Wasser 4 0 Quo vadis Bildquelle https i

Wasser 4. 0 Quo vadis? Bildquelle: https: //i. udemycdn. com/course/750 x 422/1745078_264 f_5. jpg, modifiziert 18. 02. 2021 Prof. Dr. -Ing. Frank Kolb HTI-TWT, 21. November 2019, Folie 1 von 22

„Der Sicherheitsbedarf im“ Wasser “-4. 0 -Umfeld ist mindestens doppelt so hoch wie in der kommerziellen IT“ Quelle: Billerbeck, J. D. , Industrie 4. 0 – aber sicher!, VDI Nachrichten, 25. Oktober 2019, Nr. 43/44, modifiziert 18. 02. 2021 Prof. Dr. -Ing. Frank Kolb HTI-TWT, 21. November 2019, Folie 2 von 22

Begriffsbestimmung Meilensteine für Wasser x. x Industrie 1. 0 Mechanisierung 18. Jh. Wasser 1. 0 Druckerhöhung 18. 02. 2021 Prof. Dr. -Ing. Frank Kolb Industrie 3. 0 Automatisierung Industrie 2. 0 Elektrifizierung 19. Jh. 20. Jh. Wasser 2. 0 Energieerzeugung Wasser 3. 0 Digitalisierung Industrie 4. 0 Vernetzung 21. Jh. Wasser 4. 0 Virtualisierung HTI-TWT, 21. November 2019, Folie 3 von 22

Digitalisierungsgrad der deutschen Wirtschaft Branchenspiegel Hoch Wissensintensive Dienstleistungen 27 % Niedrig (Indexpunkte ≥ 70) 24 % (Indexpunkte ≤ 39) Gesundheitswesen Durchschnittlich 49 % (40 ≤ Indexpunkte ≤ 69) Gewerbliche Wirtschaft Wasserwirtschaft (48 P. ) Quelle: Graumann, S, (2016): 70 Prozent der Unternehmen haben die Digitalisierung bereits in ihre Unternehmensstrategie eingebunden, Presseinfo, KANTAR TNS, Berlin 18. 02. 2021 Prof. Dr. -Ing. Frank Kolb HTI-TWT, 21. November 2019, Folie 4 von 22

Digitalisierung Vorteile Ø Verbesserung der Kooperationen mit externen Partnern Ø Effizienzzuwachs unternehmensinterner Prozesse Ø Organische Steigerung des Wachstums Ø Erhöhung der Innovationsfähigkeit 18. 02. 2021 Prof. Dr. -Ing. Frank Kolb HTI-TWT, 21. November 2019, Folie 5 von 22

Verknüpfungsmatrix Datenquellen Trinkwasser Quelle: 18. 02. 2021 Jekel, M. , Ruhland, A. , (2004): Technisch-ökologische und ökonomische Evaluierung alternativer Wasseraufbereitungsverfahren an den Beispielen Arsenelemination und zentrale Trinkwasserenthärtung, modifiziert Prof. Dr. -Ing. Frank Kolb HTI-TWT, 21. November 2019, Folie 6 von 22

Reifegradmodell Stufen der Digitalisierung Systemebene Grundlagengestaltung Quelle: Czichy, Ch. , (2018): Reifegradmodell für eine Wasserversorgung 4. 0, Vortrag, Konferenz: Kommunales Infrastruktur-Management, Berlin, modifiziert 18. 02. 2021 Prof. Dr. -Ing. Frank Kolb HTI-TWT, 21. November 2019, Folie 7 von 22

Konnektivität Datenerfassung - Eingabestrukturen Manuell Lesbar Datei Zeitaufwand/ Zeitverzug Sensor / Aktuator Analog / Digital Datei / Datenbank Dateneingabe Datenformat Datenspeicherung Manuell Nicht lesbar Aktenordner Netzwerk Digital Datenbank Datenintegrität: 18. 02. 2021 Prof. Dr. -Ing. Frank Kolb gering mittel hoch HTI-TWT, 21. November 2019, Folie 8 von 22

Verständnis Daten- und Ablaufstrukturen Virtualisierung (hoch) Leitwarte Administration (hoch) Gewinnung Aufbereitung Verteilung (gering - mittel) (mittel - hoch) (mittel) Datenmenge: 18. 02. 2021 (gering) Prof. Dr. -Ing. Frank Kolb gering mittel hoch HTI-TWT, 21. November 2019, Folie 9 von 22

Reifegradmodell Stufen der Digitalisierung Prozessebene Systemebene Grundlagengestaltung Quelle: Czichy, Ch. , (2018): Reifegradmodell für eine Wasserversorgung 4. 0, Vortrag, Konferenz: Kommunales Infrastruktur-Management, Berlin, modifiziert 18. 02. 2021 Prof. Dr. -Ing. Frank Kolb HTI-TWT, 21. November 2019, Folie 10 von 22

Abbildung von Prozessen in WVU Automatisierungspyramide Ø Eingeschränkte Übertragungsnetzverfügbarkeit (Netzanbindung, Überlastung, Wartung) Ø Unbefugte Zugriffe durch offenen Internet-Port möglich Fernübertragung 18. 02. 2021 Prof. Dr. -Ing. Frank Kolb HTI-TWT, 21. November 2019, Folie 11 von 22

Steuerungsebene Relativer Anteil der SPS [%] Vielfalt der SPS-Systeme 70 < 10. 000 VHH 10. 000 - 50. 000 VHH 50. 001 - 100. 000 VHH > 100. 000 VHH 60 50 * VHH = versorgte Haushalte 40 30 20 10 0 Siemens ABB IDS AEG Andere Quelle: Gronau, N. , et al. , (2018): Aqua-IT-Lab – Labor für IT-Sicherheit in der Wasserversorgung, Abschlussbericht, Potsdam 18. 02. 2021 Prof. Dr. -Ing. Frank Kolb HTI-TWT, 21. November 2019, Folie 12 von 22

Betriebsleitebene Größenordnung der WVU 500. 000 EW ∙ 44 m³/(EW∙a) ≙ < 22 Mio. m³/a ≥ 22 Mio. m³/a <1% Anteil der Wasserversorgungsunternehmen > 99 % 18. 02. 2021 Prof. Dr. -Ing. Frank Kolb HTI-TWT, 21. November 2019, Folie 13 von 22

Betriebsleitebene Größenordnung der Trinkwasserversorgung 500. 000 EW ∙ 44 m³/(EW∙a) ≙ < 22 Mio. m³/a ≥ 22 Mio. m³/a 32 % Anteil der versorgten Einwohner 68 % 18. 02. 2021 Prof. Dr. -Ing. Frank Kolb HTI-TWT, 21. November 2019, Folie 14 von 22

IT-Infrastrukturbereiche Angriffsübersicht im letzten Jahr (2017/2018) 2, 8 % 17, 2 % 15, 9 % 6, 2 % 26, 9 % 18, 6 % Finanzen IT-TK Verkehr Energie Wasser Gesundheit Ernährung 12, 4 % Quelle: BSI, (2018): Die Lage der IT-Sicherheit in Deutschland 2018, Bonn 18. 02. 2021 Prof. Dr. -Ing. Frank Kolb HTI-TWT, 21. November 2019, Folie 15 von 22

Rahmenbedingungen für die IT-Sicherheit Unmittelbare Vorgehensweise 500. 000 EW ∙ 44 m³/(EW∙a) ≙ < 22 Mio. m³/a BSI-Gesetz BSI-KRITIS-V 5 B 3 S Empfehlung DVGW W 1060 ITSicherheitsleitfaden (Web-Applikation) 18. 02. 2021 Prof. Dr. -Ing. Frank Kolb Verpflichtend ≥ 22 Mio. m³/a Hilfestellung DVGW W 1060 ITSicherheitsleitfaden (Web-Applikation) HTI-TWT, 21. November 2019, Folie 16 von 22

Rahmenbedingungen für die IT-Sicherheit Mittelbare Vorgehensweise 500. 000 EW ∙ 44 m³/(EW∙a) ≙ < 22 Mio. m³/a DVGW W 1000 DVGW W 1002 Technisches Sicherheitsmanagement Krisen. Management DVGW W 1001 DVGW W 1050 Risiko. Management Objektschutz 18. 02. 2021 Prof. Dr. -Ing. Frank Kolb Hilfestellung Verpflichtend BSI-Gesetz BSI-KRITIS-V 5 Verpflichtend ≥ 22 Mio. m³/a B 3 S Hilfestellung DVGW W 1060 ITSicherheitsleitfaden (Web-Applikation) HTI-TWT, 21. November 2019, Folie 17 von 22

Reifegradmodell Stufen der Digitalisierung Optimierungsebene Prozessebene Systemebene Grundlagengestaltung Nutzung von Smart-Water-Potentialen Quelle: Czichy, Ch. , (2018): Reifegradmodell für eine Wasserversorgung 4. 0, Vortrag, Konferenz: Kommunales Infrastruktur-Management, Berlin, modifiziert 18. 02. 2021 Prof. Dr. -Ing. Frank Kolb HTI-TWT, 21. November 2019, Folie 18 von 22

Smart Water meets Smart Farming Digitaler Grundwasserschutz Sensorgesteuerte Landbearbeitung Vorteile für das WVU: Ø Angepasste Düngemitteldosierung Nitratentlastung des Bodens Ø Mechanische Beikräuterbekämpfung Geringerer Pestizideinsatz Ø Geringe Oberbodenverdichtung Unbeeinflusste Infiltrationsrate Ø Unter- und Oberboden Datenabgleich Schutz des Grundwassers Quelle: https: //www. topagrar. com/acker/news/bonirob-mit-bolzen-gegen-unkraeuter-9844736. html, Zugriff: 16. 09. 2019 18. 02. 2021 Prof. Dr. -Ing. Frank Kolb HTI-TWT, 21. November 2019, Folie 19 von 22

Smart Water meets Leakage Control Wasserverteilungsnetz-Kontrolle Sensorüberwachte Rohrleitungen Vorteile für das WVU: Ø Frühzeitige Erkennung von Verlusten Minimierung der Wassermenge Ø Permanente Rohrleitungskontrolle Angepasste Rehabilitationsstrategie Nachteile für das WVU: Ø Hohe notwendige Sensordichte Aktuell großer finanzieller Aufwand Ø Grundrauschen zu hoch Kleine Leckageströme schwer zu orten Fotoquelle: 18. 02. 2021 http: //www. libelium. com/libelium-images/water_leakages/pipe_leakage. png, Zugriff: 16. 09. 2019 Prof. Dr. -Ing. Frank Kolb HTI-TWT, 21. November 2019, Folie 20 von 22

Smart Water meets Smart Online Kontaminationskontrolle Vorteile für das WVU: Ø Kontinuierliche On-line Kontrolle der Trinkwasserqualität Frühzeitige Kontaminationsfeststellung Ø Kontinuierliche In-line Kontrolle am einem beliebigen Ort im Verteilungsnetz Frühzeitige Ortung der Kontaminationsstelle Nachteile für das WVU: Multisensortechnik mit Referenzorganismen Fotoquelle: 18. 02. 2021 Ø Maschinelles Lernverfahren für neue Kontaminationsstoffe Entwicklung bzw. Einsatz neuer Referenzorganismen mit erhöhtem zeitlichen Aufwand Fraunhofer - Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung I OSB, Karlsruhe Prof. Dr. -Ing. Frank Kolb HTI-TWT, 21. November 2019, Folie 21 von 22

Fazit Ø Zentrale strukturierte Erfassung von heterogenen Daten Ø Analyse lokaler und systemübergreifender Informationen Ø Erzeugung von Betriebskennzahlen mit hoher Datenintegrität Ø Effizientere Betriebsführung durch bessere Arbeitsflussanalyse Ø Kostenreduktion mittels ereignisgesteuertem Anlagenbetrieb Ø Hohe Datenintegrität stellt gute Basis für Investitionsentscheidungen dar Ø Integration lokaler Echtzeit Niederschlagsdaten zur Qualitätssicherung Ø Virtualisierung ermöglicht bessere zukünftige Zustandsüberwachung 18. 02. 2021 Prof. Dr. -Ing. Frank Kolb HTI-TWT, 21. November 2019, Folie 22 von 22