Daseinsvorsorge 4.0 Chancen und Herausforderungen der Digitalisierung in der Wasserwirtschaft (Wasser 4.0)

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1 WBR BVÖD Jahrestagung 10. Februar 2016; Universität Leipzig Daseinsvorsorge 4.0 Chancen und Herausforderungen der Digitalisierung in der Wasserwirtschaft (Wasser 4.0) Prof. Dr.- Ing. Robert Holländer Institut für Infrastruktur und Ressourcenmanagement Umwelttechnik und Umweltmanagement

2 Agenda 1. Was ist Wasser 4.0? 2. Welche Chancen bietet Wasser 4.0? 3. Welche Herausforderungen sind zu beachten? 4. Folgerungen 2

3 1 Was ist Wasser 4.0? 3

4 Wasser 4.0 nach Sedlak Wasser 1.0 Römische Wasserver- und Entsorgung (Dämme und Wasserfassungen, Leitungen einschließlich Sandfänge, Stoffstromtrennung (Verkauf von Urin aus öffentlichen Urinalen an Webereien und Wäschereien) pecunia non olet ) Wasser 2.0 Trinkwasseraufbereitung mittels Filter und Chlor Wasser 3.0 Abwasserbehandlung zum Schutz der Gewässer Wasser 4.0 Integrierte Lösung für die heutigen Probleme (Wassermangel, temporäre Überflutungen, Werteverzehr und Alterung wasserwirtschaftlicher Anlagen..) David Sedlak (2015) Water 4.0 4

5 Industrie Industrielle Revolution: Ende 18 Jh. Mechanische Produktion mit Dampf und Wasserkraft 1784, erster mechanischer Webstuhl, 2. Industrielle Revolution: Anfang 20 Jh. Einführung arbeitsteiliger Massenproduktion mit elektrischer Energie 1870, erstes Fließband, Schlachthöfe von Cincinnati 3. Industrielle Revolution: 70er Jahre, 20. Jh. Elektronik und IT zur Automatisierung von Produktion 1969, erste Speicherprogrammierbare Steuerung 4. Industrielle Revolution: heute Auf Basis von Cyber-Physical Systems (CPS) Quellen: DFKI 2011 nach acatech 2013, commons.wikimedia.org/wiki/file:slaughterhouse1909.jpg commons.wikimedia.org/wiki/file:steam_engine_in_action.gif; commons.wikimedia.org/wiki/file:plc.jpg 6

6 Cyber-Physical Systems Vernetzung virtueller und physischer Systeme z.b. eingebettete Systeme, Produktions-, Logistik-, Engineering-, Koordinations- und Managementprozesse sowie Internetdienste, die mittels Sensoren unmittelbar physikalische Daten erfassen und mittels Aktoren auf physikalische Vorgänge einwirken, mittels digitaler Netze untereinander verbunden sind * Toolbox (VDMA) Integration von Sensoren und Aktoren Datenverarbeitung in der Produktion.. in Echtzeit Maschine zu Maschine Kommunikation (M2M) Unternehmensweite Vernetzung. Geschäftsmodelle um das Produkt 7 * Acatech 2013 Promotorengruppe, Kommunikation

7 Ziele der Cyber-Physical Systems Effizientere Prozesse Sicherere Prozesse durch klar definierte Schnittstellen Verbesserte Entscheidungsgrundlagen durch höhere Datenverfügbarkeit Kosteneinsparungen durch bessere Steuerung Bessere Produktqualität / bessere Umweltqualität Verbesserte Kommunikationsfähigkeit mit den Kunden 8

8 Horizontale und vertikale Integration Horizontale Integration Wertschöpfungsnetzwerke: Integration über unterschiedliche Prozessschritte zwischen denen ein Material-, Energie- und Informationsfluss verläuft; Über den gesamten Produktlebenszyklus LCA; Vertikale Integration auf den unterschiedlichen Hierarchieebenen (z.b. Managementebene, Controlling, Steuerungsebene, Sensorebene, ) zu einer durchgängigen Lösung; Vernetzte Produktsysteme; 10

9 Horizontale Integration im Trinkwassernetz (Kostenersparnis) In Großstädten: Speicherkapazität integriert im Netz durch intelligente Pumpensteuerung 11

10 Horizontale Integration im Trinkwassernetz (Kostenersparnis) Quelle: Line-Water-UOW-System-for-Zurich-DHI-Case-Story.pdf 12

11 Quelle: b6e75c3.pdf Horizontale Integration im Abwassernetz: Kanalnetzsteuerung 13

12 Horizontale Integration im Abwassernetz (Umweltschutz) Quelle: https://colabis.de/ Weitere Beispiel: Aarhus, ; Linz 14

13 Zwischenfazit Digitalisierung in der Daseinsvorsorge in der Wasserwirtschaft längst etabliert? 15

14 2 Welche Chancen bietet Wasser 4.0? 16

15 Horizontale und vertikale Integration Modelle für das Trinkwassernetz Modelle für das Abwassernetz Modelle für die Netzalterung Modelle für die Kläranlagenprozesse EDV-gestützte Lagerhaltung Buchhaltungssoftware Technische Planungssoftware GIS- Geländemodelle..etc, etc, Keine direkte Kommunikation 17

16 Horizontale und vertikale Integration Prozessintegration unterstützen durch geeignete EDV-Architektur ( Plattform ) Nicht top-down! Sondern inkrementell z.b. auch mit verschiedenen Startpunkten Vorbild: Offene Betriebssysteme: Beispiel Linux Entwicklung durch Community aus Unternehmen, Forschungseinrichtungen und Einzelpersonen ( > Entwickler, > 100 Ländern). Offene Entwicklungswerkzeuge: Beispiel: open source software, Entwicklung durch Community aus vielen Entwicklern und Millionen von Anwendern. Quelle: Acatech 2013 Umsetzungsempfehlungen für das Zukunftsprojekt Industrie Abschlussbericht 18

17 Icon made by Freepik from Integration von Infrastrukturdienstleistungen 19

18 Integration von Infrastrukturdienstleistungen Heute In Zukunft Trinkwasser Behandeltes Abwasser Energie (Mineralische Rückstände) Trinkwasser Behandeltes Abwasser Energie Mineralische Rückstände Organische Produkte Flexibilität 20

19 Flexibilitätsdienstleistungen der kommunalen Wasserwirtschaft Regelenergie Ausgleichsenergie im Tagesgang Ausgleichsenergie im Jahresgang Substrat, Klärschlamm, Faulgas Energieeffizienz Quelle: Schaum, et al 2015 Abwasser- und Klärschlammbehandlung im Fokus der Energiewirtschaft der Zukunft, KA 2015 (62) Nr. 9 und 21

20 Regelenergie als Infrastrukturdienstleistung Regelenergie Beitrag durch Wasserdienstleister Tertiäre Regelenergie (Minutenreserve, 15 min) durch Pumpensteuerung in der Kläranlage durch Pumpensteuerung zur Füllung von Hochbehältern (Talsperrenverbund, Laufwasserkraftwerke, Pumpspeicherkraftwerke) Regelenergie / Ausgleichsenergie Beitrag durch Verbraucher Tarifierungsanreize bei intelligenten Stromzählern Tarifierungsanreize bei intelligenten Wasserzählern 22

21 3 Welche Herausforderungen sind zu beachten? 23

22 Rahmenbedingungen Reinvestitionen, in D: derzeit 0,4 bis 1,2 % (Branchenbild 2015) (unter den Bedingungen des globalen Wandels!) In USA: nach ASCE (2011) Reinvestitionserfordernis 84 Mrd. USD zusätzlich bis Das Nichtschließen dieser Finanzierungslücke werde Haushalte und Unternehmen mit Kosten von 206 Mrd. USD belasten. Global: nach McKinsey (2013) seien 11,7 Billionen USD für Wasserinfrastruktur bis 2030 zu investieren (57 Billionen f. Infrastruktur insgesamt) zur Aufrechterhaltung des Wirtschaftswachstums (ohne Klimafolgenkosten, ohne aufgelaufene Defizite), Quellen.: Branchenbild d. deutschen Wasserwirtschaft.(2015); Center for Sustainable Infrastructure Evergreen State College,(2014), Infrastructure Crisis, Sustainable Solutions; McKinsey Global Institute, Infrastructure Productivity: How to save $1 trillion a year, (2013); World Economic Forum und Boston Consulting Group (2014); World Economic Forum und PwC (2012) 24

23 Nutzen und Kosten Einsparungen Geringere Betriebskosten Geringere Reinvestitionen im Netz Erweitertes Produktangebot Wasser, Abwasser, Energie, Regelenergie, mineralische und organische Produkte Investitionen Mess- und Regeltechnik, ggf. Prozesstechnik Software Hohe Anfangsinvestitionen (kleine Versorger?) 25

24 Zuverlässigkeit und Sicherheit Höhere Komplexität Systemabhängigkeit steigt Betriebssicherheit (safety) Höhere funktionale Sicherheit, Zuverlässigkeit und Robustheit Sicherheit (security) Erhöhter Aufwand zum Schutz von Daten und Systemen erforderlich; Proaktiv und konstruktiv, prozessorientiert, föderativ; nachträgliche Ergänzung teuer; 26

25 Personal Änderung des Berufsfeldes Erheblicher Weiterbildungsbedarf Höhere Qualifikation (Digitalisierung) Höhere Stelleneinstufung Geringerer Personalbestand 27

26 4 Folgerungen 28

27 Chancen und Herausforderungen Chancen Zunehmende Komplexität, Kosteneffizienz, Ressourceneffizienz, Umweltleistung,.. Neue Chancen für die Einrichtung qualifizierter Stellen und für innovative Unternehmen Herausforderungen Zunehmende Komplexität Anfangsinvestitionen Sicherheit (Security) 29

28 Vielen Dank! Prof. Dr.- Ing. Robert Holländer Institut für Infrastruktur und Ressourcenmanagement Umwelttechnik und Umweltmanagement

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