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Der sicherste Zugang zu sauberem Trinkwasser ist ein Anschluss der Wohnung an ein Wasserversorgungssystem. In Städten ökonomisch entwickelter Staaten ist die Bevölkerung für die Befriedigung ihrer überlebenswichtigen Bedürfnisse nahezu vollständig auf diese großtechnischen Systeme angewiesen. Städtische Wasserversorgungssysteme gelten deshalb als kritische Infrastruktur. Durch steigende Urbanisierung, Wasserknappheit, Extremwetterereignisse und notwendige Energieeinsparung infolge des Klimawandels sowie Alterung der Komponenten sind sie Gefährdungen und Stress ausgesetzt. Digitalisierung bietet Möglichkeiten, diesen Herausforderungen zu begegnen, bringt jedoch neue Gefährdungen durch Cyberangriffe mit sich. Ein Ausfall der Trinkwasserversorgung kann Katastrophale Auswirkungen haben.

Wie können Systeme der Unsicherheit durch solch vielfältige Gefährdungen beikommen?

Ein Ansatz ist es, sie nach dem Prinzip der Resilienz zu gestalten. Resiliente technische Systeme sind in der Lage auch während kritischer Ereignisse ein Mindestmaß ihrer Funktion aufrechtzuerhalten und anschließend ihre volle Funktionsfähigkeit wiederzuerlangen.

In meiner Forschung untersuche ich, wie städtische Trinkwasserversorgungssysteme gestaltet und betrieben werden können, damit sie resilient werden. Dafür betrachte ich die Hypothese, dass Dezentralisierung die Resilienz steigert. Durch die Unterteilung eines Wasserversorgungssystems mittels Ventile in autarke, stabile Subsysteme mit jeweils eigener Potentialquelle (Pumpe, Tank), soll die Auswirkung von Schadensereignissen in den betroffenen Subsystemen eingedämmt werden, während die Energieeffizienz unter ungestörten Bedingungen gesteigert und die Überwachung der Subsysteme vereinfacht wird. Dezentralisierung erfolgt nicht nur im Hinblick auf Systemtopologie, sondern auch durch die Ausstattung der Pumpen und Ventile mit eigenen Reglern, so dass sich die systemweite Regelung aus dem Zusammenspiel der einzelnen Komponenten ergibt, anstatt dass das gesamt System von einer zentrale Regeleinheit, die einen einzelnen Ausfallpunkt darstellt, abhängt.

Ein besonderer Fokus meiner Arbeit liegt auf der Entwicklung und Erprobung der Regler. Diese sollen die vier Funktionen zum Erreichen von Resilienz erfüllen: überwachen, reagieren, lernen und antizipieren. Unter Verwendung von Methoden der Zeitreihenanalyse, die teils aus den Wirtschaftswissenschaften entlehnt sind, wird der aktuelle Zustand des Systems überwacht und auf das Vorliegen einer Störung hin überprüft. Wird eine Störung erkannt, passt der Regler auf Grundlage der Störung den Sollwert an, um dem Einfluss der Störung entgegenzuwirken. Durch die Auswertung nach Durchlaufen einer Störung kann der Regler aus der Störung lernen und passt die Grenzwerte für das Vorliegen einer Störung an. Durch Prädiktion auf Grundlage von Erfahrungswerten, können neue Störungen antizipiert werden.

Zusätzlich betrachte ich Wasserversorgungssysteme als sozio-technische Systeme. Das bedeutet, ich berücksichtige auch die Rolle, welche Verbraucher*innen bei der Resilienz eines technischen Systems spielen können.

Ich nutze für die experimentelle Validierung meiner Forschung einen Prüfstand .