Erhöhung der Resilienz von urbanen Wassersystemen durch Digitalisierung

Im Projekt „REWADIG“ wird erstmalig die Trinkwasserversorgung einer realen Kommune in eine intelligente Trinkwasserversorgung transformiert und in ein Smart City Konzept integriert. Dadurch können die Wasserströme im Versorgungsgebiet in Echtzeit gemessen werden. Technologische Ansätze bei gleichzeitiger Einbeziehung der Bevölkerung in den Betrieb führen zu einer Erhöhung der Resilienz gegenüber langfristigen Auswirkungen (z.B.: Klimawandel) und kurzfristigen Störfällen (Leckagen, Kontaminationen, terroristische Attacken, Auswirkungen von Ausgangsbeschränkungen, ...). Die Kenntnis der Systembelastung soll in zukünftige integrierte Planungsmaßnahmen (z.B.: Leitungsdimensionierung, Bewässerung von Nature-Based-Solutions in Trockenzeiten) einfließen. Die Ergebnisse ermöglichen anschließend eine Bewertung der ökologischen und ökonomischen Auswirkungen sowie Empfehlungen für zukünftige Umsetzungen einer intelligenten Trinkwasserversorgung.

Ausgangssituation

Die urbane Wasserinfrastruktur kann in die 3 Teilbereiche unterteilt werden:

  • Trinkwasserversorgung (kontinuierliche Versorgung mit Trinkwasser in ausreichender Menge und Qualität),
  • Siedlungsentwässerung (schadlose Ableitung von Regenwasserabflüssen),
  • Abwasserentsorgung (umweltgerechte Abführung von Schmutzwasser).

    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 „REWADIG“ können durch folgende Punkte beschrieben werden:

  • Implementierung eines smarten, urbanen Wassersystems im erweiterten Stadtgefüge im realen städtisch geprägten Experimentierraum in Klagenfurt mit Transformation zu einer integrativen Smart City
  • Erhöhung der Resilienz des urbanen Wassersystems gegenüber Klimawandel und (gezielten) Störungen (Ressourcenknappheit, Ausfall, Veränderungen; Temperaturänderungen (Klimawandel und die damit einhergehende Veränderung der Trinkwasserqualität durch Erhöhung der Temperatur im Grundwasser, in den Rohrleitungen und im Wasserbehälter); Störfalle, Notfälle, Ausfälle, Attacken, Krisen)
  • Untersuchung des Ressourcenkonfliktes im urbanen Gefüge (Umsetzungspotential Nature Based Solutions (NBS) und Urban Cooling; Ressourcenkonflikt Trinkwasser durch erforderliche Bewässerung)
  • Umsetzung von technischen Maßnahmen zur Erhöhung der Effizienz als Beitrag zur Klimaneutralität (Früherkennung und Reduktion von Rohrnetzverlusten; Optimierung der Lastflussverteilung; Grundlage zur Koordination mit anderen Infrastrukturbereichen für Planung, Bau und Instandhaltung (parallele Leitungsträger, Verkehrssteuerung, Aufgrabungen im öffentlichen Raum))
  • Verstärkte Bürger*Innenbeteiligung und Bestimmung der realen Potentiale (Bewusstseinsbildung durch vermehrte Information mit bewusster Verwendung von Kalt- und Warmwasser; Bürger*Innenbeteiligung – offene Wasserpreisgestaltung; Beurteilung über den Einfluss auf Betriebsabläufe)
  • Bestimmung des ökologischen, ökonomischen und kommunalen Mehrwerts einer intelligenten (digitalen) Trinkwasserversorgung (inkl. Lebenszyklusanalyse) (Ökologische (Umwelt) und ökonomische (Wirtschaftlichkeit) Bewertung; Ressourcenverbrauch ICT-System (Batterie, Material) vs. Mehrwert (Einsparungen, höhere Versorgungssicherheit); Digitalisierung für die Bürger*Innen nutzbar machen und die Vorteile für die Bürger*Innen bestimmen und kommunizieren)

    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 ökologische und ökonomische 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 relativ 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

  • Projektdaten – Umsetzungsprojekt im 12. Call

    Projektstart: 01.04.2021
    Projektende: 31.03.2024
    Genehmigte Förderung: € 598.129
    Genehmigte Projektgesamtkosten: € 1.072.639

    Konsortium

    Universität Innsbruck - Institut für Infrastruktur (Konsortialführer)
    Stadtwerke Klagenfurt
    Fraunhofer Austria Research GmbH
    Ing. Max Hammerer
    Wolfgang Gruber

    Ansprechpersonen

    Projektleitung Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Robert Sitzenfrei Universität Innsbruck - Institut für Infrastruktur +43 (0) 512 507 - 62195 E-Mail
    Programm-Management Klima- und Energiefonds Mag. Heinz Buschmann, MSc +43 (0)1 585 03 90 E-Mail