Erhöhung der Resilienz von urbanen Wassersystemen durch Digitalisierung

In der Wasserversorgung werden Netzelemente (z.B.: Rohre, Pumpen, Hochbehälter) anhand historischer Daten (Wasserverbrauch) auf ein bestimmtes Ereignis (z.B.: verbrauchsintensivste Stunden an verbrauchsreichen Tagen oder Löschwasserbedarf) ausgelegt. Die Nutzungsdauer der Leitungen und Anlagen betragen mehrere Jahrzehnte.

Der Klimawandel (längere Trockenperioden, höhere Temperaturen) und die Zunahme der Stadtbevölkerung bewirken eine Erhöhung des Gesamtwasserverbrauches und machen eine Adaption der bestehenden Trinkwasserinfrastruktur notwendig.

Zudem stellen Leckagen eine große Herausforderung im Betrieb dar, da Trinkwasser als Ressource verloren geht und der Energiebedarf für die Förderung entsprechend steigt. Durch den verbreiteten Einsatz von Kunststoffleitungen sind akustische Verfahren (Stand der Technik) schwierig und aufwändig.

Darüber hinaus zählt die Trinkwasserversorgung zur kritischen Infrastruktur, die gegenüber Störfällen jeder Art (kriminelle Handlungen, Natur-, Umwelt- und Technologiekatastrophen sowie auch Epidemien) in höchstem Maße belastbar sein muss.

Ziele & Ergebnisse

Die Ziele dieses kooperativen F&E – Projektes können durch folgende Punkte beschrieben werden:

Innovation

Die Potentiale und Auswirkungen einer intelligenten (digitalen) Trinkwasserversorgung sind noch weitgehend unerforscht bzw. nur in idealen Testgebieten (z.B. auf Universitätscampus, im Gewerbegebiet) erprobt. Zudem sind Kontrollmöglichkeiten im Trinkwasserversorgungsnetz vorwiegend auf die Hauptpunkte (z.B.: Übergabepunkten zwischen Druckzonen, Behälter Zu- und Ausspeisungen) beschränkt, wodurch eine Früherkennung von möglichen Problemen im Netzwerk nur eingeschränkt und großräumig möglich sind.

Im Projekt "REWADIG" wird erstmalig die urbane Trinkwasserversorgung einer bestehenden Kommune in eine intelligenten Trinkwasserversorgung transformiert. Dadurch können alle Wasserströme im Versorgungsgebiet in Echtzeit gemessen und zur Früherkennung (z.B.: Rohrnetzverluste, Wasserqualität - Verweilzeiten des Trinkwassers in den Leitungen) verwendet werden. Die Realisierung einer smarten Überwachung und Steuerung wird einen deutlichen Qualitätsanstieg und die Erhöhung der Resilienz gegenüber kurz- (Störfälle) und langfriste (Klimawandel) Einwirkungen bewirken. Technologische Ansätze und die Einbeziehung der Bevölkerung in den Betrieb (z.B.: gezielte oder bewusste Wasserverwendung), führen zu einer Reduktion des Wasserbedarfs und schlussendlich zu einer Schonung der Wasserressourcen.

Durch dieses intelligente System können auch kurzfristige Störfälle und Verbrauchsabweichungen (verursacht durch Leckagen, Kontaminationen, terroristische Attacken, Ausgangsbeschränkungen, ...) zeitnah erkannt und entsprechende Maßnahmen rasch umgesetzt werden. Zudem werden mit den Daten umfangreiche Lebenszyklus- und Kostenanalysen durchgeführt, um die ökologischen und ökonomischen Auswirkungen einer intelligenten Wasserversorgung zu bewerten und Empfehlungen für zukünftige Projekte im Bereich einer modernen und zukunftsfähigen Trinkwasserversorgung ableiten zu können.

Forschungsergebnisse in die Praxis überleiten

Forschungsschwerpunkte vom Arbeitsbereich Umwelttechnik der Universität Innsbruck sind die Analyse und (Echtzeit-)Modellierung von Trinkwassernetzwerken sowie Smart Water Cities (z.B.: Frühwarnsysteme für Wasserverluste). Die Fachgebiete der Fraunhofer Austria Research GmbH sind datengetriebenes Design und künstliche Intelligenz zur Bestimmung von Netzparametern. Im Zuge des Projektes werden diese Forschungsergebnisse in die Praxis übergeführt und an einer realen Kommune erprobt.

Stadt als Testbed nutzen

Durch das Projekt wird in Klagenfurt ein Experimentierraum für smarte, urbane Wassersysteme geschaffen. Durch die Umsetzung eines Mess- und Steuerungsnetzwerkes werden die aktuellen Systemzustände hochaufgelöst ermittelt. Dadurch kann die Resilienz der bestehenden urbanen Wasserversorgung gegen kurzfriste (Störungen) und langfristige (Klimawandel) Einwirkungen analysiert und durch technische und organisatorische Maßnahmen optimiert werden.

Kommunalen Mehrwert erzeugen

Die Umsetzung eines Mess- und Steuerungsnetzwerkes bedeutet primär Investitionskosten und Ressourceneinsatz. Aufbauend auf den Ergebnissen können die kurz-, mittel- und langfristigen Potentiale einer smarten Wasserinfrastruktur ermittelt und die ökologischen und ökonomischen Auswirkungen auf den kommunalen Mehrwert bewertet werden. Die umgesetzten Maßnahmen und Ansätze werden als open-source und open-access aufbereitet, sodass sie auch von anderen Kommunen einfach angewandt werden können.

Summary

The potentials and effects of an intelligent (digital) drinking water supply system are still largely unexplored or only tested in ideal test areas (e.g., on university campuses, in industrial estates). Additionally, control options in the water distribution network are mainly limited to the main points (e.g., transfer points between pressure zones, storage inflow and outflow), which means that early detection of possible problems in the network is only possible to a limited extent and on a large scale.

In the "REWADIG" project, the urban drinking water distribution network of an existing municipality is being transformed into an intelligent drinking water supply system. This allows to measure all water flows in the supply area in real time, using this information for early detection (e.g.: pipe network losses, water quality - residence time of drinking water in pipes). The implementation of smart monitoring and control will trigger a significant increase in quality and resilience to short- (incidents) and long-term (climate change) impacts. Technological approaches and the involvement of the public in the operation (e.g.: targeted or conscious water use), lead to a reduction in water demand and ultimately to a conservation of water resources.

Through this intelligent system, even short-term incidents and consumption deviations (caused by leakages, contamination, terrorist attacks, output restrictions, ...) can be detected promptly and appropriate measures can be implemented quickly. In addition, extensive life cycle and cost analyses are carried out with the data to evaluate the ecological and economic effects of an intelligent water supply and to be able to derive recommendations for future projects in the field of a modern and sustainable drinking water supply.

Zuletzt aktualisiert am 04/12/2021