SIEMENS

Die Griechen taten es, die Römer und auch die alten Assyrer. Sie versorgten ihre Metropolen mit Wasser aus weit entfernten Quellen. Rinnen aus präzise behauenen Steinen hielten die Städte am Leben. Abdeckungen sollten die Verluste durch Verdunsten gering halten, der römische Beton das Versickern verhindern. Doch gegen versteckte Risse waren die Versorger der Antike machtlos – ein Zustand, der bis heute anhält. Selbst in einer europäischen Metropole wie London versickern pro Tag Millionen Liter. „Schuld sind die maroden Leitungen aus viktorianischer Zeit“, erläutert Martin Geiger, Leiter des Fachbeirates Süßwasser des World Wide Fund for Nature.

Laut offiziellen Angaben der Stadt London verliert das 30.000 Kilometer lange Leitungsnetz je Anschluss 217 Liter Trinkwasser pro Tag. Gäbe es nur ein Prozent weniger Schwund, könnten weitere 224.000 Menschen mit Wasser versorgt werden. Jedes Leck für sich ist klein und unauffällig und trägt doch erheblich zum Gesamtverlust bei. Laut Lehrbuch zischen aus einem winzigen Leck von nur einem Millimeter Durchmesser bei fünf Bar Druck 58 Liter Wasser pro Stunde ins Erdreich! Bis zur Entdeckung kann es lange dauern. Je nach Organisation des Netzbetreibers veranschlagen Praktiker drei bis sechs Monate.

„Leckagen sind vor allem bei altem Leitungsbestand und in südlichen Ländern ein ungelöstes Problem“, sagt Geiger. In wasserreichen Ländern kostet der Schwund „nur“ Geld und Energie, denn der Druckaufbau durch Pumpen verbraucht viel Strom. In Regionen mit großer Wasserknappheit gefährden die Lecks hingegen Leben und Gesundheit. Nach UN-Angaben leiden über eine Milliarde Menschen der Dritten Welt an unzureichender Trinkwasser-Versorgung, und laut Weltgesundheitsorganisation lebt jeder zweite Mensch in einer Gegend mit Wasserknappheit. Doch unnötige Verluste sind nur ein Teil des Problems: Lecks gefährden auch die Wasserqualität, weil Verunreinigungen, etwa Mikroorganismen, in die undichten Rohre eindringen können.

„Es gibt Netze in Indien, bei denen bis zu 60 Prozent des Wassers auf dem Weg zum Verbraucher versickern“, erläutert Geiger. Leider ist das Finden von Lecks sehr zeit- und kostenaufwändig. Das liegt zum einen daran, dass Durchflussmesser, wenn überhaupt, nur in den Hauptleitungen installiert sind. Was in kleineren Rohren geschieht, kommt oft nur durch Zufall heraus, wenn Inspektoren mit feinem Gehör und Lauschgerät dem Klangunterschied zwischen Leck und normalem Wasserzapfen nachspüren. Zum anderen erfolgt bis heute kaum eine netzweite Auswertung der Messwerte. Erst seit kurzem gibt es ein System, das diese Arbeit automatisch erledigt und so den teuren Schwund minimiert.

Die Division Industrial Automation von Siemens in Nürnberg entwickelte zusammen mit Forschern von Siemens Corporate Technology (CT) in München eine Lösung für das Problem. „Wir bieten unseren Kunden ein elektrotechnisches Komplettangebot rund ums Wasser an – von der Gewinnung von Frischwasser über die Verteilung bis zur Steuerung des Netzes und der Abwasserentsorgung“, erläutert Dr. Andreas Pirsing, der für das Portfolio-Management im Bereich Water & Wastewater verantwortlich ist. „Mit dem neu entwickelten SIWA LeakControl kann man nun auch Lecks auffinden.“

Die Ingenieure teilen den zu untersuchenden Netzabschnitt in Zonen ein, deren Wasserverbrauch man kostengünstig mit nur wenigen Sensoren analysieren kann. Sie verwenden dazu Ultraschall-Durchflussmesser, die nach dem Echolotprinzip arbeiten und die Zu- und Abflüsse erfassen. Diese von Siemens entwickelte Lösung hat sich schon vielfach bei Flüssigkeiten bewährt, von der Raffinerie bis zur Abwasserkontrolle. Sie ist einfach zu installieren und tauglich für alle Rohrmaterialien und Durchmesser. Die Ultraschall-Technologie bietet den Vorteil, dass sie von außen an einer Leitung angebracht werden kann – es ist nicht nötig, die Rohre anzubohren oder aufzuschneiden. Der Servicetechniker flanscht die Durchflussmesser einfach an und verbindet sie mit der Messelektronik. Diese sendet die Messdaten per Funk zur zentralen Prozessleitstelle.

Letztlich entstehen daraus Listen mit Zeitreihen der Durchflüsse. Für die Leckagesuche sind vor allem die Messwerte der Nachtstunden wichtig, denn zwischen zwei und vier Uhr morgens ist der Anteil des absichtlich entnommenen Wassers typischerweise minimal. Nur die Lecks sprudeln munter weiter. Ein plötzlicher Anstieg zwischen den Nachtmesswerten zweier Tage ist ein deutlicher Indikator für ein neues Leck. Die von Siemens verwendeten Algorithmen benötigen eine bis zwei Wochen, um den normalen Verbrauch in einem Netz zu erfassen. Danach können sie neue Lecks eigenständig erkennen. Am schwierigsten dabei war es, entsprechend intelligente Algorithmen zu finden. „Ein Trinkwassernetzwerk ist keine Pipeline mit klar definierten Zu- und Abflüssen“, erklärt Roland Rosen, Leiter des Technologiefeldes für Modellierung, Simulation und Optimierung (MSO). „Wir wissen exakt, was hineinfließt, aber nur sehr ungenau, wo das Wasser herausfließt. Wir suchen also Abweichungen von einem Soll-Wert, den wir nicht kennen.“ Die Gesetze der Statistik liefern die Lösung. Läuft alles rund, ergibt sich eine charakteristische Verteilung der Messwerte. Das ist wie beim Würfeln. „Ein Leck wirkt wie ein gezinkter Würfel“, erklärt Dr. Jan Christoph Wehrstedt, der als Mathematiker bei MSO arbeitet. Jede Nacht halten die Computerprogramme Ausschau nach ungewöhnlichen Messwerten. Ergibt sich eine verzerrte Verteilung, läuten die Alarmglocken. Um Fehlalarme zu minimieren, vergleicht die Software die Ergebnisse mehrerer Zonen miteinander. „Wenn nachts überall auf einen Schlag Wasser durch die Leitungen rinnt, ist das kein Leck, sondern ein Fußballspiel“, weiß Wehrstedt aus Erfahrung. Denn in den Pausen strebt alles zur Toilette. Solche Alarme unterdrückt das System.

Lernphase nötig. „Zusätzlich zu Druck- und Flussverteilung setzen wir seit kurzem auch Monte-Carlo-Simulationen ein“, sagt Wehrstedt. Das sind noch komplexere statistische Verfahren, die Leckagen sehr schnell erkennen können. „Dafür erstellen wir eine hydraulische Simulation des Wassernetzes. Unsere Computer berechnen dann anhand der gemessenen Zu- und Abflüsse die Druckverhältnisse und die Fließbewegung im Netz. Damit simulieren sie die Wasserströmung entlang der Verzweigungen und Zusammenflüsse.“ Das Ergebnis ist ein Computermodell, mit dem die Ingenieure experimentieren können. Die berechneten Werte werden mit Sensordaten verglichen, wobei zufällige Profile an die Stelle des unbekannten Verhaltens der Verbraucher treten. Die Monte-Carlo-Simulation generiert dann Schwankungen in den Simulationswerten. Ein solcher Vergleich der Mess- und Simulationswerte erspart letztlich die zweiwöchige Einlernphase. Um verdächtige Netzabschnitte genauer unter die Lupe zu nehmen, bauen die Teams zusätzliche Sensoren ein. Das erspart das teure Suchen mit Hacke und Schaufel auf Verdacht. „Außerdem geben uns die Monte-Carlo-Algorithmen Hinweise auf Altleckagen, also Lecks, die bereits beim Einlernen vorhanden waren und die wir mit einfachen statistischen Verfahren nicht finden würden“, erklärt Wehrstedt. Die Siemens-Ingenieure empfehlen, dass Betreiber einmal pro Quartal das Gesamtnetz durchforsten lassen sollten. Um ein rund 500 Kilometer langes Netz mit einigen hundert Knoten zu analysieren, benötigt ein handelsüblicher PC etwa zehn Minuten. „Mathematisch ist das Problem der Wasserversorgung eng verwandt mit der Analyse von Wahlen“, sagt Wehrstedt nicht ohne Augenzwinkern. „In beiden Fällen geht es um die statistische Analyse von erhobenen Messwerten und die Abschätzung, welches Verhalten in Zukunft zu erwarten ist – bei uns ergibt sich aber nicht das Wahlverhalten von Bürgern, sondern der zu erwartende Wasserverbrauch im jeweiligen Ast des Netzes.“

Schon bald nach der Fertigstellung konnten die Siemens-Ingenieure ihr System unter realen Bedingungen in einer Großstadt erproben. Die Leckagesucher wurden rasch fündig. „Obwohl es sich um ein gut gepflegtes europäisches Leitungsnetz handelt, fand unsere Software schon nach dem ersten Durchlauf in jedem Stadtteil eine oder mehrere Leckagen, von denen der Versorger vorher nichts wusste“, erinnert sich Andreas Pirsing. Verglichen mit den sonst üblichen Inspektionsperioden sparte der Testlauf mit SIWA LeakControl dem Anbieter sofort etliche Hektoliter Trinkwasser pro Tag und Leck.

Ein Bürger der Stadt hat an das Projekt allerdings keine gute Erinnerung. Er ließ über eine seit vielen Jahren betriebene illegale Zapfstelle gerade sein Schwimmbecken volllaufen, als die Netzanalysen durchgeführt wurden und sofort ein Störtrupp in Marsch gesetzt wurde. Nun muss der sparsame Poolbesitzer kräftig nachzahlen. Ohne die Analyse wäre er wohl weitere Jahrzehnte unbehelligt geblieben.