Megastädte sicher mit Wasser und Energie versorgen

Weltweit ziehen immer mehr Menschen in Megastädte. Charakteristisch für diese urbanen Ballungsräume mit mehr als zehn Millionen Einwohnerinnen und Einwohnern sind – gerade in Entwicklungsländern – schnell wachsende illegale Ansiedlungen an ihren Rändern. Insbesondere hier lebt ein großer Teil der Bevölkerung ohne Zugang zu sauberem Wasser und Versorgung mit Energie. Auch die Entsorgung von Abwasser ist – in des Wortes doppelter Bedeutung – „ungeklärt“. Dabei sind die Rahmenbedingungen für die Ver- und die Entsorgung in den Megastädten höchst unterschiedlich. Und damit auch die Herausforderungen an das Ressourcen-Management.

Eine Frau blickt in Richtung Kamera. Foto: Fotoatlier Katrin Wiegand, Magdeburg
Dr. Gloria Sofía Robleto Domínguez

Gloria Sofía Robleto Domínguez hat in ihrer Dissertation bei Prof. Dr. Dr. Wolfgang A. Halang an der FernUniversität in Hagen den Ansatz für ein Modell zur „Simulation und Steuerung gekoppelter Systeme – Wasser und Energie in einer Megastadt“ entwickelt: „In Lateinamerika und in Nicaragua haben wir große Probleme mit der Wasserversorgung und der Abwasserentsorgung. Ich wollte in meinem Land dazu beitragen, das Wasserressourcen-Management zu verbessern.“

Gloria Robleto ging es um Antworten auf zwei zentrale Fragen:

  • Wie können begrenzte Wasser- und Energieressourcen und Kapazitäten von Ver- und Entsorgungsinfrastrukturen in urbanen Ballungsräumen optimal bewirtschaftet und verteilt werden, um die steigende Nachfrage vollständig zu decken und natürliche Bestände zu schonen?
  • Welche Möglichkeiten bietet eine modellbasierte integrierte Analyse von Infrastrukturen verschiedener Ressourcen, um effiziente und nachhaltige Nutzungskonzepte zu entwickeln?

Gloria Sofía Robleto Domínguez

studierte in Managua Bauingenieurwesen mit dem Schwerpunkt Wasserwirtschaft. Zu ihrem anschließenden Masterstudium Tropenwasserwirtschaft von Oktober 2006 bis Mitte 2008 an der Leuphania-Universität Lüneburg gehörte ein dreimonatiges Praktikum im peruanisch-deutschen Projekt „Lima-Wasser“ (LiWa). Dabei ging es um Konzepte für das nachhaltige Management von Wasser und Abwasser in urbanen Wachstumszentren in Zeiten des Klimawandels. Koordiniert wurde es vom Institut für Automation und Kommunikation e.V. in Magdeburg („ifak“), an dem sie seit 2008 Wissenschaftliche Mitarbeiterin ist. Nach dem Abschluss ihres Studiums ergab sich durch eine Kooperation zwischen dem „ifak“ und dem Lehrgebiet Informationstechnik von Prof. Dr. Dr. Wolfgang A. Halang (FernUniversität) die Möglichkeit, in Hagen zum Wasserressourcen-Management zu promovieren. Gloria Robleto lebt mit ihrem Partner und ihrer siebenjährigen Tochter in Magdeburg.

Kapazitäten bewirtschaften, Bedarfe decken

Gloria Robleto entwickelte ein Modell, mit dem die Bedarfe der Menschen an Wasser, Energie und Wasserentsorgung, die vorhandenen Infrastrukturen und die gegenseitigen Einflüsse dargestellt werden können. Eine Besonderheit war die Entwicklung eines umfassenden Steuerungskonzepts zur Bewirtschaftung von Kapazitäten und für die Deckung von Bedarfen. Damit lassen sich auch großflächige Infrastruktursysteme – Wasserversorgung, Energieversorgung, Abwasserentsorgung – integriert analysieren.

Mit neuen Prozessmodellen bezieht die Wissenschaftlerin Endverbraucherinnen und Endverbraucher, ihre Ressourcenbedarfe und ihr Verhalten in die Berechnungen ein. Diese können zudem auf unterschiedliche Bevölkerungsgruppen angewendet werden. Die Einwohner der peruanischen Hauptstadt Lima mit ihrem Wüstenklima brauchen pro Tag zwischen 30 und 400 Liter Wasser: Angehörige höherer sozialer Schichten verbrauchen mehr Wasser als Menschen unterer Schichten.

Das Modell lässt sich ebenfalls auf Städte unterschiedlicher Größen und Erdregionen anwenden, nicht nur auf Lima, sondern auch das tropisch-wechselfeuchte Da Nang in Vietnam oder Frankfurt am Main mit seinem kalt-gemäßigten Klima und hoher jährlicher Niederschlagsmenge.

Foto: Flickr / serious cat
In der Metropolregion Lima leben rund 8,5 Millionen Menschen.

Komplexe Infrastrukturen besser verstehen

Diese Methode ermöglicht ein besseres Verständnis von komplexen Infrastrukturen bei der Versorgung mit Ressourcen wie Wasser und Energie und bei der Ableitung von Abwasser; sie macht die Wechselwirkungen dieser Systeme transparenter: „Das ist eine Grundvoraussetzung, um solche Ressourcen zu managen“, betont Gloria Robleto.

Mit ihrer Methode können beispielhaft verschiedene Bestandteile bzw. Infrastrukturen dieser Sektoren ausgewählt und analysiert werden: Wie beeinflussen sie sich gegenseitig? Welche Vorteile ergeben sich, wenn Ver- und Entsorgungsinfrastrukturen gemeinsam betrachtet werden – beim Sektor „Wasser“ z.B. Wassergewinnung, -aufbereitung und -verteilung. Wenn es um das Wassermanagement geht, sind dann u.a. Wasserverbrauch, Abwasseranfall, -entsorgung und -reinigung zu berücksichtigen.

Zukünftige Einflüsse berücksichtigen

Diese umfassende Betrachtung trägt zum besseren Management von Wasser-, Abwasser- und Energieressourcen in schnell wachsenden Städten bei und unterstützt Planungsprozesse. So lässt sich genauer einschätzen, welche Einflüsse die Bevölkerungsentwicklung einer Stadt und der Klimawandel auf die Infrastrukturen haben dürften. Beides sind Faktoren, die den zukünftigen Wasserverbrauch beeinflussen können. Wie und in welchem Ausmaß, lässt sich mit dem Modell genauer berechnen. Daraus ergibt sich auch, wann und wie die Infrastruktur ausgebaut werden muss.

Über die Wasserversorgung hinaus kann man aufgrund der integrierten Betrachtungsweise mehrerer Sektoren auch wertvolle Planungsunterlagen für andere Bereiche, etwa die Energieversorgung, erhalten: Talsperren z.B. werden oft für die Wasser- und für die Energieerzeugung genutzt.

Eine Brücke spannt sich über einen Fluss mit wenig Wasser, im Hintergrund sind hohe Berge zu sehen. Foto: CreativeCommons / AgainErick
Der Río Rímac trägt mit seinem Verbundspeichersystem durchschnittlich 78 Prozent zur Wasserversorgung der Stadt Lima bei. Beide wasserwirtschaftlichen Komponenten – Fluss und Talsperren – wurden mit Gloria Robletos Methode untersucht.

Komplexe Wechselwirkungen

Somit gibt es nicht nur im Sektor Wasser (zwischen Wassergewinnung, -aufbereitung und -verteilung) komplexe Wechselwirkungen, sondern auch intersektoral etwa mit der Energieerzeugung. Nehmen beispielsweise aufgrund des Klimawandels die Regenmengen ab, kann das zu Engpässen in der Wasserversorgung führen. Und zu einer verminderten Stromerzeugung durch Generatoren, die mit Wasserkraft angetrieben werden. Eine andere Folge kann eine höhere Belastung des Abwassers sein, da die geringere Menge zugeleiteten Wassers eine gleichbleibende Schmutz- und Schadstofffracht aufnehmen muss. Reichen dann die Reinigungsleistungen von Kläranlagen noch aus?

Welche Maßnahmen nun getroffen werden, ist eine alles andere als leicht zu beantwortete Frage. Die Verantwortlichen müssten wissen, ob sie sich auf zu wenig Wasser oder zu viel – was zu Überschwemmungen führen kann – einstellen müssen. Drohen Stromengpässe? Talsperren zu erweitern oder gar neu zu bauen, dauert Jahrzehnte. Unterstützt werden können sie von Robletos Modell nicht nur bei der Entscheidung selbst, sondern auch dabei, den richtigen Zeitpunkt für ihr Handeln zu finden.

Umfassend denken!

Die Wissenschaftlerin empfiehlt den Verantwortlichen vor allem, „umfassend zu denken“, also miteinander vernetzte Systeme in ihrer Gesamtheit zu betrachten. Und zwar frühzeitig: „Entwicklungen kann man mit Szenarien bereits heute untersuchen. Gerade zukünftig trockene Bereiche kann man gut voraussagen, indem man mit den Szenarien ‚spielt‘ und erkennt, welcher Faktor welche Wirkungen hat.“

In Lima haben Verantwortliche von zwei Ver- und Entsorgungsunternehmen die Vorteile von Robletos Modell bereits früh erkannt und ihre Arbeit in vielfältiger Weise unterstützt. Nun warten sie darauf, dass sie deren Endergebnisse für die Wasser- und Elektrizitätsinfrastrukturen der Stadt nutzen können. Die regionalen Wasser-, Abwasser- und Energieströme wurden für einen Zeitraum von 23 Jahren in monatlichen Abständen analysiert: Zwei Szenarien zeigten, welche unterschiedlichen Auswirkungen Bevölkerungsentwicklungen, Klimaänderungen sowie technische und nicht-technische Maßnahmen auf Wasser- und Stromversorgung, Abwasserentsorgung und -reinigung der Stadt haben können.

Gerd Dapprich | 21.05.2019