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Kommunal 4.0

Digitalisierung und Vernetzung in der Wasserwirtschaft

Ein großer Teil des Vermögens von Kommunen und Städten – unsere Wasser- und Abwasserinfrastruktur – ist für die Bürger nicht sichtbar in der Erde vergraben. Diese kommunalen Ver- und Entsorgungsanlagen wurden in der Vergangenheit für lange Zeithorizonte geplant und bemessen – entsprechend der erwarteten Bevölkerungsentwicklung, Annahmen zu Industrialisierung und zu Niederschlagseinflüssen. Allerdings zeigt sich, dass die spürbaren Folgen des Klimawandels, ein verändertes Konsumentenverhalten oder die demografische Entwicklung schon jetzt neue Anforderungen stellen, denen die bestehenden Systeme nicht mehr gerecht werden können.

Die Lösung: Ver- und Entsorgungssysteme müssen schnell und flexibel an die sich verändernden Rahmenbedingungen angepasst werden können. Dazu bedarf es neben einer guten Datengrundlage und entsprechenden IT-Werkzeugen auch intelligente Maschinen und vernetzte Anlagensteuerungen, um sowohl bei Zukunftsinvestitionen als auch bei Betriebsaufgaben der Gegenwart auf der sicheren Seite zu sein.

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Günter Müller-Czygan

Bereichsleiter Kommunal 4.0
+49 (0) 291-9929-44
guenter.mueller-czygan@hst.de

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Florian Meier

Projekte KOMMUNAL 4.0
+49 291 9929-963
Florian.Meier@hst.de

VERNETZUNG

Von Maschinen, Anlagen und Organisationen

Die intelligente Steuerung von Maschinen und Anlagen ist längst Stand der Technik. Angeregt durch die Entwicklungen im Umfeld von Industrie 4.0 und dem Internet der Dinge (IoT) werden Maschinen und Anlagen mit den aktuellen Möglichkeiten einer umfassenden webbasierten Datenerfassung und -Analyse noch intelligenter gemacht.

Eine darauf aufbauende, systemübergreifende Vernetzungsintegration in Infrastruktursystemen ermöglicht ein flexibleres, effizienteres Betriebsmanagement kommunaler Netzstrukturen, macht diese sicherer und damit zukunftsfähig.

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Nutzen

Aussagefähige Daten bilden das Grundgerüst zukunftsfähiger und effizienter Planungs- und Betriebsprozesse in kommunalen Infrastrukturen. Die digitale Transformation erzeugt neue und vorteilhafte Möglichkeiten der Datenerfassung und -auswertung.

KOMMUNAL 4.0 bietet daher folgenden Nutzen:

  • Zentrale Erfassung und Strukturierung heterogener Daten
  • Gleichzeitige Analyse lokaler und systemübergreifender Informationen
  • Erzeugung von Betriebskennzahlen mit höherer Aussagekraft in zentral übersichtlicher Darstellung (Dashboard-Prinzip)
  • Effizientere Workflow-Prozesse in der Betriebsführung
  • Erhöhung der Glaubwürdigkeit von Planungsdaten als Investitionsentscheidung durch größere Datentiefe und -dichte
  • Investitions- und Betriebskostenreduzierung durch ereignisangepasste Komponenten-, Objekt- und Anlagenplanung sowie -steuerungen
  • Integration lokaler Niederschlagsdaten als Echtzeitwerte für alle Belange wasserwirtschaftlicher Fragestellungen
  • Besseres Condition-Monitoring mittels Prozesssimulationen auf Basis von Echtzeitdaten

Produkte und Lösungen

KOMMUNAL 4.0 steht für die Kombination moderner, webbasierter Technologien mit einer umfassenden Engineering- und Lösungsmethodik in kommunalen Infrastruktursystemen.

Sie vereint schon vorhandene digitalbasierte Lösungen mit neuen Entwicklungen, um mit Hilfe moderner Vernetzungssysteme Infrastrukturen zukunftsfähig zu gestalten. Beispiele hierfür sind smarte Maschinen z.B. mit Intelli-Produkten, die effiziente Nutzung von Daten in Form von Cockpits, Dashboards oder kompletten Kanalbewirtschaftungslösungen auf Basis von Simulationen.

Ebenso steht die Weiterentwicklung webbasierter Softwarelösungen wie z.B. SCADA.web, KANiO.web oder NiRa.web im Fokus von KOMMUNAL 4.0.

Hintergrund

In Deutschland werden in der kommunalen Siedlungswasserwirtschaft jedes Jahr ca. 6-7 Milliarden EURO in die Sanierung oder in den Neubau von Bauwerken und Anlagetechnik investiert (Quelle: Flyer UBA „Wasserwirtschaft in Deutschland“ – Wasserversorgung und Abwasserbeseitigung, Stand April 2014, Zahlen für 2010). Davon entfallen alleine 4,5 Milliarden EURO auf die Abwasserentsorgung. Die deutsche Abwasserinfrastruktur hat sich in der Vergangenheit sozial und räumlich ausgewogen entwickelt und ist über viele Jahrzehnte als zentrales System gewachsen. Dies gewährleistet heutzutage eine flächendeckende Entsorgung mit hoher Entwässerungssicherheit. Damit einher geht eine extrem lange technische und ökonomische Lebensdauer. Die Folge hiervon ist eine mangelnde Flexibilität – ein Hindernis im Hinblick auf die einschneidenden Veränderungen (z.B. Industrialisierung, verändertes Konsumentenverhalten und demografische Umbrüche), vor denen Kanalnetz- und Kläranlagenbetreiber zukünftig stehen werden. Vergleichbares gilt auch für die Wasserversorgung und andere Infrastruktursektoren wie z.B. Energieversorgung und Verkehrssysteme. Gleichzeitig kommt es trotz zahlreicher Vorhersagemodelle immer wieder zu unerwarteten Niederschlagsereignissen und damit zu Kapazitätsproblemen in Kanalsystemen und peripheren Einrichtungen wie z.B. Straßenabläufen.

Ein abteilungs- oder bereichsübergreifender Austausch an Informationen oder sogar Betriebsdaten per Datenplattform bis hin zur Nutzung von Datendiensten im Internet für eine tatsächlich mögliche vorsorgende Betriebsführung existiert bislang nicht, obwohl dies eine enorme Unterstützung und Verbesserung der Betriebsführung bedeuten würde. In vielen Gemeinden und Städten stehen durch die bereits stattfindenden Messungen äußerst umfangreiche Datenmengen zu wasserwirtschaftlichen Fragestellungen zur Verfügung, die allerdings nicht ausreichend zielgerichtet genutzt werden. Selbst innerhalb der Gemeinden und Städte werden diese vorhandenen Daten kaum aufeinander bezogen erfasst, ausgewertet und dann für eine ganzheitliche Betriebsführung von Kanalnetz, Regenbecken und Kläranlagen bearbeitet und steuerungstechnisch genutzt. Insbesondere die wichtigste Eingangsgröße in der Wasserwirtschaft, der Niederschlag, findet oft nur als statistischer Mittelwert Eingang in Untersuchungen und Berechnungen, ohne ausreichende Berücksichtigung lokaler Besonderheiten, obwohl mittlerweile Dienste zur Verfügung, die z.B. per Internetzugriff Niederschlagsdaten als Archiv oder als Prognose für lokale Betrachtungen bereitstellen (z.B. www.niraweb.de).

Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie hat das HST Projekt „KOMMUNAL 4.0 – Customized Services für die Wasserwirtschaft“ zur Förderung im Technologieprogramm „Smart Service Welt – Internetbasierte Dienste für die Wirtschaft“ ausgewählt.

Das Förderprojekt

Als eines von 16 Siegerprojekten des BMWi-Wettbewerbs „Smart Service Welt“ (BMWi) widmet sich das von der HST Systemtechnik geführte Konsortium aus drei Unternehmen und drei Hochschulinstituten den Herausforderungen flexibler Infrastruktursysteme und schafft dafür die erforderlichen digitalen Voraussetzungen am Beispiel der Wasserwirtschaft.

Wesentliche Ziele dabei sind die Vereinheitlichung der Datenerfassung- und -übertragung aus heterogenen Quellen, die Entwicklung webbasierter Datenplattformen zur Sammlung, Strukturierung und Konvertierung unterschiedlicher Daten/Datenformate sowie die Entwicklung nutzerfreundliche Anwendungstools aus den Bereichen Design-/ Engineering, Benchmarking, Objekt-/ Netzmonitoring, Datenfusion, Beschaffung, durchgängige Prozesskette und Betriebsoptimierung.

Angesichts zunehmender Sicherheitsfragen wird der Erarbeitung erforderlicher IT-Sicherheitskonzepte als Voraussetzung für ein erfolgreiches ISMS besondere Aufmerksamkeit geschenkt, ebenso wie der Analyse von Rechtsaspekten zum Thema Cloud Computing.

Um über aktuelle News, Entwicklungen und Meinungen zu KOMMUNAL 4.0 immer auf dem Laufenden zu bleiben, wurde eine XING-Gruppe eingerichtet. Besuchen Sie uns auf Xing und werden Sie Mitglied, damit Sie beim Thema Digitalisierung in der kommunalen Wasserwirtschaft nicht den Anschluss verlieren.

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Die Partner

WIRTSCHAFTSPARTNER

HST Systemtechnik GmbH & Co. KG (Projektkoordinator)
Heinrichsthaler Straße 8, 59872 Meschede
www.hst.de
Leitung: Günter Müller-Czygan
Tel: 0291 9929 44; E-Mail: guenter.mueller-czygan@hst.de

Pegasys GmbH & Co. KG
Heinrichsthaler Straße 8, 59872 Meschede
www.pegasys-software.de
Leitung: Uwe Frigger
Tel: 0291 9929 50, E-Mail: u.frigger@pegasys-software.de

SüdWasser GmbH
Bauhofstraße 5, 91052 Erlangen
www.suedwasser.com
Leitung: Arne Nath
Tel: 09131 93307 5512, E-Mail: arne.nath@suedwasser.com

WISSENSCHAFTSPARTNER

IFAK Institut für Automation und Kommunikation e.V.
Werner-Heisenberg-Straße 1, 39106 Magdeburg
www.ifak.eu
Leitung: Prof. Dr. Ulrich Jumar
Tel: 0391 9901 410, E-Mail: ulrich.jumar@ifak.eu

GECOC Cologne University of Applied Sciences
Campus Gummersbach, Steinmüllerallee 1, 51643 Gummersbach
www.gecoc.de
Leitung: Prof. Dr. Michael Bongards
Tel: 02261 8196 6419, E-Mail: michael.bongards@fh-koeln.de

IEEM gGmbH, Inst. f. Umwelttechnik u. Management
a.d. Universität Witten/Herdecke
Alfred-Herrhausen-Straße 44, 58455 Witten
www.uni-wh-eem.de
Leitung: Prof. Dr. Dr. mult. Karl-Ulrich Rudolph
Tel: 02302 9140 10, E-Mail: mail@uni-wh-ieem.de

Pilotprojekte

Ein wesentlicher Bestandteil des Förderprojektes KOMMUNAL 4.0 ist die Erprobung der vorgesehen Entwicklungen anhand realer Projekte in Kooperation mit kommunalen Netz- und Objektbetreibern als sogenannte assoziierte Partner. Hierzu wurden bereits während der Antragsstellung mehrere Kooperationsvereinbarungen getroffen (z.B. Stadt Ingolstadt, Stadt Hagen, Stadt Siegen), um Pilotanwendungen wie z.B. „Simulation und Benchmarking wasserwirtschaftlicher Objekte“, „Energie- und Wärmeanalyse aus Abwasserströmen“, „Zusammenhang Streusalzeinsatz und Abwasserreinigung in Abwasserzuläufen zu Kläranlagen in Winterzeiten“ oder „Sinkkästen-Management“ zu entwickeln und in der Realanwendung zu testen.

Zusätzliche Pilotprojekte sind vorgesehen, so dass wir weitere Kommunen als assoziative Partner suchen, die aufgrund Ihrer Netzstruktur und Anzahl von Sonderbauwerken ihre Bewirtschaftungsorganisation modernisieren wollen und für KOMMUNAL 4.0 ein besonderes Potential aufweisen. Angesprochen sind ausdrücklich die Kommunen, die als Teilnehmer dieses von der Bundesregierung unterstützten Vorzeigeprojekts zusammen mit den anderen Projektpartnern die Digitalisierung der Wasserwirtschaft aktiv mit gestalten und eine Vorreiterrolle übernehmen wollen.

Typische Anwendungsfälle für KOMMUNAL 4.0 sind:

  • Überlastete Kläranlagen und Regenbecken
  • Aktivierung von Stauvolumen/Reduzierung von Einleitungen/Überläufen
  • Vernetzung von Drosselorganen bzw. Abflussreglern
  • Strukturierte Betriebsführung
  • Netzweit organisiertes Monitoring, Alarmierung und Reporting
  • Integration von Niederschlagsdaten zur Überwachung/Steuerung/Instandhaltung von Sonderbauwerken und Netzen
  • BigData: Automatisierte Auswertung von verschiedenen Prozessdaten zur schnellen Beurteilung von Vorgängen und Zuständen

Programmheft KOMMUNAL 4.0 (PDF)

Bei Teilnahme an den Pilotprojekten tragen die assoziierten Partner ihre Eigenaufwendungen selbst. Wird ein gewisses Maß an technischen Investitionen erforderlich (z.B. Sensoren, Automationstechnik o.ä.), ist für viele Fälle davon auszugehen, dass hierfür separate Fördermittel verfügbar sind.

Vorteile für Teilnehmende Kommunen

Kommunen als assoziative Partner erhalten im Zeitraum des Förderprojektes folgende Leistungen vom Projektkonsortium:

  • Erstellen eines IoT-Konfigurators für Ihre Einrichtungen der Wasserwirtschaft
  • Erstellen einer Studie/Potentialanalyse für Effizienzsteigerungen und Bewirtschaftung
  • Empfehlungen zur Durchführung einer Sicherheitsanalyse Ihrer cyberphysischen Systeme zur Umsetzung des neuen IT-Sicherheitsgesetzes gemäß §8a BSI-Gesetz
  • Über den Zeitraum des Fördervorhabens erhalten assoziative Partner kostenfreien Zugang zu allen frei zugänglichen Anwendungsentwicklungen und können weitere Vorschläge für eigene Anwendungstools einreichen, die, soweit vom Projektbudget gedeckt, kostenfrei entwickelt werden
  • Einladung zu den Workshops zum Erfahrungsaustausch und zur Ideenentwicklung zum Thema KOMMUNAL 4.0 sowie zu projektinternen Workshops zum Thema IT-Sicherheit
  • Unterstützung bei der Suche und Beantragung von Fördergeldern für ergänzende Investitionen im Rahmen des Pilotprojektes
  • Assoziierte Partner erhalten eine Einladung zur Teilnahme an der „Netzwerkinitiative KOMMUNAL 4.0“, einem Interessenzusammenschluss ausgewählter Kommunen, Verbände, Forschungseinrichtungen und Unternehmen, die gemeinsam Trends, Herausforderungen und Lösungswege der Digitalisierung in der kommunalen Wasserwirtschaft erörtern und in Form gemeinsamer Publikationen Standards setzen wollen.

Im Gegenzug erklären sich die teilnehmenden Kommunen bereit, folgende Leistungen in das Projekt einzubringen:

  • Bereitstellen von Generalplänen für die Wasserver- und Abwasserentsorgung mit Zentral- und Sonderbauwerken
  • Bereitstellen des Ausrüstungsbestandes und Ortsbegehung
  • Teilnahme an Veranstaltungen im Zuge des Förderprojektes KOMMUNAL 4.0 und der Netzwerkinitiative KOMMUNAL 4.0

Assoziierte Partner verpflichten sich, nach besten Möglichkeiten das Projekt KOMMUNAL 4.0 zu unterstützen und erlauben den Kooperationspartnern über die jeweiligen Pilotprojekte öffentlich z.B. auf der Projektwebsite www.kommunal4null.de zu berichten.

Anfragen und Ideen für Pilotprojekte können an das zuständige technische Büro in Ihrer Nähe oder an den Leiter des Projektes Herrn Günter Müller-Czygan gerichtet werden.

Der Verein

Um alle Aktivitäten und den damit verbundenen technischen Lösungsmöglichkeiten zum Thema KOMMUNAL 4.0 und damit der Digitalisierung in kommunalen Infrastrukturen dauerhaft und erfolgreich umzusetzen, ist ein starkes Interessennetzwerk bestehend aus Kommunen, Wissenschaft und Wirtschaft erforderlich. Hierzu befindet sich der Verein KOMMUNAL 4.0 derzeit in Gründung.

Neben der Vernetzung von interessierten Kommunen, Hochschulen, Unternehmen und anderen Organisationen wird der Verein außerdem mit Trainings, Seminaren, Kongressen und Tagungen eine kontinuierliche Weiterbildung und Weiterentwicklung im Hinblick auf Themenschwerpunkte wie Smart Machines, effiziente Datenanalyse (Smart und Big Data), Objekt- und Netzbewirtschaftung und andere Innovationskonzepte sowie deren technischer Umsetzung sicherstellen. Des Weiteren wird KOMMUNAL 4.0 e.V. zur Förderung des Themas Digitalisierung in kommunalen Infrastruktureinrichtungen eine entsprechende Öffentlichkeitsarbeit durchführen (Fachmagazine, digitale Netzwerke, Social Media Kanäle).

Der Verein befindet sich derzeit im Aufbau und wir würden uns freuen, wenn Sie schon jetzt Ihr Interesse an diesem einzigartigen KOMMUNAL 4.0 Netzwerk zeigen und mit Herrn Müller-Czygan Kontakt aufnehmen. Gerne lassen wir Ihnen hierzu nähere Informationen zukommen.

Hier gibt es aktuelle Informationen zum KOMMUNAL 4.0 e.V.. Mitgliedsanträge werden schon jetzt entgegen genommen! Nachfolgend können Sie sich das Anmeldeformular mit Beitragsordnung herunterladen. Seien Sie dabei und werden Sie eines der ersten Mitglieder in diesem einzigartigen Netzwerk!

Anmeldeformular mit Beitragsordnung

Infomaterial