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Intelligente Wassernetze

Intelligente Wassernetze

Intelligente Wassernetze sind städtische Wasserinfrastrukturen, die durch eine Vielzahl miteinander verbundener Geräte verbessert werden, die in der Lage sind, Daten zu sammeln und sowohl mit anderen Geräten als auch mit Datenzentren auszutauschen. In der Regel geschieht dies durch den Einsatz der Internet-of-Things-Technologie. Einige dieser Geräte sind auch in der Lage, zentral und/oder dezentral Entscheidungen zu treffen und physische Maßnahmen an der Wasserinfrastruktur vorzunehmen, die zu einem optimalen Betrieb und einer optimalen Kontrolle führen. Intelligente Wassernetze können daher als ein Beispiel für cyber-physische Systeme verstanden werden. Im Falle des Wasserverteilungsmanagements werden neben den klassischen Zielen wie Druck-, Qualitäts- und Leckagekontrolle auch die Energieeffizienz und die Wiederverwendung von Wasser erforscht.

1. Einleitung
Die Städte sind weltweit vor allem wegen des starken Bevölkerungswachstums unter Druck. Die Weltbevölkerung hat in den letzten 20 Jahren um 1500 Millionen Menschen zugenommen. Die Vereinten Nationen sagen voraus, dass sich dieser Trend fortsetzen wird und dass bis 2050 voraussichtlich bis zu 6,5 Milliarden Menschen in Städten leben werden. Die Städte sind einer der Hauptakteure des Klimawandels, und die bebaute Umwelt trägt zu einem hohen Anteil an den weltweiten Treibhausgasemissionen bei. Die Herausforderungen für die Stadtverwaltungen gehen jedoch über die Verwaltung wachsender Städte hinaus, da mit der Entwicklung der Städte auch ihre Gefährdung durch extreme Wetterereignisse zunimmt[1]. In Anbetracht dieser aktuellen und zukünftigen Szenarien haben Wissenschaft und Industrie in den letzten zwei Jahrzehnten Anstrengungen unternommen, um den Energieverbrauch von Gebäuden zu senken[2]. Eine weitere Lösung, die eingehend untersucht wurde und derzeit entwickelt wird, sind die Vorteile intelligenter Stromnetze[3]. Eine weitere Voraussetzung für das Erreichen des Null-Netto-Ziels ist das effiziente Management von Wasserverteilungssystemen (WVS).

Die Wasserwirtschaft ist im Hinblick auf eine nachhaltige Bewirtschaftung der städtischen Wassersysteme Veränderungen unterworfen. Viele externe Faktoren, darunter die Auswirkungen des Klimawandels, Dürren und das Bevölkerungswachstum in städtischen Zentren, haben die Verantwortung für eine nachhaltigere Bewirtschaftung der städtischen Wasserressourcen wachsen lassen[4]. Weitere Herausforderungen sind die Einnahmen und Erträge zur Deckung des Betriebs sowie die Überwachung und Bewirtschaftung der Wasserressourcen als öffentliche Dienstleistung. Zu den wichtigsten Herausforderungen, die es zu bewältigen gilt, gehören außerdem die Kenntnis und das Verständnis der Nachfrage der Kunden nach einer fairen Wasserpreisgestaltung und -nutzung[5].

In den letzten Jahren hat sich gezeigt, dass der Aufschwung der Informations- und Kommunikationstechnologie (IKT) zusammen mit der Anwendung neuer Trends in der Datenanalyse für die Bewältigung der Herausforderungen, denen sich eine städtische Wasserinfrastruktur heute stellen muss, von wesentlicher Bedeutung ist. Das traditionelle Wassersystem wird also zu einem intelligenten System oder einem intelligenten Wassernetz, das als Kombination kritischer und digitaler Systeme in einer konvergenten, intelligenten Infrastruktur betrachtet werden kann. Im Gegenzug zu dieser neuen Komplexität sind die Wasserversorgungsunternehmen nun in der Lage, in einem idealen intelligenten technologischen Rahmen zu arbeiten, der einen effizienten Betrieb und ein effizientes Management für sicherere Wasserversorgungssysteme ermöglicht[6]. Es gibt eine Reihe von Literaturübersichten, die als Vorläufer der vorliegenden Übersicht angesehen werden können. Mala-Jetmarova et al.[7] schlugen eine systematische Literaturübersicht über die Optimierung des Designs von Wasserversorgungssystemen vor, wobei der Schwerpunkt auf Methoden für die Erweiterung und Sanierung bereits bestehender Infrastrukturen lag. Anele et al.[8] gaben einen Überblick über Methoden zur kurzfristigen Vorhersage des Wasserbedarfs und stellten deren Vor- und Nachteile sowie künftige Forschungsrichtungen heraus. Die digitale Wassermessung war das Ziel von zwei verschiedenen Literaturübersichten. Die Arbeit von Monks et al.[9] umfasst eine Literaturübersicht sowie Interviews mit Branchenexperten. Ziel dieser Arbeit war es, die Vorteile der digitalen Wassermessung aufzuzeigen, die für die Aufnahme in Geschäftsszenarien in Betracht gezogen werden könnten. Rahim et al.[10] stellten eine Übersicht über Techniken des maschinellen Lernens und der Datenanalyse vor, die für die digitale Wassermessung geeignet sind. Die Übersicht wurde durch eine Reihe von Empfehlungen ergänzt, um sowohl die Verwaltung als auch die Forschung weiter zu verbessern. Makropoulos und Savić[11] arbeiteten an einer Literaturübersicht über die städtische Hydroinformatik, in der die Vorteile relevanter Konzepte wie IKT und Echtzeitinformationen, Datenanalyse und der neue Ansatz von Wasserkreislauf- und soziotechnischen Systemmodellen u. a. aufgegriffen werden.

2. Intelligente Wasserwirtschaft
Intelligentes Wassermanagement zielt auf die nachhaltige und autarke Bewirtschaftung von Wasser auf regionaler oder städtischer Ebene ab. Eine intelligente Wassernutzung beruht auf dem Einsatz innovativer Technologien wie Informations- und Kontrolltechnologien und Überwachung[12]. Mit diesem Ansatz trägt die Wasserwirtschaft unter anderem zur Verringerung von Leckagen, zur Sicherung der Wasserqualität, zur Verbesserung der Kundenerfahrung und zur Betriebsoptimierung bei.

2.1. Technologien und Verbesserungen
Intelligente Wassersysteme nutzen fortschrittliche Informationstechnologien für Systemüberwachungsdaten, die eine effiziente Ressourcenzuweisung ermöglichen. Einige Beispiele sind der Einsatz eines geografischen Informationssystems (GIS), das eine klarere Darstellung des Gesamtsystems und des Standorts der Anlagen bietet[15], oder der Einsatz von SCADA-Systemen (Supervisory Control and Data Acquisition) für die Erfassung historischer Sensormesswerte zur zentralen Steuerung räumlich verteilter Anlagen[16]. Darüber hinaus ist die Verhinderung und frühzeitige Erkennung von Leckagen der Schlüssel für eine effektive Anlagenverwaltung und eine effiziente Kontrolle der Wasserverluste.

Traditionell konzentriert sich die Wasserversorgung im Wesentlichen darauf, Wasser mit hohem Druck zu pumpen, um weit entfernte Kunden zu erreichen. Ein intelligentes System nutzt jedoch Daten nahezu in Echtzeit, drehzahlgeregelte Pumpen, dynamische Steuerventile und intelligente Zähler, um den Bedarf auszugleichen, den Überdruck in alternden Rohrleitungen zu minimieren und Wasser und Energie zu sparen. Daher könnten Wasserquellen und -systeme mit demselben Ziel zusammenarbeiten, um die Nachhaltigkeit der Wasserwirtschaft zu erhalten[17]. Intelligente Wassersysteme oder intelligente Wassernetze werden eingesetzt, um die Situation vieler Netze zu verbessern, von denen einige durch eine unzureichende Infrastruktur, eine unregelmäßige Versorgung, eine geringe Kundenzufriedenheit oder erhebliche Abweichungen zwischen den anteiligen Rechnungen und dem tatsächlichen Verbrauch gekennzeichnet sind. Ein intelligentes Wassersystem kann zu nachhaltigeren Wasserdienstleistungen führen, finanzielle Verluste verringern und innovative Geschäftsmodelle ermöglichen, um die städtische und ländliche Bevölkerung besser zu versorgen. Zu den wichtigsten Vorteilen einer intelligenten Wasserwirtschaft gehören ein besseres Verständnis des Wassersystems, eine verbesserte Leckageerkennung, verstärkte Einsparungen und eine ständige Überwachung der Wasserqualität. Die Einführung intelligenter Wassersysteme ermöglicht es den öffentlichen Versorgungsunternehmen, eine vollständige Datenbank aufzubauen, um Gebiete zu identifizieren, in denen Wasserverluste oder illegale Anschlüsse auftreten. Die Vorteile liegen im wirtschaftlichen Nutzen für die Wasser- und Energieeinsparung, während die Effizienz des Systems den Kundenservice verbessern kann. In einigen Fällen kann die drahtlose Datenübertragung es den Kunden ermöglichen, ihren Wasserverbrauch zu analysieren, um ihre Wasserrechnung zu schonen und zu senken[18].

2.1.1. Intelligente Rohre und Sensoren
Der Prototyp eines intelligenten Rohrs ist als modulare Einheit mit Überwachungskapazität konzipiert, die sich mit künftig verfügbaren Sensoren erweitern lässt[19]. Mit mehreren intelligenten Rohren, die in kritischen Abschnitten eines öffentlichen Wasserversorgungssystems installiert sind, werden Durchfluss, Druck, Lecks (falls vorhanden) und Wasserqualität automatisch und nahezu in Echtzeit überwacht. All diese Vorteile ergeben sich, ohne dass die Betriebsbedingungen des Wasserkreislaufs verändert werden. Die einzelnen Sensoren von Smart Pipes bestehen im Allgemeinen aus folgenden Hauptbestandteilen: einer Datenerfassungs- und Verarbeitungseinheit, einer Übertragungseinheit und den Sensoranschlüssen. Abbildung 1 zeigt ein allgemeines Schema für ein intelligentes Rohr und ein drahtloses Sensornetz.

Ein intelligentes drahtloses Sensornetz ist eine praktikable Lösung für die Überwachung des Drucks und die Kontrolle von Wasserverlusten im System. Der Hauptvorteil gegenüber anderen Methoden zur Kontrolle von Wasserverlusten ist die kontinuierliche Überwachung des Netzes ohne Eingreifen des Betreibers vor Ort und mit geringem Energieverbrauch des drahtlosen Sensors, so dass er über lange Zeiträume einsatzfähig bleibt[20].

2.1.2. Intelligente Wasserzählung
Ein Wasserzähler ist ein Gerät zur Messung der verbrauchten Wassermenge, während ein intelligenter Zähler ein Messgerät ist, das Verbrauchsdaten mit einer bestimmten Frequenz speichern und übertragen kann (Abbildung 2). Um ein effizientes Wassermanagementsystem zu entwickeln, ist es notwendig, Sensoren und/oder Aktoren zur Überwachung des Wassernetzes zu installieren. Während die Wasserzähler monatlich oder zweimal im Monat abgelesen werden und die Wasserrechnungen auf der Grundlage dieser manuellen Ablesung erstellt werden, können die intelligenten Zähler die Verbrauchsdaten über eine große Entfernung und mit einer höheren Überwachungsfrequenz übermitteln und somit einen sofortigen Zugriff und Informationen in nahezu Echtzeit für die Kunden und die Verwaltungsstellen bereitstellen. Diese intelligenten Wasserzähler sind Bestandteile einer fortschrittlichen Messinfrastruktur (AMI), die Wasserunternehmen installieren sollten, um die hydraulische und energetische Effizienz ihres Netzes zu verbessern, da diese Geräte auch die Kontrolle von Leckagen und nicht legalen Anschlüssen in Bezug auf die Wassermengen ermöglichen[21].

Intelligente Wasserzähler bieten daher die Möglichkeit, das Gleichgewicht zwischen der Bereitstellung des Zugangs zu Trinkwasser, dem Recht einer Verwaltungseinheit, für ihre Dienstleistungen bezahlt zu werden, und der gemeinsamen Verantwortung für die Erhaltung der knappen Ressource Wasser zu verbessern. Diese Systeme unterstützen die Entscheidungsfindung in nahezu Echtzeit auf der Grundlage einer registrierten Datenbank, verbessern das Netzmanagement und können dazu beitragen, die Wasserbilanz zu verbessern, um die Nachfrage zu befriedigen und die hydraulische und energetische Effizienz des Wasserwirtschaftssystems zu erhöhen.

2.2. Managementmodelle und Entscheidungshilfesysteme
Die Einführung eines gemeinsamen Rahmens für die Messung der Leistung des Wassernetzes auf der Grundlage einer Reihe relevanter Indikatoren und Datenanwendungen und -schnittstellen trägt dazu bei, die Entscheidungen der Verwaltungsstellen zu unterstützen, und ermöglicht es den interessierten Parteien, die Verbesserungen zu bewerten, Vertrauen zu schaffen und zu überwachen[22]. Im Bereich des intelligenten Wassernetzmanagements gab es wichtige Entwicklungen, die von Modellen zur Energierückgewinnung für die Energieerzeugung[23] bis hin zu Modellen für eine optimale dynamische Aufteilung des WDS in Bezirksmessgebiete[24] reichen. Dieser Abschnitt befasst sich mit bestehenden Modellen und Systemen zur Unterstützung dieses Entscheidungsprozesses.

2.2.1. Fast-Echtzeit-Modelle
Hydraulische Modelle sind die effektivste und praktikabelste Methode zur Vorhersage des Verhaltens des Wasserverteilungssystems unter einer Vielzahl von Bedingungen für Nachfrageanomalien und Systemausfälle. Die Kenntnis zuverlässiger kurzfristiger Nachfragevorhersagemuster ist für die Entwicklung solcher Modelle und die Umsetzung positiver Entscheidungen in intelligenten Wassersystemen, die nahezu in Echtzeit getroffen werden, von entscheidender Bedeutung[25]. Darüber hinaus ermöglichen Optimierungsmodelle für den Betrieb in nahezu Echtzeit die Ausweitung von Entscheidungen auf intelligente Wassersysteme, um die Effizienz des Wassernetzes zu verbessern und einen zuverlässigeren Betrieb, Kosteneffizienz sowie ökologische und soziale Einsparungen im Zusammenhang mit Verlusten zu gewährleisten.

Bei Modellen, die nahezu in Echtzeit arbeiten, wird das Netzmodell in dem Moment aktualisiert, in dem die Daten erfasst werden. Zu den Daten gehören die charakteristischen Parameter der Pumpen, Ventile, Drücke und Durchflüsse sowie die Betriebsstunden im Hinblick auf die niedrigsten Betriebskosten. Ziel ist es, alle betrieblichen Entscheidungen nahezu sofort zu treffen, um die Anforderungen an eine effiziente Wasserversorgung zu erfüllen[26]. Brentan et al.[27] schlugen eine hybride Methodik zur Aktualisierung von Wasserbedarfsmodellen vor. Zu diesem Zweck wird ein Offline-Verfahren als Grundlage für das Vorhersagemodell verwendet, das mit einem Online-Prozess gekoppelt ist. Der Vorschlag erreicht sowohl eine hohe Genauigkeit als auch die Fähigkeit, sich an neue Datenanomalien und Trends anzupassen. In der Arbeit wurde auch ein Fehlerkontrollverfahren vorgeschlagen, um das grundlegende Offline-Modell rechtzeitig zyklisch zu aktualisieren und so eine maximale Genauigkeit zu gewährleisten.

2.2.2. Vermögensverwaltung
Bei der Anlagenverwaltung handelt es sich um einen Prozess, mit dem Wasserversorgungsunternehmen sicherstellen, dass Instandhaltungsarbeiten durchgeführt und Investitionsgüter (wie z. B. Pumpen, Ventile und Rohre) rechtzeitig repariert, ersetzt oder modernisiert werden können.

Eines der Hauptthemen im Asset Management eines Wasserverteilungssystems ist die Priorisierung der Anlagen in Sanierungsplänen. Zu diesem Zweck haben Cabral et al.[28] einen Lösungsansatz entwickelt, der eine wirtschaftliche Bewertung der Anlagenleistung unter Verwendung des Infrastrukturwertindex als Leistungsindikator vorsieht. Andere Autoren verwendeten eine multikriterielle Entscheidungsfindung für Sanierungszwecke[29]. Über die Sanierung hinaus befasst sich das Asset Management auch mit proaktiven Instandhaltungsplänen, die sich am Risiko[30], an der Widerstandsfähigkeit[31] oder an der Zustandsbewertung der Anlagen orientieren[32].

Weitere zentrale Themen des Asset Managements sind für Wasserversorgungsunternehmen von besonderem Interesse. Dazu gehören die Prognose und das Asset-Health-Management, bei denen es entscheidend darauf ankommt, mit der Ungewissheit des Anlagenzustands umzugehen, da Versorgungsunternehmen oft nur unvollkommene Informationen über ihre Anlagen haben. Ein weiteres verwandtes Thema, das weiter erforscht werden muss, ist das optimale Serviceniveau (z. B. was in Knappheitsszenarien zu tun ist), die Kritikalität von Anlagen oder die Minimierung der Lebenszykluskosten von Anlagen.

3. Herausforderungen für intelligente Wassernetze
Der Einsatz von maschinellem Lernen und künstlicher Intelligenz ist als Grundlage für die künftige Entwicklung intelligenter Wassernetze vorgesehen. Darüber hinaus werden die jüngsten Fortschritte und die künftige Forschung auf dem Gebiet der Dynamik komplexer Netze von großer Bedeutung für Echtzeitmodelle und die Analyse großer Netze sein, ebenso wie die Bewältigung der wichtigsten Betriebs- und Managementprobleme bei der Platzierung von Sensoren[33] und der frühzeitigen Erkennung von Verunreinigungen[34], um nur einige zu nennen. Die Forschung im Bereich der Netzdynamik[35] kann durch die Untersuchung geometrischer Deep-Learning-Lösungen[36] erweitert und/oder ergänzt werden, um noch anspruchsvollere Herausforderungen wie die Erkennung von Lecks zu bewältigen. Agentenbasierte Modelle werden auch eine Schlüsselrolle bei der Überwachung und Steuerung intelligenter Wassernetze[37] spielen. Insgesamt werden diese und andere hochmoderne Methoden bahnbrechende Technologien für intelligente Wassernetze wie Blockchain[38] und digitale Zwillingsmodelle[39] sowie die breite Nutzung der Vorteile eines WDS-Managements im Rahmen cyber-physikalischer Systeme[40] ermöglichen.

Quelle und übersetzt von: Scholarly Community Encyclopedia

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