Wasserwirtschaftliche Unternehmen stehen vor der Aufgabe, ihre Anlagen künftig flexibler, effizienter und wirtschaftlicher zu betreiben. Mit digitalen Lösungen lassen sich die Prozesse optimieren. In diesem zweiteiligen Beitrag werden die Grundkonzepte beschrieben wie auch ausgewählte Einsatzbereiche.
Wachsender Wasserverbrauch, steigende Anforderungen an die Wasser- und Abwasserqualität, zunehmende Flächenversiegelung, die zunehmende Urbanisierung und der demografische Wandel stellen die Planer und Betreiber von Wasser- und Abwasseraufbereitungsanlagen vor zahlreiche Herausforderungen. Anlagen müssen sich zukünftig flexibler, effizienter und wirtschaftlicher betreiben lassen. Dabei können Planer und Betreiber von Kläranlagen und Wasserwerken von Technologien und Konzepten profitieren, die im Zuge der Digitalisierung entwickelt werden.
Im Vergleich zu anderen Industrien befindet sich die Wasserwirtschaft bezüglich des Digitalisierungs-Reifegrades, trotz zahlreicher erfolgreicher Leuchtturmprojekte, noch in einer frühen Phase. Gerade darin besteht jedoch eine große Chance, da die Wasserwirtschaft von den in anderen Anwendungsbereichen gemachten Vorarbeiten und Erfahrungen profitieren kann. Wesentliches Merkmal der Digitalisierung ist das häufig als IT/OT-Konvergenz bezeichnete Zusammenwachsen der industriellen mit der administrativen Informations- und Kommunikationstechnik (Information and Communications Technology, ICT).
DIGITALISIERUNG
Die Digitalisierung wird in Deutschland häufig mit dem Begriff Industrie 4.0 gleichgesetzt, der auf das gleichnamige Projekt im Aktionsplan zur Hightech-Strategie 2020 der Bundesregierung zurückgeht. Inzwischen herrscht in der Fachwelt weitgehende Einigkeit, den Begriff deutlich weiter zu fassen und neben den technischen Aspekten auch die damit verbundenen Änderungen der verwendeten Geschäftsmodelle sowie der Arbeitsbedingungen zu betrachten.
Ein Eckpfeiler der Digitalisierung sind internetbasierte Informations- und Kommunikationssysteme, die die umfassende Vernetzung aller beteiligten Instanzen ermöglichen. Voraussetzung für diese Vernetzung sind die folgenden grundlegenden Konzepte der Digitalisierung:
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Horizontale Integration: Die Zusammenführung von verschiedenen IT-Systemen schafft durchgängige Wertschöpfungsketten. Moderne ICT ermöglicht dies sowohl innerhalb von einzelnen Betreibern als auch über die Anlagen- und/oder Unternehmensgrenzen hinweg.
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Vertikale Integration: Darunter wird die Zusammenführung von verschiedenen IT-Systemen auf den verschiedenen Hierarchieebenen der Automatisierungspyramide zu einer durchgängigen Lösung verstanden. In der Wasserwirtschaft umfasst dies die Feld-, Steuerungs-, Prozessleit-, Betriebsleit- und Unternehmensleitebenen.
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Durchgängiges Engineering: Durch die Zusammenführung aller Informationen entlang des Lebenszyklus eines Projekts entsteht ein digitales Abbild des Versorgungs- und Entsorgungssystems. Es kann verwendet werden kann, um Entscheidungsprozesse der realen Welt zu unterstützen.
Die Nutzung dieser Konzepte schafft die Voraussetzungen für neue technische Lösungen und Geschäftsmodelle und führt zu einem grundlegenden Wandel der Arbeitsorganisation.
Die Digitalisierung nutzt für die digitale Transformation die Möglichkeiten innovativer Technologien der Informations- und Kommunikationstechnik. Diese werden deshalb auch als Kerntechnologien der Digitalisierung bezeichnet: Digitaler Zwilling (Digital Twin), Big Data und Data Analytics, Internet der Dinge, Augmented Reality (erweiterte Realität), Cloud Computing (Datenverarbeitung via Internet) und Edge Computing (Datenverarbeitung an der Netzwerkperipherie).
Diese Kerntechnologien werden heute bereits weitgehend unabhängig voneinander eingesetzt. Der Mehrwert der Digitalisierung liegt darin, diese Technologien zusammenzuführen und deren flächendeckende Nutzung zu unterstützen.
Der zentrale Baustein einer langfristig angelegten Digitalisierungsstrategie ist der Digitale Zwilling. Damit ist ein digitales Abbild der realen Anlage gemeint, das gleichzeitig mit dieser erstellt und erweitert wird, idealerweise von Anfang an.
IT-SICHERHEIT
In der Wasserwirtschaft werden vielfach IT-Systeme verwendet, die sich von der administrativen Office-IT deutlich unterscheiden. Üblich sind industrielle Automatisierungssysteme in Kombination mit branchenspezifischen IT-Systemen. Zum Schutz dieser Systeme sind Maßnahmen erforderlich, die das mögliche Schadenspotenzial berücksichtigen und zugleich den hohen betrieblichen Anforderungen an Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit genügen müssen. Die aus der klassischen Office-IT bekannten Sicherheitskonzepte sind jedoch nicht direkt übertragbar auf Automatisierungskomponenten, da im Anlagenbetrieb wesentlich kürzere Reaktionszeiten garantiert werden müssen als im Büroumfeld.
Wichtig ist die Erkenntnis, dass man Sicherheit nicht kaufen kann, Sicherheit muss im Rahmen eines kontinuierlichen Prozesses geschaffen werden. Eine sehr wertvolle Hilfestellung bei der Umsetzung wirkungsvoller Sicherheitskonzepte für die Wasserversorgung bietet der branchenspezifische Sicherheitsstandard Wasser/Abwasser (B3S WA). Es wird empfohlen, die beschriebenen Mindestvorgaben unabhängig von der Größe der betrachteten Anlage umzusetzen, auch wenn die Anlage heute noch nicht unter das Gesetz für kritische Infrastrukturen (Kritis) fällt. Andreas Pirsing
Beispiele der Digitalisierung
Die Grundkonzepte und -technologien beschreiben die theoretischen Ansätze der Digitalisierung. Im Folgenden wird dargelegt, wie Systemanbieter diese in kommerzielle Produkte und Dienstleistungen umsetzen. Für die Verbreitung in der Wasserwirtschaft ist entscheidend, dass alle Innovationen rund um die Digitalisierung nicht als Selbstzweck gesehen werden, sondern einen Beitrag zu erhöhter Versorgungssicherheit, mehr Effizienz, verbesserter Qualität und höherer Verfügbarkeit leisten, angefangen von der Anlagenauslegung und das Engineering bis hin zu Inbetriebnahme, Betrieb, Service und Modernisierung von Systemen und Anlagen.
Obwohl bereits heute viele Abläufe durch IT-Systeme unterstützt werden und dabei riesige Datenmengen entstehen, werden diese Daten häufig nur in einem sehr begrenzten Umfang genutzt. Um diesen Informationsschatz zu heben, müssen die Rohdaten erfasst und gespeichert werden, um sie anschließend in Echtzeit analysieren zu können. Grundlage für solche Anwendungen sind industrielle Datenplattformen auf Basis einer zuverlässigen Cloud-Infrastruktur.
Durch die Einrichtung von industriellen Datenplattformen alleine lassen sich noch keine betrieblichen Vorteile erreichen. Die Verbesserung der Betriebsführung bei gleichzeitiger Sicherstellung der hohen Versorgungsqualität erfordert es vielmehr, dass die erfassten Informationen mit geeigneten Applikationen analysiert werden.
Besonders schnelle Erfolge lassen sich durch die Umstellung des Asset Managements auf vorausschauende Wartung und Instandhaltung (Predictive Maintenance) erreichen. Ziel aller Asset-Management-Aktivitäten ist es, die Lebensdauer der Komponenten (Assets) einer Anlage und damit die Sicherheit und Verfügbarkeit der Gesamtanlage zu erhöhen sowie die Planung der dafür erforderlichen Wartungsmaßnahmen zu optimieren. Zu diesem Zweck stellt zum Beispiel Siemens seinen Kunden im Rahmen der Asset and Performance Suite verschiedene Applikationen zur Asset-and-Performance-Optimierung zur Verfügung. So dient die App „Pump Monitoring“ der Früherkennung drohender Pumpenschäden und Warnung vor Pumpenschäden bei ungünstigen Betriebszuständen. Die App Control Performance Analytics (CPA) analysiert das dynamische Verhalten von Regelkreisen und berechnet Kennzahlen, die das Optimierungspotential der einzelnen Regler aufzeigen. Weitere Apps unterstützen die Einhaltung eines hohen IT-Sicherheitsstandards.
Moderne Assistenzsysteme unterstützen das Betriebspersonal durch Handlungsempfehlungen, die technische Randbedingungen, rechtliche Restriktionen, aktuelle betriebliche Vorgaben sowie wirtschaftliche Aspekte wie Schaltkosten, variable Energiekosten und komplexe Tarifmerkmale berücksichtigen.
So lassen sich zum Beispiel mit einem Modul zur Kanalnetzsteuerung verschiedene Fahrweisen simulieren, die im Ernstfall abrufbar sind und zur effizienten Abwasserbehandlung und zur kommunalen Sicherheit beitragen. Um die Energiekosten zu reduzieren, können Wasserversorger mit einer App Pumpenfahrpläne optimieren und Leckagen oder Rohrbrüche detektieren. Eine weitere Anwendung kombiniert Echtzeitüberwachung, Cloud Computing, künstliche Intelligenz und Hydrauliksimulationen zu einer Komplettlösung für Wasserverteilnetze.
Die Digitalisierung bietet der Wasserwirtschaft vielfältige Möglichkeiten zur Optimierung. Aber sie muss individuell Schritt für Schritt für jeden Betreiber entwickelt werden. Als Hilfestellung auf diesem Weg zeigt eine Digitalisierungsberatung auf, wie die bestehenden Systeme und Abläufe aus Sicht der digitalen Transformation modifiziert oder angepasst werden sollten.
Andreas Pirsing
Der Autor
Dr. Andreas Pirsing ist Leiter des Kompetenz-Centers Wasser & Abwasser Deutschland bei Siemens in Berlin