Technologietransfer für die Digitalisierung der Wasserwirtschaft

Die digitale Revolution macht auch vor der Wasserwirtschaft nicht halt. Neue Technologien sollen die Unternehmen effizienter machen und ihre Wettbewerbsfähigkeit erhalten beziehungsweise ausbauen. In der Prozessindustrie stehen die Digitalisierung und Automatisierung für die Steigerung der Effizienz, Produktivität und Wettbewerbsfähigkeit. In der Wasser­industrie spielt dieser Ansatz als „Wasserwirtschaft 4.0“ zunehmend eine wichtige Rolle. Vieles davon beherrscht IAV bereits aus der Automobilentwicklung – aus dem Bereich der Mechatronik sind hier die Modellbildung technischer Systeme und deren Simulationen, Sensorik sowie die Steuer- und Regelungstechnik zu nennen.

„Wasserwirtschaft 4.0“ beschreibt das Zusammenspiel innovativer aktueller und zukünftiger intelligenter Vernetzung von Wassernutzern (Landwirtschaft, Industrie und Haushalte) und Komponenten mit dem Ziel nachhaltiger Bewirtschaftung der Ressourcen. Neben der Energieeffizienz steht die Sicherstellung der Ver- und Entsorgung im Vordergrund.

Es gibt ganz direkte Beziehungen zwischen Automobilentwicklung und Wasserwirtschaft: Die zahlreichen Sensoren im Kraftfahrzeug, zum Beispiel Regen-, Temperatur- und Drucksensoren, machen aus Fahrzeugen „rollende Wetterstationen“, deren Daten sich für die Meteorologie und die Hydrologie nutzen lassen. „Wenn man die Messwerte der Sensoren über das Internet sammelt, entsteht ein riesiges Netzwerk“, erklärt Dr. Matthias Pätsch, der bei IAV das Business Development für die Wasserwirtschaft verantwortet. „Ein Wasserverband könnte dieses nutzen, um besser auf Stark­regen­ereignisse in Stadt und Land reagieren zu können.“ Insbesondere „urbane Sturzfluten“ lassen sich mit den bestehenden Wetterstationen häufig nicht erkennen, weil deren Dichte mit vier bis zehn Messpunkten pro 1.000 Quadratkilometer zu gering ist. „Vernetzte Fahrzeuge könnten diese Lücke schließen und in Echtzeit die benötigten Daten liefern – dann hätten die Wasserverbände beispielsweise noch genügend Zeit, um bestimmte Straßen oder sensible Bauwerke (zum Beispiel Tunnel) zu sperren oder zu schützen“, so der studierte Bauingenieur, der 25 Jahre in der Wasserwirtschaft gearbeitet hat. Ein entsprechendes Projekt wurde unter dem Namen mobileVIEW beim BMVI (Bundesministerium für Verkehr und Infrastruktur) mit Partnern aus der Wasserwirtschaft als Forschungsantrag eingereicht. Im Zuwendungsfall ist geplant, dieses Projekt als integrierendes und bereichsübergreifendes Modellprojekt innerhalb von IAV zu bearbeiten.

Aber auch innerhalb der Branche selbst besteht Bedarf nach vernetzten Lösungen, etwa im Bereich der Simulation sowie der Steuerund Regelungstechnik. Genau das gehört zu den Spezialgebieten der IAV-Ingenieure, die ihre Expertise schon seit Jahrzehnten Kunden aus der Automobilindustrie zur Verfügung stellen. „Hier ergeben sich hervorragende Möglichkeiten für einen Wissenstransfer in die Wasserwirtschaft“, sagt Pätsch. „Wir kennen uns mit Sensorik bestens aus und beherrschen die Algorithmen zur Datenauswertung.“ Davon könnte unter anderem die Abwassertechnik profitieren: In Mikro­flotations­anlagen beispielsweise, sehr effektiven Abscheide­anlagen, werden Flüssigkeiten und Feststoffe getrennt (Textil- und Papierfasern, Belebtschlamm aus Kläranlagen, mineralische, pflanzliche und tierische Öle und Fette, Flocken, Staub, pflanzliche und tierische Zellverbände, kolloidale Stoffe, Tenside und weitere), indem feinblasige Luft in das Abwasser oder Prozesswasser eingebracht wird. Dadurch entsteht auf der Oberfläche ein Schaum, der die Feststoffe enthält und durch Dichte und Verteilung Rückschlüsse auf die Effizienz des Prozesses ermöglicht. „Wir können den Schaum mit einer Kamera überwachen und über eine Bilderkennung bewerten, wie effektiv der Prozess verläuft“, berichtet Pätsch. „Mit diesen Daten und weiteren Informationen aus den Anlagen (Sensordaten aus Pumpenläufen, Ventilen etc.) können wir die Anlage steuern und den Betrieb optimieren.“

Auch in Wasserkraftwerken gibt es viele Möglichkeiten, intelligente Steuerungs- und Regelungstechnik einzusetzen. „Gerade in den kleinen und mittelgroßen Flusskraftwerken ist meist niemand ständig vor Ort“, sagt Pätsch. „Über eine intelligente Fernwirkung lassen sie sich überwachen und effektiver betreiben.“

Augmented Reality (AR) – derzeit ein großes Thema im Bereich Automotive-Services – bietet sich ebenfalls für den Einsatz in der Wasserwirtschaft an: „Ein potenzieller Kunde möchte die Technologie einsetzen, um seine Produkte mithilfe einer AR-App bei Kläranlagen zu präsentieren“, berichtet Pätsch. „Das kann beim Erstkontakt einen persönlichen Besuch ersetzen.“

Ein Anwendungsfeld, das ebenfalls im Rahmen der „Wasserwirtschaft 4.0“ direkt nachgefragt wird, ist die Ressourcenoptimierung. Hier kann IAV über die Visualisierung von Kosten- und Energieflüssen Wirkungsanalysen von Komponenten auf die Produktion und energetische Verluste auf Factory-Level abbilden. Mit Methoden aus dem „Automotive Engineering“ können über die modellhafte Abbildung von Anlagen und deren Simulation techno­wirtschaftliche Optimierungen auf Basis von realen Betriebswerten ausgeführt werden. Daraus ergibt sich im Einzelnen die Ableitung von energetischem Wieder­verwendungspotenzial, die Optimierung von Komponenten und der Regelungsstrategie und gegebenenfalls eine Potenzialanalyse durch eine virtuelle Integration von neuen Komponenten.

Andere Interessenten erkunden derzeit den Einsatz von digitaler Sensortechnik: In der Wasserwirtschaft muss an vielen Stellen alles Mögliche kontrolliert werden, zum Beispiel Wasserstände, Durchflüsse und die Wasserqualität. Ähnliche Fragestellungen haben die IAV-Entwickler bereits für ihre Kunden aus der Automobilindustrie gelöst – denn auch in Fahrzeugen müssen die Steuergeräte wissen, wie voll der Tank ist oder wie viel Benzin gerade Richtung Motor fließt. „IAV kann die Wasserwirtschaft mit seiner Technologie­expertise in vielen Bereichen unterstützen“, so Pätsch.