Schlagwort: Pegelsonden

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 

LoRaWAN-Pegelsonden: Drei Schritte zur sicheren Trinkwasserversorgung

Pegelsonden – Das Messinstrument zur Grundwasserbestimmung

Grundwassermessstellen sind für den Laien oft unscheinbare Stellen in der Landschaft. Lediglich eine kleine Betonplatte und ein kurzes Stahlrohr deuten auf die Pegelsonde hin. Dabei spielen Pegelsonden in der Wasserwirtschaft eine bedeutende Rolle zur Messung des Grundwasserspiegels, weswegen LoRaWAN-Pegelsonden in den Fokus der Wasserwirtschaft rücken.

Die eingesetzten Pegelsonden liefern Daten, die Rückschlüsse auf die Höhe des Grundwasserspiegels am Messpunkt ermöglichen. In Zeiten zunehmender Trockenheit und Trinkwasserknappheit sowie sinkender Grundwasserspiegel wächst die Bedeutung der Messwerte von Pegelsonden mit steigender Tendenz. Hierfür ist allerdings erst einmal ein besseres Verständnis von Grundwassermessstellen erforderlich.

Zweck der Grundwassermessstellen & Herausforderungen der Datenerhebung

Die Einrichtung von Grundwassermessstellen erfolgt, um Angaben zur räumlichen Verteilung und zeitlichen Veränderlichkeit des Grundwasserpotenzials oder der Porenwasserdrücke im Untergrund zu erhalten. Außerdem dienen Grundwassermessstellen zur Überwachung der Grundwasserqualität. Zur Ermittlung des Grundwasserstands wird im ersten Schritt der Höhenunterschied zwischen Messpunkt und Grundwasserspiegel manuell z. B. mit Hilfe eines Lichtlots oder mit einer autarken elektronischen Messeinrichtung (Datenlogger) gemessen.

Die Erhebung der Messdaten ist jedoch mit einem hohen Aufwand verbunden, da in der Praxis oft das Turnschuhprinzip Anwendung findet – es handelt sich um manuelle Ablesungen vor Ort. Durch den hohen Zeitaufwand der Ablesung vor Ort erfolgt die Datenerhebung nur an wenigen Tagen im Jahr. Eine Aussage über die Entwicklung des Grundwasserspiegels zur langfristigen Sicherstellung der Trinkwasserversorgung ist auf Grund der unzureichenden Datenlage schwierig. Gerade an heißen Tagen oder in Perioden anhaltender Dürre wäre eine bessere Datenbasis hilfreich, um die Auswirkungen auf die Grundwasserspiegel besser abschätzen zu können. Daher sind Systeme erforderlich, die zu einer besseren Datenerfassung beitragen.

Aufbau einer LoRaWAN-Pegelsonde

Schritt 1: Auswahl LoRaWAN-Pegelsonden

Das Problem der mangelnden Datenbasis ist durch den Einsatz von LoRaWAN-Pegelsonden in der Wasserwirtschaft lösbar. Durch den Aufbau eines LoRaWAN–Netzes sowie den Einsatz LoRaWAN-fähiger Pegelsonden ist die Datenerfassung nach dem Turnschuhprinzip nicht mehr notwendig. Vielmehr erfolgt die Datenerhebung automatisiert und in einer höheren Granularität. Die Daten können im ersten Schritt zum Echtzeitmonitoring des Grundwassers sowie perspektivisch zur Prognose zukünftiger Grundwasserspiegel in Abhängigkeit vom Wetter sowie Verbrauchverhalten analysiert werden.

Zur Umsetzung des Anwendungsfalls LoRaWAN-Pegelsonden ist im ersten Schritt die Auswahl der geeigneten Sensorik erforderlich. Mittlerweile ist der Bezug von LoRaWAN-Pegelsonden bei allen gängigen Herstellern für Sensorik für die Wasserwirtschaft möglich. Anfang des Jahres wurden Sensoren von drei verschiedenen Herstellern intensiv im LoRa-Lab der items getestet. Aktuell laufen mehrere Piloten, bei denen der Test der Sensorik im freien Feld erfolgt. Die Messergebnisse und die Erreichbarkeit der Pegelsonden über das LoRaWAN-Netz sind nach ein paar Anpassungen bislang zufriedenstellend, so dass erste Gespräche über einen flächendeckenden Rollout stattfinden.

Die Technologie LoRaWAN eignet sich besonders für die Auslesung von Pegelsonden, da diese über das gesamte Versorgungsgebiet verteilt sind und in vielen Außenbereichen keine Mobilfunkverbindung besteht. Durch die große Reichweite und den niedrigen Energieverbrauch eignen sich LoRaWAN-Pegelsonden optimal für die Sicherstellung einer kostengünstigen und langfristigen Fernauslesung.

Schritt 2: Visualisierung der LoRaWAN-Pegelsonden

Da die bloße Übermittlung von Datenpaketen zur Fernauslesung noch keine Transparenz über den Zustand sowie die Entwicklung der Grundwasserstände bringt, ist eine Aufbereitung in Form einer grafischen Visualisierung erforderlich. Hier liefert items mit der Lösung Grid Insight: Water und dem Modul Pegelstände eine erste Möglichkeit, die Entwicklung von Grundwasserständen transparent darzustellen.

Durch den Einsatz des Moduls Pegelstände ist sowohl eine Analyse der historischen Pegelstände als auch ein Echtzeitmonitoring möglich. Durch die Integration der Pegelstände in Grid Insight: Water ist es der Fachabteilung möglich, weiter im eigenen Fachsystem ohne zusätzliches IT-Know-how zu arbeiten. Ein Absprung auf die IoT-Plattform oder die aufwändige Analyse und Aufbereitung einer csv-Datei ist nicht mehr notwendig. Gleichzeitig verarbeitet das Modul die historischen Daten und kann im dritten Schritt die zukünftige Entwicklung der Grundwasserstände unter Berücksichtigung externer Faktoren analysieren.

Grid Insight: Water Modul Pegelstandsprognose

Schritt 3: Prognose der Stände der LoRaWAN-Pegelsonden

Liegen die historischen Pegelstände der letzten 1-2 Jahre vor und ist ein flächendeckendes Echtzeitmonitoring installiert, ist die Implementierung einer Brunnenpegelstandsprognose möglich. Die Brunnenpegelstandsprognose ist stark von der Wetterlage bzw. Wetterentwicklung abhängig und wird für die operative Produktions- und Speicherplanung verwendet. Gegen zukünftige Engpässe in der Trinkwasserversorgung kann frühzeitig gegengesteuert werden. Einschränkungen im Trinkwasserverbrauch für Bürger sind so vermeid- bzw. reduzierbar.

Bislang war die Umsetzung einer Brunnenpegelstandsprognose nicht möglich, da die Datenerhebung nicht ausreichte. Die Prognose war bislang lediglich durch die individuelle Expertise des eigenen Personals möglich, sozusagen auf Basis von „Bauchwerten“. Durch den demographischen Wandel nimmt diese Expertise zunehmend ab, weswegen das Wissen innerhalb der Firma mittels künstlicher Intelligenz gesichert werden muss. Die Berücksichtigung externer Einflüsse ist durch den Einsatz von Grid Insight: Water möglich. Kennzahlen zur Steigerung des operativen Betriebs sind individuell abbildbar. Fehlende Planbarkeit, z. B. zur Einschätzung aktueller Risikolagen, sind frühzeitiger erkennbar.

Vorgehensmodell Pegelstandsprognose

Wenn ihr mehr Informationen rund um das Thema LoRaWAN-Pegelsonden oder zu unserem Produkt Grid Insight: Water erfahren möchtet, sprecht uns gerne an! Über die URL www.grid-insight.de könnt ihr unser Tool Grid Insight: Water selbst testen.

Brunnenpegelsonden im Test

Derzeit sind LoRaWAN-Grund-Wasser-Pegelsonden für die Wasser-Wirtschaft in unserem Innovationsteam im Test. Konkret handelt es sich um die Modelle WR-IoT compact mit CT-Sonde von UIT, ADT1-Tube mit Sonde 36XiW von Keller, SlimCom-IoT LR mit dem Dipper-PT von Seber und Hydrolab HL 4 Multiparametersonde von OTT.

Als Zwischenergebnis kann bereits festgehalten werden, dass alle Geräte hochwertig verarbeitet sind und nach Einrichtung in den internen LoRaWAN-Netzwerkserver regelmäßig Datenpakete senden. Die verschiedenen Einsatzmöglichkeiten bzw. die Variabilität der getesteten Sonden unterscheidet sich je nach Hersteller. Neben der Messung des Pegelstands bieten jedoch alle Hersteller die Möglichkeit, die Wassertemperatur sowie die interne Batteriespannung zu übermitteln. Zu bemängeln ist die zu einem gewissen Grad undurchsichtige Bedien- bzw. Kalibrierungssoftware einiger Hersteller, die eine intuitive Nutzung erschwert.

Um die gesammelten Informationen weiter zu verfeinern, wird die interne Testreihe in den nächsten Wochen fortgeführt und um Langzeittests im Feld erweitert.

Haben Sie Fragen? Gerne an iot@itemsnet.de