Wassermanagement und Digitalisierung

Herausforderung Wasserverbrauch und Versorgungsengpässe

Wasser ist unser wichtigstes Lebensmittel. 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.

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 für Städte und Kommunen, die Landwirtschaft wie auch die Industrie, verknüpft mit einem entsprechenden Energie- und Ressourcenmanagement. Dabei berücksichtigen wir auch geographische und klimatische Gegebenheiten, etwa jahreszeitlich bedingten Wassermangel in ariden und semi-ariden Gebieten.

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 Städte zukunftsfähig werden, untersucht das Innovationsnetzwerk aus Städten, Unternehmen und Fraunhofer-Instituten in Projekten der »Morgenstadt-Initiative«. Dabei kommt ein eigens entwickeltes Arbeitsmodell zur Stadtanalyse zum Einsatz. Aktuell wird dieses auf Schwellenländer übertragen.

Unser Lösungsansatz: Wassermanagement – Konzepte und Verfahren für optimierte Wassernutzung und -wiederverwendung

Semizentrales Wassermanagement

Das Fraunhofer IGB 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.

Autarke Infrastruktur durch 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.

Technologischer Kern: 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.  

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 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. Die anaerobe Wasserbehandlung, beispielsweise mit der am IGB entwickelten Hochlastfaulung, liefert damit Wertstofffraktionen, die sich nach dem Prinzip »Abwasser als Ressource« vielfältig nutzen lassen.

Optimierte Wassernutzung und Wasserwiederverwendung für resiliente Wasserinfrastrukturen

Die durch den Klimawandel bedingte Trockenheit stellt vor allem die Landwirtschaft vor 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. Im Folgeprojekt Hypowave+ wird das System erstmals großtechnisch implementiert. Ziel weiterer, neuer resilienter Wassermanagementkonzepte ist eine Wasserkreislaufwirtschaft, in der Abwasser als Ressource betrachtet wird und beispielsweise enthaltene Nährstoffe sinnvoll und effizient genutzt werden.

Digitalisierung – Sensorgestützte Prozesssteuerung  

Sensoren,  Modellierungen und künstliche Intelligenz helfen bei der Überwachung von Wasserqualitäten oder der Optimierung technischer Anlagen. Hauptaugenmerk des IGB liegt auf der Etablierung effizienter Daten- und Kommunikationsinfrastrukturen, um die Kommunikation sensorgestützter Systemkomponenten als Grundlage einer smarten Prozessteuerung zu ermöglichen.

Klimaresilienz durch blau-grüne Infrastrukturen

Bedingt durch den Klimwandel hat die Häufigkeit von Starkregenereignissen mit teilweise verheerenden Überschwemmungen ebenso wie die von Dürreperioden in den letzten Jahrzehnten zugenommen. Blau-grüne Infrastrukturen, also Teiche oder begrünte Dächer, helfen Regen aus Starkregenereignissen zu speichern, damit sie nicht die Kanalisation überschwemmen. Das Fraunhofer IGB geht der Frage nach, wie blau‑grünen Technologien gleichermaßen robust und effizient gesteuert werden können.

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

Weitere Informationen

 

Abwasser als Ressource

Die Kreislaufwirtschaft gilt als Schlüsselstrategie, um Ressourcen zu erhalten und die Klimaziele zu erreichen. Auch die Inhaltsstoffe im Abwasser lassen sich nutzen – wenn man es entsprechend aufbereitet. Abwasser, das mit innovativer Hochlastfaulung behandelt wird, liefert nährstoffreiches Wasser/Nährstoffe, Biogas und kohlenstoffreiche Gärreste.

 

Wasser 4.0 – Die Digitalisierung der Wasserwirtschaft

Sensoren,  Modellierungen und künstliche Intelligenz helfen bei der Überwachung von Wasserqualitäten oder der Optimierung technischer Anlagen. Hauptaugenmerk des IGB liegt auf der Etablierung effizienter Daten- und Kommunikationsinfrastrukturen, um die Kommunikation sensorgestützter Systemkomponenten als Grundlage einer smarten Prozessteuerung zu ermöglichen.

 

Anpassung an den Klimawandel

Klimaresiliente Städte durch blau-grüne Infrastrukturen

Teiche,  Zisternen, begrünte Dächer und bepflanzte Stadtareale helfen, Regen aus Starkregenereignissen zu speichern, damit sie nicht die Kanalisation überschwemmen. Das Fraunhofer IGB analysiert städtische Wasserinfrastrukturen, schlägt Maßnahmen vor und geht der Frage nach, wie blau‑grünen Technologien gleichermaßen robust und effizient gesteuert werden können.

 

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.

Kooperation mit Südafrika

© Fraunhofer
Gereinigtes Abwasser wird als alternative Wasserressource für das Wassermanagement der Zukunft an Bedeutung gewinnen.

Fraunhofer Innovation Platform for the Water-Energy-Food Nexus at Stellenbosch University

Die »Fraunhofer Innovation Platform for the Water-Energy-Food Nexus at Stellenbosch University (FIP-WEF@SU)« ist ein Kooperationsprojekt der Universität Stellenbosch und des Fraunhofer IGB, an dem des Weiteren die Fraunhofer-Institute IST, ISE und IOSB beteiligt sind. Zudem ist die Fraunhofer-Allianz SysWasser als assoziierter Partner mit an Bord.

Ziel der Innovationsplattform ist, Know-how und Technologien auf dem Gebiet der Wasserbehandlung und Wassernutzung zusammenzuführen und durch gemeinsame Forschung und Entwicklung Lösungen für Südafrika und die Sub-Sahara-Staaten zu erarbeiten.

Kooperationen in Indien

Auch mit Indien arbeitet das Fraunhofer IGB auf verschiedenen Ebenen im Bereich des Wassermanagements zusammen.

Aktuell leitet Dr. Marius Mohr eines der im Rahmen der Morgenstadt Global Smart Cities bearbeiteten City Labs in Kochi. Ziel dieser Aktivität ist es, übertragbare und gleichzeitig finanzierbare Roadmaps zu entwickeln, um Treibhausgase zu reduzieren, die Resilienz gegenüber Folgen des Klimawandels zu stärken und die Lebensqualität der Einwohner zu verbessern. Die City Labs sind mit ihren wissenschaftsbasierten Analysemethoden das Kernstück der Morgenstadt-Tools.

Aufgrund seiner umfangreichen Erfahrungen mit Wassermanagement-Projekten in Indien ist das IGB am Aufbau des Innovationsnetzwerks "AQUA-Hub" beteiligt, das zwischen deutschen Wassertechnologieanbietern und dem indischen Markt vermittelt.

Anfang 2019 führte Marc Beckett im Auftrag von Umwelttechnik Baden-Württemberg (UTBW) eine Machbarkeitsstudie in Solapur, Maharashtra, durch. Dabei wurden konkrete Bedarfe und Projektideen, unter anderem in der intelligenten Wasserqualitätsüberwachung ermittelt.  

Ein weiteres Beispiel für die Zusammenarbeit ist das vom Bundesumweltministerium (BMU) geförderte Projekt »Smart Water Future India«, in dem intelligente und nachhaltige Wassermanagementstrategien für die südindische Stadt Coimbatore entwickelt wurden. Im Rahmen dieses Projekts legten Dr. Marius Mohr und Marc Beckett zusammen mit deutschen und indischen Experten die Grundlagen, um auch über das Projekt hinaus langfristig dringend benötigte Lösungen für ein bedarfsgerechtes Wassermanagement in der Region zu entwickeln.

MOU zwischen Fraunhofer und CSIR

Zur Vertiefung und Verstetigung der Zusammenarbeit zwischen Indien und Deutschland in den Bereichen Batterietechnologien, Wassermanagement, Produktionstechnologien und nachhaltige Gebäudetechnologien hat Fraunhofer im Rahmen der 5. deutsch-indischen Regierungskonsultationen am 1. und 2. November 2019 in Neu-Delhi ein Memorandum of Understanding (MoU) mit dem indischen Council of Scientific and Industrial Research (CSIR) unterzeichnet. Dr. Marius Mohr leitet die Zusammenarbeit mit dem National Environmental Engineering Research Institute (NEERI), einem der 38 Institute des CSIR, für den Bereich Wassermanagement.