Digitale Resilienz-Tools für Verbundsysteme als Beitrag für eine zukunftssichere Trinkwasserversorgung

Zielsetzung

ResilVerbund entwickelt praktische digitale Werkzeuge und Kooperationsstrategien zur Stärkung der Resilienz von Trinkwasserversorgungssystemen unter Versorgungsdruck, wobei ein besonderer Schwerpunkt auf der interkommunalen Wasserverteilung liegt. Das Projekt verbindet großräumige regionale Versorgungsnetze mit kommunalen Verteilungssystemen und integriert Überwachung mit Ampelsystem, Bedarfsprognose, Simulation und Datenmanagement, um die betriebliche Transparenz und die langfristige Versorgungssicherheit zu verbessern.

  • Cloud-basierte Wissens- und Datenplattform für vernetzte Wassernetze
  • Integriertes Resilienzsimulations- und Frühwarnsystem („Ampelsystem“)
  • Bewertung resilienter Betriebsstrategien für vernetzte Versorgungsunternehmen

Projektpartner

Das Konsortium des Verbundvorhabens setzt sich aus den vier Forschungspartnern COS, TZW, IOSB und
3S Consult zusammen. Hinzu kommen als Anwendungspartner die BWV,
ZV Wasserversorgungsgruppe Mühlbach und ZV Obere Zabergäugruppe.

3S wird das bereits bestehende hydraulische Simulationsmodell der BWV um aggregierte Systeme der am Projekt beteiligten Verbandsmitglieder erweitern und die Übergabestellen in geeigneter Weise modellieren. Für die Abbildung realer Betriebszustände sind Schnittstellen zu den Prozessdaten sowohl aus dem Leitsystem der BWV als auch von den Übergabestellen (FlowChief) und nachgeordneten Systemen zu anzubinden. Für die Resilienzbetrachtung sind geeignete Kennzahlen zu entwickeln und Algorithmen zu deren Berechnung zu implementieren. Dies erfordert außerdem die Einbeziehung von Prognosedaten für den zukünftigen Wasserverbrauch und das zukünftige Dargebot. Es ist geplant, eine RestAPI8 für das Simulationsmodell und die unterschiedlichen Berechnungsvarianten zu entwickeln. Auf die von den anderen Komponenten plattformunabhängig zugegriffen werden kann.

Das IOSB stellt Methoden und Tools bereit, um die verschiedenen Zeitreihen (z.B. Zählerdaten, Sensordaten, Prognosedaten, Simulationsdaten) automatisiert einzulesen, aufzubereiten, zu verwalten und daraus Kennzahlen zu berechnen. Die Daten werden über existierende bzw. zu erweiternde Schnittstellen aus den jeweiligen Softwaremodulen eingelesen (Simulationsmodell, Prognose-Modul, Leitsystem, weitere Datenbanken von BWV). Die aggregierten Daten und Kennzahlen werden dem zentralen Wissens- und Datenportal des Partners COS über geeignete Schnittstellen zur Verfügung gestellt. Zur Visualisierung der Zeitreihen und Kennzahlen stellt das IOSB Dashboards bereit.

Etablierung und Bereitstellung von Prognosemodellen für den kurz- und langfristigen Wasserbedarfs. Beschaffung von aktuellen und historischen Daten zum Wasserverbrauch der BWV sowie ausgewählter Verbandsmitglieder. Der Abruf aktueller Daten soll im Projektverlauf über die Plattform erfolgen. Zudem Beschaffung von Wetter- und sozioökonomischen Daten. Entwicklung einer RestAPI, um den anderen Projektpartnern Berechnungsergebnisse zugänglich zu machen bzw. an die Plattform zu übergeben.

COS wird in diesem Vorhaben das Cloud-basierte zentrale Wissens- und Datenportal realisieren. In diesem Portal sollen sämtliche relevanten Informationen in einheitlicher, homogener Struktur abgelegt und abrufbar sein. Als wichtige Voraussetzung hierfür ist die Definition eines übergeordneten Datenmodells. Sämtliche in das Portal einfließenden Daten werden entsprechend der Vorgaben des Datenmodells aufbereitet. Für die Kommunikation mit den Softwaremodulen der beteiligten Partner werden Schnittstellen für den reibungslosen, bidirektionalen Austausch von Informationen realisiert. Die vielfältigen Informationen aus dem Wissens- und Datenportal können aus der Web-Oberfläche unseres GIS-Systems COSVega in verschiedensten Formen komfortabel und anwenderfreundlich abgerufen werden, z.B. als thematische Karten, Sachinformationen als Tabellen, Zeitreihendiagramme usw. Auch die in diesem Vorhaben zu realisierende Resilienzampel wird hier in anschaulicher Form visualisiert

Anwendungspartner

Zweckverband Bodensee-Wasserversorgung (BWV) stellt mit bis zu 670.000 m³/d einen herausragenden Anteil innerhalb der Versorgungsstruktur Baden-Württembergs dar. Mit 183 Mitgliedsgemeinden/-verbänden versorgt BWV circa 320 Städte/Gemeinden mit rund vier Millionen Einwohnern mit Trinkwasser aus dem Bodensee. Resilienzstrategien zur Optimierung des Betriebs sind zur langfristigen Beibehaltung der Versorgungssicherheit für BWV sehr wichtig, da das Netz aktuell an seine Auslegungsgrenzen kommt. Neben der Neuausrichtung/Ertüchtigung der bestehenden Gewinnungs- und Aufbereitungsanlagen wird aktuell untersucht, unter welchen Rahmenbedingungen die Verteilung und Speicherung des Trinkwassers aus dem Bodensee zukünftig erfolgen kann.

Die ZV Wasserversorgungsgruppe Mühlbach mit Sitz in Bad Rappenau in Nordbaden-Württemberg ist ein regionaler Wasserversorger, der rund 54.000–60.000 Einwohner in 34 Ortsteilen und mehreren Kommunen der Regionen Heilbronn, Neckar-Odenwald und Rhein-Neckar mit Trinkwasser versorgt. Zum Versorgungsgebiet gehören unter anderem Bad Rappenau, Gemmingen, Siegelsbach, Hüffenhardt, Obrigheim und Neckarbischofsheim.

Die ZV Obere Zabergruppe mit Sitz in Güglingen ist ein regionaler Trinkwasserversorger im Landkreis Heilbronn und versorgt mehrere Städte und Gemeinden im Zabergäu mit hochwertigem Trinkwasser. Das Versorgungsgebiet umfasst unter anderem Güglingen, Pfaffenhofen und Zaberfeld sowie weitere angeschlossene Kommunen und Ortsteil.

Arbeitspakete

Im Fokus des Projekts stehen eine optimierte Monitoring, die Einbindung von Wasserbedarfsprognosen, die Entwicklung einer zentralen Wissens- und Datenplattform sowie die Implementierung eines integrierten Netzsimulationsmodells für das gesamte Wasserversorgungssystem, um die betriebliche Effizienz und die langfristige Versorgungssicherheit zu verbessern.

Das Projekt ist in sechs Arbeitspakete (AP) untergliedert, wobei ein AP der Koordination und dem Ergebnistransfer gewidmet ist. Die Projektkoordination wird von 3S Consult übernommen.

Detaillierte Definition der Anforderungen an die zu entwickelnden Resilienz-Tools gemeinsam mit den relevanten Akteuren des Verbundsystems der BWV. Bei der Entwicklung und Umsetzung der Resilienz-Tools werden das IT-Sicherheitsgesetz und die KRITIS-Verordnung (ISMS nach ISO 27001) berücksichtigt.

  • Daten und Dokumente für das Datenportal stehen zur Verfügung (AP4)
  • Anforderungen zu Resilienz-Tools liegen vor.
  • Kurzfrist- und Langfrist-Prognosetool
  • Prognosen der Spitzentagesbedarfe unter extremen Bedingungen
  • Kenntnis über die einzelnen Bedarfsbereiche der Kommunen. Die Daten fließen in das Datenportal ein und werden im Simulationsmodell bzw. für die Ableitung von Risiko-Kennzahlen und letztlich für strategische/planerische Aussagen genutzt.

Erstellung eines aggregierten Simulationsmodells für Wasserverbundsysteme sowie Etablierung einer “Resilienzampel”, welche Resilienzkennzahlen anzeigt. Sie bildet die Grundlage für die Kommunikation zwischen Fernwasserversorger und den angeschlossenen Versorgungsunternehmen einschließlich der politischen Entscheidungsträger in den Kommunen. Kritische Entwicklungen werden somit frühzeitig erkannt. Gegenmaßnahmen und optimierte Betriebsführungsstrategien können rechtzeitig geplant und eingeleitet werden.

Ziel ist die Bereitstellung eines cloudbasierten Portals zur zentralen Sammlung und Bereitstellung aller wesentlichen Daten (Messungen, Prognosen, Simulationen) und Dokumente (z. B. Netzpläne, technische Dokumentationen) des Verbundsystems inklusive Zugriffsrechteverwaltung.. Das Portal dient hierbei als Datenquelle sowohl für das Verbund-Simulationsmodell als auch die Resilienz-Ampel. Zur Visualisierung der Daten werden nutzergerechte Dashboards bereitgestellt. Grundsätzlich sind zwei Anwendungen des Portals vorgehen: Zum einen im Echtzeit- bzw. Kurzfrist-Prognosehorizont. Zum anderen zur Simulation verschiedener Langfrist-Szenarien (Zeithorizont: Jahre bis Jahrzehnte).
Es werden das IT-Sicherheitsgesetz und die KRITIS-Verordnung (ISMS nach ISO 27001) berücksichtigt.

Im Fokus des Projekts steht die praktische Umsetzung und Evaluierung der entwickelten Resilienz-Tools im Versorgungsgebiet der Bodensee-Wasserversorgung sowie der Nachweis ihrer Übertragbarkeit auf andere Wasserverbundsysteme. Es werden historische Verbrauchswerte und Eigenversorgung (also Verfügbarkeit weiterer Quellen) der Mitglieder untersucht, um eine Prognose des mittleren- und Spitzenbedarfs aufzustellen (AP 2). Dazu werden die eigenen bzw. weiteren externen Kapazitäten der Verbandsmitglieder erfragt und in einem aggregierten Modell des Verbundsystems implementiert, um die Möglichkeiten der Versorgung für Ausfallszenarien darzustellen und berechnen zu können („N-1 Betrachtung“). Darauf aufbauend werden Resilienzkennzahlen ermittelt und in der Resilienzampel transparent dargestellt. Neben den technischen Resilienzstrategien ist die organisatorische Resilienz ein Ziel des Verbundsystems.

  • Webseite
  • Fachvorträge
  • Fachpublikationen
  • Präsentationsmaterial für interessierte Versorger Detail-Planung

Ziele

Aufbau eines Verbund-übergreifenden Wissens- und Datenportals, welches die zentrale Rolle im Daten- und Informationsfluss einnimmt. Es bietet standardisierte Schnittstellen (APIs) und Datenmodelle für den Austausch von Mess-, Prognose- und Simulationsdaten. Basierend auf öffentlich verfügbaren Karten und Informationen soll abgeschätzt werden, welche Wassermengen für einzelne Bereiche (z.B. Industrie, Haushalte, Sportanlagen) die Kommunen benötigen. Den Benutzern werden webbasierte Visualisierungen von Daten und Kennzahlen und die Verwaltung von Dokumenten und Expertenwissen ermöglicht. Dabei steht der Schutz der Vertraulichkeit, Verfügbarkeit und Integrität der Daten im Vordergrund (Branchenstandard Wasser B3S). Der serviceorientierte Ansatz des Datenportals und der Einsatz von Open-Source Software stellen eine einfache und kostengünstige Einrichtung sicher. Vorteil gegenüber anderen offenen Plattformen wie z.B. Thingsboard ist ein flexibel erweiterbarer Ansatz.

Verbund-Simulationstool, Etablierung einer Resilienzampel und Ableitung von optimierten Betriebsführungsstrategien: Bisher sind hydraulische Verbundsimulationsmodelle nicht etabliert: Fernwasserversorger und kommunale Systeme werden getrennt voneinander betrachtet. Redundanzen und Engpässe im Gesamtsystem können daher nicht systematisch erfasst werden. Es wird ein aggregiertes hydraulisches Modell des Verbundsystems bestehend aus dem System der Bodenseewasserversorgung und mindestens fünf angeschlossenen Kommunen erstellt, das alle wesentlichen Informationen zur Versorgung im Normalbetrieb und bei Ausfall einer Anlage beinhaltet. Die Simulationen basieren auf aktuellen Betriebsdaten und prognostiziertem Bedarf und liefern technische Kennzahlen, welche als Basis für eine neuartige Resilienzampel dienen. Diese soll den Resilienzzustand des Gesamtsystems anzeigen und dient dazu, Engpässe in der Versorgung frühzeitig zu erkennen und bei Entscheidungen über Gegenmaßnahmen zu unterstützen. Mit Szenarien-Simulationen werden Mitigationsstrategien in Echtzeit entwickelt.
Neben Kurzfrist-Szenarien soll auch die Simulation von mittel- und langfristigen Szenarien möglich sein (bei deutlich unterschiedlichen klimatischen Bedingungen und geänderter Nachfrage der Verbandsmitglieder).

Evaluierung des Tools und praxisgerechte Vermittlung der Ergebnisse. Die neuen Resilienz-Tools werden bei der Bodenseewasserversorgung und mindestens fünf Verbandsmitgliedern (Kommunen) evaluiert. Die Erkenntnisse daraus werden für andere Verbundnetzbetreiber praxisgerecht aufbereitet und bereitgestellt. Die entwickelten Werkzeuge können unabhängig von der Größe und Struktur des Versorgungssystems eingesetzt werden und stellen somit einen erheblichen Mehrwert für die gesamte Wasserversorgung in Deutschland dar.

Kontakt

3s-team-deuerlein

Dr.-Ing. Jochen Deuerlein
3S Consult GmbH
Büro Karlsruhe
Albtalstraße 13
76137 Karlsruhe

Telefon: +49-721-2039752-1
E-Mail: deuerlein@3sconsult.de