Klimawandel

Die Vision von BioStabil ist die verfahrenstechnische Etablierung der biologischen Stabilisierung von Trinkwasser in der Aufbereitung zusammen mit moderner Messtechnik zur Echtzeit-Quantifizierung von mikrobiologischen Veränderungen. Der Ansatz ist wegbereitend für die KI-basierte Prognose der hygienischen Resilienz im Leitungsnetz, mit hohem Transferpotential auf andere Wasserversorgungen und Wassertypen.

Das Projekt BIOSTABIL hat zum Ziel, das Konzept eines biologisch stabilen Trinkwassers auf dem gesamten Transportweg vom Wasserwerk bis zum Verbraucher exemplarisch umzusetzen und damit die Voraussetzung für eine nachhaltige und resiliente Wasserversorgung unter den veränderten Rahmenbedingungen durch den Klimawandel zu schaffen. Die Vision ist die verfahrenstechnische Etablierung der biologischen Trinkwasserstabilisierung im Aufbereitungsprozess zusammen mit moderner Messtechnik zur Echtzeit-Quantifizierung der biologischen Stabilität und KI-basierter Prognose der hygienischen Resilienz im Leitungsnetz.

Der BIOSTABIL-Ansatz basiert auf der biologischen Stabilisierung durch eine angepasste oder zusätzliche Filterstufe am Ausgang einer Oberflächenwasseraufbereitung. Dem Wasser werden gelöste Nährstoffe entzogen, während gleichzeitig von den biologischen Filterstufen hygienisch nicht relevante Bakterien an das Wasser abgegeben werden. Auf diese Weise soll eine spätere Besetzung ökologischer Nischen durch unerwünschte, hygienisch-relevante Mikroorganismen mit diesem „probiotischen Ansatz“ unterbunden werden. Das Wasser soll in anderen Worten mit einem „mikrobiologischen Stempel“ geprägt werden, um eine spätere unkontrollierte Aufkeimung zu unterbinden. Das Projekt verwendet zur Erfassung der mikrobiologischen Trinkwasserprofile von bestehenden und modifizierten Verteilungssystemen etablierte, sensitive und innovative Monitoring-Technologien und entwickelt ein Bewertungstool zur Quantifizierung der biologischen Stabilität. Der skizzierte praxis- und naturnahe BIOSTABIL-Ansatz basiert damit auf Meta- und Prozessdaten sowohl aus Versuchsanlagen als auch aus realen Leitungssystemen mit Echtzeitbewertung. Er lässt nicht nur Vorteile in Bezug auf Ressourcenschonung und ökologisch-ökonomische Nachhaltigkeitskriterien erwarten, sondern besitzt durch sein neu entwickeltes, datenbasiertes Assistenztool zur hygienischen Resilienz des Trinkwassers hohes Transferpotential in die öffentliche und industrielle Wasserversorgung weltweit.

Im Rahmen des Projekts WRAP-GH2 geht es um die Frage, ob die lokale Produktion und Nutzung von grünem Wasserstoff in Jordanien eine sinnvolle Option darstellt.

Länder der MENA-Region wie Jordanien sind daran interessiert, Wasserstoff (H2) zu erzeugen. In der Diskussion überwiegt dabei häufig die Rolle von H2 als Exportprodukt durch Entwicklung großindustrieller Erzeugungsanlagen, obwohl auch dezentrale Wasserstoffsysteme mit vergleichsweise klein skalierter Produktion und Nutzung von Wasserstoff vor Ort eine wichtige Rolle bei der Dekarbonisierung spielen können. Die Ressourcenausstattung Jordaniens für die elektrolysebasierte Erzeugung von grünem Wasserstoff ist jedoch von Ambivalenz geprägt: Während Sonnenenergie für den Betrieb von Elektrolyseuren nahezu unbegrenzt vorhanden ist, steht Wasser als Rohstoff für die Wasserspaltung nur sehr eingeschränkt zur Verfügung. Unkonventionelle Wasserressourcen, wie entsalztes Meerwasser oder recyceltes Abwasser, könnten eine Alternative darstellen, genau wie Maßnahmen für einen bewussteren Umgang mit Wasser.

Im Rahmen des Projekts WRAP-GH2 analysiert das Projektteam, ob die lokale Produktion und Nutzung von grünem Wasserstoff in Jordanien eine sinnvolle Option darstellt. In einem konzeptionellen Ansatz werden alternative Wasserressourcen (beispielsweise Abwasser) identifiziert, um die Wasserknappheit in Jordanien nicht weiter zu verschärfen. Strom für die Elektrolyse soll über eine Agri-PV-Anlage generiert werden. Mit Blick auf dieses Gesamtsystem sollen Geschäftsmodelle identifiziert und gemeinsam mit Stakeholdern aus Jordanien und Deutschland diskutiert werden.

Für das Projekt im Rahmen der Exportinitiative Umweltschutz kooperiert die IWW Forschung mit dem Wuppertal Institut. Während das IWW seine Expertise im Wasserbereich einbringt, konzentriert sich das Wuppertal Institut auf sozioökonomische Fragestellungen rund um Wasserstoff und Agri-PV.

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IWRM und dezentrale Behandlung von Minenabwässern zur Verbesserung der aquatischen Umwelt und Lebensbedingungen in Südafrika.

Trotz der Bemühungen der Regierungen, die Bergbauunternehmen dazu zu bringen, die Verantwortung für die Reinigung von Grubenwasserabflüssen, Grubenhalden und Schlammdämmen zu übernehmen, verschmutzen die Abflüsse der entstehenden metallreichen sauren Abwässer (Acid Mine Drainage, AMD) weiterhin die Wassersysteme im südlichen Afrika.

Um dieser Herausforderung zu begegnen, zielt dieses Projekt darauf ab, ein integriertes Wasserressourcen-Management-Konzept (IWRM) zu entwickeln, um ein zweckorientiertes, flexibles und mit erneuerbaren Energien betriebenes membranbasiertes Wasseraufbereitungssystem zu unterstützen, das von den Projektpartnern entwickelt werden soll. Dieses IWRMKonzept beruht auf einem ganzheitlichen Ansatz, indem es auch gezielte Maßnahmen zur Steuerung und
zum Aufbau von Kapazitäten berücksichtigt, um eine breite spätere Anwendung der Technologie zu ermöglichen.

Das IWRM-Konzept wird die Positionen und Forderungen von Interessengruppen wie Bergbauunternehmen, Behörden, Nichtregierungsorganisationen, Landwirten und anderen von Wasserverfügbarkeit und -qualität abhängigen Stakeholdern berücksichtigen. Für die in der Hauptphase durchzuführenden detaillierten Fallstudien werden drei repräsentative Bergbaustandorte ausgewählt und eine Strategie, ein Konzept und ein Arbeitsplan im Hinblick auf das IWRM erstellt. Das Projekt wird somit einen wesentlichen Beitrag zur Umsetzung von SDG-6 in Südafrika leisten, insbesondere zu den Zielen 6.3-6.6 in den Bereichen Wasserqualität, Wasserknappheit, IWRM sowie Schutz und Wiederherstellung von wasserbezogenen Ökosystemen.

Durch Analyse der Grundwasserneubildung ermöglicht robuste Prognosen und die Entwicklung eines Portfolios an Maßnahmenplänen, mit dem einem Wasserversorger eine nachhaltige Bewirtschaftung der Grundwasserressourcen ermöglicht wird.

Robuste Prognosen zur Grundwasserneubildung sowie ein Portfolio an Maßnahmenplänen signalisieren, dass Wasserversorger eine nachhaltige Bewirtschaftung anstreben, die im Einklang mit den ökologischen und (für den Betreiber) ökonomischen Anforderungen stehen.

Die Ergebnisse werden einen wesentlichen Teil zur mittel- bis langfristigen Sicherung der Wasserrechte beitragen.

Angebot von stets aktuellen automatisierten Wasserbedarfsprognosen automatisiert auf einer geschützten Online-Plattform

Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es, ein unterstützendes Web-Tool zur Erstellung von Wasserbedarfsprognosen zu entwickeln. Basis sind etablierte Methoden und Werkzeuge in Kombination mit neuartigen Analysemethoden (Machine Learning, neuronale Netze etc.) sowie weiteren verfügbaren Werkzeugen (Software-Artefakten).

Die angestrebte Verbreiterung und verbesserte Analyse der üblicherweise zur Verfügung stehenden Datenbasis soll die Genauigkeit von Wasserbedarfsprognosen erhöhen. Die Nutzung bereitgestellter Algorithmen und externer Datenquellen kann in Verbindung mit einer anwenderfreundlichen und möglichst intuitiven Benutzeroberfläche den Arbeitsaufwand für die Erstellung von Wasserbedarfsprognosen dabei deutlich reduzieren.

Understanding groundwater pollution to protect and enhance water quality

The main goal of the project is to enhance the knowledge on the pollution sources and pathways impacting on groundwater quality, that will allow the design of effective at-source preventive measures to protect EU groundwater bodies.

The second goal is to mitigate the infiltration of pollutants in the aquifer by deploying novel bio-based solutions. Intermediate objectives will be defined to develop and validate monitoring, analytical methods, source apportionment and hydrogeological modelling, risk assessment and finally, cooperative decision-making for future groundwater management.

Zukunft der Wasserversorgung

Die Herausforderungen der Wasserwirtschaft in Deutschland nehmen stegig zu. Ob Klimawandel, demografische und gesellschaftliche Veränderungen oder eine alternde Infrastruktur, all dies wirkt sich – direkt oder indirekt – auf zukünftige Wasserdargebote und -bedarfe aus. Die Anforderungen an den Betrieb, die erforderlichen Anpassungen der Infrastrukturen oder die Qualitätsentwicklung von Rohwässern unterschiedlicher Herkunft verändern sich. Eine qualitiv und quantitativ gesicherte Versorgung mit Trinkwasser muss jedoch trotzdem gewährleistet sein.

Mit der Erstellung einer Roadmap 2030 – Zukunft der Wasserversorgung – möchte der DVGW die daraus erwachsenden Implikationen für die Wasserversorgung verstehen und mit einer Handlungsagenda verknüpfen. Dazu ist es notwendig, die Vielzahl an Einflussfaktoren, Themen und Aktivitäten, mit denen die Wasserwirtschaft konfrontiert wird, zu bündeln, Herausforderungen und Handlungsbedarfe zu identifizieren und in eine Agenda mit den wichtigsten Maßnahmen zu übersetzen.

Ziel der Roadmap 2030 ist es, neue Anforderungen und Herausforderungen, denen die Wasserversorgung angesichts gesellschaftlicher, politischer, ökonomischer und technologischer Veränderungen in einer Langfristperspektive gegenübersteht, früh zu erkennen, zu analysieren und daraus strukturierte Handlungsbedarfe, valide Handlungsoptionen und ein Monitoring für eine zukunftsfähige Wasserversorgung abzuleiten.

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Multi-sektorale Wasserbedarfsszenarien für Deutschland und Abschätzung zukünftiger Regionen mit steigender Wasserknappheit

Die trockenen und heißen Sommer der Jahre 2018 bis 2020 haben gezeigt, dass die deutsche Wasserversorgung bereits heute regional-temporale Engpässe erreichen kann. Klimawandelprojektionen zeigen, dass sich derartige klimatische Rahmenbedingungen in der nahen und fernen Zukunft noch verschärfen könnten.

Im DVGW-Forschungsprogramm „Zukunft Wasser“ wird deshalb anhand zweier miteinander verschnittener Forschungsprojekte untersucht, wie sich zukünftig das Wasserdargebot und der Wasserbedarf entwickeln könnten.
Speziell in WatDEMAND wird der Wasserbedarf in den Sektoren Haushalte, Industrie und Landwirtschaft bis zum Jahr 2100 räumlich aufgelöst für Deutschland prognostiziert und mit Änderungen des Wasserdargebots verschnitten. Damit lassen sich orientierend so genannte Hot-Spot-Regionen identifizieren, in denen es zukünftig vermehrt Wasserengpässe geben könnte.

Mit dem Forschungsprojekt sollen die Chancen und Risiken dargestellt werden, die durch den globalen klimatischen und demographisch-technologischen Wandel für die Wasserversorgung in Deutschland entstehen können. Ziel von WatDEMAND ist es, den multi-sektoralen Wasserbedarf der Haushalte, Industrie und Landwirtschaft bis zum Jahr 2100 räumlich aufgelöst für Deutschland zu prognostizieren.

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Konfliktpotenzialanalyse und Handlungsoptionen für landwirtschaftlliche Bewässerung und öffentliche Trinkwasserversorgung

Auswirkungen von Extremereignissen (Dürren, Überflutungen) auf die Wasserressourcen und Entwicklung von Anpassungsstrategien

Obwohl Deutschland im langjährigen Mittel über ausreichende Wasserressourcen verfügt, wird in einigen Regionen vermehrt Wasserknappheit in den Sommermonaten beobachtet. Klimaprojektionen zeigen auf, dass steigende Temperaturen und die Zunahme von Trockenphasen und Dürren in Zukunft verstärkt einen direkten Einfluss auf den Wasserhaushalt und das verfügbare Wasserdargebot haben werden. Gleichzeitig zeigt sich ein steigender Bedarf beim Trinkwasser, in der Industrie und in der Landwirtschaft. Probleme bei der Verteilung des verfügbaren Wassers sind daher zu bestimmten Zeiten im Jahr vorprogrammiert. In dem Forschungsprojekt TrinkXtrem werden Konzepte zur Anpassung an Wetterextreme wie Starkregen, Hitze und Dürre für die Wasserwirtschaft entwickelt. Ein wichtiger Aspekt ist dabei die Betrachtung des Konfliktpotenzials mit Land-/Forstwirtschaft, Hochwasserschutz, Naturschutz und der Stadtplanung.

Projektteil IWW

Von Seiten des IWW wird eine Analyse des natürlichen Wasserdargebots bei sich ändernden klimatischen Bedingungen durchgeführt. Ziel ist es, die Notwendigkeit von Anpassungsmaßnahmen zu ermitteln und mögliche Potenziale zur Erhöhung der Resilienz des Gesamtsystems zu identifizieren. Aufbauend darauf sind nutzungsübergreifende Methoden und Indikatoren zu entwickeln, um die zu prognostizierenden Auswirkungen des Klimawandels auf eine nachhaltige Wasserversorgung zu erfassen, allgemeinverständlich darzustellen und davon potenzielle Maßnahmen abzuleiten. Ein mit den wichtigsten Stakeholdern (Wasserversorger, Landwirtschaft u. a.) abzustimmendes Entscheidungsunterstützungssystem soll unterschiedliche zukünftige Szenarien des Wasserdargebots mit passenden Handlungsoptionen verknüpfen. Für das IWW ergeben sich daraus folgende wesentlichen Beiträge zur Erreichung der Zielsetzungen im Projekt:

1. Zusammenstellung und Auswertung von regionalen und überregionalen Klimaszenarien als Grundlage für die szenarienbasierte Risikobetrachtung im Betrieb
2. Konzeptionierung innovativer Monitoringkonzepte zur Erfassung klimatischer Veränderungen und Identifikation von Schlüsselparametern
3. Entwicklung modellbasierter Managementwerkzeuge zur Konzeptionierung und Kommunikation klimaangepasster Bewirtschaftungsmaßnahmen

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Studie zu Auswirkungen des Klimawandels auf die Wasserbeschaffenheit

Nachhaltige und ökonomisch effiziente Lösungen für optimalen Wassereinsatz

Wie lässt sich in wasserarmen Regionen die Wasserverfügbarkeit erhöhen? Wie lässt sich das Thema Kreislaufwirtschaft auch im Wassersektor verankern? Welche smarten, digitalen Lösungen kann man einsetzen, um zur Bildung einer wasser-smarten Ökonomie und Gesellschaft beizutragen?

Grundlage für die Antworten auf diese Fragestellungen werden Fallstudien sein, die konkrete Problemstellungen in sechs europäischen Städten bzw. Regionen beleuchten. Als gewissermaßen lebendige Labore eingebunden sind Wasserbetriebe aus Alicante in Spanien, Bodø in Norwegen, Flandern in Belgien, Lissabon in Portugal, Ostfriesland in Deutschland und Venedig in Italien. Sie entwickeln und demonstrieren jeweils gemeinsam mit Forschungspartnern und lokalen Technologieanbietern Lösungen für die o.g. Fragestellungen.

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Zielsetzung des Vorhabens ist es, neue hochflexible und bedarfsgerechte Managementstrategien für eine Wasserwiederverwendung zur urbanen und landwirtschaftlichen Bewässerung praxisnah zu entwickeln.