Das Internet der Dinge (IoT) ist für Stadtwerke und kommunale Unternehmen ein wichtiger Baustein der Digitalisierung und zur Umsetzung nachhaltiger Smart City-Projekte. Auch im Bereich der Wasserwirtschaft können viele intelligente Lösungen umgesetzt werden, z.B. im Hochwasserschutz.
Die Stadtwerke Schwerte haben IoT-Sensoren an zahlreiche Gewässer angebracht. Hier der Bierbach in Schwerte. Technischer Partner war die ZENNER International GmbH & Co. KG. Foto: Stadtwerke Schwerte GmbH
Egal, ob Hochwasser unter einer Unterführung, ein kurz vor dem Überlauf stehendes Regenrückhaltebecken oder das Eindringen von Hochwasser in Geschäfts- und Wohnhäuser – die Herausforderungen infolge des Klimawandels werden künftig steigen. Städte und Kommunen benötigen daher eine bedarfsgerechte und echtzeitorientierte Bereitstellung von Daten über eine IoT-basierte Plattform. „Mit der LoRaWAN-gestützten Überwachung von Pegelständen können diese und viele andere Szenarien mit einer geplanten Ausbringung an neuralgischen Orten automatisch erfasst, mit ergänzenden Daten wie z. B. erwarteten Niederschlagsmengen verschnitten und an die notwendigen Stellen weitergeleitet werden“, berichtet René Claussen, Leiter des Geschäftsbereichs IoT und digitale Lösungen bei der ZENNER International GmbH & Co. KG. Stadtwerke, Feuerwehr oder technisches Hilfswerk können durch die aktuellen Informationen im Bedarfsfall sofort eingreifen und das Problem beheben – im Idealfall sogar noch bevor größere Schäden entstehen oder Leib und Leben in Gefahr geraten.
Auch die Messung von Grundwasserpegelständen durch die LoRaWAN-Infrastruktur lässt sich künftig einfacher managen. „Gerade Sensoren an unzugänglichen Orten können aufgrund der Möglichkeiten von LoRaWAN zuverlässig durch diese Technologie ausgelesen werden. Zudem kann die Öffentlichkeit – in Verbindung mit weiteren Applikationen – über diverse Kommunikationskanäle wie beispielsweise eine Bürger-App oder Smart City Dashboards über die aktuelle Situation informiert werden“, führt Claussen aus.
Stadtwerke Schwerte: Starkregen- und Hochwasserschutz mit LoRaWAN
Um diese Mehrwerte für sich auszutesten, haben die Stadtwerke Schwerte im Rahmen des Starkregen- und Hochwasserschutzes ein Projekt zur Echtzeit-Überwachung von Pegelständen von stehenden Gewässern, Fließgewässern sowie an neuralgischen Punkten mit Unterstützung von ZENNER gestartet. Eine wichtige Rolle spielen dabei IoT-Sensoren. Ziel des Projekts im Anwendungsfeld Starkregen- und Hochwasserschutz war es, die Pegelstände für Hochwasser- und Regenrückhaltebecken zu erfassen, das Monitoring neuralgischer Punkte von Fließgewässern durchzuführen, Niederschlagsmessungen zu erheben sowie die Zustände von Schrankenanlagen zur Sperrung von potenziellen Überflutungsbereichen zu identifizieren.
Dabei soll die Notwendigkeit von Vor-Ort-Kontrollen reduziert werden. „Dafür wurden in einem ersten Schritt repräsentative Standorte, u.a. der Stausee Gehrenbach sowie das Fließgewässer Mühlenstrang, bereits frühzeitig mit LoRaWAN-Sensoren ausgestattet. Derzeit werden in einem zweiten Schritt weitere Sensoren im gesamten Stadtgebiet ausgebracht. Denn mit LoRaWAN lassen sich die Daten von tausenden Geräten und Sensoren über weite Strecken schnell, sicher und mit minimalem Energieverbrauch übertragen“, so IoT-Experte Claussen. Die verbauten Sensoren senden dabei die Zustandsdaten mittels LoRaWAN über das IoT an die entsprechenden Gateways – auch mit Blick auf die Datensicherheit, wie der Leiter IoT und digitale Lösungen erklärt: „Alle Daten werden vor der Übermittlung verschlüsselt.“ Im Rahmen des Schwerter Projekts sollen die Daten zudem in einem Dashboard visualisiert und damit potentiellen Anwendern wie der Feuerwehr oder Baubetriebshöfe zugänglich gemacht werden.
Derzeit bringen die Stadtwerke Schwerte IoT-Sensoren im gesamten Stadtgebiet (rechts) an. Angefangen hat das Projekt mit der Ausstattung repräsentativer Standorte, etwa dem Stausee Gehrenbach (links). Foto: ZENNER International GmbH & Co. KG
Verwaltung und Visualisierung in ELEMENT IoT
Die Verwaltung der Geräte und Datenströme erfolgt in ELEMENT IoT, der Plattform der ZENNER IoT Solutions GmbH. Hier stehen den Nutzern über die integrierte Anwendung IDa flex verschiedene Monitoring-Funktionen zur Verfügung. „Die einfache Bedienbarkeit und die anschauliche Darstellung versprechen dabei eine hohe Akzeptanz“, so Claussen. Zudem können ungewöhnliche Betriebszustände über spezielle Alarm-Dashboards angezeigt werden. „Über entsprechende Schnittstellen wird es ermöglicht, die Daten zudem unkompliziert an die bestehende IT-Landschaft und damit zum Beispiel auch an Geoinformationssysteme anzubinden.“
Bau- und Entsorgungsbetrieb Emden: Echtzeit-Monitoring von Pumpstationen
Im Rahmen wasserwirtschaftlicher Aufgaben ist auch die systematische Überwachung von städtischen Pumpwerken elementar. Der Bau- und Entsorgungsbetrieb Emden (BEE) hat in diesem Rahmen in einem gemeinsamen Projekt mit ZENNER damit begonnen, die Fernüberwachung von Pumpstationen auf Basis von LoRaWAN umzustellen. Das über 500 Kilometer lange Kanalnetz der Emdener Stadtentwässerung umfasst mehr als 200 Pumpwerke. Zu den zentralen Aufgaben gehören der Werterhalt der technischen Anlagen samt Kläranlage sowie ein sicherer Gewässerschutz. „Um die Daten der Pumpstationen künftig über das IoT zu übertragen, nutzt der BEE das bestehende LoRaWAN-Netz der Stadtwerke Emden, die bereits 2019 mit dem Aufbau des Netzes begannen. Seitdem wurden diverse Anwendungsfälle erfolgreich umgesetzt, darunter beispielsweise die Fernauslesung von Schachtwasserzählern oder die Erfassung von Zustandsdaten im Niederspannungsnetz“, berichtet René Claussen.
Nun kommt die Echtzeit-Fernüberwachung der Pumpstationen hinzu. Die verbauten Sensoren übertragen dafür Zustandsdaten mittels LoRaWAN über das Internet der Dinge an die entsprechenden Gateways. Die Umrüstung kann dabei schnell und einfach umgesetzt werden, sofern in den Pumpstationen die Voraussetzungen für den Einsatz von universalen Sensoren gegeben sind – z.B. durch potenzialfreie Kontakte an der vorhandenen Technik. Im Projekt in Emden werden spezielle LoRaWAN-Sensoren zur Überwachung von potentialfreien Kontakten eingesetzt. Sobald eine Meldelinie einen Alarm auslöst, wird dies dem Sensor über den entsprechenden Kontakt mitgeteilt. Darüber hinaus wird der Alarm weiter alle 30 Minuten im Alarm-Dashboard angezeigt.“
Wird der Alarm schließlich aufgehoben, erfolgt eine Benachrichtigung per SMS. Tritt ein Stromausfall ein, werden die Sensoren mit einer unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) weiterbetrieben und können auch weiterhin Nachrichten senden. So kann eine lückenlose Überwachung sichergestellt werden, auch für Situationen, in denen steigende Pegelstände zum Problem werden können. So gelingt es in maßgeschneiderter und adaptiver Ausprägung ein kontinuierliches Monitoring der Pumpen zu gewährleisten.
Effizienzgewinn im kommunalen Alltag
„Das Beispiel zeigt: LoRaWAN schafft an vielen Stellen Effizienz im kommunalen Querverbund“, so Claussen. Vielerorts würden bereits durch regionale Stadtwerke und Versorger betriebene LoRaWAN-Netze bestehen, die von anderen Unternehmen und Fachbereichen ohne großen Aufwand genutzt werden können. Auch können Sensoren und Messgeräte für eine Vielzahl von weiteren Smart City-Anwendungen – etwa Smart Waste, Smart Parking oder die intelligente Straßenbeleuchtung – unkompliziert in das bestehende LoRaWAN-Netz integriert werden. Der IoT-Experte resümiert: „Die Effizienz des Netzes steigt dabei mit jedem neuen Projekt. Synergien, z.B. zwischen Versorgern und lokalen Entsorgungsunternehmen, können so ideal genutzt werden.“ (jr)