EDAR 4.0: Gestión Energética Integral e Inteligente de la EDAR

Descripción de la actividad de la organización

Tecnologías de inteligencia artificial (IA), visual computing e interacción, para responder a las necesidades de investigación aplicada de la industria, acelerando su desarrollo y/o la incorporación de estas tecnologías en nuevos productos y servicios.

Sector

Otra investigación y desarrollo experimental en ciencias naturales y técnicas

Nº de personas empleadas

240

Localización

Antecedentes

En las últimas décadas, la tecnología de automatización y control ha evolucionado mucho en la industria, pero no así en las EDAR. Sus principales equipos y subprocesos se implementan con un grado de automatización adecuado, pero sin una visión integral. Diversas entidades encargadas de la operación y el mantenimiento en las EDAR españolas han identificado desde hace algún tiempo la necesidad de incorporar nuevas herramientas de gestión de la información, como consecuencia del amplio despliegue de sensores y analizadores online en las plantas.

Reto

En este caso, el reto es el desarrollo de herramientas basadas en tecnología de Industria 4.0, incluyendo tecnología de IA, para poder optimizar la eficiencia energética de las EDAR, en base a herramientas de simulación y optimización. Mediante tecnologías de Machine Learning (ML) y optimización matemática, se busca desarrollar herramientas de análisis de datos, predicción, modelización, simulación y optimización para EDARs.

Razones para ser considerado un Caso Práctico de Innovación

El proyecto EDAR 4.0 es un proyecto pionero en la aplicación de tecnologías de la Industria 4.0 en el ámbito de las estaciones de depuración de aguas residuales (EDAR). Incorpora tecnologías de Inteligencia Artificial (IA) y modelización basada en datos y Machine Learning (ML), en un sector en el que la tecnología de automatización está principalmente basada en el control clásico. Esto supone una gran oportunidad de digitalización y un enorme potencial de innovación en un sector con una gran demanda.

Dada la necesidad de desarrollar tecnologías de automatización y control que tienen las estaciones depuradoras de aguas residuales (EDAR), un amplio consorcio formado por empresas del sector del tratamiento del agua y centros tecnológicos y universidades de Euskadi presentó una propuesta de colaboración a la convocatoria Hazitek de la SPRI de 2016, para desarrollar un proyecto estratégico. La propuesta se aprobó y el proyecto, denominado EDAR 4.0, recibió de un presupuesto de 4.000.000€.
En total, unas 40 personas dedicadas a la investigación y la ingeniería han participado en el proyecto, de la mano de organizaciones como Veolia Water Technologies (líder de proyecto), Giroa-Veolia, MSI Grupo, Mapner, Guascor, Masermic, LKS, Ibermática, Guascor Power I+D, I3B, Mondragón Unibertsitatea, Tekniker o Vicomtech. Como resultado, se han generado soluciones a escala real basadas en tecnologías de Industria 4.0 que favorecen la llegada de la cuarta revolución industrial al sector de la depuración de aguas, con el objetivo de alcanzar la optimización energética global de la EDAR. Se han desarrollado algoritmos de clasificación para la monitorización y predicción de la calidad del agua, algoritmos de construcción de modelos de ML y herramientas de simulación y optimización de operaciones, que permiten la maximización de la eficiencia energética en las EDAR y sus equipos.
Para el desarrollo de estas nuevas tecnologías se han utilizado datos de explotación de dos EDAR a escala real: EDAR Epele (Arrasate, Gipuzkoa) y EDAR Cartuja (Zaragoza). La tecnología desarrollada ha sido evaluada y validada por los responsables de la explotación de dichas EDAR, y actualmente se utiliza en su actividad habitual. La implementación de la IA en los procesos de explotación de las EDAR ha representado un hito tecnológico para estas empresas.
Aunque el fin del proyecto EDAR 4.0 estaba previsto para octubre 2019, dados los buenos resultados obtenidos la SPRI concedió una extensión de 6 meses, que permitió afinar el proceso de validación de prototipos.
En el marco de este proyecto, Vicomtech, centro de investigación aplicada de Donostia, ha desarrollado herramientas de modelización, simulación y optimización basadas en IA para EDAR. Su estrecha colaboración con Giroa-Veolia (gestor de recursos de agua, energía y residuos) y con Mapner (fabricante de máquinas neumáticas) durante EDAR 4.0, ha dado lugar a otros proyectos derivados posteriores. Así, Vicomtech ha desarrollado un gemelo digital para Giroa-Veolia, que replica una EDAR en formato virtual, simulando su funcionamiento real. También ha desarrollado una aplicación software para Mapner, que gestiona el control de calidad de las máquinas fabricadas, así como su control y monitorización una vez instaladas y en funcionamiento.

1. El proyecto se presenta a la convocatoria Hazitek Estratégico en marzo de 2016. Se aprueba en junio, iniciando su ejecución en septiembre.
2. Entre septiembre de 2016 y junio de 2017, los miembros del consorcio detallan el diseño de los productos previstos. Para ello, se mantienen reuniones entre las entidades del consorcio investigador y con el personal de las empresas gestoras de las EDAR.
3. Desde septiembre de 2017, y hasta finales de 2018, se trabaja en el desarrollo de los cinco prototipos propuestos (sensores matriciales de oxígeno disuelto, modelos predictivos, sistemas de ayuda a la decisión, sistemas de auditoría energética e infraestructura TIC basada en tecnologías Cloud). Se parte de desarrollos iniciales, que poco a poco se van mejorando a través de contrastes, principalmente en entornos de laboratorio.
4. El proceso de validación se da en 2019. En este periodo, los desarrollos comienzan a incorporarse a la actividad real de las EDAR Epele (Arrasate) y Cartuja (Zaragoza).
5. El fin del proyecto EDAR 4.0 estaba previsto para octubre 2019. Sin embargo, ante los buenos resultados alcanzados, se solicita una prórroga del proyecto a la SPRI. Se aprueba una extensión de 6 meses, para implementar las mejoras detectadas en las pruebas de validación.
6. En 2020 se produce la validación final.

• Se ha conseguido introducir la IA en el sector de la depuración de aguas residuales, lo que representa un hito.
• Se han desarrollado varias herramientas de realización de análisis de escenarios de cualquier subproceso, equipo o conjunto completo de EDAR, por simulación y según los modelos de ML desarrollados, con el fin de facilitar el diseño de controladores globales y la definición de reglas de operación de la EDAR, que permitan su optimización energética.
• Por ejemplo, se ha desarrollado una aplicación Web destinada a la predicción de la calidad del agua efluente de las EDAR, o modelos predictivos para variables de operación manipulables.
• En las pruebas de validación, se partía de unas estimaciones de ahorro energético del 12-15%. Finalmente, los resultados han alcanzado el 15-20% de ahorro.
• Los desarrollos obtenidos se están aplicando en las dos EDAR donde se validaron los prototipos (Cartuja y Epele). Algunos de estos desarrollos se están aplicando también en otras plantas de Bergara y Aduna, por ejemplo.
• A partir de EDAR 4.0 han surgido otros proyectos posteriores, que han permitido seguir avanzando. Vicomtech continúa colaborando hoy en día con Giroa-Veolia (para quien ha desarrollado un gemelo digital o plataforma virtual que replica una EDAR real) y con Mapner (para quien ha creado unos modelos de IA de control de calidad de la maquinaria que fabrica).

- Hazitek