Tröpfchen für Tröpfchen – Wasser 4.0

Zuverlässig mit sauberem Frischwasser versorgt zu werden, ist für viele Menschen heute selbstverständlich. Doch das intelligente Management und die sichere Behandlung von Wasser und Abwasser sind ingenieurtechnische Höchstleistungen, denn Urbanisierung und Klimawandel belasten die natürlichen Ressourcen zunehmend. Um gerade in großen Städten die entsprechenden Infrastrukturen effizienter und besser beherrschbar zu machen, schaffen Wissenschaftler*innen der TU Berlin innovative, intelligente Konzepte und Strategien und untersuchen sie in einer realistischen Umgebung. Dafür entwickeln sie zusammen mit der Siemens AG und den Berliner Wasserbetrieben derzeit den „Digitalen Zwilling“ einer Pumpstation. Mit seiner Hilfe wird es künftig möglich sein, virtuell Probleme im Abwassersystem zu detektieren sowie dieses mit smarter Technik vorausschauend zu betreiben und funktionsfähig zu halten.

„Der digitale Zwilling ist ein echter Meilenstein auf dem Weg zu Wasser 4.0“, erklärt Prof. Dr.-Ing. Paul Uwe Thamsen, der das Fachgebiet Fluidsystemdynamik am Institut für Strömungsmechanik und Technische Akustik der TU Berlin leitet. In seiner Laborhalle auf dem Campus der Universität steht die riesige Versuchsanlage einer Pumpstation an der sein Wissenschaftler*innen-Team in verschiedenen Projekten digitale Möglichkeiten in Betrieb und Wartung, Datenanalysen und Vernetzung solcher Infrastrukturen erforschen.

„Allein Berlin ist in den vergangenen 20 Jahren um 300.000 Menschen gewachsen“, so Thamsen. „Lange Trocken- und Hitzeperioden nehmen zu, ebenso Starkregenereignisse. Das macht insbesondere unseren Abwassersystemen sehr zu schaffen.“ Geruchsbelästigungen aus dem Abwassernetz sind die Folge, Einbauteile korrodieren, die Starkregenfälle überlasten das Kanalnetz, was dazu führt, dass die Mischwasserkanäle mit Oberflächen- und Abwässern überlaufen und belastetes Abwasser freisetzten.

Als Forschungspartner der TU Berlin hat die Siemens AG rund 500.000 Euro investiert, um die Pumpenversuchsanlage der TU-Forscher mit der neuesten Technologie auszustatten, die die Anlage nun Schritt für Schritt um einen digitalen Anlagenzwilling erweitert, so dass schließlich alle Informationen des Versuchsstandes in einer digitalen Umgebung vorliegen: Planungsunterlagen, technische Daten, Einstellparameter, Betriebs- und Wartungsinformationen bis hin zur Fehlerdiagnose mit selbstständiger Reaktion zur Fehlerbehebung.

Für die Berliner Wasserbetriebe, den zweiten Forschungspartner ist ein weiterer Aspekt besonders interessant, den der Digitale Anlagenzwilling verspricht. „Durch die intelligente Vernetzung von vorhandenen Wasser- und Abwasserrückhalteeinrichtungen und die vorausschauende Betriebsweise von Abwasserpumpstationen werden Niederschlagsereignisse besser beherrschbar und energetische Einsparungen gegenüber dem regulären Betrieb möglich“, so Thamsen. „Das kann auch den Bau neuer Anlagen ersparen, der oft mit Millionen-Investitionen verbunden ist. Die Digitalisierung des Systems unterstützt also eine effiziente und ökonomische Wasserwirtschaft.“

Ein großes Problem sind im städtischen Abwassersystem sind zum Beispiel die sogenannten „Verzopfungen“. Das sind meterlange, stinkende und schleimige dicke Materialklumpen, die sich regelmäßig tief unter der Erde der summenden Metropole im Abwasserstrom ineinander verdrehen und schließlich die riesigen Abwasserpumpen blockieren. Mitarbeiter der Berliner Wasserbetriebe müssen diese dann von Hand aus der Pumpstation zerren, damit die Berliner Straßen nicht zur Kloake werden. Hauptverursacher sind feuchte Baby- oder Hygienetücher, die achtlos in die Toilette geworfen werden, denn sie lösen sich im Abwasser nicht auf. „Mit dem Digitalen Zwilling kann man die Gefahr solcher Verzopfungen frühzeitig erkennen und die Pumpen rückwärts laufen lassen, um sie zu reinigen“, so Thamsen. „Alles in allem hilft uns die Digitalisierung, unsere Infrastrukturen optimal zu verstehen und zu nutzen.“

Mit der neuen Versuchsanlage der „quasi realen Pumpstation“ plus dem digitalen Zwilling steht der TU Berlin eine experimentelle Grundausstattung zur Verfügung, an der zahlreiche innovative Lösungen für „intelligente Pumpstationen“ entwickelt werden. Diese können auf beliebige Abwassernetzstrukturen unterschiedlichster Städte angewandt werden.