Praxisprojekt LoRaWAN-Pegelsonden: Intelligente Wasserwirtschaft sammelt Daten für die Versorgungsicherheit

Heißere Sommer, sinkende Flusspegel und eine zunehmende Knappheit des Trinkwassers sind klassische Probleme, denen sich Trinkwasserversorger in den letzten Hitzesommern stellen mussten und die durch den fortschreitenden Klimawandel sicherlich häufiger auftreten werden. Hierbei steht jeder Trinkwasserversorger vor der Herausforderung, die Versorgung auch unter der Zunahme dieser erschwerten Bedingungen sicherzustellen. Diesbezüglich stellt sich die Frage, wie das Ziel der Versorgungssicherheit von Trinkwasser auf operativer Ebene langfristig garantiert werden kann. Viele Experten sind sich diesbezüglich einig, dass die Wasserwirtschaft digitaler und smarter werden muss. Was dies konkret bedeutet, bleibt meist jedoch offen. Als erster Baustein für eine bessere Datenbasis und zur Analyse der Auswirkungen des Klimawandels auf die Trinkwasserreserven und Grundwassermessstellen haben sich die Energie- und Wasserversorgung Rheine GmbH und items GmbH in einem Praxisprojekt zur Überwachung der Grundwassermessstellen mittels LoRaWAN-Pegelsonden zusammengeschlossen. Auf die Einzelheiten des Projekts und erste Projektergebnisse wollen wir mit diesem Blogartikel eingehen.

Wie bei vielen anderen LoRaWAN- und IoT-Projekten stand hier jetzt nicht mehr die technische Erprobung der reinen Hardware im Vordergrund, vielmehr sollten eine höhere Stückzahl von LoRaWAN-Pegelsonden verbaut und die Daten zur Optimierung des operativen Betriebs genutzt werden. Durch die Fernauslesbarkeit der Grundwassermessstellen sollten zum einen die monatlichen analogen Ablesungen vor Ort obsolet werden, zum anderen sollte eine größere Datenbasis generiert werden, mit dem Ziel, die Transparenz im Trinkwasserbereich zu steigern. Das Praxisprojekt LoRaWAN-Pegelsonden umfasst allerdings nicht nur eine Ausstattung der Grundwassermessstellen mit entsprechender Sensorik, sondern auch eine Visualisierung der Messergebnisse in Grid Insight: Water, dem Softwaretool der items GmbH zur Optimierung der Wasserwirtschaft. Dieses bietet nicht nur eine Visualisierung der übertragenen Messwerte, sondern auch eine Prognose der Pegelstände für die nächsten Tage, um Auswirkungen auf sich verändernde Grundwassermessstellen frühzeitig erkennen zu können.

Praxisprojekt LoRaWAN-Pegelsonden: Die eingesetzte Messtechnik

Ausgangsbasis für das Projekt stellte die Auswahl geeigneter Messtechnik dar, die eine Übertragung der Messwerte per LoRaWAN unterstützt. Da die gemessenen Daten der Grundwassermessstellen in den operativen Betrieb überführt werden sollten, wurde auf Messtechnik im Profibereich von der Firma UIT zurückgegriffen.  Konkret handelt es sich um den Wasserstandsrecorder WR-IoT compact mit LoRaWAN und integriertem Pegellogger. Die Pegelsonde der Firma UIT kann für unterschiedliche Wassersäulen bis 100 m Tiefe eingesetzt werden und ist in verschiedenen Schutzklassen von IP65 bis IP68 verfügbar. Zusätzlich zur Höhe des Pegelstandes ist eine Messung der Wassertemperatur möglich. Der integrierte Speicher des Datenloggers umfasst 512 MB, so dass ca. 1 Millionen Datensätze gespeichert werden können. Die Spannungsversorgung kann laut Herstellerangaben über vier 1,5 V Alkaline-Batterien oder zwei 3,6 V Lithium-Batterien erfolgen. Im Projekt wurden jeweils zwei in Reihe geschaltete 5200 mAh, 15 A, 3,6 V Lithium-Akkus eingesetzt. Optional besteht die Möglichkeit, die Sendequalität des LoRaWAN-Moduls durch eine externe Antenne zu steigern.

Für das Projekt wurden 10 Messeinheiten an netzkritischen Punkten installiert und in das LoRaWAN-Netz der RheiNet GmbH, einer Tochtergesellschaft der EWR, integriert. Da das LoRaWAN-Netz der RheiNet GmbH bereits deutlich ausgebaut ist, wurden ausschließlich Pegelsonden eingesetzt, die LoRaWAN unterstützten. Die Auswahl von alternativen Kommunikationstechnologien, die bei der UIT-Pegelsonde möglich sind, war somit nicht erforderlich.

Praxisprojekt LoRaWAN-Pegelsonden: Anforderungen an die Daten

Für die spätere Prognose der Grundwasserpegelstände und die Visualisierung der Messergebnisse für das Praxisprojekt LoRaWAN-Pegelsonden galt es die Anforderungen an den Datenbedarf zu definieren. Hierfür erfolgen die Messungen in 5/6/10 m Tiefe in einem zeitlichen Intervall von 6 Std. Als Messdaten werden die Wassersäule über der Messeinheit, der Abstich (Oberkante Pegelrohr zur Grundwasseroberfläche), die Temperatur des Grundwassers, die Temperatur der Datenübertragungseinheit/-speicher sowie die Versorgungs-/Batteriespannung erhoben. Die Messreihen sollen mindestens einmal täglich übermittelt werden. So liegt bereits eine höhere Datenbasis vor als bei der vorherigen monatlichen Messung vor Ort.

Da sich die Häufigkeit der Datenübertragungen pro Tag auf den Energieverbrauch und somit die Lebensdauer der verbauten Batterien auswirkt, wurde vor Installation der Messtechnik eine Analyse im IoT-Labor der items GmbH durchgeführt. Im IoT-Labor konnten ca. 20.000 Messungen/Datenübertragungen realisiert werden. Dies würde bei 4 Messungen am Tag einer Laufzeit von 10 Jahren entsprechen. Hier sind aber noch die Faktoren Alterung, Selbstentladung und niedrige Temperaturen zu berücksichtigen. Bei einer Laufzeit von 10 Jahren wäre eine ausreichende Lebensdauer der Messtechnik sichergestellt, um nicht permanent einen Wechsel der Akkus durchführen zu müssen. Durch die Messung der Daten in 6-Stunden-Intervallen soll perspektivisch die Datenmenge ausreichen, um eine Prognose des Grundwasserstandes auf Tagesebene umsetzen zu können.

Praxisprojekt LoRaWAN-Pegelsonden: Sicherstellung der Konnektivität

Eine Herausforderung in LoRaWAN-Praxisprojekten ist die Sicherstellung einer ausreichenden Konnektivität der Messtechnik zum LoRaWAN-Gateway. Hierfür bestehen unterschiedliche Möglichkeiten, um die Sendeleistung der Messtechnik zu steigern. Neben der Veränderung des Spreading-Faktors, die allerdings die Anzahl der übermittelbaren Nachrichtenpakete negativ beeinflussen kann, besteht die Einsatzmöglichkeit einer optionalen Antenne oder spezieller Verschlusskappen.

Für das Praxisprojekt LoRaWAN-Pegelsonden wurde vor Ort eine Messung der Netzabdeckung an den jeweiligen Montagestandorten durchgeführt. Hier bestand bei allen Standorten eine Mindestkonnektivität, da das LoRaWAN-Netz der RheiNet GmbH bereits umfangreich ausgebaut wurde. Allerdings gab es große Unterschiede in der Empfangsqualität in Abhängigkeit von den Jahreszeiten. Die Messung zur Feststellung der Empfangsqualität fand in Q1 2021 statt, wohingegen die Montage in Q3 2021 erfolgte. Durch das Wachstum der Sträucher und Bäume wurde die Empfangsqualität an den Installationsstandorten deutlich verschlechtert, weswegen der Einsatz optionaler Antennen zwingend notwendig war. Durch die Ergänzung weiterer externer Puk-Antennen bestanden jedoch hinsichtlich der Konnektivität weniger Probleme.

Die technische Architektur im Detail

Für die Digitalisierung, Messung, das Monitoren und der Entwicklung der Prognose sind im Praxisprojekt LoRaWAN-Pegelsonden nicht nur der Einsatz von Messtechnik und der Aufbau eines LoRaWAN-Netzes erforderlich, sondern auch der Aufbau der entsprechenden IT-Architektur. Im vorliegenden Fall wurde wie bereits erwähnt die Messtechnik der Firma UIT eingesetzt. Das LoRaWAN-Netz besteht in diesem Fall aus mehreren Outdoor-Gateways des Herstellers Multitech. Die übertragenen Daten werden an die IoT-Plattform der items GmbH weitergeleitet, die von den Stadtwerken Rheine/EWR/TBR genutzt wird. Dort findet eine Entschlüsselung und Aufbereitung der Daten statt. Durch ein integriertes Dashboard ist auch direkt ersichtlich, welche Messsysteme (keine) Informationen senden und wie der Status der Spannungsversorgung einzuordnen ist. 

Von dort aus erfolgt eine Weiterleitung der Daten an das Tool Grid Insight: Water der items GmbH, das die EWR nutzen. Die Daten werden hierfür über eine Webhook-Schnittstelle an einen Azure-Digital-Twin weitergereicht, der von Grid Insight: Water zur Visualisierung, Prognose und Analyse der Daten genutzt wird. Die Daten der Messtechnik zur Überwachung der Pegelsonden werden zum einen genutzt, um den Fachbereich eine Visualisierung der Pegelstände auf einen Blick sowie das Erreichen kritischer Schwellwerte anzuzeigen. Zum anderen fließen die zusätzlichen Informationen mit in den Algorithmus zur Prognose des Trinkwasserbedarfs, verbunden mit einer Produktionsoptimierung ein. Eine Prognose der Brunnenpegelstände selbst befindet sich noch in Arbeit, da hierfür noch eine ausreichende Erhebung von Daten über einen längeren Zeitraum erforderlich ist.

LoRaWAN in der Wasserwirtschaft – ein Ausblick

Die Digitalisierung und Überwachung von Grundwassermessstellen mit Messtechnik stellt nur einen Baustein zur Transformation der Wasserwirtschaft für die Anpassung der Herausforderungen gegen den Klimawandel dar. Hier bietet Grid Insight: Water mit der Prognose des Trinkwasserbedarfs, der Überwachung von Grundwassermessstellen und der Leckage-Erkennung erste Bausteine. Perspektivisch sind jedoch weitere Anwendungsfälle in Planung, deren Daten und Informationen in Grid Insight: Water zur Optimierung des operativen Trinkwassernetzbetriebs beitragen sollen.

Hierzu zählen u. a. laufende Projekte im Bereich des Grünflächenmonitorings, um den Wasserbedarf von Grünanlagen frühzeitig einplanen zu können und Lastspitzen im Wassernetz zu senken. Gleiches gilt für die Feuchtigkeitsmessung von Äckern, wobei auch eine Analyse der chemischen Zusammensetzung hinsichtlich Schadstoffen möglich ist, um die Wasserqualität gerade in Trinkwasserschutzgebieten zu gewährleisten. Ebenso ist eine Erweiterung von Grid Insight: Water im Bereich der Abwasserwirtschaft geplant. So können Regenrückhaltebecken oder andere kritische Assets wie Kleinstpumpwerke überwacht werden.

Insgesamt bietet der Bereich der Wasserwirtschaft ein großes Anwendungs- und Optimierungspotenzial, das es zum einen zur Steigerung der Effizienz zu erschließen gilt und zum anderen, um die eigene Wasserwirtschaft auf die Herausforderungen des Klimawandels vorbereiten zu können. Der Blogbeitrag zum Praxisprojekt LoRaWAN-Pegelsonden spiegelt hierbei einen Baustein für ein mögliches Umsetzungsszenario wider.

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Die nationale Wasserstrategie – Herausforderungen für die Wasserwirtschaft

Wasserwirtschaft 2030 – das Visionsbild des Gesetzgebers 

Als Lebensgrundlage in allen Bereichen nimmt Wasser eine zentrale Rolle im menschlichen Dasein ein und ist als Bestandteil der Menschenrechte in besonderem Maße zu schützen. Sowohl als Lebensmittel als auch als Grundlage vieler Wirtschaftsbereiche, steht Wasser im Mittelpunkt vieler unterschiedlicher Interessen. In der westlichen Welt wird Wasser vielerorts als selbstverständlich angesehen – Qualität und Verfügbarkeit sind seit Jahrzehnten auf einem sehr hohen Level. Zwar ändert sich durch den Klimawandel bislang die Gesamtregenmenge in Deutschland kaum, jedoch werden extreme Wetterereignisse häufiger. Starkregen, Hitze- und Trockenperioden nehmen zu. Der Grundwasserspiegel sinkt vielerorts und Böden trocknen aus. Zusätzlich finden sich immer mehr Rückstände und Verunreinigungen im Wasser, wodurch Ökosysteme gefährdet werden und die Trinkwasseraufbereitung teurer wird. 

Das Bundesumweltministerium (BMU) hat im Juni dieses Jahres einen Entwurf für die nationale Wasserstrategie vorgelegt, der strategische Ziele festlegt und dem Umgang mit Wasser in Deutschland einen Rahmen geben soll. In diesem Beitrag wird kurz umrissen, wie IoT- und KI-Technologien bei der Umsetzung der nationalen Wasserstrategie einen entscheidenden Beitrag leisten können. Dabei soll kurz auf die Themenfelder und Ziele der nationalen Wasserstrategie beleuchtet und einzelne Themengebiete hinsichtlich des Handlungspotentials untersucht werden. Grundsätzlich verfolgt die nationale Wasserstrategie folgende Hauptziele:  

  • den Status Quo in der Versorgung halten, 
  • die natürlichen Wasservorräte in ihrer Qualität erhalten und nicht übernutzen, 
  • Kosten sozial- und verursachergerecht verteilen 
  • die Wasserwirtschaft an Änderungen bei Klimawandel und Demographie anpassen. 

Nationale Wasserstrategie: die strategischen Handlungsfelder  

Bei der nationalen Wasserstrategie handelt es sich weniger um einen detaillierten Handlungsleitfaden für Wasserversorger. Vielmehr erfolgt eine Thematisierung strategischer Themen und des zukünftigen Visionsbild der Wasserwirtschaft, in welcher Form die Wasserwirtschaft und allgemein der Umgang mit Wasserressourcen im Jahr 2050 aussehen soll. Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf einem naturnahen Wasserzustand und den technischen Wegen, diesen zu unterstützen. Eine Auflistung der strategischen Themen ist der nachfolgenden Abbildung zu entnehmen: 

Die strategischen Themen werden durch konkrete Schwerpunkte und daraus abgeleitete Maßnahmen und Handlungen ergänzt. Der Fokus liegt auch hier auf einer gemeinsamen, vernetzten und ganzheitlichen Betrachtung des Themas Wasser 

Nationale Wasserstrategie: Ressourcenengpässe und Nutzungskonflikte im Mittelpunkt 

Eine der wesentlichen strategischen Handlungspunkte der nationalen Wasserstrategie liegt in der Vorbeugung der sich zunehmenden Entwicklung der Wasserknappheit und Verringerung von Nutzungskonflikten, wobei im ersten Schritt eine Analyse von Angebot und Bedarf und daraus ein Versorgungskonzept erforderlich ist.   

Voraussetzung hierfür ist eine ausreichende Datenbasis, welche in der Praxis meist noch ausgebaut werden muss. Parallel muss im Dialog mit allen Beteiligten ein Konzept ausgearbeitet werden, um die Nutzung von Wasser an dessen Verfügbarkeit anzupassen. Dies kann beispielsweise durch smarte Wassertarife geschehen, die durch Monitoring und Prognose gestützt werden oder die Gestaltung neuartiger Wasserverträge, welche z. B. einzelne Kunden bei Verbrauchsspitzen vom Netz trennen können. In der Stromwirtschaft gibt es dies bereits heute mit dem System der abschaltbaren Lasten. Für den Fall anhaltender Trockenheit sind daher klare Nutzungshierarchien festzulegen, um Nutzungskonflikte zu umgehen. 

Neben der Verwaltung der verfügbaren Wassermengen muss auch die Wasserinfrastruktur an den Klimawandel angepasst werden. Hier sollen die Kommunen informativ und finanziell dabei unterstützt werden, ihre Städte und Dörfer an den Klimawandel anzupassen. Ein Fokus liegt hier insbesondere auf wassersensiblen Städten mit viel Grün und unversiegelten Flächen. Ebenso soll der Bedarf überregionaler Wasserversorgungsinfrastruktur ermittelt werden, um Gemeinden mit erhöhtem Wasserbedarf und Regionen mit hohen Wasserressourcen zu verbinden. 

Über die letzten Jahrzehnte hinweg gelangen immer mehr Stoffe in den Wasserkreislauf. Um die Gewässer wieder sauberer und gesünder zu gestalten, wird in der nationalen Wasserstrategie einerseits auf eine erneuerte Abwasserabgabe gesetzt, um die Belastung im Abwasser auf die Produzenten umzulegen und einen Anreiz zu schaffen, diese so gering wie möglich zu halten. Auf der anderen Seite muss ein umfassendes Monitoring von Stoffen, Stoffgruppen und Keimen aufgebaut und bundesweit gebündelt aufbereitet werden. Hier stehen insbesondere die Nitratbelastung und Kunststoffauswirkung im Vordergrund. Zusätzlich können über mikrobiologische Untersuchungen Viren frühzeitig erkannt werden, um so eine Pandemievorsorge einleiten zu können. 

Nationale Wasserstrategie: Eine Datenbasis zur Umsetzung ist Pflicht 

Was alle Punkte, Maßnahmen und Strategien vereint ist der Fokus auf Daten. Wasserbedarf, Wasserverbrauch, Wasservorrat, Wasser- und insbesondere Abwasserqualität müssen erfasst und überwacht werden. Je größer die Datensammlung ist und folglich auch die ableitbaren Prognosen besser werden, desto besser können die verantwortlichen Akteure auf besondere Ereignisse reagieren und bestehende Handlungsschemata adaptieren. Bei vielen potenziellen Datenpunkten liegt noch keine Infrastruktur für die Datenerhebung vor und die Messpunkte verteilen sich insbesondere in der Wassergewinnung auf weitläufige und abgelegene Gebiete. Hier ergibt sich insbesondere durch den Einsatz von LPWAN-Technologien ein entscheidender Vorteil, da die batteriebetriebene Funksensorik genutzt werden kann, um eine kontinuierliche Datenerhebung zu gestalten. 

So können zum Beispiel die Grundwasserstände einzelner Gewinnungsgebiete über Pegelsensorik erfasst werden, um eine optimale Nutzung und auch Regeneration der Gebiete zu gewährleisten. Eine Überwachung des Wasserverteilnetzes hinsichtlich Durchflussmengen und Druck gibt einen Überblick über die Nachfrage und kann zusätzlich zur Erkennung von Leckagen einbezogen werden. 

Vorteile für den Anbieter ergeben sich durch die bedeutend höhere Anzahl an Daten, sowohl durch mehr Messpunkte als auch durch die deutlich kleineren Messintervalle. Gesammelte Daten können sowohl für die Visualisierung genutzt werden als auch in bestehende Fachanwendungen und Leitsysteme zur weiteren Nutzung und Verarbeitung übertragen werden. Durch eine Anbindung an ERP-Systeme ist auch eine Verwendung von Zählerständen für die Abrechnung möglich. Zusätzlich verkleinert sich der Aufwand in der Datenerfassung insbesondere bei Schächten, die beim manuellen Ablesen hohe Sicherheitsvorkehrungen erfordern. 

Durch den Klimawandel wird gerade im Bereich Wasser das Thema Ressourcenverteilung und -schonung weiter an Bedeutung gewinnen. Ein bewussterer Umgang zeigt sich nicht nur durch den Verbrauch, sondern äußert sich auch in einer Bedarfsorientierung in der Wasserentnahme und -aufbereitung. Durch eine breitere und detaillierte Datenbasis lässt sich mit dem Einsatz von KI eine Bedarfsplanung und darauf abgestimmte Produktionsplanung optimieren, die auch die Verfügbarkeit in den Gewinnungsgebieten und technische Bedingungen in der Aufbereitung und Verteilung mitberücksichtigt.  

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Kurzfassung: https://www.bmu.de/fileadmin/Daten_BMU/Download_PDF/Binnengewaesser/kurzfassung_wasserstrategie_bf.pdf 

Langfassung: 
https://www.bmu.de/fileadmin/Daten_BMU/Download_PDF/Binnengewaesser/langfassung_wasserstrategie_bf.pdf 

FFVAV: Neue Anforderungen für Fernwärmenetzbetreiber

FFVAV – und plötzlich ist sie da

Kurz vor der Sommerpause war die FFVAV, die neue Verordnung zur Fernauslesung von Wärmemengenzählern (WMZ) und neuen Anforderungen an die Abrechnung, in aller Munde. Tiefgreifende Veränderungen mit der Verpflichtung zur Fernauslesung, der monatlichen Informationsbereitstellung sowie Anpassungen in der AVBFernwärmeV wurden angekündigt. Nach einigen Änderungswünschen des Bundesrates kam die Verordnung dann doch nicht auf die politische Beschlussagenda und geriet mit der Sommerpause und den nun anstehenden Sondierungsgesprächen der Parteien in Vergessenheit. Unerwartet von der Branche und ohne große Vorankündigung wurde die FFVAV jedoch am 4. Oktober beschlossen und trat einen Tag darauf, am 5. Oktober, in Kraft. Die neuen Regelungen für Fernwärmenetzbetreiber gelten somit unmittelbar. Inhaltliche Veränderungen wurden an dieser Stelle nicht mehr aufgenommen, sodass alle diskutierten Fristen, wie z. B. die monatliche Verbrauchsinformation, bis zum 01. Januar 2022 umzusetzen sind.

Für Fernwärmenetzbetreiber bedeutet der Beschluss der FFVAV eine große Herausforderung, welche die Ebenen der Messtechnik, der Integration in die Abrechnung, der Anpassung der Rechnungsstellung sowie der Bereitstellung der Informationen an den Kunden umfasst. Für Fernwärmenetzbetreiber stellt sich nun die Frage, welche Handlungsoptionen bestehen, um die Fristen der FFVAV bis zum Anfang des kommenden Jahres erfolgreich umzusetzen. Welche Möglichkeiten es gibt und welche zentralen Fragestellungen zu beantworten sind, soll in einem groben Abriss im Rahmen dieses Blogbeitrags beantwortet werden.

FFVAV: Worum es eigentlich geht

Als kurze Wiederholung zu bereits veröffentlichten Blogbeiträgen gehen wir noch einmal kurz auf die wesentlichen Beschlüsse der FFVAV ein. Im Kern besteht die Anforderung aus drei zentralen Bausteinen, welche verpflichtend umzusetzen sind:


Erstens nimmt die FFVAV Einfluss auf die Konnektivität und Messtechnik, da ab sofort nur noch Messtechnik verbaut werden darf, welche aus der Ferne auslesbar ist. Da dies in der Vergangenheit oft analog durch manuelles Ablesen vor Ort erfolgte, steht für Fernwärmenetzbetreiber die Auswahl der geeigneten Messtechnik an.


Zweiter Aspekt der FFVAV ist eine Standardisierung der bereitgestellten Messdaten erforderlich, welche aufbereitet werden müssen, um eine Verarbeitung im Abrechnungssystem zu ermöglichen.


Drittens ist damit eine Anpassung der Abrechnung und der Ausgestaltung der Verbrauchsinformation nach den Vorgaben der FFVAV vorgesehen. Die Bereitstellung der Verbrauchsinformation hat nach der FFVAV ab dem 01. Januar 2022 für alle fernauslesbaren Zähler kostenlos und monatlich zu erfolgen. Die Bereitstellung der Verbrauchsinformation kann postalisch (als Standard) oder auf elektronischem Wege erfolgen. Auf Wunsch des Kunden ist die unentgeltliche elektronische Bereitstellung sogar verpflichtend. Eine Umrüstung sämtlicher Wärmemengenzähler WMZ ist bis zum 31. Dezember 2026 verpflichtend umzusetzen. Ein grober Überblick der Inhalte der FFVAV ist der folgenden Grafik zu entnehmen:

FFVAV - Zentrale Änderungen im Überblick
FFVAV – Zentrale Änderungen im Überblick

FFVAV – Smart Meter Gateway (SMGW)-Pflicht: ja oder nein?

Ein wesentlicher Knackpunkt bei der Umsetzung der FFVAV ist die Auswahl und Zulassung geeigneter Messtechnik. Hier schreibt die Verordnung fernauslesbare Messtechnik vor, die nach den Vorschriften der BSI funktioniert. Da es nur die technischen Richtlinien des BSI für das Smart Meter Gateway (SMGW) gibt, liegt die Vermutung nahe, dass eine SMGW-Anbindungspflicht von WMZ an das SMGW besteht. Allerdings lassen sich Abschnitte der FFVAV sowohl in die Richtung interpretieren, dass eine generelle SMGW-Pflicht besteht oder nur dann, wenn der Kunde dies wünscht bzw. sich der Fernwärmenetzbetreiber hierfür aktiv entscheidet.

Welche der beiden Auslegungen korrekt ist und wie die genaue Auslegung in der Praxis erfolgt, wird sich in den kommenden Monaten zeigen. Am Markt sind bislang beide Varianten zu finden, sodass einzelne Häuser auf das SMGW warten oder bereits auf alternative Techniken, wie NB-IoT oder LoRaWAN, setzen.

Aus Kreisen des BSI bzw. der zuständigen Ministerien ist die grundsätzliche Tendenz zu erkennen, das SMGW zu einer Art „Energiewirtschaftlicher Bundesrouter“ weiterzuentwickeln, der alle Energiedaten sicher transportiert. Perspektivisch ist es also wahrscheinlich, dass die WMZ an das SMGW angebunden werden müssen. Hierzu haben wir eine Anfrage an das BSI mit der Bitte einer Stellungnahme zur FFVAV und der Interpretation der SMGW-Pflicht gestellt, bislang ohne Rückmeldung.

Definitiv besteht aber die Pflicht für den Kunden, welche nach § 6 MsbG (Liegenschaftsmodell) einen Anschluss des WMZ an das SMGW verlangen. Neben der noch etwas unklaren Auslegung der neuen Rechtslage besteht zudem die Frage, welche weiteren Hindernisse bei dem Einsatz der Anbindung von WMZ an das SMGW bestehen und wie mögliche Handlungsoptionen für Fernwärmenetzbetreiber aussehen können.

FFVAV: Handlungsoptionen zur kurzfristigen Umsetzung

Durch die Pflicht zum Einbau fernauslesbarer Zähler ab dem 5. Oktober 2021 ist der laufende Turnuswechsel zu unterbrechen und anzupassen. Unter Berücksichtigung der Unklarheiten bzgl. des SMGW stehen jedem Fernwärmenetzbetreiber zwei Optionen zur Verfügung, wie eine kurzfristige Umsetzung der FFVAV erfolgen kann.

In der ersten Option wartet der Fernwärmenetzbetreiber auf das SMGW bis zu dem Zeitpunkt, wo eine Anbindung technisch möglich ist. An dieser Anbindung arbeiten bereits erste Hersteller, es ist jedoch davon auszugehen, dass dies noch nicht für jeden fernauslesbaren WMZ gelten wird. Der Turnuswechsel ist so lange unterbrochen, bis die technische Anbindung realisiert werden kann. Je länger der Prozess des Wartens jedoch dauert, desto schneller muss am Ende eine Umrüstung der gesamten Messtechnik bis zum 31.12.2026 erfolgen. Hinzu kommt die Problematik, dass die Messwerte der WMZ über die sternförmige Marktkommunikation verschickt werden müssten. Es mangelt aktuell aber an den standardisierten Marktprozessen für diesen Bereich, welche bislang nur für die Sparten Strom und Gas umgesetzt wurden. So lange ist eine Abrechnung von WMZ am SMGW schwer möglich, vor allem dann, wenn es sich bei dem iMSB nicht um den eigenen MSB im integrierten EVU handelt.

Da die Erstellung von einheitlichen, standardisierten Marktprozessen selten in wenigen Wochen erfolgt, ist mit einer weiteren Verzögerung bis zum Einsatz der intelligenten Messsysteme für WMZ zu rechnen. Da viele FVU ihren jährlichen Turnuswechsel bereits durch Corona pausiert haben, würde bei einem weiteren Aussetzen des Turnuswechsels die Anzahl der WMZ mit abgelaufener eichrechtlicher Zulassung steigen. Ob diese Zähler weiterhin abgerechnet werden dürfen, ist dabei stark anzuzweifeln.

Aus diesem Grund bedarf es einer Übergangstechnologie (die ggf. zu einem späteren Zeitpunkt vollständig zugelassen werden könnte), welche das FVU einsetzen sollte, um die Anforderung der Fernauslesbarkeit der FFVAV einzuhalten und eine monatliche Bereitstellung der Verbrauchsinformationen zu gewährleisten. Sobald Klarheit über den genauen Einsatzpunkt und des Umfangs der WMZ-Anbindung an das SMGW herrscht, sowie die standardisierten Marktprozesse vorliegen, kann mit der flächenmäßigen Anbindung begonnen werden.

FFVAV – Mögliche Übergangstechnologien

Die Auswahl der geeigneten Übergangstechnologie zur Fernauslesung von WMZ sollte möglichst in die automatisierten Abrechnungsprozesse integriert werden, um den manuellen Aufwand, gerade in Anbetracht der monatlichen Bereitstellung von Verbrauchsinformationen, gering zu halten. Hierbei bietet sich an, dass der Fernwärmenetzbetreiber auf bereits bestehende Technologien, wie z. B. die Auslesung über das Mobilfunknetz oder bereits durchgeführte Innovationsprojekte im Bereich der Zählerfernauslesung, zurückgreift. U. a. sind die Technologien LoRaWAN und NB-IoT bereits mit etlichen WMZ-Herstellern kompatibel.

Gerade zu Beginn ist von einem Technologiemix auszugehen, da sicherlich bereits ein Teil der WMZ des Fernwärmeversorgers aus der Ferne ausgelesen wird. Somit stellt sich für Fernwärmenetzbetreiber die Frage, welche Technologie weiter genutzt werden soll. Aufgrund der monatlichen Verpflichtung zur Bereitstellung von Verbrauchsinformationen bietet sich das Ablesen der WMZ über Walk-by-Lösungen weniger an, da es durch die entstehenden csv-Dateien höheren manuellen Aufwand bedarf, bevor die Messwerte dem Abrechnungssystem bereitgestellt werden können. Daher empfiehlt es sich auf das bestehende Mobilfunknetz zurückzugreifen und somit bereits vorhandene Infrastruktur zu nutzen. Da viele Fernwärmenetzbetreiber über ein eigenes LoRaWAN-Netz verfügen, ist der Einsatz von LoRaWAN-WMZ in der Startphase geeignet. Verfügt der Betreiber nicht über ein LoRaWAN-Netz oder bestehen erhebliche Abdeckungslücken, so kann als Alternative auf NB-IoT zurückgegriffen werden. Kunden die bereits die IoT-Plattform von Digimondo der items nutzen können hier mit ihrem System bei der Umsetzung aufsetzen. Parallel sollte aber intern schon mit den ersten Tests zur Anbindung von WMZ an das SMGW begonnen werden, um später über die nötige Praxiserfahrung zu verfügen.

FFVAV – Beispiel einer Rolloutstrategie

Die Rolloutstrategie hinsichtlich der Messtechnik ist individuell je Fernwärmenetzbetreiber zu bewerten, wobei ein mögliches Beispiel der folgenden Abbildung zu entnehmen ist. Im vorliegenden Beispiel erfolgt ein Großteil der Messwerterhebung analog. Ein geringer Teil wird über Walk-by-Lösungen oder die bestehende Zählerfernauslese (ZFA) ausgelesen. Mit dem Start der FFVAV entscheidet sich der Fernwärmenetzbetreiber für den Einsatz von LoRaWAN- und NB-IoT-WMZ sowie dem Ausbau der ZFA. In der Übergangsphase kommen dann erste intelligente Messsysteme hinzu. Zum Ende des Rollouts besteht dann ein Technologiemix aus WMZ mit einer SMGW-Anbindung sowie dem Einsatz von LoRaWAN- und NB-IoT-WMZ über das Jahr 2026 hinaus.

FFVAV Rolloutszenario
FFVAV Rolloutszenario

Die Abrechnung der Messwerte sollte stets automatisiert erfolgen, gerade mit dem Blick auf die Pflicht zur Bereitstellung monatlicher Verbrauchswerte. Aus diesem Grund ist die Kette von der Messtechnik, über die Aufbereitung der Daten, der Bereitstellung an das Abrechnungssystem, bis hin zur Rechnungsstellung an den Kunden im Gesamten zu betrachten. Gerade bei dem Einsatz von IoT-Zählern ist die Anwendung eines Zwischensystems erforderlich, welches die Daten aus der „IoT-Welt“ in die Sprache der ERP-Systeme zur Vorbereitung auf die Verbrauchsinformation bzw. Abrechnung übersetzt. Bei der items GmbH laufen hier bereits erste Projekte mit der Einführung der IoT-ERP-Bridge, die die Messwerte aus den IoT-Zählern dem Abrechnungssystem bereitstellt.

Synergiepotentiale im Blick behalten

Auch wenn die FFVAV eine kurzfristige und große Herausforderung darstellt, welche es bis Ende des Jahres zu bewerkstelligen gilt, sollte jeder Fernwärmenetzbetreiber nicht nur das Pflichtprogramm erfüllen, sondern auch die Mehrwerte im Auge behalten. Durch die Installation von fernauslesbaren WMZ im Netz steht dem Fernwärmenetzbetreiber eine deutlich höhere Datengrundlage zur Verfügung, welche er zur Optimierung des Netzes nutzen kann. In einem vergangenen Blogbeitrag haben wir zu diesem Thema ausführlicher berichtet. Im Kern befähigt die Informationen aber eine Datengrundlage, das eigene Fernwärmenetz zu monitoren sowie bestehende Wärmemengenprognosen zu verbessern, wie auch eine höhere Effizienz des Kraftwerkparks zu gewährleisten. So kann bereits kurzfristig Primärenergie eingespart und die Kosten des Netzbetriebs gesenkt werden.

Über ein entsprechendes Projekt gemeinsam mit den Stadtwerken Iserlohn u. a. zur Optimierung von Gaslastspitzen haben wir bereits in der Heat and Power berichtet. Da die Aufwände zur Zählerfernauslesung aus Sicht der Abrechnung die Marge eines Fernwärmenetzbetreibers mittelfristig sinken lassen, sollte bereits bei der Konzeption über die Nutzung der Daten zur Netzoptimierung nachgedacht werden, um zu einem späteren Zeitpunkt die Messtechnik nicht austauschen zu müssen.

Fazit zur Vorgehensweise

Fernwärmenetzbetreiber sind in Bezug auf die FFVAV in einer misslichen Lage. Durch die Unklarheiten hinsichtlich der SMGW-Anbindungspflicht und der fehlenden Marktprozesse zur Abrechnung ist ggf. keine Umsetzung möglich, welche nach dem BSI dem Stand der Technik entspricht. Ein Warten auf die SMGW-Anbindung sowie Marktprozesse würde im Zweifel zu viel Zeit in Anspruch nehmen, sodass sich dadurch der Rollout bis Ende 2026 massiv verkürzen müsste und schließlich die Aufwände enorm steigen. Zudem besteht die Gefahr, WMZ mit einer abgelaufenen Eichfrist im Netz zu haben, da der Einbau konventioneller WMZ untersagt ist. Alternativ ergibt sich der Einsatz von Brückentechnologien, welche aber ggf. nicht den Anforderungen des BSI entsprechen, dafür aber deren WMZ fernauslesbar sind, die DSGVO erfüllen und dessen Messwerte abrechenbar sind.

Um weiter handlungsfähig zu bleiben, scheint es daher ratsam, nicht auf das SMGW zu warten, sondern für mindestens das erste Jahr den Einsatz einer Brückentechnologie zu präferieren. Wenngleich die Konnektivitätslösung in Verbindung mit den WMZ zu einem späteren Zeitpunkt durch das SMGW abgelöst werden müssen, können die WMZ mindestens bis Ende 2026 im Netz bleiben. Durch die teilweise fehlende Anbindungsmöglichkeit an das SMGW und die noch zu definierenden Marktprozesse, wäre auch eine Argumentation denkbar, dass eine SMGW-Anbindung noch nicht dem Stand der Technik entspräche, womit der Einsatz von Brückentechnologien als zulässig anzunehmen wäre.

Aus diesem Grund raten wir unseren Kunden sich schnell und aktiv mit der FFVAV auseinanderzusetzen, geeignete Messtechnik als Brückentechnologie für mindestens die nächsten 12 Monate mit der Option eines längeren Weiterbetriebes auszuwählen sowie eine Anpassung der Abrechnung, welche die Messwerte automatisiert verarbeitet und dem Kunden die verpflichteten Informationen bereitstellt. Von einer manuellen Bearbeitung der Messwerte ist aufgrund des hohen Aufwands abzuraten.

Bei Fragen zu diesem Blogbeitrag und laufenden Umsetzungsprojekten zur FFVAV meldet euch gerne. Folgt auch gerne unserem Blog, wenn euch der Beitrag gefallen hat.

Fachbeitrag Grid Insight: Heat

Gemeinsam mit den Stadtwerken Iserlohn haben wir Grid Insight: Heat entwickelt, mit dessen Hilfe auf Basis von künstlicher Intelligenz der Betrieb von Fernwärmenetzen optimiert werden kann. Echtzeitmonitoring und Wärmebedarfsprognose ermöglichen es u.a., die Fahrweise des Fernwärmenetzes zu verbessern.

Im Gegensatz zu vielen bereits bestehenden Lösungen verfolgt Grid Insight: Heat einen ganzheitlichen Ansatz, durch den ein umfassenderer Blick auf die gesamte Sparte Fernwärme ermöglicht wird. Operatives und strategisches Management in der Fernwärmewirtschaft sollen so zusammengebracht werden, um das doch teilweise noch vorliegende „Silodenken“ aufzubrechen.

Lesen Sie den ganzen Fachbeitrag auf der energie.de.

Blackbox Fernwärme – Wie werden Fernwärmenetze smart?

Fernwärmenetze: Informationen Fehlanzeige

Die Energiewende ist ein Thema, das die Öffentlichkeit maßgeblich im Bereich Strom diskutiert. Dabei fokussiert sich alles auf Erneuerbare Energien, die EEG-Umlage, Elektromobilität oder das Stromnetz. Der Bereich Fernwärmenetze steht völlig im Hintergrund. Dabei werden diese Netze genauso blind gefahren wie heutige Stromnetze im Niederspannungsbereich. Statt eine transparente Übersicht über das Fernwärmenetz zu haben, handelt es sich häufig um eine Blackbox.

Investitions- sowie Steuerungsentscheidungen im Fernwärmenetz werden oft nur auf Basis der Expertise von einzelnen Fachmitarbeitern getroffen, denen zudem keine ausreichende Datenbasis vorliegt. Die finanziellen oder ökologischen Auswirkungen dieser einzelnen Entscheidungen spielen zu selten eine Rolle. Der Betrieb von Fernwärmenetzen findet vielmehr auf dem Stand der vergangenen Jahrzehnte statt. Es wird darauf verzichtet, mittels neuer Technologien zusätzliche Informationen zu generieren, die zur Steigerung der finanziellen und ökologischen Prozesseffizienz genutzt werden können.

Fernwärmenetze: Die fehlenden Informationen der Blackbox

Im praktischen Betrieb von Fernwärmenetzen basiert die Steuerung des Netzes oft auf einzelnen, wenigen Datenpunkten. Häufig umfassen die Informationen lediglich die Daten der einzelnen Erzeugungsanlagen. Hinzu kommen eine Hand voll Netzschlechtpunkte, die einen punktuellen Überblick über den Zustand des Fernwärmenetzes bringen. Bei Netzschlechtpunkten handelt es sich um die Punkte, an denen der Fernwärmenetzbetreiber die schlechteste Versorgung im Netz vermutet. Die Bestimmung des Schlechtpunktes basiert allerdings nur auf Annahmen. Durch das sich ändernde Verbrauchsverhalten über einen Tag wandert der Schlechtpunkt im Netz. In diesem Fall sind mehr Messpunkte notwendig.

Die Datengrundlage über den Ist-Zustand ist somit nicht ausreichend. In der Praxis kämpfen Fernwärmenetzbetreiber oft mit zu hohen Rücklauftemperaturen. Der Verursacher bzw. der verantwortliche Verbraucher im Netz ist auf Grund der mangelnden Datenbasis oft nicht ermittelbar. Die Folge sind ein schlechterer Wirkungsgrad der Erzeugungsanlagen sowie ein höherer Brennstoffeinsatz und erhöhte Lastspitzen. Würden die Hausübergabestationen hingegen mit Messtechnik überwacht werden, kann ein Verbraucher für ihr netzschädigendes Verhalten belangt werden. Die Prozesseffizienz nimmt dadurch zu und alle Nutzer profitieren von sinkenden Kosten.

Durch die mangelhafte Datenbasis ist eine Aussage über die Vorlauftemperatur im gesamten Fernwärmenetz schwierig. Aus diesem Grund fahren Fernwärmenetzbetreiber ihre Netze mit zu hohen Vorlauftemperaturen, um dem Risiko von Legionellen vorzubeugen. 3 bis 5 Grad sind keine Seltenheit, wodurch hohe Mehrkosten entstehen.

Fernwärmenetze: Die Probleme der Wärmeprognose

Neben der Erhebung einer ausreichenden Datenbasis ist auch die damit verbundene Prognose des zukünftigen Wärmebedarfs relevant. Hier prognostizieren Fernwärmenetzbetreiber ebenfalls auf Basis der wenigen Informationen den Bedarf für die nächsten Tage. Dabei verzichten einige Prognosewerkzeuge sogar auf die Berücksichtigung der Wetterdaten, auf die sich der Wärmebedarf maßgeblich auswirkt, und verwenden bei der Berechnung lediglich einfach strukturierte Algorithmen, die die zusätzlichen Daten (z. B. Wetterdaten) nur unzureichend oder gar nicht berücksichtigen können. Eine fehlerhafte Wärmeproduktion wird dann erst zu spät im Ist-Zustand festgestellt.

Daneben lassen sich noch weitere Punkte wie der Druck optimieren. Hier ist die Einsparung von Energie der Pumpenleistung möglich. Genauso ist eine Kostensenkung durch die Überwachung von Leckagen im Fernwärmenetz möglich. Das Potenzial der Optimierungsmaßnahmen ist immens.

Fernwärmenetze: Viel Geld für die Blackbox

Der Betrieb von Fernwärmenetzen nach dem heutigen Standard wäre für den Letztverbraucher deutlich günstiger zu betreiben, wenn eine konsequente Optimierung des Fernwärmenetzes durchgeführt würde. Durch die Anschlusspflicht des Letztverbrauchers an das Fernwärmenetz besteht für den Fernwärmenetzbetreiber kein Problem der Kostenabwälzung. Aus diesem Grund ist der Anreiz zur Steigerung der Prozesseffizienz unter den heutigen regulatorischen Rahmenbedingungen gering. Durch bessere Wärmebedarfsprognosen oder eine Optimierung der Betriebsführung (u. a. Vor- und Rücklauftemperaturen) sind Kosteneinsparungen im sechsstelligen Bereich schnell generierbar.

Die zusätzlichen Messwerte an den Hausübergabestationen und Wärmemengenzählern können den Verbrauchern darüber hinaus transparent gemacht werden. Zusätzliche Einsparungen auf Verbraucherseite sind so generierbar. Die Verpflichtung der monatlichen Information bzgl. der Verbrauchswerte ab 2022 ist bereits von der EU in der EED-Richtlinie beschlossen und ist in den nächsten Monaten vom Gesetzgeber in nationales Gesetz zu überführen. Dabei sind die Wärmemengenzähler in Zukunft aus der Ferne auszulesen und abzurechnen. Mit der IoT-ERP-Bridge der items und dem Aufbau eines LoRaWAN-Netzes ist diese Anforderung bereits heute umsetzbar. Die zusätzlichen Messwerte der Zähler sind in anonymisiert Form zur Optimierung des Netzes nutzbar.

Fernwärmenetze: Klimaschutz bitte später

Durch den erhöhten Brennstoffeinsatz und den damit verbundenen Lastspitzen im Bereich der Fernwärme kommt es zu einer zusätzlichen Produktion von Kohlenstoffdioxid. Im Schnitt emittiert eine kWh thermisch ca. 300 g CO2. Geht man davon aus, dass ein Haushalt 30.000 kWh pro Jahr benötigt und eine Einsparung von 10% des Wärmebedarfs durch eine bessere Überwachung und Prognose des Netzes erzielt werden kann, entspricht dies einer Vermeidung von ungefähr 900 kg CO2 pro Jahr.

Die Einsparung ist allerdings nicht durch den Verbraucher, sondern nur durch den Netzbetreiber erzielbar. Somit wäre ein Steuerungsinstrument erforderlich, das den Netzbetreiber zur Steigerung der eigenen Prozesseffizienz verpflichtet. Die ab 2021 neugestaltete CO2-Steuer nach dem Brennstoffemissionshandelsgesetz (BEHG) verfehlt dieses Steuerungsziel jedoch. Vielmehr sind sämtliche Kosten auf den Verbraucher umlegbar, sofern die Preisänderungsklausel des Versorgungsvertrags dies zulässt. Durch die Anschlusspflicht hat der Letztversorger keine Möglichkeit, seinen Fernwärmeversorger zu wechseln. Ein Anreizsystem für ein klimafreundliches Fernwärmenetz besteht somit nicht.

Grid Insight: Heat – Transparenz in der Blackbox

Um mehr Licht und Transparenz in die sogenannte Blackbox zu bringen, entwickelt die items GmbH zusammen mit den Stadtwerken Iserlohn GmbH das Tool Grid Insight: Heat. Die Stadtwerke Iserlohn bringen im Rahmen der Produktentwicklung über Jahre erworbene Know-how aus der Betriebsführung eines Fernwärmenetzes mit ein. Die items GmbH, mit ihrem neuen Geschäftsfeld Data Science, ist hierbei für die KI-basierten Algorithmen, das Cloud Engineering und das Produktdesign im Dashboard verantwortlich. Aus dieser Kombination von verschiedenen Expertisen ergibt sich für eine gemeinsame Produktentwicklung eine sehr gute Symbiose. 

Grid Insight: Heat wird aus mehreren Modulen bestehen, die den Fernwärmenetzbetreiber bei der Steuerung des Fernwärmenetzes unterstützen sollen. Das Herzstück des Tools bilden in der ersten Entwicklungsphase die Nachfrageprognose und Produktionsoptimierung. Dabei werden die Informationen der Erzeugungsanlagen, der Verbraucher und externe Daten, wie z. B. Wetterdaten, genutzt. Erzeugungsanlagen erhalten gleichzeitig eine Kostenfunktion, um in Abhängigkeit von der Nachfrageprognose hinsichtlich der eigenen Kostenstruktur optimiert zu werden. So soll der Fernwärmenetzbetreiber in die Lage versetzt werden, Wärme nach Bedarf zu produzieren, Brennstoff ein zu sparen, Lastspitzen zu vermeiden, den Letztverbraucher zu entlasten, aber gleichzeitig seinen Gewinn zu steigern.

Im zweiten Schritt ist eine Erweiterung des Tools durch ein Echtzeitmonitoring und eine Netzanalyse geplant. Im Echtzeitmonitoring sollen LoRaWAN-Devices, wie z. B. Zähler oder Netzschlechtpunkte, in einer höheren Stückzahl ausgerollt werden. Hierdurch erhält der Fernwärmenetzbetreiber eine bessere Transparenz und steigert die Güte der Prognose und erreicht demzufolge auch eine Produktionsoptimierung. Die Netzanalyse soll ihn bei der Feststellung kritischer Betriebspunkte unterstützen und der Betriebsführung ein besseres Gefühl für die Entwicklung im Netz geben.

Weitere Erweiterungen wie die Integration von Abrechnungslogiken, prädiktive Instandhaltung oder eine Netzausfallsimulation sind in der Diskussion. Der Fokus des Projekts liegt allerdings im ersten Schritt auf der Prognose, Produktionsoptimierung sowie dem Echtzeitmonitoring.

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Grid Insight: Heat Anwendungsfelder im Fernwärmenetz

Grid Insight: Heat – Informationen für die Progonse

Zur Entwicklung der Nachfrageprognose für Fernwärmenetzbetreiber ist eine ausreichende Datenbasis erforderlich. Die Datenbasis bilden die Erzeugungsanlagen sowie die einzelnen Messpunkte im Versorgungsnetz (Fünf-Minuten-Werte), die aktuell in der Netzleitwarte zusammengefasst werden: Menge (Wärme- & Wärmeausspeisung), Temperatur (Vorlauf- & Rücklauftemperatur) und der Druck der Erzeugungsanlagen.

Zukünftig könnten bei einer granularen Datenbasis weitere Messpunkte im Versorgungsnetz ein Echtzeitmonitoring ermöglichen und die Qualität der Prognose erhöhen (Identifizierung von Lastspitzen). Aktuell verwendet das Modell folgende externe Parameter: Temperatur, Niederschlag, Luftfeuchtigkeit, Globalstrahlung, Bodentemperatur, Wind, Schulferien, Semesterferien, Feiertage und Kalenderinformationen.

Für den Optimierungsansatz werden neben den technischen Restriktionen des Fernwärmenetzes und einer Trägheitsfunktion des Netzes vor allem die Kostenfunktion  der Erzeugungsanlagen benötigt. Eine große Herausforderung ist die Bereitstellung geeigneter Wetterdaten. Meist muss auf die Daten des Deutschen Wetterdienstes zurückgegriffen werden, dessen Stationen oft zu weit weg vom Fernwärmenetz stehen. Aus diesem Grund errichten viele Stadtwerke derzeit eigene Wetterstationen, um eine eigene Datenbasis zur Verfügung zu haben.

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Grid Insight: Heat: Daten für die Wärmemengenprognose

Grid Insight: Heat – eine Vision zur Vermeidung der Blackbox

Mit dem Tool Grid Insight: Heat verfolgt die items GmbH das Ziel der Entwicklung eines Tools, das zur Realisierung eines modernen, digitalisierten Fernwärmenetzes beitragen soll. Dabei soll das Tool sowohl eine Prognose als auch ein Echtzeitmonitoring, wie auch eine kaufmännische Optimierung beinhalten. Die Vision ist die Entwicklung eines Werkzeugs, das vollständig in die Prozesse eines Fernwärmenetzbetreibers integriert werden und auf sämtliche Daten zugreifen kann.

Dabei soll es nicht nur um die technische, sondern auch um die kaufmännische Optimierung des Fernwärmenetzes gehen. So sollen alle Nutzer des Netzes profitieren. Der Fernwärmenetzbetreiber durch eine bessere Marge, der Letztverbraucher durch gesenkte Kosten und natürlich die Umwelt durch eine geringere CO2-Emission.

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Grid Insight: Heat Implementierung in die Systemlandschaft

Rückblick E-world 2020 in Essen

Auch in diesem Jahr war die items wieder auf der E-world Energy & Water in Essen vertreten. In angenehmer Atmosphäre kam es beim traditionellen und leckeren Grünkohl zu anregendem Austausch. Unsere Produktneuheit Grid Insight: Water hat großes Interesse geweckt. Grid Insight: Water ist die Softwarelösung der Zukunft, mit der eine automatisierte Wasseprognose für eine nachhaltige Wasserversorgung abgesichert werden kann. Unsere weiteren Messeschwerpunkte, wie z.B. die Prozessautomatisierung durch Mustererkennung und RPA und unser neues Angebot iCheckup wurden von unseren Besuchern wohlwollend angenommen und diskutiert. Unsere Beteiligung an der e-World 2021 ist bereits geplant. Darauf freuen wir uns jetzt schon, insbesondere auf Sie!

Grid Insight: Water – KI-basiertes Cloud-Produkt als Antwort auf die Herausforderungen der Wasserwirtschaft

In den letzten Jahren zeigten sich in Deutschland bereits die ersten Auswirkungen des Klimawandels. Lange Trockenperioden in den Sommermonaten bedingen teilweise eine enorme Verknappung der Wasservorräte und führen u. a. zu Ernteausfällen in der Landwirtschaft. Eine stabile Wetterlage mit konstant ausreichender Regenmenge war in den letzten Jahren immer seltener der Fall und auch in den nächsten Jahren wird, bedingt durch die globale Erwärmung, nicht von einer Besserung auszugehen sein. Dieser Trend stellt auch die kommunale Wasserwirtschaft vor völlig neue Herausforderungen, da eine sichere Wasserversorgung der Bürgerinnen und Bürger auch über längere Trockenphasen hinweg sichergestellt werden muss. Aufforderungen der Kommunen, dass Bürger im Sommer ihr Verbrauchsverhalten ändern und den Wasserverbrauch einschränken sollen, werden immer öfter notwendig.

Um eine permanente Wasserverfügbarkeit sicherzustellen, ohne die Kosten für den laufenden Betrieb drastisch zu erhöhen, wird eine genaue Planung der Produktions- und Speichermengen benötigt. Grundlage jeder guten Planung bildet eine valide Prognose der zukünftig nachgefragten Wassermengen, die zudem in Echtzeit die äußeren Faktoren wie die Temperatur, Niederschlagsmengen, Sonneneinstrahlung sowie Event- und Kalenderabhängigkeiten berücksichtigt. In der Praxis findet jedoch meist eine Mengenprognose für den nächsten Tag auf Basis der Expertise des Netzmeisters statt. Vor dem Hintergrund der zunehmenden Komplexität durch äußere Einflussfaktoren und der riskanten Abhängigkeit vom „Kopfmonopol“ des Netzmeisters ist jedoch fraglich, wie lange ein Betrieb in dieser Form als effizient eingestuft werden kann. In diesem Kontext hat die items in Zusammenarbeit mit ihren Kunden Grid Insight: Water entwickelt. Die erste cloudbasierte Softwarelösung für die Wasserwirtschaft, die Methoden der Künstlichen Intelligenz (KI) nutzt, um die genannten Herausforderungen anzugehen und die seit dem 01.04.2020 den Regelbetrieb der Stadtwerke Münster unterstützt.

Auf Basis der intelligenten Algorithmen findet eine automatisierte Mengenprognose für die nächsten Tage statt, um die Planung der Wassergewinnung/Wasserbeschaffung für die kommenden Tage zu erleichtern bzw. zu automatisieren. Für die Entwicklung der Algorithmen wurden die Produktionsdaten des Wassernetzes der vergangenen fünf Jahre auf Stundenbasis analysiert und mit externen Daten wie bspw. Wetter- und Kalenderdaten angereichert. Auf Basis der identifizierten Muster kann das Modell die zukünftigen Wasserverbräuche sehr genau vorhersagen und berücksichtigt dabei vor allem die aktuellsten Wetterprognosen. Eine Aktualisierung der Algorithmen findet einmal täglich auf Basis neuer Daten statt, so dass die Abhängigkeiten zwischen den einzelnen Faktoren immer wieder neu berechnet und dargestellt werden können. So wurde im Rahmen der Entwicklung von Grid Insight: Water festgestellt, dass die Menschen im Durchschnitt nach fünf Tagen Trockenheit beginnen, überproportional zu gießen, wenn kein Regen für die darauffolgenden Tage gemeldet wird. Somit ist bereits frühzeitig ersichtlich, wann es zu einer Verbrauchsspitze und damit zu einer möglichen Wasserknappheit kommen könnte. Entsprechende Gegenmaßnahmen können somit frühzeitig eingeleitet werden.

Nachfrageprognose
©items GmbH

Mit Hilfe des Optimierungsmoduls können im nächsten Schritt die Prognoseergebnisse zur Verbesserung der kaufmännischen und technischen Netzführung verwendet werden. Auf Basis einer hinterlegten Kostenstruktur können betriebswirtschaftliche Entscheidungen im Rahmen der Wasser-Beschaffung, -Gewinnung, -Produktion und -Speicherung getroffen werden. So können zum Beispiel Fragen, ob und wann eine Intensivierung der Wassergewinnung oder der Zukauf von Wasser sinnvoll ist, automatisiert beantwortet werden. Dabei werden auch die aktuellen

Produktionsoptimierung
©items GmbH

Füllstände und technischen Speicherkapazitätsgrenzen des jeweiligen Wassernetzes berücksichtigt, um beispielsweise die Auswirkungen von Revisionsarbeiten im Rahmen der Produktionsplanung zu berücksichtigen. Die Softwarelösung Grid Insight: Water bietet so die Möglichkeit, sowohl die technischen als auch die kaufmännischen Prozesse zu optimieren.

Bei der Entwicklung der Softwarelösung ist eine modulare Architektur gewählt worden, um weitere Anwendungsfälle der Wasserwirtschaft zeitnah integrieren zu können. So wurden in den ersten Gesprächen mit weiteren Stadtwerken weitere Anwendungsfälle für Grid Insight: Water identifiziert, die aktuell in den Prototypen integriert werden:

  • Echtzeitmonitoring via LoRaWAN
  • Netzanalyse
  • Pegelstandsprognose
  • Wasserqualitätsprognose
  • Leckagen-Analyse
  • Wasserabrechnung

©items GmbH

Vor allem die Kombination mit dem Geschäftsfeld IoT ist am Markt ein absoluter Wettbewerbsvorteil für die items, da der Aufbau neuer Datenquellen (LoRaWAN) sowie die dazugehörigen Datenanalysen aus einer Hand angeboten werden können. So werden unnötige Schnittstellen und aufwändige Projektkoordinationen vermieden.

Um einen eigenen Eindruck von den Funktionalitäten und User-Experiences zu erhalten, könnt ihr euch unkompliziert für den Prototyp von Grid Insight: Water registrieren.

URL: https://wasser-frontend.azurewebsites.net/

Für Fragen und Anregungen stehen wir natürlich gerne zur Verfügung.

 

Christian Wessel
Geschäftsfeldentwicklung Data Science

E-Mail: c.wessel@itemsnet.de
Mobil: +49  152 38 90 15 78
Fon    +49 251 20 83-24 56