Aktuell werden von der HSGSim die folgenden Schwerpunktthemen bearbeitet, die im Nachfolgenden auch kurz beschrieben werden:
- Blau-grüne Infrastrukturen
- Kanalnetzsteuerung
- Messdaten und Machine Learning
- NASS
- Simulation in der Lehre
Neue zusätzliche Schwerpunkte können bei Wunsch und Bedarf jederzeit eingerichtet werden, sofern sich dafür genügend engagierte InteressentInnen finden. Im Nachfolgenden werden drei neue Themenbereiche in Form von “Calls-For” gelistet und kurz beschrieben, für die aktuell bereits Interesse besteht:
- Call-For 01: CFD-Modellierung
- Call-For 02: Mikrobielle Brennstoffzelle
- Call-For 03: Wasserchemie / Trinkwasser
- Call-For 04: Wasserstoffbasierte Energiekonzepte
Solltest Du an einer Mitarbeit in einer der o. a. Arbeitsgruppen oder Call-For Interesse haben, dann wende Dich bitte unter Angabe Deines Interessensschwerpunkt per E‑Mail an info@hsgsim.org.
Ehemalige von der Gruppe bearbeitete Schwerpunkte sind im Archiv zu finden.
Blau-grüne Infrastrukturen
Vor dem Hintergrund des Klimawandels rücken blau-grüne Infrastrukturen (BGI) zunehmend in den Fokus einer klimaangepassten Entwässerungsplanung. Neben anderen Retentions- und Versickerungsmöglichkeiten können sie einen wichtigen Beitrag zur Starkregen- und Hitzevorsorge leisten, indem sie das städtische Umfeld in Richtung eines natürlichen Wasserkreislaufes entwickeln.
Die im Rahmen von Münster#48 gegründete Arbeitsgruppe „Blau-Grüne Infrastruktur” beschäftigt sich mit der Modellierung von BGI. Durch den Einsatz von Modellen soll die Wirkung von BGI im urbanen Kontext besser abgeschätzt werden. Betrachtete Zielgrößen können z. B. der Wasserhaushalt, das Abflussregime im Kanal, dessen Überstau oder Überflutung sowie das Stadtklima sein.
In der Arbeitsgruppe sollen die Möglichkeiten und Grenzen bestehender Modellansätze für Untersuchungen auf unterschiedlichen räumlichen Ebenen (z. B. Objekt, Quartier, Stadt) diskutiert werden. Die Diskussion zeigt den Forschungsbedarf bei Lücken in den Modellansätzen und leitet Empfehlungen für die Bearbeitung planerischer und wissenschaftlicher Fragestellungen ab. Aspekte, die in diesem Zusammenhang diskutiert werden, sind u. a. Modelldiskretisierung, Klimaszenarien, räumliche Optimierung von BGI oder auch die Betrachtung von Störfällen der BGI.
Kanalnetzsteuerung
Als Kanalnetzsteuerung wird der gezielte Eingriff in die Abflussaufteilung und Speicherung in Entwässerungssystemen bezeichnet. Bei der Steuerung in Echtzeit werden auf Basis von gemessenen Daten nahezu zeitgleich Steuervorgänge vorgenommen. Während erste Konzepte zur Steuerung bereits in den frühen 1980er-Jahren erarbeitet und implementiert wurden, bestehen bis heute offene Forschungsfragen. Diese ergeben sich unter anderem durch individuelle Systeme und schwierige Bedingungen für die Messtechnik. Zudem gibt es bis heute keinen einheitlichen Stand der Technik im Hinblick auf die Umsetzbarkeit und Bewertung von Betriebsverbesserungen durch Steuerungen. Die Gruppe freut sich, den Austausch mit weiteren Interessent·innen voranzutreiben und zu intensivieren.
Die Arbeit in der Gruppe baut auf Diskussionen zu den folgenden Themen auf:
- Definition für repräsentative Zeiträume für die einheitliche Bewertung der Leistung einer Steuerung.
- Leistungsindikatoren: Die Bewertung der Leistung von Steuerungen in der Realität ist kaum möglich. Hier stellt sich die Frage des Übertrages von Modellindikatoren in die Praxis.
- Ab welchem Grad der Betriebsverbesserung (z. B. Reduktion Überlaufvolumen) ist die erzielte Verbesserung, relevant, signifikant und die Steuerungsstrategie zudem auch robust? Wie werden die Begriffe Signifikanz, Relevanz und Robustheit bereits zur Bewertung von Steuerungen verwendet? Welche grundlegenden Definitionen können helfen, um Steuerungen einzuordnen und ihre Verbesserungsergebnisse vergleichbar zu machen.
- Vergleich von Steuerungsstrategien: In ersten Tests im Rahmen einer Dissertation war der Einfluss des Steuerungsalgorithmus gegenüber der Positionierung von Aktuatoren weniger relevant als allgemein erwartet zu werden scheint. Existieren Algorithmen, die anderen vorzuziehen sind? Welche? Warum (nicht)?
- Sollte der Zentralbeckenansatz zur Evaluation des Steuerungspotentials als etabliertes Hilfsmittel initialen Einschätzung herangezogen werden? Warum (nicht)?
- Wie können Wasserqualitätsmessungen existierende, rein quantitative Steuerungen verbessern? Wie groß ist der zu erwartende Effekt?
- Wie wirken sich Spülungen bzw. der gezielte Rückhalt von Wasser auf die Ausfaulung in der Kanalisation aus und inwiefern kann dies als Parameter in eine Verbesserung des Betriebs aufgenommen werden?
Messdaten und Machine Learning
Der HSG-Schwerpunkt “Messdaten und Machine Learning” beschäftigt sich mit der Datenprüfung und Korrektur von Messdaten sowie der Verwendung für weitergehende Anwendungen mit maschinellem Lernen in der Siedlungswasserwirtschaft. Außerdem wird der mögliche Nutzen von Messdaten, die mit verschiedenen Methoden des maschinellen Lernens prozessiert wurden, diskutiert. Dabei stehen die nachfolgenden Fragestellungen im Fokus.
Fragestellungen zu Messdaten:
- Wie können Messabweichungen zielgerichtet für die Verwendung in der siedlungswasserwirtschaftlichen Praxis quantifiziert werden?
- Welche Qualitätsanforderungen werden an Messdaten gestellt?
- Welche Möglichkeiten der Datenprüfung und ‑korrektur gibt es?
Aufbauende Fragestellungen zur Verwendung von Machine Learning für Anomaliedetektion, Vorhersage und Modellerstellung:
- Welche Methoden gibt es und wofür wurden diese bisher verwendet?
- Welche Datengrundlage und ‑aufbereitung ist dafür erforderlich?
- Welche Einsatzgebiete in der Siedlungswasserwirtschaft ergeben sich daraus?
→ Beispiele: Modellkalibrierung, Kanalnetzsteuerung, Stofftransportmodelle, automatisierte Algorithmen zur Modellerstellung (Anschluss von Flächen an Haltungen) - Welche Vor-/Nachteile ergeben sich aus der Anwendung von Machine Learning basierten Ansätzen gegenüber klassischen Ansätzen?
- Welche Potenziale ergeben sich aus der Anwendung von Machine Learning mit Messdaten aus der Siedlungswasserwirtschaft?
- Wie robust sind Machine Learning Ansätze im Hinblick auf ihre Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Begrenzbarkeit von Overfitting-Verhalten?
- Können die Ergebnisse einer Machine Learning Anwendung auf andere Systeme oder Systemkomponenten in der Siedlungswasserwirtschaft trotz ihrer Individualität übertragen werden?
NASS
Vor dem Hintergrund der Ressourcenverknappung, des demografischen Wandels und dem Klimawandel rücken ressourcenorientierte Sanitärsysteme („NASS“) immer stärker in den Fokus der Abwasserreinigung. Die in Graz#47 gegründete Arbeitsgruppe „Simulation von NASS“ beschäftigt sich mit der Modellierung und Simulation von NASS, sowie der Kombination und Integration mit konventionellen Abwasserbehandlungssystemen. Durch die Simulation von NASS können die Zusammenhänge und Auswirkungen besser abgeschätzt und vorhergesagt werden. Im Rahmen der HSGSim werden u. a. folgende Themenstellungen bearbeitet:
- Analyse der aktuellen internationalen Forschung zu Simulation und NASS
- CSB-Fraktionierung von Schmutzwasserteilströmen
- Methodik von Nachhaltigkeitsbewertungen im Zusammenhang mit NASS
Simulation in der Lehre
Simulationsmodelle jeglicher Art finden in verschiedenen Bereichen der Lehre Anwendung. Dies umfasst im siedlungswasserwirtschaftlichen Kontext u. a. 3D-Strömungssimulationen, Niederschlags-Abfluss-Modellierung oder die dynamische Simulation von Kläranlagen. Mit der Gruppe soll der Austausch von didaktischen Methoden und Lehrinhalten von Dozenten vereinfacht werden. Besonderer Fokus liegt dabei auf der Herangehensweise der Vermittlung von Simulationsgrundlagen und Methoden zur Integration von Simulationsmodellen in der Lehre.
Weitere Informationen über die Arbeit und die Ergebnisse der von der HSGSim behandelten Schwerpunktthemen finden sich in der Publikationsliste sowie in den News. Ehemalige von der HSGSim behandelte Schwerpunktthemen finden sich im Archiv.
Calls-For
Call-For 01 “CFD-Modellierung”
Die numerische Strömungsmechanik (Computational Fluid Dynamics, CFD) bezieht sich auf die numerische Methode der Simulation von stationären und instationären Flüssigkeitsbewegungen mit Hilfe von Berechnungsmethoden und Hardware. Das DWA‑A 131 berücksichtigt bei der Kläranlagenauslegung bisher nur das Volumen im ideal durchmischten Becken. Real kommt es im Becken je nach Bauform und hydraulischen Belastung jedoch zu interner Rezirkulation oder Kurzschlussströmungen. Auch die Reaktorform spielt eine wichtige Rolle. So erzielt ein ideal durchmischter Rührkessel andere Ablaufwerte als eine Kaskade oder ein Strömungsrohr gleichen Volumens. Ein mögliches Ziel wäre eine CFD (= Computational Fluid Dynamics) für die Belebung, Nachklärung und Faulung.
Es gibt bereits Interesse an den folgenden Punkten:
- Partikeltransport (Mehrphasenströmung) – Sedimentationsvorgänge in Regenbecken
- Anwendung der CFD für Pumpspeicher/ Wasserkraftanlagen
Call-For 02 “Mikrobielle Brennstoffzelle”
Eine mikrobielle Brennstoffzelle kann lebende Mikroorganismen zur Energiegewinnung nutzen, die durch die Verarbeitung organischer Substanzen während des Energiestoffwechsels entsteht. Die biologische Abwasserreinigung könnte daher auch zur direkten Energiegewinnung genutzt werden.
Es gibt bereits Interesse an den folgenden Punkten:
- Modellierung als Batchsystem
- Digitalisierung einer Laborkläranlage
Call-For 03 “Wasserchemie / Trinkwasser”
Angesicht von anhaltenden Dürreperioden und vermehrten Starkregenereignissen müssen sich die Trinkwasserversorger neuen Herausforderungen stellen. Mithilfe von Modellierung und Simulation können die Resilienz komplexer Aufbereitungs- und Verteilungssysteme angesichts von Extremsituationen am Modell bewertet und verbessert werden. Diese integrierte Arbeitsgruppe könnte auch die Brücke schlagen zu einer übergreifenden Betrachtung des gesamten Wasserkreislaufs über Fließgewässer bis hin zu Abwasserbehandlung oder Brauchwasserrecycling.
Es gibt bereits Interesse an den folgenden Punkten:
- Wasserchemischen Gleichgewichte (z. B. Calcitlöslichkeit, pH nach Mischung)
- Verteilnetzen
- Trinkwasseraufbereitung
- Entsalzungstechnologien, Aufbereitung von Konzentraten aus RO und MF. (DWA-Themenband “Wasserwiederverwendung”)
Call-For 04 “Wasserstoffbasierte Energiekonzepte”
Kläranlagen gelten als prädestinierte Standorte für die stoffliche und elektrische Integration der elektrolysebasierten Wasserstoffproduktion. Darüber hinaus besitzen Kläranlagen im Rahmen der Faulgasproduktion eine energetisch vorteilhafte grüne CO2-Quelle, welche mit lokal erzeugtem Wasserstoff zur Produktion kohlenstoffbasierter Energieträger wie Methan oder Methanol genutzt werden kann (Power-to‑X; P2X). Weitere Synergiepotenziale ergeben sich durch den dynamischen Wärmehaushalt der Kläranlage und den P2X-Anlagenkomponenten, welche jeweils sowohl thermische Energie produzieren als auch konsumieren.
Die dynamische Berechnung dieser Energiekonzepte, erfordert die Erweiterung bestehender abwassertechnischer und energetischer Modellierungsansätze um die Prozesseinheiten der klassischen elektro- und thermochemischen Verfahrenstechnik.
Im Rahmen dieser Gruppe sollen bestehende Erfahrungen der Modellierungsansätze ausgetauscht werden. Außerdem sollen Fragestellungen wie die zeitliche Auflösung der Modellierungsergebnisse sowie der Einbindung von Optimierungsalgorithmen zur Erarbeitung bestmöglicher Betriebsstrategien diskutiert werden.