Smart Citys

Die Zukunft der urbanen Trinkwasserversorgung

von Katharina Trautvetter

Laut Schätzung der OECD werden 2050 rund 70 Prozent der Weltbevölkerung in Städten leben. Eine Herausforderung für deren Trinkwasserressourcen. Quelle: www.pexels.com | Autor: Heather Bozman

Durch den immer weiter voranschreitenden Klimawandel, das stetige Bevölkerungswachstum und die ineffiziente Nutzung vorhandener Süßwasserressourcen könnte die Trinkwasserversorgung zu einem essenziellen Problem der Zukunft werden. Die Vereinten Nationen gehen davon aus, dass bis 2025 1,8 Milliarden Menschen unter Wasserknappheit leiden werden. Besonders in urbanen Ballungsgebieten steigt der Verbrauch kontinuierlich weiter an. Innovative Techniken und Stadtkonzepte sollen deshalb in Zukunft die Trinkwasserversorgung sicherstellen. Einige sind heute schon im Einsatz.

Das englische Wetter ist im allgemeinen Sprachgebrauch längst ein Synonym für nasskalte Regentage geworden. Dieser Vorstellung wohnt allerdings eine gewisse Ironie inne. Denn ausgerechnet in London könnte bereits in wenigen Jahren das Wasser knapp werden, warnt die britische Umweltbehörde. Die Niederschlagsrate der englischen Hauptstadt liegt unter den meisten ihrer europäischen Pendants. Dazu kommen undichte Leitungen und ein hoher Wasserverbrauch pro Kopf. Um das zu kompensieren, ruft die Stadt einerseits zu Sparsamkeit auf und versucht andererseits, unnötige Verluste zu vermeiden. Und das auch mit recht eigenwilligen Methoden: So wurden beispielsweise lokale Taxifahrer von einem Londoner Wasserversorger engagiert, um auf ihren Routen durch die Stadt Videoaufnahmen gefährdeter Rohrleitungen zu erstellen und diese dann der Zentrale weiterzugeben. 

Intelligentes Wassermanagement

Methoden wie in London zeigen, dass das Sammeln und Auswerten von Daten ein zentrales Instrument für das intelligente Wassermanagement einer Stadt sind. Doch es geht noch smarter. Intelligente Rohrleitungen können schon heute Schäden und Verlustquellen direkt an den Betreiber melden. Entsprechende Sensoren sammeln Daten zu Wasserverbrauch, Wasserdruck und Systemleistung und übermitteln diese über ein intelligentes Netzwerk (Smart Grid) an den Versorger. So lässt sich der Wasserbedarf einer Stadt oder eines Stadtteils genau analysieren und entsprechend steuern. Auch Schäden können auf diese Weise schneller behoben werden.

Das schafft neue Handlungsspielräume. Das Darmstädter Start-up Sooqua beispielsweise arbeitet an der Entwicklung einer neuartigen Software, die solche Daten zentral sammelt und über ein mathematisches Modell auswertet. „In Berlin sind bereits große Datenmengen vorhanden. Mit unserer Software könnten wir Informationslücken in der Datensammlung schließen und so effektiv Schäden registrieren oder voraussagen“, erklärt Valerie Fehst, Data Scientist und Mitgründerin von Sooqua. „In Berlin tauscht man oft präventiv Rohre aus, die, wie empirische Daten zeigen, bald kaputt gehen könnten. Ein Rohr erst dann auszutauschen, wenn es wirklich notwendig ist, spart aber Kosten.“ 

Wasserleitungen sind jedoch nur eine Komponente der Trinkwasserversorgung. „Ein intelligentes Wassermanagement berücksichtigt den gesamten Wasserkreislauf, das heißt die gesamte Wertschöpfungskette von der Quelle der Ressource über den Versorgungsdienstleister zum Verbraucher und über das Abwassersystem zurück zur Quelle in der Natur,” erklärt Prof. Wilhelm Urban, Experte für Wasserversorgung und Grundwasserschutz an der TU Darmstadt. Nicht nur in Berlin, in ganz Deutschland werden bereits an allen Anlagenstufen der Trinkwasserversorgung digitale Daten zu Wasserqualität und -quantität gesammelt und in Teilen sinnvoll ausgewertet. Allerdings besteht erheblicher Handlungsbedarf in deren intelligenter Vernetzung, deren Interaktion und Einbindung in die Betriebskontrolle und Betriebssteuerung des gesamten Wasserversorgungssystems. „Erst ein System, das all diese Datenströme miteinander vernetzt, steuert und Rückkopplungen ermöglicht, wäre wirklich smart“, sagt Prof. Urban. 

Futuristisch: Die Supertrees der „Gardens by the Bay” in Singapur sammeln nach Vorbild der Natur Regenwasser, das zur Bewässerung der Anlage verwendet wird. Quelle: www.unsplash.com | Autor: Victor Garcia

Modellstadt Singapur

Ausgerechnet von einer ehemaligen britischen Kolonie könnten sich London und Berlin so einiges in Sachen Trinkwassermanagement abschauen. Singapur hat Modellcharakter im Umgang mit seinem Trinkwasser, das in dem Stadtstaat traditionell ein rares Gut ist, denn Singapur verfügt über keine nennenswerten eigene Trinkwasserreserven. Bis weit in die 1990er-Jahre hinein stammten noch gut 70 Prozent des Leitungswassers aus dem Nachbarstaat Malaysia. Der drohte jedoch regelmäßig damit, die Wasserzufuhr zu kappen und setzte den damals jungen Staat Singapur politisch unter Druck. Es mussten Lösungen her, die Trinkwasserversorgung aus eigener Kraft zu gewährleisten.

Das war und ist gar nicht so einfach, denn die hohe Bevölkerungsdichte Singapurs stellt die Wasserversorgung zusätzlich vor eine besondere Herausforderung. Auf einer Fläche, die ungefähr der von Hamburg entspricht, leben fast sechs Millionen Menschen. Zum Vergleich: In der Hansestadt leben nicht einmal zwei Millionen Menschen. Die gigantischen Mengen Wasser, die so eine Millionenstadt verbraucht, belasten die Wasserressourcen enorm. Unter anderem auch deswegen, weil das Abwasser - wenn auch in aufbereiteter Form - über den Wasserkreislauf wieder im Grundwasser landet.

Dennoch gehört Singapur heute gemeinsam mit Japan zu den wenigen asiatischen Ländern, in denen man Leitungswasser bedenkenlos trinken kann. Gelingen konnte das durch enorme Innovationskraft und den Einsatz modernster Technik. Und so gehören in Singapur etwa Roboterschwäne (Teil des Smart Water Assessment Network, kurz „S.W.A.N“), die vor der Küste der Stadt im Meer schwimmen und Daten über die Wasserqualität sammeln, zum Stadtbild. Sie sind nur einer von vielen Bausteinen in Singapurs „4-Tap-Strategie“, in der sich die Stadt auf vier Trinkwasserquellen stützt, um eine optimale Versorgung zu gewährleisten. 

Tap 1 betrifft Importwasser. Tap 2 umfasst 17 riesige Rückhaltebecken und Reservoirs, in denen Regenwasser gesammelt wird. Denn in Singapur gehen durch die tropischen Regenfälle 150 Prozent mehr Schauer nieder als beispielsweise in London. Tap 3 sieht die Wiederaufbereitung von Brauchwasser nach europäischen Standards vor. Nach dem Aufbereitungsprozess hat das sogenannte „neWater“ in Singapur Trinkwasserqualität. Der letzte Baustein, Tap 4, umfasst vier moderne Meerwasserentsalzungsanlagen. Erst durch diese Diversifikation ist es Singapur möglich, die Trinkwasserversorgung auch in Krisenzeiten aufrechtzuerhalten.

Die spanische „Smart City“ Valencia treibt den Vernetzungsgedanken auf die Spitze, indem Daten zu Wasserversorgung, Sauberkeit oder Mobilität gesammelt, aufbereitet und über die „Urban Pulse“-App den Bürgern zur Verfügung gestellt werden. Quelle: www.pixabay.com | Autor: papagnoc

Smart, Smarter, Valencia

Singapur ist nicht die einzige auf südlicheren Breitengraden gelegene Metropole, die deutsche Städte im Vergleich alt aussehen lässt. Auf dem europäischen Festland tut sich hier besonders Valencia hervor, das sich selbst mit dem Titel „Spaniens erste Smart City” bewirbt. Der zunehmende Bevölkerungsdruck der wachsenden Region und die regenarmen, heißen Sommer haben auch hier Trinkwasser zu einer Mangelware werden lassen und so die perfekten Rahmenbedingungen für einen innovativen Umgang mit der Ressourcen geschaffen. So werden in Valencia die Wasserzählerstände nicht wie in den meisten deutschen Städten per Post abgefragt oder durch Mitarbeiter vor Ort abgelesen, sondern können über intelligenter Funk-Wasserzähler (Smart Meter) jederzeit durch den Versorger „Aguas de Valencia” abgerufen werden.

Parallel sammeln, wie in Berlin, smarte Rohrleitungen Daten, die an das Versorgungsunternehmen übermittelt werden. In Kombination mit den Informationen der Smart Meter lässt sich die Trinkwasserversorgung agil an den aktuellen Verbrauch anpassen. Bei Bedarf senkt der Netzbetreiber den Druck im Versorgungssystem und kann so nicht nur Wasser, sondern auch Energie sparen. Zusätzlich wird die Wasserqualität mittels digital vernetzter Sensoren überwacht, die ihre Informationen an ein selbstlernendes System weiterleiten. 

Neben dem Trinkwassernetz gibt es außerdem ein Brauchwassernetz, das Haushalte und Betriebe zu einem günstigen Preis beziehen können. Das schont zusätzlich die kostbaren Trinkwasserressourcen. Während der Starkregenzeit im Herbst wird ähnlich wie in Singapur plötzlich nicht der Mangel an Wasser, sondern sein Überfluss ein Problem. Um die Stadt vor Überschwemmungen zu schützen, wurde der Fluss Truia umgeleitet und ein Netzwerk aus Speichertanks eingerichtet. Dort wird das Wasser während der Regenzeit aufgefangen und kann bei Bedarf in den trockenen Monaten an die Stadt oder die Landwirtschaft weitergeleitet werden.

Zu Singapur und Valencia gesellen sich noch viele weitere Städte und Staaten, die durch besondere klimatische Bedingungen schon seit Jahrhunderten auf innovative Lösungen angewiesen sind, um ihre Trinkwasserversorgung zu sichern. Im Nahen Osten gibt es sogar oft ein eigenes Ministerium, dass sich nur mit der Wasserversorgung beschäftigt. Zum Beispiel in Indien, Syrien und den Vereinigten Arabischen Emiraten. Letztere gehören zu den zehn trockensten Staaten der Welt. Hier experimentiert man gerade mit einer Methode, bei der mit Salzkristallen ausgestattete Flugzeuge in die Wolken fliegen, um so die Wahrscheinlichkeit für Regen zu erhöhen. Der Erfolg dieser Flugmanöver ist jedoch umstritten.

Städte der Zukunft sind nicht nur gut vernetzt, sondern auch grün und nachhaltig. Quelle: www.pexels.com | Autor: Tom Fisk

Zurück zur Natur

Egal ob in Singapur, Valencia oder Berlin, menschliche Siedlungen sind immer ein erheblicher Störfaktor für die Natur und damit auch für die natürlichen Wasserressourcen. Zum einen wird in diesen Regionen das Grundwasser durch Schadstoffeinträge belastet. Zum anderen ist in Städten vor allem der hohe Anteil an versiegelten Flächen ein Problem für den natürlichen Wasserkreislauf. Denn das Wasser kann auf den asphaltierten Straßen und betonierten Hinterhöfen nicht im Boden versickern. Pflanzen müssen kostenaufwändig mit Trinkwasser versorgt werden. Das kann während extremen Hitzeperioden zu Versorgungsengpässen in der Bevölkerung führen.

Das Projekt „netWorks 4“ des deutschen Bundesministeriums für Bildung und Forschung betrachtet neben grauen (Abwasser) und blauen (Wasser) Infrastrukturen grüne Konzepte als einen weiteren wichtigen Baustein in der städtischen Trinkwasserversorgung der Zukunft. „Es muss ja kein Trinkwasser sein, mit dem man das Stadtgrün gießt. Betriebswasser aus aufbereitetem Grauwasser oder aufgefangenes Regenwasser eignet sich ebenso zur Bewässerung und schont die wertvollen Trinkwasservorräte,“ sagt Projektleiterin Martina Winker vom ISOE in Frankfurt. Grüne Infrastrukturen sind gleichzeitig wichtig für das Stadtklima. Sie sorgen nicht nur für Kühlung, sondern fungieren als Wasserspeicher und können so Flutkatastrophen und Hitzewellen entgegenwirken. 

Ein System mit zwei Wasserkreisläufen, eines für Brauchwasser, eines für Trinkwasser ist auch nach Einschätzung von Prof. Urban ein Ansatz, den wir in Deutschland bald häufiger antreffen werden. Für unwahrscheinlicher hält er, dass an Nord- und Ostsee bald riesige Entsalzungsanlagen wie in Singapur oder auch Dubai stehen. Denn die seien nicht nur eine Belastung für die Umwelt, sondern verursachten auch enorme (Energie-)Kosten und lohnten sich daher nur in sonnenreichen Regionen, wo sie an Solaranlagen gekoppelt werden können. 

„Sprechen wir über ein intelligentes Wassermanagement in Deutschland, dann auch automatisch über ein nachhaltiges,“ konstatiert Prof. Urban. „Wenn wir möglichst wenig in den natürlichen Wasserkreislauf eingreifen und die vorhandenen Ressourcen effektiv und effizient für den erforderlichen Zweck nutzen, spart das nicht nur Kosten, sondern kommt auch der Natur zugute.” Und die stellt dem Menschen – zumindest in Nordeuropa – in Form von Grundwasser eine fast perfekte Trinkwasserquelle zur Verfügung. Diese nachhaltig zu schützen muss immer ein Anliegen eines zukunftsorientierten Konzepts sein, so Urban.

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