DEUS 21.
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Wassermanagement und Digitalisierung

Wasser ist unser wichtigstes Lebensmittel. Wassermanagement – das heißt der Zugang zu sauberem Wasser, eine gesicherte Wasserversorgung, die Installation hygienisch einwandfreier Sanitärsysteme und eine effiziente und kompakte Abwasserreinigung – ist daher eine der wichtigsten globalen Herausforderungen dieses Jahrhunderts.

Um diese Herausforderungen zu meistern, setzt das Fraunhofer IGB auf ein fortschrittliches semizentrales Wasser- und Abwassermanagement, verknüpft mit einem entsprechenden Energiemanagement. Dabei berücksichtigen wir auch geographische und klimatische Gegebenheiten, etwa jahreszeitlich bedingten Wassermangel in ariden und semi-ariden Gebieten.

Wassermanagement – Konzepte, Verfahren und Digitalisierung für optimierte Wassernutzung und Wiederverwendung

Herausforderung Wasserverbrauch und Versorgungsengpässe

Der weltweite Wasserverbrauch für landwirtschaftliche, industrielle und private Nutzung steigt stetig, auch wenn regional Maßnahmen zur Senkung des Wasserverbrauchs durchaus greifen. Dennoch werden – auch in unseren hochindustrialisierten Zonen – ernst zu nehmende Versorgungsengpässe prognostiziert. Intelligente Konzepte zur Reinigung und zur Verteilung von Wasser sind daher gefragt.

Unser Lösungsansatz: Semizentrales Wassermanagement

Das Fraunhofer IGB übernimmt hier eine Vorreiterrolle und hat Technologien entwickelt, die kostengünstige Lösungen des Wassermanagements in urbanen ebenso wie in ländlichen Strukturen durch dezentrale bzw. semizentrale Aufbereitung von Abwasserströmen ermöglichen. Der IGB-Ansatz zeichnet sich durch Effizienz und Wirtschaftlichkeit aus und ermöglicht die wirtschaftliche Generierung und Nutzung unterschiedlicher im Siedlungsgebiet anfallender Wasserströme.

Einsatzgebiete

Mit unserem Konzept bieten wir Systemlösungen für ein zukunftsfähiges kommunales Wassermanagement in ländlichen Regionen, Neubaugebieten und Stadtteilen mit Sanierungsbedarf sowie für Freizeitressorts, Touristikzentren und Hotelkomplexe. Das System kommt überall dort zum Tragen, wo noch keine Wasserinfrastruktur mit Kanalisationsnetz und Zentralkläranlage vorhanden ist. Oder dort, wo die Altinfrastruktur an neue Herausforderungen, die sich durch Klimawandel oder Wegzug der Bevölkerung ergeben, nicht mehr angepasst werden kann.

Kombination mit Abfall- und Energie-Management

Gekoppelt mit nachhaltigen Abfallwirtschaftskonzepten, einer Energieversorgung aus regenerierbaren Quellen und zukunftsweisender Gebäudetechnik bietet das Wassermanagement-Konzept eine ganzheitliche und autarke Versorgungsinfrastruktur, die unabhängig von zentralen Ver- und Entsorgungsnetzen funktioniert.

Optimierte Wassernutzung und Wasserwiederverwendung für resiliente Wasserinfrastrukturen

Durch den Klimawandel bedingte Trockenheit stellen die Landwirtschaft für große Herausforderungen. Um die Versorgung der Weltbevölkerung mit ausreichend Nahrung sicherstellen zu können, sind daher Lösungen gefragt, auch alternative Wasserquellen zu nutzen. In dem vom BMBF geförderten Projekt Hypowave haben wir daher untersucht, ob sich Abwasser so aufbereiten lässt, dass es für den hydroponischen Pflanzenbau – eine wassersparende Anbauform ohne Erdboden – geeignet ist. Ziel neuer resiliente Wassermanagementkonzepte ist eine Wasserkreislaufwirtschaft, in der Abwasser als Ressource betrachtet wird und enthaltene Nährstoffe sinnvoll und effizient genutzt werden.

Digitalisierung – Intelligente Sensornetzwerke

Ein Schlüssel für ein effizientes und integriertes Wassermanagement sind intelligent vernetzte Infrastrukturdaten. Dabei werden über Sensoren erfasste Daten dazu genutzt, die Funktionen der Infrastrukturen zu verbessern. Dies untersuchen wir in verschiedenen Projekten, um durch die Vernetzung von Wasser- mit Energie-Infrastrukturen die Energie- und Ressourceneffizienz zu verbessern und zirkuläre Ansätze im Sinne der Kreislaufwirtschaft realisieren zu können.

Klimaresilienz durch blau-grüne Infrastrukturen

Wir sind Partner im Innovationsnetzwerk Morgenstadt

Mit seiner Wassermanagement-Expertise beteiligt sich das Fraunhofer IGB im Innovationsnetzwerk Morgenstadt im Innovationsfeld »Integrated Water Systems«.

Morgenstadt

Die »Morgenstadt« ist die Vision einer nachhaltigen, lebenswerten und zukunftsfähigen Stadt und ihrem suburbanen Umland. Die Herausforderung liegt in der langfristigen Zusammenführung optimierter Technologien zu einem ganzheitlichen System.

 

Wie eine Stadt zukunftsfähig wird, untersucht das Innovationsnetzwerk aus 15 Städten, 25 Unternehmen und zehn Fraunhofer-Instituten im Projekt »Morgenstadt: City Insights«. Ein eigens entwickeltes Arbeitsmodell kommt in der Projektphase zum Einsatz, bei dem das IGB mit dem Projekt »Tiflis wird Morgenstadt City Lab« dabei ist.

Leistungsangebot Wassermanagement

Mischwasserüberlauf am Strand von Da Nang, Vietnam.
© Fraunhofer IGB
Mischwasserüberlauf am Strand von Da Nang, Vietnam.
Landwirtschaftliche Nutzflächen in der vietnamesischen Stadt Da Nang: Zukünftig können die Bewohner gereinigtes Abwasser nutzen, um die Beete zu bewässern.
© Fraunhofer IGB
Landwirtschaftliche Nutzflächen in der vietnamesischen Stadt Da Nang: Zukünftig können die Bewohner gereinigtes Abwasser nutzen, um die Beete zu bewässern.

Das in verschiedenen Demonstrationsprojekten realisierte Wassermanagementkonzept eignet sich besonders auch für den Export in Wassermangelgebiete, weil es speziell auf die Bedürfnisse arider und semi-arider Regionen angepasst werden kann.

Wasser und Kosten sparen

Industrienationen gehen in der Regel verschwenderisch mit Trinkwasser um. Mit entsprechenden Vorrichtungen wie Wasserspararmaturen oder -toiletten kann in jedem Haushalt Wasser gespart werden. Vakuum- oder Drucksysteme sind gangbare Alternativen zur herkömmlichen Schwemmkanalisation. Wasserspültoiletten können durch Vakuumtoiletten ersetzt werden, wie sie in Flugzeugen, Schiffen und Zügen oder in Haushalten einiger skandinavischer Länder bereits üblich sind.

Wir konzipieren für Sie passende Systeme.

Regenwassernutzung

In zahlreichen Fällen, beispielsweise bei der Gartenbewässerung und der Toilettenspülung, muss das verwendete Wasser keine Trinkwasserqualität aufweisen. Besonders in wasserarmen Regionen lohnt es sich daher, Regenwasser und aufbereitetes Waschwasser für den Eigenbedarf zu nutzen.

Das Fraunhofer IGB hat entsprechende Technologien entwickelt, um Regenwasser zur Verwendung im Haushalt aufzubereiten. Wir passen diese Technologien auf Ihre Bedarfe an.

Anaerobe Abwasseraufbereitung

Eine attraktive Alternative zur heute üblichen aeroben Abwasserreinigung, speziell für dezentrale oder semizentrale Wasserinfrastruktursysteme, bietet die anaerobe Biotechnologie, mit der organische Kohlenstoffverbindungen zu Biogas, einem Gemisch aus Kohlenstoffdioxid und Methan, umgewandelt werden. Biogas kann als regenerativer Energieträger in Blockheizkraftwerken zur Strom- und Wärmeerzeugung genutzt werden. Alternativ wird Biogas in das bestehende Erdgasnetz eingespeist. Zudem kann Biomethan, analog zu Erdgas, zur Verwendung als Kraftstoff für Fahrzeuge aufgereinigt werden.

Im Gegensatz zum herkömmlichen aeroben Belebtschlammverfahren verbleiben bei der anaeroben Abwasserreinigung in geschlossenen Bioreaktoren die Stickstoff- und Phosphorverbindungen im gereinigten Wasser und in den zurückbleibenden Feststoffen. Mikroorganismen werden durch Mikrofiltration mit Rotationsscheibenfiltern entfernt. Die Behandlung liefert Wasser, das hygienisch unbedenklich ist und sich zur Bewässerung landwirtschaftlicher Flächen eignet. So wird nicht nur sauberes Wasser, sondern auch Dünger gespart. Alternativ ist es möglich, die Nährstoffe als Dünger aus dem gereinigten Wasser zurückzugewinnen. In diesem Fall kann das Wasser direkt in ein Gewässer eingeleitet oder wiederverwendet werden.

Wir untersuchen die Gegebenheiten für neue Projekte, auch in Stakeholder-Dialogen vor Ort, und entwickeln mit allen beteiligten Parteien die bestmögliche Lösung.

Digitalisierung: Anwendungsoptimierte Wasseraufbereitung mithilfe intelligenter Sensornetzwerke

Je nachdem, in welcher Anwendung das aufbereitete Abwasser eingesetzt werden soll, kommen unterschiedliche Behandlungsstrategien in Frage.  So macht es einen Unterschied, ob das Abwasser nach der Reinigung in Oberflächengewässer eingeleitet werden soll,  ob man damit Felder düngend bewässern will oder ob man, wie im Projekt Hypowave untersucht, gereinigtes Abwasser für den wassersparenden hydroponischen Anbau nutzen will.

Intelligente Steuerung der einzelnen Systemelemente  

Intelligente Steuerungssysteme können helfen, die für eine Zielanwendung optimale Reinigungsstufe auch bei komplexen und variierenden Anforderungen technisch umzusetzen. 

Dies haben wir im Projekt Hypowave für die landwirtschaftliche Wasserwiederverwendung bereits demonstriert. In diesem Projekt mussten folgende Zielstellungen erreicht werden:

  • Ausreichend hohe Nährstoffkonzentration im behandelten Abwasser, um die Nährstoffversorgung der Pflanzen sicherzustellen
  • Erfüllung der behördlichen Auflagen für die Nährstoffelimination im Zuge der Abwasserreinigung
  • Vermeidung von Risiken (z. B. pathogene Keime) aufgrund betrieblicher Störungen der Wasseraufbereitungsprozesse

Selbstlernende neuronale Netze

Hierzu haben wir künstliche neuronale Netze etabliert, die aus zahlreichen Prozessoren bestehen und als selbstlernende Elemente Verknüpfungen in unserem Gehirn imitieren. Auf der Grundlage von Messdaten können sie das Gesamtsystem optimieren und die Steuergrößen der Abwasseraufbereitungsanlagen automatisch anpassen.

Sensoren als Kernkomponenten von neuronalen Netzen

Die physische Infrastruktur muss folgende Schritte befähigen:

  • Datenerfassung
  • Datenkommunikation
  • Rückkopplung

Die Grundlage dafür bilden Sensoren für die Überwachung kritischer Wasserqualitätsparameter an verschiedenen Stellen des Gesamtsystems. Diese liefern hochaufgelöste Daten an einen Server, der als Schnittstelle zwischen der Datenaufnahme und -verarbeitung fungiert. Die konzeptionierte selbstlernende Steuerung optimiert so anhand neuronaler Netze die jeweiligen Prozesse zur Abwasseraufbereitung und zur nachgelagerten Nutzung des Wassers (z. B. Pflanzenproduktion).  

Module des dezentralen Wassermanagements

Detailinformationen zu den einzelnen technologischen Komponenten erhalten Sie hier.

 

Nexus Wasser – Energie – Ernährung – Rohstoffe

Wir entwickeln integrierte Lösungen für ein nachhaltiges Zusammenspiel der Bereiche Wasser, Energie, Ernährung und Rohstoffe für Kommunen, Landwirtschaft und Industrie.