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Impressum/Inhaltsverzeichnis
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Editorial
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Energiewende: Systemintegration, Flexibilisierung und Cross- Energy-Management
Peter Bretschneider, Oliver Warweg -
Weiterbildungsangebote für die Energiewirtschaft: Energy Data Analyst und IT-Sicherheit für kritische Infrastruktur
Stefan Klaiber, Steffen Nicolai, Jörg Lässig -
Sensordatenmanagement in der Praxis
Jürgen Moßgraber -
Wasser 4.0
Thomas Bernard -
Innovative Desinfektionslösungen mit UV-LEDs
Thomas Westerhoff -
INAPRO – Innovative Aquaponik für professionelle Anwendungen
Divas Karimanzira -
Kontakt
B S O I [ Geschäftsfeld Energie, Wasser und Umwelt ] r e f o h n u a r F www.iosb.fraunhofer.de ISSN 1616-8240
Impressum INHALT visIT erscheint etwa vier Mal pro Jahr und informiert über ausgewählte Forschungs- themen des Fraunhofer IOSB. Für die Bestellung von Einzelheften, ein kostenloses visIT-Abo sowie für Adressänderungen und Abbestel- lungen schicken Sie bitte eine E-Mail an publikationen@iosb.fraunhofer.de Herausgeber Prof. Dr.-Ing. habil. Jürgen Beyerer Themen Seite 4 Energiewende: Systemintegration, Flexibilisierung und Cross- Energy-Management Peter Bretschneider, Oliver Warweg Seite 6 Weiterbildungsangebote für die Energiewirtschaft: Energy Data Analyst und IT-Sicherheit für kritische Infrastruktur Stefan Klaiber, Steffen Nicolai, Jörg Lässig Redaktion Ulrich Pontes Layout Christine Spalek Druck Kraft Premium GmbH 76275 Ettlingen Anschrift der Redaktion Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB Fraunhoferstr. 1 76131 Karlsruhe Telefon +49 721 6091-300 Fax +49 721 6091-413 presse@iosb.fraunhofer.de © Fraunhofer IOSB Karlsruhe 2018 Ein Institut der Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V. München 19. Jahrgang / Ausgabe 3 ISSN 1616-8240 Bildquellen Seite 3 oben indigo Werbefotografie Manfred Zentsch Alle anderen Abbildungen: © Fraunhofer IOSB Nachdruck, auch auszugsweise, nur mit vollständiger Quellenangabe und nach Rücksprache mit der Redaktion. Belegexemplare werden erbeten. Seite 8 Sensordatenmanagement in der Praxis Jürgen Moßgraber Seite 10 Wasser 4.0 Thomas Bernard Seite 12 Innovative Desinfektionslösungen mit UV-LEDs Thomas Westerhoff Seite 14 INAPRO – Innovative Aquaponik für professionelle Anwendungen Divas Karimanzira vis IT Geschäftsfeld Energie, Wasser und Umwelt 2
Liebe Freunde des Fraunhofer IOSB, Editorial die Digitalisierung ist derzeit eines der großen gesellschaftlichen, politischen und wirt- schaftlichen Top-Themen. Sei es in der Energie- und Wasserwirtschaft, in der Produktion, der Datenerfassung, -verarbeitung und -auswertung oder auch bei neuartigen Entwick- lungen mit »Game changing Potential« wie im Bereich der UV-LEDs, die wir in dieser Ausgabe des visIT erstmals vorstellen werden. Im Energiebereich stehen etwa in den Forschungsprojekten DynaGridCenter, REGEES oder sMobilityCOM die Digitalisierung und Künstliche Intelligenz für die Stromnetze der Zukunft im Vordergrund. Aber auch bei der Weiterentwicklung von EMS-EDM PROPHET® und der Initiative »Open District Hub« werden sie eine wichtige Rolle spielen. Gerade auch mit dem »Internet der Dinge« (englisch Internet of Things, IoT) wird das weltweite Datenvolumen noch schneller steigen als bisher. Diese Daten sind allerdings wertlos, solange sie nicht zuverlässig, sicher und mit einer konkreten Zielstellung verarbeitet werden können. Eine Lösung dafür ist beispielsweise der Fraunhofer Open Source SensorThings API Server FROST, einer Entwicklung, an der das Fraunhofer IOSB maßgeblich mitgewirkt hat. Die Entwicklung und der Einsatz leistungsfähiger IT-Systeme zur Lösung komplexer, system- technischer Fragestellungen ist übrigens auch keine neue, sondern seit jeher eine Basis- kompetenz des Geschäftsfelds Energie, Wasser und Umwelt des Fraunhofer IOSB. Bereits vor über zehn Jahren haben wir ein auf Big-Data-Technologien beruhendes Wassermanage- ment für die chinesische Hauptstadt Peking entwickelt und in den zuständigen Behörden implementiert. Die Digitalisierung ist aber auch ein Treiber für angedockte Fragestellungen, wobei wir hier vor allem das Thema IT-Sicherheit hervorheben möchten. Auch dafür hat das Geschäftsfeld ein umfassendes Weiterbildungskonzept »IT-Sicherheit für die Energie- und Wasserversorgung« in Kooperation mit der Fraunhofer Academy erarbeitet und bietet es erfolgreich am Markt an. Wir wünschen Ihnen viel Spaß bei der Lektüre! Prof. Dr.-Ing. habil. Jürgen Beyerer Karlsruhe / Ilmenau, im Oktober 2018 Prof. Dr.-Ing. Peter Bretschneider Prof. Dr.-Ing. habil. Jürgen Beyerer Prof. Dr.-Ing. Peter Bretschneider vis IT 3 Geschäftsfeld Energie, Wasser und Umwelt
Themen ENERGIEWENDE: SYSTEMINTEGRA CROSS-ENERGY-MANAGEMENT Bis 2030 soll der Anteil erneuerbarer Energien nach den aktuellen Plänen der großen Koalition auf 65 Prozent am Bruttostromverbrauch erhöht werden. Das bedeutet, dass über 400 Terawatt- stunden Strom durch volatile, erneuer - barer Energien bereitgestellt werden müssen – fast eine Verdoppelung der gegenwärtigen Produktion von 218 TWh im Jahr 2017. Die Energiewende tritt damit in Phase 2 ein, in der vor allem das Thema Flexibilität eine maßgebende Rolle spielen wird. Um die Systeminte- gration des steigenden Anteils erneuer- barer Energien sicher zu gewährleisten, ist dabei neben der Flexibilisierung von konventionellen Stromerzeugungs- anlagen auch ein elastischerer Ver- brauch durch die sektorenübergrei- fende Betrachtung der Energieflüsse notwendig, etwa im Bereich Verkehr (E-Mobilität) und Wärme (Wärme- speicher, Wärmepumpen). Diese Maß- nahmen ergänzen den ohnehin not- wendigen Ausbau der Stromnetze. An diesen Forschungsthemen ist das Fraunhofer IOSB-AST aktiv beteiligt, unter anderem über einen Fraunhofer Cluster of Excellence, den Verein Open District Hub (ODH) sowie die Wachstums- kerninitiative »smood«. FRAUNHOFER CLUSTER OF EXCELLENCE Der Fraunhofer-Forschungscluster »Inte- grierte Energiesysteme« ist ein Verbund aus sieben Fraunhofer-Instituten, der für die zweite Phase der Energiewende Technolo- gien und Systemlösungen zur Verfügung stellen wird. Zu den wesentlichen Schwer- punkten gehören: eine umfassende, sektorenübergreifende Systemanalyse mit hoher technologischer, räumlicher und zeitlicher Auflösung und Integration aller Sektoren und Netze; vis IT Geschäftsfeld Energie, Wasser und Umwelt 4 eine Systemtechnik für die Betriebsfüh- rung der Infrastrukturen und des energie- wirtschaftlichen Abgleichs zwischen Angebot und Nachfrage basierend auf Leistungselektronik, Mikroelektronik, High-Performance-Computing und Kommunikationstechnik; substanzielle technologische und ökono- mische Fortschritte bei der Elektrolyse als Basistechnologie für die systemrelevante, großskalige Speicherung von Energie in chemischen Energieträgern. Das Fraunhofer IOSB-AST ist im Rahmen des Fraunhofer Cluster of Excellence vor allem im Bereich der Systemtechnik engagiert. Dabei soll das Reallabor »Future Energy« entstehen, in dem die Einzelkompetenzen der Institute zu einer europaweit einzig- artigen Stellung gebündelt werden. OPEN DISTRICT HUB Mit der Gründung des Vereins »Open District Hub« verfolgt die Fraunhofer- Gesellschaft das Ziel, die Digitalisierung der Energiewirtschaft insbesondere auf dem Feld der Sektorenkopplung voranzutreiben. Dazu gehören neben einem selbstlernenden Energiemanagementsystem auch ein digi- taler Blockchain-Marktplatz sowie ein auf KI basierendes Cybersicherheitskonzept. Der Verein Open District Hub e.V. wurde am 9. April 2018 durch folgende 14 Grün- dungsmitglieder / Firmen gegründet: DSK Deutsche Stadt- und Grundstücks- entwicklungsgesellschaft mbH & Co. KG, eLoaded GmbH, Energie Baden-Württemberg AG (EnBW), fortiss GmbH, Fraunhofer- Gesellschaft e.V., GETEC Wärme & Effizienz GmbH, inno2grid GmbH, Jost Energy AG, PricewaterhouseCoopers GmbH Wirtschafts- prüfungsgesellschaft, Sortimo Innovations- park Zusmarshausen GmbH, Schneider Electric GmbH, Thüga AG, Viessmann- Leiter Abteilung Energie Institutsteil für angewandte Systemtechnik AST Fraunhofer IOSB Ilmenau TProf. Dr.-Ing. Peter Bretschneider K A T N O K Telefon +49 3677 461-102 peter.bretschneider@iosb-ast.fraunhofer.de www.iosb.fraunhofer.de/AST T K A T N O K Dipl.-Wirtsch.-Inf. Oliver Warweg Institutsteil für angewandte Systemtechnik AST Fraunhofer IOSB Ilmenau Telefon +49 3677 461-111 oliver.warweg@iosb-ast.fraunhofer.de www.iosb.fraunhofer.de/AST
TION, FLEXIBILISIERUNG UND Abb. 1: Der weitere Ausbau der erneuerbaren Energien erfordert sektorenübergreifende Lösungen. Bild: Martin Käßler Deutschland GmbH und Vonovia SE. Der Sitz des Vereins ist Berlin. Die in München ansässige Geschäftsstelle des Open District Hub hat ihren Betrieb direkt nach der Vereinsgründung aufgenommen. SMOOD – SMART NEIGHBORHOOD In der Thüringer Wachstumskern-Initiative »smood« bündeln 18 Unternehmen, vier Forschungseinrichtungen und ein Verein die gemeinsamen Kompetenzen zum energe- tischen Stadtumbau und der Innovations- strategie für eine systemische Wertschöp- fung bei der Umsetzung energieeffizienter Bestandsquartiere. In diesem Wachstums- kern übernimmt das Fraunhofer IOSB-AST unter anderem auch die Verantwortung für die wissenschaftliche Begleitung. Im Ver- bundprojekt »smood ACT« – einem Teil der Wachstumskern-Initiative unter der Leitung des Fraunhofer IOSB-AST – geht es darüber hinaus auch um die Erfassung und physikalische Beschreibung der Strom- und Wärmeversorgung sowie Modellierung der fluktuierenden Einspeisungen und Ver- brauchsgänge. Mit effizienten, mathema- tischen Abbildungen lassen sich so Versor- gungsprozesse auf Gebäude- und Quartiers- ebene nachbilden und somit besser in die Betriebsführung zur ökologisch und ökono- misch optimalen Energieversorgung inte- grieren. CHECKBOX – DIE VIER PHASEN DER ENERGIEWENDE1 Phase 1: Entwicklung erneuerbarer Energien (bis ca. 25 Prozent Anteil Erneuerbare) Phase 2: Systemintegration (25 bis 60 Prozent Anteil Erneuerbare) Phase 3: Synthetische Brennstoffe (ab 60–70 Prozent Anteil Erneuerbare) Phase 4: Vollständige regenerative Energieversorgung (mehr als 70 Prozent Anteil erneuerbarer Energien) 1 http://www.et-energie-online.de/AktuellesHeft/ Topthema/tabid/70/NewsId/1230/Phasen-der- Transformation-des-Energiesystems.aspx Quellen: https://www.umweltbundesamt.de/themen/ klima-energie/erneuerbare-energien/erneuerbare- energien-in-zahlen#strom vis IT 5 Geschäftsfeld Energie, Wasser und Umwelt
Themen WEITERBILDUNGSANGEBOTE FÜR ENERGY DATA ANALYST UND IT- UND WASSERVERSORGUNG Energie (NRG) Fraunhofer IOSB Ilmenau TDipl.-Ing. Stefan Klaiber K A T N O K Telefon +49 3677 461-105 stefan.klaiber@iosb-ast.fraunhofer.de www.iosb.fraunhofer.de/AST T K A T N O K Dipl.-Ing. Steffen Nicolai Energie (NRG) Fraunhofer IOSB Ilmenau Telefon +49 3677 461-112 steffen.nicolai@iosb-ast.fraunhofer.de www.iosb.fraunhofer.de/AST Weiterbildungen sind unter dem Aspekt »lebenslanges Lernen« eine Schlüssel- komponente für ein erfolgreiches Berufsleben und ein immer wichtiger werdender Wettbewerbsfaktor für Unternehmen. Fast jeder zweite Arbeit- nehmer in Deutschland zwischen 18 und 64 Jahren nahm 2016 an mindestens einer Weiterbildung teil. Alleine im B2B- Sektor wurden so 6,4 Milliarden Euro (inkl. Tagungen und Kongresse) umge- setzt. Das beträchtliche Expertenwissen des Fraunhofer IOSB-AST im energie- wirtschaftlichen Kontext wird ebenfalls seit mehreren Jahren erfolgreich in Form von Weiterbildungen am Markt angeboten: Der Themenschwerpunkt liegt dabei auf der intelligenten Nut- zung von Energiedaten sowie der IT- Sicherheit für die Energie- und Wasser- versorgung. ENERGY DATA ANALYST Nicht zuletzt durch den hohen Konkurrenz- druck, dem dynamischen Marktumfeld und der zunehmenden Digitalisierung der Energiewirtschaft spielen Energiedaten und genauere Prognosen eine immer wichtigere Rolle für Energieversorgungsunternehmen. Im 3-Tage-Seminar »Energy Data Analyst – Datenanalyse und Prognose für die Energie- wirtschaft« der Fraunhofer Academy schult das Fraunhofer IOSB-AST anhand industrie- naher Anwendungsbeispiele Analyse- und Prognosemethoden sowie deren Bewertung mit folgenden Benefits für den Kunden: Wissen über aktuellste Ergebnisse der Fraunhofer-Forschung und Methoden der Zeitreihenprognose Anwendungsorientierte Wissensvermitt- lung durch praktische Übungen und Ver- wendung realer Daten vis IT Geschäftsfeld Energie, Wasser und Umwelt 6 Verwendung verschiedener Prognose- methoden und Bewertung der Ergebnisse Leitfaden für Zeitreihenanalyse und Pro- gnoseaufgaben für eine direkte Umsetz- barkeit des Erlernten im Berufsalltag Bereitstellung von Lernmaterialien und Übungssoftware zu den Themengebieten der Datenanalyse und Prognose Erfahrungsaustausch zwischen Teilneh- menden und Fraunhofer-Expertinnen und -Experten in angenehmer Lernumgebung Die Weiterbildung richtet sich vor allem an Ingenieurinnen und Ingenieure, Technike- rinnen und Techniker, Mitarbeitende aus Geschäftsführung, Portfoliomanagement, Trading, Beschaffung, Vertrieb, Kraftwerk- einsatzplanung, Netzbetrieb oder Energie- datenmanagement. Sie finden i. d. R. zwei- mal pro Jahr abwechselnd in München und Ilmenau statt. Darüber hinaus besteht eben- falls die Möglichkeit, In-House-Schulungen zu buchen. Weitere Informationen und Anmeldung im Internet: https://www.academy.fraunhofer.de/de/wei- terbildung/information-kommunikation/cyber- sicherheit/sicherheit-von-energienetzen.html LERNLABOR CYBERSICHERHEIT FÜR ENERGIE- UND WASSERINFRASTRUKTUR Betreiber von kritischer Infrastruktur sind insbesondere Versorgungsunternehmen für Strom, Gas, Wasser und Abwasser. Durch die zunehmende Digitalisierung, Automati- sierung und Komplexität der IT-Infrastruktur steigt auch bei ihnen das Bedrohungs- potenzial durch Cyberattacken. Um die- sem Potenzial vorzubeugen, ist vor allem ein ganzheitliches Sicherheitsverständnis notwendig. Das Schulungsangebot des Fraunhofer IOSB-AST bietet dabei Antwor- ten auf folgende Fragestellungen:
DIE ENERGIEWIRTSCHAFT: - SICHERHEIT FÜR DIE ENERGIE- Lernlabor Cybersicherheit für die Energie- und Wasserversorgung. Welchen Angriffen sind die Energie- und Wasserversorgung ausgesetzt? Wie können das eigene Unternehmen und die vorherrschenden Systeme auf Schwachstellen überprüft werden? Wie können die Auswirkungen eines möglichen Angriffs auf Energie- versorgungsstrukturen abgeschätzt werden? Wie werden eingesetzte Automati- sierungssysteme sicher konfiguriert und netzwerkseitig abgesichert? Welche Möglichkeiten bieten die existierenden IT-Sicherheitsstandards? Wie werden ein Informations- sicherheitsmanagementsystem (ISMS) mit Unterstützung eines passenden Tools eingeführt und Mitarbeiter nachhaltig auf Cybersecurity sensibilisiert? Zielgruppen sind neben der Geschäftsführung und dem Management auch IT-Sicherheits- beauftragte, Planer, Entwickler und Anwen- der. Mit dem Lernlabor »Cybersicherheit für die Energie- und Wasserversorgung« in Ilmenau können zudem komplette IT- und Hardwareinfrastrukturen flexibel nachge- bildet werden. Das Kernstück bildet dabei ein Echtzeit-Netzsimulationssystem für Hard- ware-in-the-Loop-Tests. Integriert wird diese Netzsimulation in eine Laborumgebung, in welche verschiedene Unternehmensebenen, wie die Büro-, Leit- und Feldebene, abge- bildet werden können. Diverse Netzwerk- architekturen und -komponenten, wie VLAN- Kopplung oder Firewalls, sowie Feld- und Leitkomponenten sind im Aufbau enthalten und eingebunden. Die Schulungen finden mehrmals pro Jahr in Ilmenau und Görlitz statt. Darüber hinaus besteht ebenfalls T K A T N O K Prof. Dr.-Ing. Jörg Lässig Energie (NRG) Fraunhofer IOSB Ilmenau, Außenstelle Görlitz Telefon +49 3581 7925-354 joerg.laessig@iosb-ast.fraunhofer.de www.iosb.fraunhofer.de/AST die Möglichkeit, In-House-Schulungen zu buchen. https://www.academy.fraunhofer.de/kritis Quellen: https://de.statista.com/statistik/daten/stu- die/546136/umfrage/umsaetze-im-b2b-markt- fuer-weiterbildung-in-deutschland/ https://www.bmbf.de/pub/Weiterbildungsverhal- ten_in_Deutschland_2016.pdf https://www.academy.fraunhofer.de/de/weiterbil- dung/energie-nachhaltigkeit/energie-prognosen. html https://www.academy.fraunhofer.de/de/weiter- bildung/information-kommunikation/cybersicher- heit/sicherheit-von-energienetzen.html vis IT 7 Geschäftsfeld Energie, Wasser und Umwelt
Themen SENSORDATENMANAGEMENT IN DER PRAXIS T K A T N O K Dr.-Ing. Jürgen Moßgraber Informationsmanagement und Leittechnik (ILT) Fraunhofer IOSB Karlsruhe Telefon +49 721 6091-562 juergen.mossgraber@iosb.fraunhofer.de www.iosb.fraunhofer.de/ILT Abb. 1: Echtzeitbeobachtung eines Risses im Gebäude in Relation zur Temperatur. Die sicherlich wichtigste Grundlage für das »Internet der Dinge« sind Sensor- daten. Mit Hilfe von Sensoren werden Informationen über »Dinge« jeglicher Art gesammelt und verarbeitet. Diese kommen heute in den unterschiedlichs- ten Feldern zum Einsatz, beispielsweise im industriellen Umfeld, beim Energie- management, im Umweltbereich oder im Krisenmanagement. Um diese Sammlung und Verarbeitung trotz der enormen Vielfalt dennoch einheitlich gestalten zu können, sind Standards unerlässlich. DER SENSORTHINGS API STANDARD DES OPEN GEOSPATIAL CONSORTIUM (OGC) Für die Beschreibung von Sensoren mit Raumbezug spielt das OGC als eines der wichtigsten internationalen Standardi- sierungsgremien eine wesentliche Rolle. Die SensorThings API ist ein Standard des OGC, der einerseits auf langjährig bewährte Konzepte aus dem Bereich der Sensordatenbeschreibung abgeleitet ist und der anderseits auch auf die modernen Anforderungen an effizienten Schnittstellen Rücksicht nimmt. vis IT Geschäftsfeld Energie, Wasser und Umwelt 8
DER FRAUNHOFER OPEN SOURCE SENSORTHINGS API SERVER - FROST Aufbauend auf diesem Standard und vor dem Hintergrund der Anforderungen aus zahlreichen Anwendungen in dem Mega- Trend-Thema des Internets der Dinge, hat sich das Fraunhofer IOSB entschlossen, einen Server zu entwickeln, der diesen Standard implementiert. Zielsetzung war hierbei eine hohe Leistungsfähigkeit bei geringem Ressourcenverbrauch, und eine Offenheit, die eine Nutzbarkeit sowohl im Forschungsumfeld als auch in kommerziellen Anwendungen erleichtert. Der Wunsch nach Offenheit führte zu der Entscheidung, die Implementierung von Beginn an als Open Source Software zu konzipieren, um damit den Weg für Innovationen so frei wie nur möglich zu machen. Das Ergebnis ist der FROST-Server. Der Name ist ein Akronym und steht für „Fraunhofer Open Source SensorThings API Server“ und ist seit dem 10. August 2016 von der OGC zertifiziert. FROST ist als Open Source Soft- ware unter der GNU Lesser General Public License 3.0 frei verfügbar. Die LGPL 3.0 ist eine Lizenz, die einerseits kommerzielle Anwendungen ermöglicht, aber anderer- seits auch sicherstellt, dass Weiterentwick- lungen am FROST-Server allen Nutzern ver- fügbar gemacht werden. FROST IM PRAXISEINSATZ FROST wird bereits in zahlreichen Projekten eingesetzt. Am Fraunhofer IOSB sammeln wir beispielsweise Gebäudedaten, wie Tem- peratur, Energieverbrauch oder Wasserver- brauch. Derzeit fließen etwa 6,8 Millionen Beobachtungen pro Monat in das Sys- tem ein. Diese werden dann mit anderen Betriebsdaten kombiniert, um beispielsweise unterschiedliche Ansätze der Raumkühlung in den Sommermonaten zu bewerten. Abb. 2: Wetterdaten in Norditalien. Das europäische Forschungsprojekt beAWARE arbeitet an der Verbesserung der Entscheidungsunterstützung bei extremen Wetter- und Klimaereignissen (Abb. 2). Hierzu werden heterogene Daten aus unter- schiedlichen Quellen, wie z. B. Umweltdaten, Daten aus sozialen Medien, Meldungen von Ersthelfern und Menschen in Gefahr integriert und in FROST gespeichert. Ähnliche Herausforderungen stellt das Projekt HERACLES. Europa hat eine große kulturelle Vielfalt, unter anderem heraus- ragende historische Gebäude, die jedes Jahr Millionen von Touristen anziehen. Diese unschätzbar wertvollen und weltweit bedeutenden Güter müssen für künftige Generationen geschützt und erhalten wer- den. Umweltbelastungen, die durch den Klimawandel noch verschlimmert werden, stellen erhebliche Bedrohungen für die Baudenkmäler des Europäischen Kultur- erbes dar. Durch die automatisierte Über- wachung dieser Baudenkmäler können Gefahren (Risse, Instabilitäten etc.) früh- zeitig erkannt und entsprechend darauf reagiert werden (Abb. 1). Die Skalierbarkeit stellt bei allen Projekten eine wichtige Eigenschaft des FROST-Servers dar. Dadurch kann FROST auf Kleinst- Rechnern, wie etwa einem Raspberry Pi, oder in einer komplexen Cloudumgebung betrieben werden, wie sie etwa bei der Stadt Hamburg zum Einsatz kommt. Weitere Infos: http://iosb.fraunhofer.de/?FROST-Server https://beaware-project.eu/ http://www.heracles-project.eu/ vis IT 9 Geschäftsfeld Energie, Wasser und Umwelt
Themen WASSER 4.0 – EINFACH HANDHABBARE INDUSTRIE-4.0- PLATTFORM MIT GIS, SIMULATIONS- UND DATENANALYSE-TOOLS FÜR KLEINE, MITTLERE UND GROSSE WASSERVERSORGER MOTIVATION Die Trinkwasserversorgung wird in Deutschland durch mehr als 4000 Wasser- versorger sichergestellt. Die überwiegende Mehrheit sind kleine und mittlere Wasser- versorgungsunternehmen (WVU). Die kleinen WVU haben meist nur sehr wenig Personal. Das Know-how liegt in der Regel beim Wassermeister, der oftmals für sämt- liche technische Belange inklusive der Überwachung des Leitungsnetzes verant- wortlich ist. Da in der Regel kein Leitsystem vorhanden ist (bzw. mangels Fachpersonal nicht adäquat genutzt wird), werden Mess- daten meist nicht systematisch erhoben. Erschwerend kommt hinzu, dass die meisten WVU weder über eine ausreichend gepflegte Datengrundlage ihres Wassernetzes noch über Geoinformationssysteme (GIS) sowie Simulationssoftware und Datenanalyse-Tools verfügen, über die Eingriffe in das Trink- wassersystem (z. B. Erweiterung des Netzes) geplant und optimiert werden können. Bei den großen WVU wird Informations- und Automatisierungstechnik bereits in größerem Umfang eingesetzt. Das Lei- tungsnetz ist im GIS hinterlegt, wobei der Daten bestand oftmals nicht gut genug gepflegt wird, um darauf basierend Simu- lationsrechnungen ausführen zu können. Obwohl meist viele Messdaten verfügbar sind, können sie aber aufgrund von feh- lender Vernetzung sowie fehlendem Fach- personal nur in sehr geringem Maße zur Überwachung und Optimierung der Trink- und Abwassersysteme genutzt werden. ZIELE DES FORSCHUNGSVORHABENS Die globale Zielstellung des vom BMBF geförderten Projektes W-Net 4.0, welches Ende 2018 gestartet wurde, besteht darin, eine modulare und skalierbare Platt- form bestehend aus GIS-System, Simula- tionssoftware und Datenanalyse-Tools bereitzustellen, die hohen IT-Sicher- heitsstandards genügt. Verbunden mit neuartigen Dienstleistungs- konzepten, Wertschöpfungsnetzwerken sowie Schulungskonzepten werden kleine und mittlere Wasserversorgungsunterneh- men (WVU) dadurch erstmals befähigt, GIS, Simulations- und Datenanalyse-Tools zu nutzen. Projektpartner sind neben dem Fraunhofer IOSB die Berliner Wasserbetriebe, SchwarzwaldWasser GmbH, COS System- haus OHG sowie 3S Consult GmbH. METHODIK Im Projekt wird zunächst das Systemkonzept der zu entwickelnden W-Net 4.0-Plattform spezifiziert. Ebenso wird die aufzubauende Wertschöpfungskette sowohl aus sozialer Sicht (Rolle der Akteure) als auch aus tech- nischer Sicht (digital vernetztes Auskunfts- system) näher beleuchtet. Die Simulations- und Datenanalyse-Plattform wird aus bestehenden Modulen aufgesetzt, welche seit Jahren in der Praxis im Einsatz sind: Partner COS wird sein GIS-System COSVega weiterentwickeln und einbinden. Partner 3S Consult wird seine Simulationsplattform SIR-3S einbringen. Im Rahmen des Projektes soll ein Schulungssimulator weiterentwickelt vis IT Geschäftsfeld Energie, Wasser und Umwelt 10 T K A T N O K Dr.-Ing. Thomas Bernard Mess-, Regelungs- und Diagnosesysteme (MRD) Fraunhofer IOSB Karlsruhe Telefon +49 721 6091-360 thomas.bernard@iosb.fraunhofer.de www.iosb.fraunhofer.de/MRD
Die dynamische Vernetzung von GIS, Simulations- und Datenanalyse-Tools in einer einfach handhabbaren, web-basierten Plattform ist das Ziel von W-Net 4.0 werden, welcher im Rahmen der Ausbildung bzw. Fortbildung von Wassermeistern genutzt werden kann. Fraunhofer IOSB wird Datenanalyse-Tools einbringen, welche u. a. maschinelle Lernverfahren umfassen. Ein Arbeitspaket befasst sich mit der Rea- lisierung von sicheren IT-Schnittstellen und Datenhaltungskonzepten. Somit soll sicher- gestellt werden, dass die W-Net 4.0-Platt- form höchsten Ansprüchen an IT-Security, Datensicherheit und Daten-Privacy genügt. Es werden Schulungskonzepte und Quali- fizierungsmaßnahmen erarbeitet, die alle Teilbereiche der gesamten Wertschöpfungs- kette abdecken. So kann das Bedienpersonal mithilfe des Trainingssimulators geschult werden und den Betrieb des Versorgungs- systems weiter optimieren. Die Schulungs- konzepte sind auf die kleinen und mittleren Wasserversorger ausgerichtet. Die neuartige Plattform wird anhand von mehreren Use Cases getestet. Zum einen soll das W-Net 4.0-Systemkonzept bei drei kleinen oder mittleren Wasserversor- gern getestet werden. Geplant ist eine zentrale Installation der GIS, Simulations- und Datenanalyse-Plattform bei Schwarz- waldWasser. Es werden neue Sensoren zur Überwachung des hydraulischen Zustands sowie der Wasserqualität installiert und an die W-Net 4.0-Plattform angebunden. Zielstellung des Use Cases bei den Berliner Wasserbetrieben ist die Entwicklung und prototypische Umsetzung von Methoden (a) zur Qualitätssicherung von automatisch gesammelten Daten, die z. B. für die Steue- rung genutzt werden sowie (b) die systema- tischere Nutzung dieser Daten zur Optimie- rung und Effizienzsteigerung der Prozesse. GEPLANTE ERGEBNISSE DES FORSCHUNGSVORHABENS Globales Ziel des Projektes ist die dyna- mische Vernetzung von GIS, Simulations- und Datenanalysetools in einer einfach handhabbaren, web-basierten Plattform. Es soll demonstriert werden, dass auch kleinere und mittlere Wasserversorger, welche nicht über IT-Spezialisten sowie die entsprechende Infrastruktur verfügen, diese Plattform sinnvoll nutzen können. Darüber hinaus ist zu zeigen, dass basie- rend auf der Plattform künftig tragfähige Geschäftsmodelle realisiert werden können. 11 vis IT Geschäftsfeld Energie, Wasser und Umwelt
Themen INNOVATIVE DESINFEKTIONS- LÖSUNGEN MIT UV-LEDS UVC-Streifenmodul 270 nm / 315 mW. Wasser hat eine enorme Bedeutung für die menschliche Existenz. Mehr als 660 Millionen Menschen weltweit haben noch keinen Zu- gang zu sauberem Trinkwasser, was wiede- rum die Verbreitung von Krankheiten und Epidemien begünstigen kann. Die Desin- fektion von Trinkwasser stellt deshalb einen Hauptbestandteil der UN-Milleniumsziele dar. UVC-LEDS ALS ALTERNATIVE Zurzeit werden in der Trinkwasserdesinfek- tion aus Kostengründen noch klassische, quecksilberhaltige Strahler den UVC-LEDs als Strahlungsquelle vorgezogen, da UVC- LEDs im benötigten Wellenlängenbereich noch recht teuer sind. Dennoch bieten UVC-LEDs auch diverse Vorteile, die lang- fristig für eine Verdrängung klassischer Strahler sorgen werden. So benötigt eine LED keine Aufwärmphase, das bedeutet, dass ihre Leistung sofort abgerufen wer- den kann. Ein intermittierender Betrieb ist dadurch möglich. Durch die zunehmende Leistungsfähigkeit der LEDs werden per- spektivisch auch größere Reaktoren zur Desinfektion umsetzbar. Wie diese Vorteile effizient ausgenutzt werden können, soll mithilfe der durchgeführten Forschungs- projekte im Rahmen der BMBF-Zwanzig20- Initiative »Advanced UV for Life« geklärt werden. TECHNISCHE ASPEKTE Im vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Projekt wurden diverse technische Aspekte zum Ersatz von Quecksilberdampflampen durch UVC-LEDs erarbeitet, da hier bislang entsprechende Regularien fehlen. UVC-LEDs ermöglichen neue, kompaktere Reaktordesigns, weshalb vis IT Geschäftsfeld Energie, Wasser und Umwelt 12 T K A T N O K Dipl.-Ing. Thomas Westerhoff Wasser und mobile Systeme (WMS) Fraunhofer IOSB Ilmenau Telefon +49 3677 461-107 thomas.westerhoff@iosb-ast.fraunhofer.de www.iosb.fraunhofer.de/AST
Prototyp Wasser-Desinfektionsmodul (direkt gekühlt). verschiedene LED-Anordnungen simuliert, prototypisch aufgebaut und vermessen wur- den. Unter Berücksichtigung der vorgege- benen Abstrahlcharakteristik der Einzel-LEDs konnte hierdurch eine optimale Anordnung von LEDs identifiziert werden. Für diese Designs wurden anschließend Kühlkonzepte sowie die notwendige Ansteuerungselektro- nik mit Monitoring-Fähigkeiten entworfen und umgesetzt. Eine besondere Innovation ist die Möglichkeit, die LEDs direkt im Wasser ohne aufwändiges Quarz-Hüllrohr zu betreiben, wodurch die Leistungsausbeute durch Wegfall von Reflexionen nochmals gesteigert werden konnte. Auf der IFAT 2018, der Weltleitmesse für Wasser-, Abwasser-, Abfall- und Rohstoff- wirtschaft wurden die ersten Funktions- muster der Fachwelt präsentiert. VORTEILE Mehr Freiheiten beim Reaktordesign Wellenlängen mit höherer Desinfektions- wirkung verfügbar Keine Aufheizphasen Gute Überwachung und Fernwartung Hohe Lebensdauer Sehr hohe mechanische Stabilität Vibrationsfest Quecksilberfrei APPLIKATIONEN Dezentrale Trinkwasserdesinfektion PoU(Point-of-Use)-Anwendungen Desinfektion von Flüssigkeiten im klinischen Bereich Oberflächendesinfektion Luftdesinfektion PARTNER Institutsteil für angewandte Systemtech- nik AST des Fraunhofer IOSB PURION GmbH Xylem Water Services GmbH DVGW - Technologiezentrum Wasser 13 vis IT Geschäftsfeld Energie, Wasser und Umwelt
Themen INAPRO – INNOVATIVE AQUA- PONIK FÜR PROFESSIONELLE ANWENDUNGEN Das EU-geförderte Projekt INAPRO, das in Zusammenarbeit mit 17 Partnern durch- geführt wird, erforscht eine nachhaltige Nahrungsmittelproduktion von Fisch und Gemüse in einem Gesamtsystem. die Bedürfnisse der Pflanzen anzupassen. Ebenso können in diesem Schritt weitere Dünger hinzugefügt werden. Danach wird das gefilterte Wasser wieder in die Fisch- einheit zurückgeführt. Die bisherigen konventionellen Aquaponik- Systeme (eine Kombination aus Hydro- und Aquakultur) nutzen ein Einkreislaufsystem. Dies erschwert es die verschiedenen Bedürf- nisse der Fische und Pflanzen zu erfüllen. GETRENNTE WASSERRÜCK- GEWINNUNG ZWISCHEN DER FISCH- UND PFLANZENEINHEIT INAPRO erweitert das konventionelle Sys- tem, indem die Wasserrückgewinnung zwischen den Fisch- und Pflanzeneinheiten getrennt wird. Damit können in beiden Einheiten jeweils optimale Bedingungen geschaffen werden. Im Fischwasserkreislauf durchläuft das Wasser mehrere Filterungsstufen. Das nähr- stoffreiche Wasser aus der Fischeinheit wird zuerst mechanisch gefiltert, wobei feste Abfälle entfernt werden. Danach wandelt ein Biofilter die Stoffwechselendprodukte der Fische in hervorragende Pflanzendünger (v. a. Nitrate) um. Im Transferprozess vom Fisch- zum Pflanzen- wasserkreislauf wird das zuvor gefilterte Wasser aus den nitratreichen Fischeinheiten in einem Tank zwischengespeichert, der es ermöglicht die Wassermenge individuell an Im Rahmen des INAPRO-Projektes wurden zwei Bewässerungssysteme getestet: Die Nutritient Film Technique (NFT) und die Tröpfchenbewässerung. Der Dünger, der nicht von den Pflanzen aufgenommen wird, wird an einen Speicher weitergeleitet und kann von dort wieder an die Pflanzen abge- geben werden. Das durch den Pflanzen- anbau entstandene verdunstete Wasser wird durch Kühlfallen eingefangen und als Frischwasser den Fischtanks zugeführt. Im Vergleich zu klassischen Kreislaufsystemen, die einen täglichen Frischwasserbedarf von 10 Prozent des kompletten Systemvolumens haben, wird im INAPRO-System diese Zahl auf 1 bis 3 Prozent reduziert. SOFTWARE-UNTERSTÜTZUNG Ebenso ist ein Prozessmanagementsystem integriert, welches alle relevanten Daten für eine funktionierende Produktion aufnimmt. Um optimale Produktionsbedingungen zu schaffen, werden u. a. die pH-Werte und Nährstoffzusammensetzungen für die Pflanzen, die Temperatur und die Sauer- stofflevel mithilfe von Sensoren überwacht und automatisch angepasst. Zusätzlich sind ein Wartungs- und Störungs- system sowie ein Produktionsleitsystem vis IT Geschäftsfeld Energie, Wasser und Umwelt 14 T K A T N O K Dr.-Ing. Divas Karimanzira Wasser und mobile Systeme (WMS) Fraunhofer IOSB Ilmenau Telefon +49 3677 461-175 divas.karimanzira@iosb-ast.fraunhofer.de www.iosb.fraunhofer.de/AST
Konzept der INAPRO-Demonstrationsfabrik. angebunden. Letzteres erlaubt den Mitar- beitern ein ansprechendes Anwendungs- management, indem die Qualität, Kosten und Produktivität im Vergleich zu aktuellen Marktpreisen visualisiert werden. Das Sys- tem unterstützt den Nutzer ebenso bei der Berechnung der benötigten Futtermittel und Nährstoffe sowie bei weiteren Planungen. HOHE ANPASSUNGSFÄHIGKEIT Das INAPRO-System wurde so konzipiert, dass an verschiedene Umgebungen ange- passt werden kann – egal ob Großanlage oder kleinstädtische landwirtschaftliche Einrichtung. Mithilfe von INAPRO wird ein nahezu emissionsfreies und kostenspa- rendes System geschaffen, bei dem sowohl die Wasser- als auch die Energieressourcen deutlich geschont werden. HOHE ANPASSUNGSFÄHIGKEIT Verbesserte Produktivität durch den doppelten Wasserkreislauf Kosten- und Ressourcenersparnis dank der doppelten Verwendung von Wasser und Energie, der reduzierten Abwässer und Pflanzendünger sowie der Rück- gewinnung von verdunstetem Wasser Automatisiertes Systemmanagement 15 vis IT Geschäftsfeld Energie, Wasser und Umwelt
Karlsruhe Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB Fraunhoferstraße 1 76131 Karlsruhe Telefon +49 721 6091-0 Fax +49 721 6091-413 info@iosb.fraunhofer.de www.iosb.fraunhofer.de Ettlingen Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB Gutleuthausstraße 1 76275 Ettlingen Telefon +49 7243 992-0 Fax +49 7243 992-299 www.iosb.fraunhofer.de Ilmenau Fraunhofer IOSB, Institutsteil für angewandte Systemtechnik AST Am Vogelherd 50 98693 Ilmenau Telefon +49 3677 4610 Fax +49 3677 461-100 info@iosb-ast.fraunhofer.de www.iosb-ast.fraunhofer.de Görlitz Fraunhofer IOSB, Institutsteil für angewandte Systemtechnik AST Außenstelle Görlitz, Abteilung Energie Brückenstraße 1 02826 Görlitz Telefon +49 3581 7925354 joerg.laessig@iosb-ast.fraunhofer.de Lemgo Fraunhofer IOSB, Institutsteil für industrielle Automation INA Langenbruch 6 32657 Lemgo Telefon +49 5261 94290-22 Fax +49 5261 94290-90 juergen.jasperneite@iosb-ina.fraunhofer.de www.iosb-ina.fraunhofer.de Beijing Representative for Production and Information Technologies Unit 0610, Landmark Tower II 8 North Dongsanhuan Road Chaoyang District 100004 Beijing, PR China Telefon +86 10 6590 0621 Fax +86 10 6590 0619 muh@fraunhofer.com.cn