Zukunftssichere Wasserversorgung durch KI

Eine stabile Trinkwasserversorgung ist die Basis unseres Zusammenlebens. Auf mögliche durch den Klimawandel ausgelöste Extremereignisse können die deutschen Wasserversorger aber aktuell nur bedingt reagieren – ihre in der Regel passiven Netzwerke sind zu unflexibel. Die Lösung sind aktive Steuerungssysteme, die sich dynamisch an die Bedarfs- und Angebotslage anpassen lassen. Dafür müssen die noch passiven Netze mit aktiven Elementen wie z.B. Druckreglern, Pumpensteuerungen und Ventilen ausgestattet werden. So kann das Netz zukünftig agil gesteuert werden.  

Um diese Transformation so einfach und günstig wie möglich durchführen zu können, muss die kostspielige Installation aktiver Elemente so geplant werden, dass ihr Nutzen für die Netzsteuerung maximal ausfällt. D.h. Art der Elemente, ihre Lage und die Steuerungsoptionen müssen optimal aufeinander abgestimmt werden. Dafür braucht es mathematische Optimierung und KI. Zum einen, um die optimalen Standorte der Sensoren und Aktoren zu definieren, zum anderen um Wasserversorgungsnetze effizient steuern und im Bedarfsfall in Echtzeit dynamisch anpassen zu können. Hier kommen unsere Experten und Expertinnen ins Spiel.

Optimaler Zubau aktiver Elemente und bestmögliche Netzsteuerung

Im Forschungsprojekt »Agile Netzsteuerung zur Erhöhung der Resilienz der Kritischen Infrastruktur Wasserversorgung« untersucht Fraunhofer IIS, wie der Zustand und die Steuerung von Trinkwassernetzen in Optimierungsmodellen abgebildet werden können. Dabei werden Methoden der gemischt-ganzzahligen nichtlinearen Optimierung eingesetzt. Anhand historischer und prognostizierter Daten, die das Alfred-Wegener-Institut des Helmholtz-Zentrums für Polar- und Meeresforschung (AWI) bereitstellt, werden für bestehende Netze der »Wasserversorgung Rheinhessen-Pfalz GmbH« die optimalen Standorte der zusätzlich notwendigen Aktoren und Sensoren bestimmt. So kann der Versorger auch im Extremfall den Wasserbedarf seiner Kunden abdecken. Die Resilienz seines Netzes steigt. Weitere Projektpartner wie die TH Lübeck führen im zweiten Schritt die notwendigen Installationen durch.

Zusätzlich entwickelt Fraunhofer IIS Optimierungsmodelle, die die beste Netzsteuerung für einen bestimmten Zeithorizont festlegen. Diese Modelle werden anschließend in einem von Projektpartner isatech koordinierten digitalen Zwilling implementiert, welcher der Leitwarte des Wasserversorgers als Entscheidungshilfesystem dient. Eine Echtzeitanwendung soll die Praxistauglichkeit und den Optimierungsgrad der entwickelten Verfahren in realen Wasserversorgungsszenarien demonstrieren. Das Projekt verfolgt einen ganzheitlichen Ansatz, der neben der technischen Machbarkeit auch ethische (IZEW), juristische (IDEW) und wirtschaftliche (RWTH) Aspekte berücksichtigt.