Ziel der Partnerschaft ist es, undichte Trinkwassersysteme zu bekämpfen

Veröffentlicht: 3. August 2023

Autor: Erin Blasko

Dürrebedingungen im Südwesten der USA haben Flüsse und Stauseen entwässert und zu anhaltender Wasserknappheit in Orten wie Kalifornien und Arizona geführt. Dies verdeutlicht die prekäre Natur der Trinkwasserversorgung des Landes und die Notwendigkeit, das in den Vereinigten Staaten vorhandene Süßwasser zu schützen und zu erhalten Zustände.

Aber selbst an Orten wie dem Mittleren Westen, wo der Zugang zu Süßwasser relativ reichlich ist, besteht die Gefahr, dass die Versorgung durch undichte Infrastruktur eingeschränkt wird, da sich die Erde aufgrund des Klimawandels erwärmt, was Auswirkungen auf die Umwelt und den Geldbeutel der Menschen hat.

Nach Angaben der American Society of Civil Engineers brechen jedes Jahr aufgrund des Alters oder anderer Faktoren bis zu 300.000 Wasserleitungen und unterbrechen die Versorgung. Die durchschnittliche Wasserleitung in den USA ist 45 Jahre alt. Einige stammen aus der Zeit um die Jahrhundertwende und sind noch immer aus Holz.

Besonders akut ist das Problem in den nördlichen Bundesstaaten, wo der regelmäßige Frost-Tau-Zyklus eine zusätzliche Belastung für Ventile und Rohre darstellt.

Infolgedessen verlieren selbst die besten öffentlichen und privaten Versorgungsunternehmen Schätzungen zufolge etwa 15 Prozent des Trinkwassers durch Lecks – und einige sogar bis zu 50 Prozent –, was sich auf Billionen Gallonen sogenannter „Nichteinnahmen“ summiert. Wasser pro Jahr.

Aber was wäre, wenn die Technologie einen Teil dieses Verlusts verhindern und die Zahl näher an Null bringen könnte?

Das ist die Frage, die Luis Montestruque und eine Gruppe von Studenten der University of Notre Dame zu beantworten versuchen.

„Es kommt sehr häufig vor, dass ein gut geführtes Versorgungsunternehmen etwa 30 Prozent seines Wassers durch nicht gewinnbringendes Wasser verliert, was ziemlich aufschlussreich ist. Und das ist ein gut geführtes Versorgungsunternehmen. Ich habe gesehen, dass Versorgungsunternehmen bei der Bestellung etwas verloren haben.“ von 50 bis 60 Prozent durch Lecks.“

Montestruque, ein gebürtiger Peruaner, der an der University of Notre Dame in Steuerungssystemtechnik promoviert hat, ist Mitbegründer von HydroDigital, einem in South Bend ansässigen Designberatungsunternehmen, das öffentliche und private Versorgungsunternehmen bei der Einführung digitaler Technologien unterstützt, um ihre Wasserbewirtschaftung zu verändern .

Mit Unterstützung des Notre Dame Center for Civic Innovation (CCI) und der Stadt South Bend entwickelt Montestruque eine Technologie, um Wassersystemlecks in Echtzeit zu erkennen, bevor sie sich ausdehnen, kritische Infrastrukturen untergraben und den Betrieb unterbrechen können.

Lecks erhöhen auch die Betriebskosten, wie etwa Aufbereitungs- und Pumpkosten, die an die Verbraucher weitergegeben werden, und tragen zu den zunehmenden Umweltauswirkungen der Trinkwassersysteme des Landes bei, die sehr energieintensiv sind.

„Grob gesagt kommt es sehr häufig vor, dass ein gut geführtes Versorgungsunternehmen etwa 30 Prozent seines Wassers durch nicht gewinnbringendes Wasser verliert, was ziemlich aufschlussreich ist“, sagte Montestruque, der in South Bend geboren wurde, während sein Vater Physik studierte in Notre Dame. „Und das ist ein gut verwaltetes Versorgungsunternehmen. Ich habe gesehen, dass Versorgungsunternehmen durch Lecks etwa 50 bis 60 Prozent verloren haben.“

Wie derzeit vorgesehen, würde die Technologie auf Sensoren basieren, die an der Außenseite von Rohren angebracht sind, um auf Lecks zu „horchen“, die ein deutliches Geräusch erzeugen. Wenn ein Leck erkannt wird, wird eine Warnung an ein Dashboard gesendet, wo Wassermitarbeiter es sehen und Maßnahmen ergreifen können. Die Technologie ist nicht unbedingt neu. Montestruque hofft jedoch, es billiger und zugänglicher zu machen.

South Bend wiederum stellt derzeit alle zwei Jahre jemanden ein, der sein gesamtes Wassersystem überprüft und manuell mit einem Stabmikrofon nach Lecks sucht. Andere Versorgungsunternehmen nutzen ähnlich einfache Methoden zur Lecksuche.

Montestruque nutzte seine Verbindungen und seine Nähe zu Notre Dame sowie die Unterstützung von iNDustry Labs, einer universitätsweiten Plattform für die Zusammenarbeit mit der lokalen Industrie, und arbeitete im vergangenen Frühjahr mit einer multidisziplinären Gruppe von Studenten zusammen, um die Technologie als Teil von Industrie und Community zu validieren Innovation Projects, ein 1- bis 3-Credit-Kurs unter der Leitung von CCI-Direktor Jay Brockman, Professor für Praxis am College of Engineering.

„Sie haben ein System entwickelt, das in der Lage ist, zu erkennen, wenn ein Ereignis in einem Trinkwassersystem auftritt … und (drahtlos) einen Alarm auszulösen“, sagte Montestruque über die Studenten.

Jetzt arbeiten CCI-Sommerpraktikanten daran, die Technologie in Zusammenarbeit mit der Stadt und ihrem Ministerium für öffentliche Arbeiten, das über 550 Meilen Wasserleitungen, was der Entfernung zwischen Chicago und Kansas entspricht, mehr als 112.000 Kunden mit sauberem Trinkwasser versorgt, noch weiter voranzutreiben Stadt.

„Derzeit verliert South Bend jährlich rund 365 Millionen Gallonen Wasser durch Lecks, und das einzige Verfahren zur Erkennung von Lecks ist die halbjährliche Untersuchung, bei der eine Person 500 Meilen Rohre absucht und nach Lecks sucht“, sagt Ishani Basak, einer der Praktikanten , sagte. „Unser Projekt versucht, dies mithilfe eines eingebetteten Systems zu automatisieren.“

Im Gegensatz dazu verkauft die Stadt etwa 5 Milliarden Gallonen Wasser pro Jahr oder etwa 3 Millionen Gallonen pro Tag an Kunden innerhalb und außerhalb der eigentlichen Stadt. Das reicht aus, um eine Viertelmillion Hinterhofschwimmbäder zu füllen.

Die Mission der Praktikanten besteht aus zwei Teilen: 1) den aktuellen Zustand des Trinkwassersystems der Stadt zu dokumentieren; und 2) einen funktionierenden Prototyp der Leckerkennungstechnologie entwickeln, einschließlich eines Algorithmus zur Interpretation der von den Sensoren gesammelten Daten.

Zu diesem Zweck besichtigten die Praktikanten kürzlich eine Kläranlage am St. Joseph River in South Bend sowie ein Bohrfeld und eine Pumpstation im Südwesten der Stadt.

Außerdem waren sie damit beschäftigt, einen Prototypen zusammenzubauen und zu testen, der aus einem sogenannten piezoelektrischen Sensor und einer Aluminiumklammer bzw. -halterung besteht.

Der Sensor hat etwa die Größe und Form eines Silberdollars und misst Vibrationen, die er in ein elektrisches Signal umwandelt. Das Signal gelangt über ein Kabel zu einem Verstärker und dann zu einem Laptop, wo es als Welle erscheint.

Dies alles geschieht innerhalb eines maßstabsgetreuen Wassersystems, das aus einer Reihe von Rohren und Ventilen besteht, die in einer Kunststoffwanne aufgehängt und mit einem Wasserschlauch verbunden sind.

Das aus handelsüblichen Teilen und Materialien zusammengesetzte System ermöglicht es den Praktikanten, eine Reihe von Faktoren zu kontrollieren, darunter das Vorhandensein und Nichtvorhandensein von Lecks.

Auf diese Weise können sie reale Bedingungen simulieren und den Algorithmus trainieren, ein Leck anhand seines charakteristischen Wellenmusters zu erkennen – und zwar im Gegensatz zu einem „normalen“ Wellenmuster.

Die Halterung fungiert als Leiter, der Schall vom Rohr zum Sensor überträgt, und bietet eine flache Oberfläche zur Befestigung des Sensors, der sich sonst nicht biegen oder biegen kann, um sich der Form des Rohrs anzupassen.

Der piezoelektrische Sensor bildet das Rückgrat des Systems und ist eine kostengünstige und zuverlässige Technologieform, die sich daher leicht skalieren lässt. Ein französischer Physiker entdeckte den piezoelektrischen Effekt in den 1880er Jahren und Sensoren zur Messung des Effekts gibt es schon seit Jahrzehnten. Sie können einen für weniger als einen Dollar kaufen.

Irgendwann wird das System drahtlos kommunizieren, basierend auf dem sogenannten „Internet der Dinge“.

Die Praktikanten sind alle aufstrebende Junior- oder Senior-Studenten in Notre Dame. Basak ist Maschinenbaustudent mit Schwerpunkt Luft- und Raumfahrt aus Kalkutta, Indien. Steven Conaway studiert Computertechnik aus Star, Idaho. Noah Sim ist ein Doppelstudent in Informatik und Geschichte aus Carmel, Indiana. Jonathan D'Alonzo ist Informatikstudent aus Saratoga Springs, New York.

„Wasser wird immer knapper, insbesondere in den heißesten zwei Dritteln der Staaten. Wir hoffen also, dass es funktioniert. Aber es ist zumindest einen Versuch wert, denn es ist etwas, das seit langem nicht mehr weiterentwickelt wurde und weiterentwickelt werden sollte.“

Die Praktikanten arbeiten derzeit an einem endgültigen Prototyp für die Sensorhalterung mit dem Ziel, diese so zu optimieren, dass sie nahtlos in ein eingebettetes System eingebunden ist, das sowohl aus der Hardware als auch der Software besteht, die zum Sammeln, Übertragen und Analysieren der Sensordaten in einem vollständig automatisierten System erforderlich sind .

„Unser Ziel ist es, bis zum Ende des Projekts einen Prototyp eines Sensorsystems und einen Prototyp eines Algorithmus für maschinelles Lernen bereitzustellen“, sagte Sim und fügte hinzu: „Wir sind im Wesentlichen auf der Zielgeraden.“

Laut Kieran Fahey, Direktor für Langzeitkontrolle der Stadt South Bend, verliert South Bend jedes Jahr 15 bis 20 Prozent seines Trinkwassers durch Lecks und in geringerem Maße auch durch Diebstahl, was in der Branche etwa dem Durchschnitt entspricht. Auch wenn für die Stadt keine Gefahr besteht, dass der Wasservorrat knapp wird, „haben wir dennoch die Verantwortung, die Kosten so niedrig wie möglich zu halten“, sagte der in Irland geborene Ingenieur.

Die Praktikanten werden ihre Arbeit Anfang August abschließen. Danach liegt es an Montestruque und HydroDigital, die Technologie weiter voranzutreiben und zu skalieren, wobei South Bend als kritisches Testgelände für die Technologie dienen wird.

Fahey ist von den Möglichkeiten begeistert.

„Es ist eine sehr nützliche Technologie, insbesondere angesichts des Klimawandels“, sagte Fahey, der die Einführung und Einführung intelligenter Wassertechnologie in South Bend überwacht. „Wasser wird immer knapper, insbesondere in den heißesten zwei Dritteln der Staaten. Wir hoffen also, dass es funktioniert. Aber es ist zumindest einen Versuch wert, denn es ist etwas, das seit langem nicht mehr weiterentwickelt wurde und weiterentwickelt werden sollte.“

Montestruque ist in South Bend kein Unbekannter, da er in der Vergangenheit intensiv mit der Stadt zusammengearbeitet hat.

Im Jahr 2004 gründete er in Zusammenarbeit mit der Stadt und Notre Dame, darunter dem College of Engineering und dem IDEA Center, EmNet, ein bahnbrechendes Unternehmen für intelligente Abwasserkanäle.

Basierend auf einer Technologie, die mit Michael Lemmon, Professor für Elektrotechnik in Notre Dame, entwickelt wurde, hat sich EmNet auf automatisierte Systeme spezialisiert, die den Abwasserfluss bei starkem Regen oder Schneeschmelze umleiten, um so genannte „Mischwasserüberläufe“ zu verhindern, die örtlich verunreinigen Wasserstraßen unter Verstoß gegen das Clean Water Act.

Die erstmals in South Bend eingesetzte Technologie sparte der Stadt etwa 500 Millionen US-Dollar bei einem 700 Millionen US-Dollar teuren, von der EPA vorgeschriebenen Abwasserprojekt und brachte sowohl EmNet als auch EmNet an die Spitze der intelligenten Abwasserkanalisation. Der ehemalige Bürgermeister von South Bend und derzeitige Verkehrsminister Pete Buttigieg hat das Projekt während seiner Präsidentschaftskandidatur 2020 häufig angepriesen.

„Wenn wir den Erfolg, den wir beim Problem (Mischwasserüberlauf) hatten, auf der Trinkwasserseite wiederholen können, wäre das meiner Meinung nach ein großer Gewinn für die Stadt und die Universität.“

Infolgedessen „hat South Bend jetzt in der Wasserwelt den Ruf, eines der innovativsten Versorgungsunternehmen der Welt zu sein“, sagte Montestruque. „So sehr, dass ich durch die Verbindungen zur Stadt Kontakte zu Versorgungsunternehmen in Großbritannien und Asien knüpfen konnte, die an der South Bend-Erfahrung interessiert sind.“

EmNet wurde 2018 von Xylem, einem milliardenschweren globalen Wassertechnologieunternehmen, für einen nicht genannten Betrag übernommen.

Anschließend bekleidete Montestruque mehrere Führungspositionen bei Xylem, bevor er sich bei HydroDigital selbstständig machte, da er näher an der Spitze des intelligenten Wassersektors und direkter mit den Versorgungsunternehmen zusammenarbeiten wollte.

Laut Fahey begrüßte die Stadt aufgrund früherer Erfahrungen die Gelegenheit, erneut mit Montestruque und Notre Dame zusammenzuarbeiten, als sie sich bot.

„Als er vor ein paar Monaten auf uns zukam und sagte: ‚Ich habe eine neue Idee‘, waren wir ganz Ohr“, sagte Fahey.

Montestruque sagte: „Wenn wir den Erfolg, den wir beim Problem (Mischwasserüberlauf) hatten, auf der Trinkwasserseite wiederholen können, wäre das meiner Meinung nach ein großer Gewinn für die Stadt und die Universität.“

Und vor allem auch die Umwelt.

Als Teil des College of Engineering arbeitet CCI mit anderen Forschungszentren und Einzelpersonen in ganz Notre Dame zusammen, um einzigartige Möglichkeiten für die Zusammenarbeit bei drängenden Bürger- und Industrieproblemen in der Gemeinde South Bend-Elkhart zu identifizieren.

Weitere Informationen finden Sie unter civicinnovation.nd.edu.

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