Schlagwort: Wasserwirtschaft

Trinkwassereinzugsgebieteverordnung – Neue Anforderungen für Betreiber von Wassergewinnungsanlagen 

Unser Trinkwasser ist ohne Frage eine der wichtigsten Lebensgrundlagen für uns Menschen. Gleichzeitig ist es jedoch auch eine der bedrohtesten Ressourcen. Obwohl die Erde zu 71 Prozent von Wasser bedeckt ist, kann nur ein Prozent dieser Wasservorräte als Trinkwasser genutzt werden.  

Auch im tendenziell als wasserreich geltenden Deutschland steht die Trinkwasserversorgung vor Herausforderungen. Ausgeprägte Hitze- und Dürreperioden sorgen auch hier dafür, dass Trinkwasser in einigen Regionen mitunter zum knappen Gut wird. Hinzu kommen Belastung mit Stoffen wie Nitrat, Pflanzenschutzmitteln, Bioziden und deren Metaboliten oder Mikroorganismen, die vielerorts die Trinkwasserqualität und damit auch die Gesundheit der Konsumenten gefährden. Die Ressource Wasser muss somit geschützt werden, um eine nachhaltige Entwicklung auch für nachfolgende Generationen zu ermöglichen. 

Mit einem Anschlussgrad von über 99 Prozent wird fast die gesamte Bevölkerung Deutschlands durch die öffentliche Wasserversorgung mit Trinkwasser versorgt. Über 5.800 Wasserversorgungsunternehmen betreiben hierfür in rund 16.000 deutschen Trinkwassereinzugsgebieten komplexe Infrastrukturen mit Entnahmebrunnen, Wasserwerken und Trinkwasserleitungen. Zur Gewährleistung einer hohen Wasserqualität und -verfügbarkeit sind die Wasserversorger an Schutzvorschriften für Trinkwasser gebunden, die in der deutschen Trinkwasserverordnung geregelt sind. 

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Gesetzesentwurf zur Trinkwassereinzugsgebieteverordnung (TrinkwEzgV) 

Am 16. Dezember 2020 ist die Richtlinie (EU) 2020/2184 des Europäischen Parlaments und des Rates vom über die Qualität von Wasser für den menschlichen Gebrauch (Neufassung der Trinkwasserrichtlinie, im Folgenden TW-RL) in Kraft getreten und musste bis zum 12. Januar 2023 in deutsches Recht umgesetzt werden. Ziel der Novellierung war u. a. die Implementierung eines risikobasierten Ansatzes für die Sicherheit der Trinkwasserversorgung. Brüssel hat bereits ein Vertragsverletzungsverfahren gegen die Bundesrepublik eingeleitet. 

Zur Umsetzung der Richtlinie in Deutschland sind neben Änderungen der Trinkwasserverordnung auch Anpassungen im Infektionsschutzgesetz und dem Wasserhaushaltsgesetz erforderlich. Darüber hinaus soll zur Implementierung des in Artikel 7 und 8 der TW-RL genannten Risikomanagements eine Verordnung über Einzugsgebiete von Entnahmestellen für die Trinkwassergewinnung (Trinkwassereinzugsgebieteverordnung – TrinkwEzgV) erlassen werden. Hierfür wurde vom BMUV im April 2023 ein Referentenentwurf vorgelegt, welcher noch nicht innerhalb der Ampel-Koalition und mit anderen Ministerien abgestimmt ist. Änderungen sind also noch möglich. 

Risikobasierter Ansatz und umfassende Wasseruntersuchungen

Wichtigste Neuerung im Entwurf der TrinkwEzgV ist die verpflichtende Einführung eines risikobasierten Ansatzes für die Gewährleistung einer sicheren Trinkwasserversorgung und zur Verringerung des erforderlichen Aufbereitungsaufwands. Dieser soll die gesamte Versorgungskette, von der Wassergewinnung an Entnahmestellen im Einzugsgebiet über die Aufbereitung und Speicherung bis hin zur Verteilung des Wassers umfassen. 

Der risikobasierte Ansatz umfasst sowohl die Risikobewertung als auch das Risikomanagement in den Einzugsgebieten von Entnahmestellen für die Trinkwassergewinnung. Betreiber von Wassergewinnungsanlagen sollen dem Entwurf entsprechend erstmalig bis zum 12. Januar 2024 eine Risikobewertung durchführen. Anschließend müssen sie alle sechs Jahre eine Risikobewertung für die Einzugsgebiete von allen Trinkwasserentnahmestellen durchführen, an denen mehr als 10 m3 Wasser pro Tag entnommen oder aber mehr als 50 Menschen versorgt werden. Dies umfasst die Bestimmung und Darstellung des einzelnen Einzugsgebietes durch umfangreiche Beschreibungen zur geologischen, hydrogeologischen und hydrochemischen Situation. Auf Grundlage der Abgrenzung und Kartierung der einzelnen Einzugsgebiete ist eine Gefährdungsanalyse und Risikoabschätzung zu wassergefährdenden Stoffen und Flächennutzungen durchzuführen. 

Bis zum 1. Januar 2026 und danach alle sechs Jahre haben Betreiber von Wassergewinnungsanlagen zudem eine umfassende Wasseruntersuchung vorzunehmen, wobei die zu untersuchenden Parameter von der zuständigen Wasserbehörde jeweils ein Jahr im Voraus festgelegt werden. Bei Bedarf können Untersuchungsumfang und -intervall durch die Behörden angepasst werden. Untersuchungen und Probennahmen, dürfen dabei nur von akkreditierten (nach Norm EN ISO/IEC 17025 oder einer anderen, gleichwertigen, international anerkannten Norm) Untersuchungsstellen durchgeführt werden. 

Aufbauend auf den Daten der Bewertung und den Untersuchungen ist ein behördenseitig ein Risikomanagement zu entwickeln, welches Risiken durch Verunreinigungen oder Belastungen des Wassers rechtzeitig vorgebeugt oder ihnen entgegengewirkt bzw. diese minimiert.  Dabei ist es Aufgabe die zuständige Behörde sicherzustellen, dass die erforderlichen Risikomanagementmaßnahmen von zuständigen Instanzen (Wasserversorger, Grundstückseigentümern, Verursachern der Belastung) ergriffen werden. 

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Relevanz für kommunale Versorgungsunternehmen 

Die erforderlichen geologischen, hydrogeologischen, hydrochemischen Untersuchungen und Analysen werden perspektivisch für die Betreiber von Wassergewinnungsanlagen mit erheblichen Mehraufwänden verbunden sein. Nach Berechnungen des Verbands kommunaler Unternehmen (VKU) drohen zusätzliche Belastungen in Höhe eines dreistelligen Millionenbetrags für die Erstbewertung der rund 16000 Trinkwassereinzugsgebiete in Deutschland. Kosten, die wohl an die Verbraucher weitergeben werden könnten. Hinzu kämen die Folgekosten durch Revisionen und Folgebewertungen. Zudem gibt es auf Seiten von Verbänden und Vertretern der kommunalen Wasserwirtschaft (u. a. VKU, BDEW und DVGW) erhebliche Bedenken, was die Umsetzbarkeit und juristische Tragfähigkeit des Entwurfs anbelangt, weshalb der vorliegende Entwurf des Bundesumweltministeriums weitgehend auf Ablehnung stößt.  

Besonders interessant ist in diesem Zusammenhang, dass gemäß dem aktuellen Entwurf nur Wasserversorgungsunternehmen verpflichtet werden, die mit dem risikobasierten Ansatz verbundenen zusätzlichen Aufgaben (Gefährdungsanalysen, Risikoabschätzungen, Überwachung und Auswahl geeigneter Maßnahmen zur Risikominderung) zu übernehmen, um die Auswirkungen von Umweltschäden zu minimieren. Dies stellt im Grunde eine Umkehrung des Prinzips der Verursacherhaftung im Umweltrecht dar, bei dem die Kosten für die Vermeidung, Beseitigung und den Ausgleich von Umweltverschmutzungen dem Verursacher zugerechnet werden.

Zusätzlich bestehen seitens der Verbände Zweifel, ob die nahezu vollständige Übertragung der Verantwortung für die Umsetzung des risikobasierten Ansatzes auf die Betreiber von Wassergewinnungsanlagen im Einklang mit den Absichten der EU-Trinkwasserrichtlinie steht. In der Richtlinie wird gefordert, dass die Mitgliedstaaten eine klare und angemessene Aufteilung der Zuständigkeiten zwischen den Interessenträgern bei der Umsetzung des risikobasierten Ansatzes sicherstellen. Weitere Zweifel beziehen sich u. a. auf die fehlende bzw. uneindeutige Abgrenzung der im Entwurf vorgeschlagenen Untersuchungspflichten von staatlichen Umweltüberwachungsaufgaben sowie auf eine vermeintlich mangelnde Vereinbarkeit des Verordnungsentwurfs mit bestehenden Landesvorschriften und der verfassungsrechtlich festgeschriebenen konkurrierenden Gesetzgebungszuständigkeit. 

Die Verordnung soll voraussichtlich im Herbst im Bundesrat beraten werden. Angesichts harscher Kritik ist fraglich, ob der Verordnungsentwurf in der jetzigen Form den Gesetzgebungsprozess passiert.  

Warum sind Moore wichtig als CO₂-Speicher?

Monitoring und Wiedervernässung von Mooren

Die CO2-Kompensation ist ein probates Mittel, um die eigene Umweltbilanz zu verbessern. Auch wenn die Reduktion der Treibhausgas-Emission die nachhaltigere Lösung ist, ist die Kompensation der unvermeidbaren Emissionen eine Möglichkeit, um ökologisch aktiv zu werden. Kompensationslösungen unterscheiden sich jedoch zum Teil stark in ihrer Qualität. Die Wiedervernässung von Moorböden ist eine der effektivsten und kostengünstigsten Klimaschutzmaßnahmen mit einem hohen Reduktionspotential von CO2-Äquivalenten. Denn obwohl Moore weltweit nur 3 % der Landfläche ausmachen, sind in Ihnen rund 650 Mrd. Tonnen Kohlenstoff gespeichert. Doppelt so viel, wie in allen Wäldern der Erde zusammen.

Nicht zuletzt aus diesem Grund wurde am Dienstag, dem 29.03. durch die Bundesumweltministerin Steffi Lemke das Aktionsprogramm „Natürlicher Klimaschutz“ vorgestellt. In diesem werden Fördermittel in Höhe von 4 Milliarden Euro bereitgestellt, unter anderem auch für die Wiedervernässung von Mooren und alternative Bewirtschaftungsformen.

In diesem Blogbeitrag wollen wir uns die Wiedervernässung genauer ansehen. Welcher Nutzen genau entsteht, warum sie für den Standort in Deutschland eine besondere Rolle einnimmt und wie IoT bei der Wiedervernässung und beim Monitoring des Moorzustandes schon heute unterstützen kann.

Moore als natürliche CO₂-Speicher

Von den in Deutschland ursprünglich vorkommenden Mooren sind nur noch ca. 3-5 % Restflächen in naturnahmem Zustand verblieben. Die Moore hierzulande wurden fast vollständig trockengelegt, um sie land- oder forstwirtschaftlich zu nutzen. Während allgemein bekannt ist, dass Wälder CO₂-Senken darstellen, ist das Wissen, dass die weltweiten Moore mehr CO₂ speichern als die Wälder, weniger verbreitet. Eine Renaturierung und Wiedervernässung leistet einen nicht zu unterschätzenden Beitrag zum Klimaschutz und darüber hinaus auch zur Diversität des Landschaftsbildes, der Artenvielfalt und Verbesserung weiterer ökologischer und wirtschaftlicher Faktoren.

30 % des in der Erde gebundenen Kohlenstoffs ist in Mooren gebunden. Ein nasses Moor stellt somit einen natürlichen CO₂-Speicher dar. Der Grund: Im Moor herrscht Sauerstoffmangel. Hierdurch zersetzt sich organisches Material deutlich langsamer. Der in dem Material gebundene Kohlenstoff verbleibt somit in der sich bildenden Torfschicht. Wird es allerdings, z. B. für den Torfabbau, entwässert, zersetzt sich das Material und der vorher gebundene Kohlenstoff sowie weitere Gase werden frei. Aus einer Tonne Kohlenstoff werden dann 3,7 Tonnen CO₂.

Konventionelle Moorbewirtschaftung

Moore werden oder wurden unter anderem aus den folgenden Gründen trockengelegt:

  • Torfabbau, um diesen als Brennstoff zu nutzen und für die Bodenverbesserung.
  • Schaffung von Weide-/Ackerland, Heugewinnung und Streuwiesen.

Trockengelegte und bewirtschaftete Moorböden befinden nach drei bis vier Jahrzehnten in einem Zustand, in dem sie kaum noch wirtschaftlich genutzt werden können. Durch die Entwässerung und Nutzung verfestigt sich der Torfkörper, er nimmt weniger Wasser auf und verliert durch Auswaschung Nährstoffe. Der Boden vermulmt. Da trockengelegte, abgetragene Moore heute wirtschaftlich genutzte Flächen sind, wird nun nach Lösungen gesucht, die eine Renaturierung und gleichzeitig nachhaltige wirtschaftliche Nutzung dieser Böden ermöglichen.

Alternative Bewirtschaftungsformen gesucht

Unter dem Fachbegriff der Paludikultur (palus = lat. Sumpf/Morast) wird die land- und forstwirtschafliche Nutzung nasser Hoch- und Niedermoore verstanden. Diese nachhaltige Bewirtschaftung soll es ermöglichen, einerseits das Moor wieder zu vernässen und somit die CO₂-Speicherwirkung zu erhalten bzw. wieder in Gange zu setzen. Andererseits soll sie die wirtschaftlichen Interessen der Betriebe und Kommunen, die ebendiese Flächen Jahrzehnte lang bewirtschaftet haben, erfüllen.

Die Bundesanstalt für Landwirtschaft und Ernährung fasst dabei folgende Produkte- und Nutzungsformen zusammen:

  • Energiepflanzen für Heizkraftwerke oder Biogasanlagen
  • Rohstofflieferanten für Baustoffe (Nutzholz oder alternative Baustoffe, z.B. für Wärmedämmung, Schalungsplatten, Putzträgermatten, Trennwände, Sichtschutzelemente)
  • Nahrungsmittelproduktion inklusive Tierhaltung
  • Futterpflanzen und/oder als Einstreu nutzbare Pflanzen
  • Torfersatzstoffe
  • Rohstoffe für Medizin oder Kosmetik

Darüber hinaus stellen sich für die Umgebung weitere positive Auswirkungen ein: Die Artenvielfalt erhöht sich, die Flächen entwickeln sich zu Nähr- und Stoffsenken, außerdem speichern sie Wasser, was vor dem Hintergrund zunehmender Starkregenereignisse auf besonders Interesse stoßen könnte.

Konkretes Vorhaben im Moor

In Niedersachsen befindet sich eine solche Versuchsfläche des Projekts „CANAPE“: eine Versuchsfläche zum Anbau von Torfmoosen im Ort Barver, betrieben durch die Stiftung Naturschutz. Die Torfmoosen (Sphagnum) werden hier angebaut, um mit dem perspektivischen Ziel sie zu ernten und als hochwertigen Torfersatzstoff in Erden und Kultursubstraten verwenden zu können.

Für die Kultur der Torfmoose ist ein stabiler Wasserstand kurz unter der Bodenoberfläche ideal. Da dies aber durch Entwässerung und geänderte saisonale Niederschlagsverteilung natürlicherweise kaum noch vorkommt, werden bei Torfmooskulturen die Wasserstände durch technische Zuwässerung künstlich gesteuert. Hierzu wird für die Torfmooskultur ein Zielwasserstand in Höhe der Bodenoberfläche festgelegt, der sensorgesteuert überwacht wird. Sinkt der Wasserstand in der Kultur unter eine vorgegebene Höhe, erfolgt automatisch eine Zuwässerung bis zum Erreichen des Sollwertes. Die Bewässerung ist damit sichergestellt, aber erfolgt ohne Weitergabe des Pegelstands an die Betreiber.

Die Ablesung des Pegels war damit nur vor Ort möglich. Mehrmals im Monat – vor allem in heißen Sommern – musste Dr. Jens-Uwe Holthuis (Projektleiter NSRP CANAPE, Stiftung Naturschutz im Landkreis Diepholz) dafür nach Barver fahren. Dies hat zwar den Vorteil, dass in diesem Zuge auch andere Sicht-Kontrollen durchgeführt werden können, das Begehen eines Moores und der Messstelle ist aber zeitaufwändig und nur unter einigen Voraussetzungen, also nicht immer, möglich.

Landkreis Diepholz
© Landkreis DIepholz

Mithilfe der durch die Stadtwerke Huntetal zur Verfügung gestellten IoT-Geräte kann der Pegelstand nun laufend geprüft werden. Konkret waren dies:

  • Ein LoRaWAN-Gateway, dass die Messdaten empfängt und zur weiteren Auswertung weiterleitet
  • ein Messsystem zur Messung des Grundwasserpegels
  • Ein Messsystem zur Messung des Moorwasserpegels
  • ein Schachtwasserzähler mit Impuls Modul für den Wasserrechtsnachweis für Wasserentnahme eines Vorfluters

 „Die LoRaWAN-Anlage in unserer Sphagnumfarm Barver bewährt sich sehr gut, sodass ich auch aus dem Homeoffice nun gut über den stundenaktuellen Wasserstand im bzw. über dem Moor Bescheid weiß. So lässt sich die Dynamik der Wasserstandsbewegungen gut nachvollziehen.“ – Dr. Jens-Uwe Holthuis.

Weiteres Automatisierungspotenzial

Für die Bewässerung von Torfmoosen ist unter bestimmten Umständen ein Rückhalt bzw. Speicherung von Überschusswasser (z. B. im Winter oder nach Starkregen) sinnvoll, um in Zeiten mit witterungsbedingtem Wasserdefizit eine Bewässerungsreserve zu haben. Speziell im Frühjahr kann der Wasserstand im Vernässungsgebieten allerdings auch so weit steigen, dass zur Vermeidung von Schäden an Dämmen oder Vegetation Überschusswasser gesteuert abgeleitet werden muss. Die Regulierung kann dann z. B. durch Einstellung von Gebietsüberläufen oder steuerbaren Wehren in Gräben erfolgen.

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Zusätzliche Mehrwert des Projektes

Durch Entwässerungsmaßnahmen für den Torfabbau und/oder die Urbarmachung der Moore ist der Wasserstand heute in vielen Mooren – auch in Schutzgebieten der Diepholzer Moorniederung – abgesenkt. Hinweise darauf liefert insbesondere mooruntypische Vegetation, die sich bei zu niedrigen Wasserständen einstellt.

Durch Wiedervernässungsmaßnahmen soll der Wasserstand der Diepholzer Moore jetzt wieder in moortypische Bereiche angehoben werden und dadurch sowohl die Lebensraumqualität für moortypische Pflanzen und Tiere verbessert als auch CO2-Emissionen verringert werden. Bislang erfolgt dies in der Regel durch passive Wiedervernässung, d.h. durch Verwallungen im Gelände. Das Niederschlagswasser wird auch durch Dämme in Gräben am Abfluss in die Vorflut (Entwässerungsgräben) gehindert und stattdessen im Gebiet zurückgehalten. Daneben werden stark wasserzehrende Bäume aus Vernässungsgebieten entnommen. „An manchen Stellen reicht dies jedoch nicht aus, sodass punktuell über aktive Bewässerungsmaßnahmen, ähnlich wie bei der Sphagnum-Paludikultur in Barver, verstärkt nachgedacht wird. Bislang kommen außerdem nur in einzelnen Mooren überhaupt digitale Wasserstandslogger zum Einsatz.“, so Anna Bartel (Fachdienst Kreisentwicklung, Landkreis Diepholz). Die schon vorhandenen Wasserstandslogger sind aber ohne Fernübertragung und müssen stattdessen manuell ausgelesen werden.

„Ein großflächiger Einsatz von Messung und Fernauslesung wird angestrebt und rückt dank IoT-Technologie in greifbarere Nähe“, so Anna Bartel. Die Messung der Wasserstände zeigt dem Landkreis dann einerseits die Bereiche mit besonders großem Handlungsbedarf auf und dient andererseits der Erfolgskontrolle von durchgeführten Renaturierungsmaßnahmen. Im Projekt in Barver werden somit wertvolle Erfahrungen für den gesamten Landkreis Diepholz gesammelt, die bei weiteren Renaturierungsmaßnahmen mit oder ohne aktivem Wassermanagement in der Planung hilfreich sind.

Digitale Erfassung von Moorwasserpegeln ist also bei der Wiedervernässung von Mooren eine Methode, über die einfach und schnell bestehende Maßnahmen evaluiert und zukünftige Maßnahmen geplant werden können.

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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 

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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

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
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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
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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

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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