Pictures of the Future     Frühjahr 2005

Computer bändigen Wassermassen

Unter jeder Stadt gibt es eine verborgene Welt – die Kanalisation. Manchem Regisseur war sie unheimliche Kulisse. So trugen Schauspieler wie Orson Welles im Film "Der Dritte Mann" zum mystischen Bild der dunklen und feuch­ten Unterwelt bei. Forscher von Siemens Corporate Technology (CT) und Industrial Solutions and Services (I&S) sehen das verzweigte Labyrinth weni­ger verklärt. Sie beschäftigen sich mit dem, was tagtäglich darin ver­schwin­det – mehr als 10 Mio. m³ Abwasser beispielsweise allein in Deutsch­land. Die Wassermanager haben mit SIWA PLAN ein Softwaresystem ent­wickelt, mit dem sich die mächtigen Ströme in Leitungen und Kanälen berech­nen, simulieren und effizient steuern lassen – sowohl für Abwasser wie für Trink­wasser (SIWA steht für Siemens Water).

Rückhaltebecken überlastet. Diese Simulationen sind sehr schwierig, denn die Dynamik des Wassers und seine Strömungsverhältnisse ändern sich ständig. Kleine Abwasserrohre münden in große. Diese wiederum verzweigen sich oder fließen ineinander. In der Regel werden Kanalnetze mit großen und teuren Sicherheitszuschlägen, einem Reservevolumen, ausgelegt. "Bei extre­men Ereignissen wie einem Gewitterregen reicht auch das oft nicht aus", sagt Roland Rosen, der das System bei CT in München entwickelt hat. Die Folge: In Minutenschnelle füllen sich die mehr als mannshohen Hauptsammler bis an die Decke und wandeln sich in reißende Ströme. Solche Mengen kann das Kanalnetz dann nicht mehr bewältigen. Statt in die Kläranlage ergießt sich ein Teil der Schmutzfracht ungereinigt in die Flüsse, denn selbst teichgroße Rück­haltebecken können diese Wassermassen oft nicht aufnehmen. Durch eine computergestützte Berechnung der Fluten lässt sich das vermeiden, betont Rosen. Dazu wird das Software-System SIWA PLAN SEWER mit sämtlichen Daten des Kanalnetzes gefüttert – etwa dem Rohrdurchmesser, der Größe der Speicherbecken oder ihrem maximalen Abfluss. Speist man zusätzlich Mess­werte wie die Regenmenge oder den Füllstand der Kanalabschnitte ein, lässt sich erkennen, welche Netzabschnitte stark gefüllt sind und welche noch Kapazitäten frei haben. "Indem wir etwa den Abfluss aus den Speicherbecken gezielt steuern, können wir das Wasser deutlich gleichmäßiger fließen lassen", sagt Rosen. Mit elektrischen Schiebern lässt sich das Wasser dosieren, um den Spülstoßeffekt abzuschwächen: So reißt der erste Schwall eines Regengusses große Mengen Dreck mit, der sich an trockenen Tagen in den Kanälen ablagert. Vor allem dieses Schmutzwasser sollte so geleitet werden, dass es auch bei starkem Regen den Weg in die Kläranlage findet.

Das System soll nicht nur zur Steuerung des Kanalnetzes genutzt werden. Zur Schulung des Personals haben die Siemens-Forscher mit den SIWA PLAN-Bausteinen SIM und TRAIN zudem einen Simulator und eine Trainingsfunktion entwickelt. Seinen ersten Praxistest hat das System 2003 bei der Schulung von Technikern einer neuen Trinkwasser-Pipeline in Fujairah in den Vereinigten Arabischen Emiraten bestanden. Die riesige Doppel-Pipeline windet sich 180 km lang mehrere Meter tief vergraben durch eine Geröllwüste und ver­bindet eine Meerwasserentsalzungsanlage mit Städten. Jedes der Doppel­rohre hat einen Durchmesser von 1,60 m. So enthält jeder Meter Rohr etwa zwei Tonnen Wasser. Auf den ersten 20 km überquert die riesige Rohrleitung eine 500 m hohe Anhöhe. Mächtige Pumpen sind nötig, um bis zu 465 000 m³ Wasser pro Tag die Steigung hinaufzudrücken. Auf etwa 50 MW Leistung – so viel wie eine Kleinstadt verbraucht – bringen es die acht Maschinen. Obwohl die Anlage sehr leistungsfähig ist, ist sie auch empfindlich. So muss das stehende Wasser zunächst mit vier Vorpumpen langsam in Bewegung versetzt werden. Erst dann dürfen sich die Hauptaggregate zuschalten. Laufen die Maschinen nur für Sekunden ohne Wasser, sind sie zerstört. Denn das vorbei­strömende Nass dient zugleich als Kühlung. Hunderte Ventile, mehrere Zwischenspeicher und Verzweigungen müssen perfekt aufeinander abge­stimmt werden.

Komplexe Flüssigkeit. "Da schleicht sich schnell mal ein Fehler ein, der fatale Folgen haben kann", sagt Rosen – etwa ein Leck in der Leitung. Mit SIWA PLAN TRAIN können alle möglichen Fehlerszenarien einstudiert und die richtigen Reaktionen mit der gleichen Bedienoberfläche wie beim realen System gefahrlos geübt werden." Selbst einfache Vorgaben erfordern zahl­reiche Steuerbefehle. Ohne technische Unterstützung durch den Simulator ginge schnell etwas schief. Macht der Anwender einen Fehler, simuliert SIWA PLAN TRAIN auch die möglichen Konsequenzen – etwa wenn der Druck steigt und ein Leck entsteht. "Wasser hat es in sich", sagt Rosen, "selbst die Modellierung des Wasserflusses in einem Gartenschlauch, auf den spielende Kinder treten, ist nicht ohne."

Für Dr. Andreas Pirsing, Projektleiter bei Siemens Industrial Solutions and Services in Berlin, ist SIWA PLAN deshalb ein bislang einzigartiges Tool. "Wir haben verfahrenstechnisches Know-how aus dem Wasserbau mit mathema­tischen Kenntnissen und Informatik verknüpft und können nun Lösungen für unterschiedlichste Problemstellungen anbieten." Bei der Planung von Wasser­netzen dürfte SIWA PLAN künftig weltweit häufiger mit von der Partie sein. "Wasser wird immer kostbarer, ein effizienter Transport daher immer wichti­ger." In Mitteleuropa wird nach Ansicht von Pirsing in den nächsten Jahren vor allem der SEWER von Bedeutung sein: "Allein in Deutschland gibt es 7 500 verschiedene Abwassernetze mit einer Länge von 400 000 km, bei denen die Betreiber oft auf individuelle Einmallösungen gesetzt haben." Simulationen oder gar Trainingsfunktionen gab es bislang kaum. "Deren Bedeutung wird zunehmen, vor allem angesichts strengerer Umweltauflagen und dem Wunsch nach besserem Abwassermanagement."
                                                                                                                  Tim Schröder