Smart Water Digitalisierung im Wassermanagement – ein Blick auf den Status quo

Autor / Redakteur: Hans-Jürgen Bittermann / Dr. Jörg Kempf

Bis 2021 soll nach einem UN-Bericht der Smart Water-Markt auf 20 Milliarden Dollar anwachsen (2016: 8,5 Milliarden Dollar). Zu Smart-Water-Technologien zählen intelligente Sensoren ebenso wie das Cloud-Daten-Management zur Verbesserung der Wasser-Infrastrukturen. Ein Blick auf den Stand der Dinge in Sachen Digitalisierung im industriellen und kommunalen Wassermanagement ...

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Das Unternehmen Verbund arbeitet am Beispiel des Murkraftwerks Rabenstein in der Steiermark am ersten umfassend digitalen Wasserkraftwerk Europas.
Das Unternehmen Verbund arbeitet am Beispiel des Murkraftwerks Rabenstein in der Steiermark am ersten umfassend digitalen Wasserkraftwerk Europas.
(Bild: Verbund)

Während die Digitalisierung in der industriellen Produktion und der Prozessindustrie national und international rasch voranschreitet, habe der Digitalisierungsgrad in der Wasserwirtschaft noch kein vergleichbares Niveau erreicht – das Positionspapier Industriewasser 4.0 („Potenziale und Herausforderungen der Digitalisierung für die industrielle Wasserwirtschaft“) der Dechema (Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie) legt da recht strenge Maßstäbe an.

Warum sich die Dechema so intensiv mit der Situation der Wasserwirtschaft beschäftigt? Weil die digitalisierte kommunale (Ab-)Wasserwirtschaft immer enger mit dem industriellen Wasser-Ressourcen-Management verknüpft ist: Für eine nachhaltige Wasser- und Abwasserwirtschaft müssen der industrielle und kommunale Wasserbedarf und die Abwasservolumina nicht nur strukturell, sondern auch informationstechnisch zu einer Wasser-Kreislaufwirtschaft verknüpft werden.

KI-Projekt Wissensmanagement

Wenn das Management/die Betriebsingenieure des Wasserversorgers doch nur wüssten, was sie wissen könnten! Dazu startet ein neues Projekt im Bereich Wissen 4.0: Die Erweiterung der digitalen Wissensdatenbanken mit der KI-Technologie von Theum. Die Datenbank durchliest in Sekundenschnelle Dokumente, Websites und Wikis des DWA-Landesverbandes Baden-Württemberg, lernt aus ihnen und führt das enthaltene Wissen zu leistungsstarken, virtuellen Experten für definierte Themenkomplexe zusammen. Antworten auf Fragen rund um die (Ab-) Wasserwirtschaft stehen de facto unmittelbar zur Verfügung – sofort nutzbar auf jedem Endgerät und von jeder Applikation aus: das gesammelte Wissen der Wasserwirtschaft in Baden-Württemberg aus zahlreichen eigenen Publikationen, Wissens- und Technologie-Plattformen sowie Vorträgen aus Kongressen, Expertenforen und Seminaren bis hin zum Erfahrungswissen Nachbarschaften. Und dieses Know-how ist in der Praxis geprüft und qualitätsgesichert!

Das digitale Wasserkraftwerk

Auch eine kürzlich abgeschlossene Studie des Umweltbundesamtes (UBA) zeigt, dass eine „Wasserwirtschaft 4.0“ bisher nur in Ansätzen und/oder einzelnen 4.0-Anwendungen umgesetzt ist. Initiativen würden vordergründig auf betriebliche Vorteile sowie vorhandene Potenziale im Sinne von Nutzen für Umwelt und Bürger zielen, jedoch nicht ausgeschöpft. Entwicklung und Wachstum wirtschaftlicher Aktivitäten jenseits wasserwirtschaftlicher Kernaufgaben würden kaum unterstützt.

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Wie immer gibt es demgegenüber aber auch attraktive Leuchtturmprojekte. So arbeitet das Unternehmen „Verbund“ am Beispiel des Murkraftwerks Rabenstein in der Steiermark am ersten umfassend digitalen Wasserkraftwerk Europas. Dazu wurden in einem ersten Schritt die Lage aller Komponenten und Anlagenteile, gleich ob zu Luft oder unter Wasser, mittels Laserscanning digitalisiert und über eine eigene Datenplattform systematisiert abgelegt. Diese Daten werden in Folge über zu entwickelnde Algorithmen mit den bestehenden Informationen und der Vielzahl anfallender Messwerte aus dem Kraftwerk vernetzt.

Um ein wirklich umfassendes Bild von der Gesamtanlage zu erhalten, werden im Rahmen des laufenden Digitalisierungsprogramms darüber hinaus weitere digitale Hilfsmethoden zur Generierung ergänzender wichtiger Daten geprüft.

Dazu werden sowohl aus anderen Branchen bekannte als auch gemeinsam mit der Wissenschaft und Industrie neu zu entwickelnde Systeme erprobt, z.B. neuartige Sensoren. Dank neuer Analysemethoden und selbstlernenden Programmsystemen sollen aus der dann vorliegenden Datenmenge neue Erkenntnisse über den jeweils aktuellen Anlagenzustand gewonnen werden. Über eigene Computersimulationen werden aus den Zustandserfassungen und Zustandsprognosen – gekoppelt mit der „Geschichte“ einer Anlage – Stillstands- und Reparaturzeiten optimiert. Entsprechende Anwendungen (prädiktive Instandhaltung) sind auch im Bereich des Asset Managements der Wasserver- und Abwasserentsorgungsnetze relevant und vor dem Hintergrund des anstehenden Investitionsumfangs/-bedarfs geboten.

Über digitale Zwillinge und Entscheidungsintelligenz

Können digitale Zwillinge und Entscheidungsintelligenz Versorgungsunternehmen helfen, ihre Infrastruktur besser zu verstehen, um dadurch bessere Entscheidungen zu treffen? Xylem ist davon überzeugt. Entscheidungsunterstützungs-Systeme (Decision Support Systems, DSS) seien hilfreich, weil sie in der Lage sind, eine Vielzahl von Variablen zu berücksichtigen und somit Menschen dabei helfen können, ein Ziel schneller und billiger zu erreichen. Sie verwenden hierzu ein einfaches System: Erkennen – Vorhersagen – Handeln.

Xylem implementiert seit rund zehn Jahren solche Systeme beispielsweise in Abwasserkanälen, um Überläufe und Überschwemmungen zu vermeiden, in Kläranlagen, um den Energieverbrauch zu senken, und in Trinkwassernetzen, um Leckagen zu finden und den Energieverbrauch zu senken. Nun hat das Unternehmen den digitalen Zwilling mit dem maschinellen Lernen ergänzt – jetzt sind digitale Zwillinge in der Lage, historische Daten zu nutzen und automatisch zu „kalibrieren“, um die Infrastruktur besser darzustellen. Dies bedeute in der Regel eine erhebliche Reduzierung der Kosten für die Erstellung von Modellen, und resultiert in einem digitalen Zwilling, der hochgradig und kontinuierlich genau ist. Xylem nennt das „Entscheidungsintelligenz“.

Mit Entscheidungsintelligenz könne man beispielsweise eine Kläranlage betreiben, indem man das letzte Jahrzehnt der Betriebsgeschichte in einem digitalen Zwilling zusammenfasse. Und bei jedem neuen Ereignis lernt das System dazu und wird genauer. Wenn sich jetzt ein Unwetter am Horizont zusammenbraut, kann die Entscheidungsintelligenz einer Stadt automatisch nach Tausenden möglicher Strategien suchen, da sie vermutlich schon einmal etwas Ähnliches gesehen hat.

Automatisierte Leckageortung

Unglaublich aber wahr: Auch in Europa gehen durch Leckagen erhebliche Mengen an Trinkwasser verloren. Das verbreitete Vorgehen bei einem Leckageverdacht ist zumeist fünfstufig: grobe Verortung mit dem Kontaktmikrofon, Feinortung mit Geräuschloggern, Punktlokalisierung durch Korrelation, Bestätigung der Leckstelle mittels Bodenmikrofon sowie Kontrolle des Umfelds auf weitere Leckagen nach der Reparatur. Das von Esders entwickelte Verfahren „Enigma3m“ reduziert das auf zwei Schritte: automatisierte Punktlokalisierung durch Korrelation sowie abschließende Bestätigung per Bodenmikrofon. Damit wird die Wasserleckortung weitgehend automatisiert. Auf Basis qualifizierter Logger- und GIS-Daten (Geographisches Informationssystem) werden im Verteilnetz auftretende Leckagegeräusche nachts via Cloud Computing korreliert. Der Versorger erhält an jedem Morgen ein verlässliches Monitoring des beobachteten Netzabschnitts und kann unmittelbar reagieren. Wenn die korrelierenden Geräuschlogger Enigma3m proaktiv zur Überwachung gefährdeter Netzabschnitte ausgesetzt werden, können Leckagen oft binnen 24 Stunden geortet und behoben werden.

Klar ist: Je detaillierter die im GIS hinterlegten Informationen wie Rohrpläne, Materialeigenschaften und Nennweiten sind, desto präziser kann „Enigma3m“ arbeiten. Während andere Systeme erst ab einem definierten Geräuschpegel aktiv werden, korreliert „Enigma3m“ auftretende Leckgeräusche immer, unabhängig von ihrer Lautstärke. In einem wissenschaftlich begleiteten Praxistest bei IWB, dem öffentlichen Energieversorgungsunternehmen des Kantons Basel-Stadt, konnten auf diese Weise Leckagen durchschnittlich auf 39 cm genau geortet werden.

Pumpen für die digitale Welt

Mit Blick auf Pumpen stellt sich die digitale Frage natürlich auch: Wie können Pumpen fit gemacht werden für die Zukunft? Und konkret: Gibt es eine Möglichkeit, mit einem eher kleinen Aufwand zu starten? KSB bietet als Lösung den Pump Guard an. So konnte zum Beispiel eine drohende Verstopfung bei einer großen, trocken aufgestellten Abwasserpumpe frühzeitig detektiert werden. Das Pumpwerk transportiert Rohabwasser, sodass es immer wieder zu Verstopfungen kommt. In der Vergangenheit waren darauf zahlreiche Ausfälle und kostenintensive Reparaturen zurückzuführen. Dazu kommt, dass das Pumpwerk abseits liegt und nicht unter ständiger Beobachtung ist. Der Guard hat sich damit ideal dafür angeboten, das Pumpwerk auf einfache und kostengünstige Art und Weise mit einer Überwachung auszustatten.

Im vorliegenden Fall wurde durch den Guard festgestellt, dass die mittlere Schwinggeschwindigkeit immer weiter anstieg. Auf dieser Basis wurde dann Servicepersonal zum Pumpwerk geschickt, das die Ursache für die höheren Schwingungen und die drohende Verstopfung beseitigen konnte. Ohne den Guard wäre es hier mit hoher Wahrscheinlichkeit zu einem Ausfall und entsprechenden Schäden an der Pumpe gekommen.

Fazit: Die Digitalisierung im industriellen und kommunalen Wassermanagement ist vielleicht nicht so offensichtlich wie in der Industrie, aber sie findet statt. Und sie wird intensiv gefördert. Aktuell ist hier die Förderrichtlinie „Digital GreenTech – Umwelttechnik trifft Digitalisierung" im Rahmen des BMBF-Aktionsplans „Natürlich.Digital.Nachhaltig“ interessant.

Ergänzendes zum Thema
Digital Green Tech

Wie kann Künstliche Intelligenz dabei helfen, Recyclingverfahren zu verbessern? Mit welchen digitalen Tools können Wasserversorgungs- und Abwasserentsorgungsnetze effizienter überwacht und gesteuert werden? Wie können komplexe Stoffströme in Echtzeit nachverfolgt werden? Diese und weitere Fragen sollen mit der neuen Förderrichtlinie „Digital Green Tech – Umwelttechnik trifft Digitalisierung" beantwortet werden. Gefördert werden Forschungs- und Entwicklungsvorhaben, in denen Experten für Umwelttechnik und Experten für Informations- und Kommunikationstechnik (z.B. Sensorik, Mikrotechnik, Robotik, KI) zusammenwirken, um integrierte Lösungen zu entwickeln. Folgende inhaltliche Schwerpunkte können bearbeitet werden: Daten intelligent nutzen / Systeme vernetzen / Autonome Systeme schaffen / Digitale Interaktionen.

Die Zuwendungen werden im Wege der Projektförderung als nicht rückzahlbare Zuschüsse gewährt. Kontakt: Projektträgerschaft Ressourcen und Nachhaltigkeit (PTRN), Tel. +49-30-20199-3595, bmbf-digital-gt@fz-juelich.de

* Der Autor ist freier Mitarbeiter bei PROCESS.

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