REWADIG - Digitalisierung der Wassersysteme

Die urbane Wasserinfrastruktur kann in die 3 Teilbereiche unterteilt werden:

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

In der Wasserversorgung werden Netzelemente (z.B.: Rohre, Pumpen, Hochbehälter) anhand historischer Daten (Wasserverbrauch) auf ein bestimmtes Ereignis (z.B.: verbrauchsintensivste Stunden an verbrauchsreichen Tagen oder Löschwasserbedarf) ausgelegt. Die Nutzungsdauer der Leitungen und Anlagen betragen mehrere Jahrzehnte.

Der Klimawandel (längere Trockenperioden, höhere Temperaturen) und die Zunahme der Stadtbevölkerung bewirken eine Erhöhung des Gesamtwasserverbrauches und machen eine Adaption der bestehenden Trinkwasserinfrastruktur notwendig.

Zudem stellen Leckagen eine große Herausforderung im Betrieb dar, da Trinkwasser als Ressource verloren geht und der Energiebedarf für die Förderung entsprechend steigt. Durch den verbreiteten Einsatz von Kunststoffleitungen sind akustische Verfahren (Stand der Technik) schwierig und aufwändig.

Darüber hinaus zählt die Trinkwasserversorgung zur kritischen Infrastruktur, die gegenüber Störfällen jeder Art (kriminelle Handlungen, Natur-, Umwelt- und Technologiekatastrophen sowie auch Epidemien) in höchstem Maße belastbar sein muss.

Die Ziele dieses kooperativen F&E – Projektes können durch folgende Punkte beschrieben werden:

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

Die Potentiale und Auswirkungen einer intelligenten (digitalen) Trinkwasserversorgung sind noch weitgehend unerforscht bzw. nur in idealen Testgebieten (z.B. auf Universitätscampus, im Gewerbegebiet) erprobt. Zudem sind Kontrollmöglichkeiten im Trinkwasserversorgungsnetz vorwiegend auf die Hauptpunkte (z.B.: Übergabepunkten zwischen Druckzonen, Behälter Zu- und Ausspeisungen) beschränkt, wodurch eine Früherkennung von möglichen Problemen im Netzwerk nur eingeschränkt und großräumig möglich sind.

Im Projekt "REWADIG" wird erstmalig die urbane Trinkwasserversorgung einer bestehenden Kommune in eine intelligenten Trinkwasserversorgung transformiert. Dadurch können alle Wasserströme im Versorgungsgebiet in Echtzeit gemessen und zur Früherkennung (z.B.: Rohrnetzverluste, Wasserqualität - Verweilzeiten des Trinkwassers in den Leitungen) verwendet werden. Die Realisierung einer smarten Überwachung und Steuerung wird einen deutlichen Qualitätsanstieg und die Erhöhung der Resilienz gegenüber kurz- (Störfälle) und langfriste (Klimawandel) Einwirkungen bewirken. Technologische Ansätze und die Einbeziehung der Bevölkerung in den Betrieb (z.B.: gezielte oder bewusste Wasserverwendung), führen zu einer Reduktion des Wasserbedarfs und schlussendlich zu einer Schonung der Wasserressourcen.

Durch dieses intelligente System können auch kurzfristige Störfälle und Verbrauchsabweichungen (verursacht durch Leckagen, Kontaminationen, terroristische Attacken, Ausgangsbeschränkungen, ...) zeitnah erkannt und entsprechende Maßnahmen rasch umgesetzt werden. Zudem werden mit den Daten umfangreiche Lebenszyklus- und Kostenanalysen durchgeführt, um die ökologischen und ökonomischen Auswirkungen einer intelligenten Wasserversorgung zu bewerten und Empfehlungen für zukünftige Projekte im Bereich einer modernen und zukunftsfähigen Trinkwasserversorgung ableiten zu können.

Forschungsschwerpunkte vom Arbeitsbereich Umwelttechnik der Universität Innsbruck sind die Analyse und (Echtzeit-)Modellierung von Trinkwassernetzwerken sowie Smart Water Cities (z.B.: Frühwarnsysteme für Wasserverluste). Die Fachgebiete der Fraunhofer Austria Research GmbH sind datengetriebenes Design und künstliche Intelligenz zur Bestimmung von Netzparametern. Im Zuge des Projektes werden diese Forschungsergebnisse in die Praxis übergeführt und an einer realen Kommune erprobt.

Durch das Projekt wird in Klagenfurt ein Experimentierraum für smarte, urbane Wassersysteme geschaffen. Durch die Umsetzung eines Mess- und Steuerungsnetzwerkes werden die aktuellen Systemzustände hochaufgelöst ermittelt. Dadurch kann die Resilienz der bestehenden urbanen Wasserversorgung gegen kurzfriste (Störungen) und langfristige (Klimawandel) Einwirkungen analysiert und durch technische und organisatorische Maßnahmen optimiert werden.

Die Umsetzung eines Mess- und Steuerungsnetzwerkes bedeutet primär Investitionskosten und Ressourceneinsatz. Aufbauend auf den Ergebnissen können die kurz-, mittel- und langfristigen Potentiale einer smarten Wasserinfrastruktur ermittelt und die ökologischen und ökonomischen Auswirkungen auf den kommunalen Mehrwert bewertet werden. Die umgesetzten Maßnahmen und Ansätze werden als open-source und open-access aufbereitet, sodass sie auch von anderen Kommunen einfach angewandt werden können.

Das Projekt wird durchgeführt von:

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

Dieses Projekt wird aus Mitteln des Klima- und Energiefonds gefördert und im Rahmen des Programms „Smart Cities Demo – Boosting Urban Innovation 2020“ durchgeführt (Projekt 884788).