Trinkwasser.
Smart Water Futures.
Den Hahn aufgedreht und schon fließt frisches Trinkwasser aus der Leitung. Für uns eine Selbstverständlichkeit – für schätzungsweise 663 Millionen Menschen auf der Welt nicht. Gemeinsam mit drei international renommierten
Forschenden setzt sich Dr. Barbara Hammer, Professorin für Maschinelles Lernen am CITEC-Cluster der Uni Bielefeld, unter der Überschrift „Smart Water Futures“ mit der Trinkwasserversorgung der Zukunft auseinander.
In den kommenden Jahren fließen insgesamt 10 Millionen Euro in das Projekt. Es ist eines der prestigeträchtigsten
Projekte der EU.
Autorin: Corinna Bokermann
Warum ist es so wichtig, sich über die Trinkwasserversorgung der Zukunft Gedanken zu machen?
Barbara Hammer: Sauberes Trinkwasser gehört zu den Grundbedürfnissen des Menschen. Schon allein vor diesem Hintergrund zählt die Wasserversorgung zur kritischen Infrastruktur. Erschwerend kommt in puncto Trinkwasserversorgung hinzu, dass allein rund 70 Prozent der weltweiten Bevölkerung perspektivisch in Städten leben wird. Dies wirkt sich auf viele Bereiche aus, unter anderem auf die künftige Trinkwasserversorgung. Der steigende Wasserbedarf braucht daher neue technologische Methoden, vor allem mit Blick auf die komplexen Netzwerke der Wasserreinigungs- und Verteilungssysteme. Wir wollen mit unserem Projekt dafür sorgen, dass sie störungsfrei laufen – sowohl kurz- als auch langfristig. Denn bereits Ereignisse wie die Covid-19-Pandemie haben gezeigt, wie sich kurzfristig der Bedarf verändern kann. Durchs Homeoffice wurde tagsüber mehr Wasser in Haushalten, aber weniger in Firmen benötigt.
Welche Faktoren spielen für die künftige Trinkwasserversorgung eine Rolle?
Barbara Hammer: Es sind gleich mehrere. Neben wirtschaftlichen Entwicklungen spielen der Klimawandel, die Bevölkerungsentwicklung und -konzentration in Städten, aber auch der Umgang jedes Einzelnen mit der knappen Ressource Wasser eine wesentliche Rolle. Diese Parameter sind daher ebenfalls ausschlaggebend für die langfristige Planung der Trinkwasserinfrastruktur. Wie sich der künftige Bedarf entwickelt und sichergestellt werden kann – von der Versorgung über die Preisgestaltung und -kontrolle bis zur politischen Ebene –, beschäftigt uns deshalb. Vor allem auch mit Blick auf die kommenden Generationen.
Diese Problematik ganzheitlich zu adressieren, gehört zu Ihren Aufgaben. Wie gehen Sie das an?
Barbara Hammer: Wir bündeln aus den unterschiedlichen Bereichen unsere Expertise und nutzen die Methoden aus der Wasserwissenschaft, der System- und Kontrolltheorie, der Wirtschafts- und Entscheidungswissenschaft und meinem Forschungszweig des maschinellen Lernens. Rein physikalische Modelle reichen nicht, um Prognosen zu erarbeiten. Schließlich wollen wir grundlegende Fragen bei der Entwicklung intelligenter und nachhaltiger städtischer Wassersysteme klären. Aus diesem Grund entwickeln wir mit unserer Arbeitsgruppe in Bielefeld Methoden für Technologien, die kontrollierbar und auf ihre Nutzenden ausgerichtet auch Spielraum für eigene Entscheidungen lassen. Das setzt jedoch voraus, dass die Entscheidungen der technischen Systeme nachvollziehbar sind. Das Ganze ist erklärbare Künstliche Intelligenz.
Können Sie das näher erklären? Wie funktioniert das?
Barbara Hammer: Die Systeme – anders als sonst beim Maschinenlernen häufig üblich – können Modelle und Berechnungen aufführen, auf denen ihre Prognosen beruhen. Damit wird erklärbar, was und warum sie etwas tun. Schließlich geht es in der praktischen Umsetzung irgendwann darum, die Wasserinfrastruktur wie Wasserwerke optimiert zu planen. Doch diese Planungen sind abhängig von exponentiell vielen Möglichkeiten. So dürfen die Rohre für die Wasserleitungen zum Beispiel weder zu klein noch zu groß bemessen sein. Um die komplexen Optimierungsprobleme zu filtern und die Langzeitplanungen zu verbessern, generiert unsere Forschungsgruppe daher datengetriebene Lösungen.
Das ist sehr theoretisch, denn wir Menschen bzw. unser Umgang mit der Ressource Trinkwasser stellen doch auch relevante Größen dar, oder?
Barbara Hammer: Ja, auf jeden Fall! Natürlich müssen wir auch berücksichtigen, wie wir Menschen mit der Ressource Trinkwasser umgehen. Daher arbeiten wir auch mit realen Daten für das Forschungsprojekt. Und zwar weltweit an drei Standorten: in Zapotlán el Grande in Mexiko, in Limassol auf Zypern und in Brabant in den Niederlanden. Darüber hinaus simulieren wir Mock-up-Städte, um daraus Algorithmen zu entwickeln und extensiv zu testen. Allerdings ist es spannender und realitätsnäher, mit echten Daten aus sehr unterschiedlichen Städten zu agieren. Denn Brabant ist eine – bezogen auf die Trinkwasserversorgung – sehr entwickelte Stadt, Limassol eine stark wachsende und Zapotlán el Grande befindet sich in einem bezogen auf die Trinkwasserversorgung aller Menschen in der Stadt rudimentären Zustand. So sieht man deutlich, wo und warum Probleme existieren.
Situationen zu erkennen, die die Trinkwassersysteme belasten, sind Teil Ihrer Forschung. Welche Fragen könnten sich daraus ergeben?
Barbara Hammer: Beispielsweise, ob es wichtig sein könnte, mehr Sensoren einzusetzen, etwa um Keimbelastungen oder Rohrlecks festzustellen, oder welche Effekte unterschiedliche Strategien – etwa in der Preispolitik – auf das Verhalten der Kundschaft haben. Natürlich können wir mit dem Projekt das Problem der Trinkwasserversorgung nicht in Gänze lösen, aber wir wollen eine theoretische Grundlage für die Gestaltung intelligenter Wassersysteme entwickeln und werden eine Menge von Tools bereitstellen, mit denen Forschende, aber auch Betreiber, Einsichten generieren – bis hin zur Politik –, um das Beste aus den Gegebenheiten zu machen.
Was bedeutet es, die Trinkwasserversorgung resilienter zu machen?
Barbara Hammer: „Smart Water Futures“ wird auch die Tatsache, das Trinkwasser ungleich auf der Welt verteilt ist, thematisieren. Denn uns geht es bei den Datenmodellen nicht nur darum zu sehen, was gut ist, sondern auch darum, Wasser fair zu verteilen. Künstliche Intelligenz zu nutzen, ist eine Riesenchance im Bereich kritischer Infrastruktur. Sie ermöglicht es, klassische Modellierungen auf der Basis von Beobachtungen anzureichern und auf die individuellen und oft komplexen Gegebenheiten anzupassen.
Der Europäische Forschungsrat
(ERC – European Research Council) fördert das Projekt „Smart Water Futures: Designing the Next Generation of Urban Drinking Water Systems“ mit dem Synergy Grant – einer der höchstdotierten Forschungsförderungen der Europäischen Union. Das Projekt zur Sicherung der Trinkwasserversorgung startete im letzten Jahr und ist auf eine Laufzeit von sechs Jahren ausgelegt. Mit im Boot sind neben der Bielefelder Informatik-Professorin Dr. Barbara Hammer auch Informatik- und Elektrotechnik-Professor Dr. Marios Polycarpou von der Universität Zypern, Wirtschaftswissenschaftlerin Professorin Dr. Phoebe Koundouri von der Wirtschaftsuniversität Athen und Hydroinformatik-Professor Dr. Dragan Savić vom niederländischen Wasserforschungsinstitut KWR. Der 2007 von der Europäischen Union gegründete Europäische Forschungsrat ist die erste europäische Förderorganisation für exzellente Pionierforschung. Jedes Jahr wählt er die besten und kreativsten ForscherInnen aller Nationalitäten und jeden Alters aus, um Projekte in Europa durchzuführen. Das mit dem Synergy Grant geförderte Projekt zielt auf das Design der nächsten Generation intelligenter urbaner Trinkwassersysteme.