró a la ciudad alrededor de $500 millones en un proyecto de alcantarillado de $700 millones ordenado por la EPA, lo que los llevó a ella y a EmNet a la vanguardia del espacio de alcantarillado inteligente. El exalcalde de South Bend y actual secretario de Transporte, Pete Buttigieg, promocionó con frecuencia el proyecto durante su campaña presidencial de 2020.

"Si podemos replicar el éxito que tuvimos en el problema (de desbordamiento combinado de alcantarillado) en el lado del agua potable, creo que sería una gran victoria para la ciudad y la Universidad".

Como resultado, “South Bend tiene ahora la reputación en el mundo del agua como una de las empresas de servicios públicos más innovadoras del mundo”, dijo Montestruque. "Tanto es así que a través de conexiones con la ciudad he podido establecer contactos con empresas de servicios públicos en el Reino Unido y Asia que están interesadas en la experiencia de South Bend".

EmNet fue adquirida por Xylem, una empresa global multimillonaria de tecnología del agua, por un monto no revelado en 2018.

Posteriormente, Montestruque ocupó múltiples puestos de liderazgo en Xylem antes de emprender su propio negocio con HydroDigital, con el objetivo de trabajar más cerca de la vanguardia del espacio del agua inteligente y más directamente con las empresas de servicios públicos.

Según Fahey, basándose en experiencias pasadas, la ciudad acogió con agrado la oportunidad de trabajar con Montestruque y Notre Dame una vez más cuando surgió.

“Cuando se acercó a nosotros hace unos meses y nos dijo: 'Tengo una idea nueva', fuimos todo oídos”, dijo Fahey.

Montestruque dijo: “Si podemos replicar el éxito que tuvimos en el problema (desbordamiento combinado de alcantarillado) en el lado del agua potable, creo que sería una gran victoria para la ciudad y la Universidad”.

Y, sobre todo, el medio ambiente también.

Como parte de la Facultad de Ingeniería, CCI trabaja con otros centros de investigación e individuos en Notre Dame para identificar oportunidades únicas de colaboración en torno a cuestiones cívicas e industriales urgentes en la comunidad de South Bend-Elkhart.

Para obtener más información, visite civicinnovation.nd.edu.

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