Sensoren in der Kanalisation und über der Erde erfassen in der Zürcher Gemeinde Fehraltorf Regenmengen, Pegelstände und Abflüsse. Niedrigenergiefunk überträgt die Messwerte ans Internet. Das Drahtlossensornetzwerk, aufgebaut von der Eawag und der ETH Zürich, ist ein weltweit bisher einzigartiges Feldlabor für Entwässerungssysteme.

Frank Blumensaat (r.) und sein technischer Mitarbeiter Simon Dicht. (Fotos: Kellenberger Kaminski Photographie)

Wer in Fehraltorf über die Strasse geht, realisiert kaum, dass unter seinen Füssen ständig Daten aufgezeichnet und nach oben gefunkt werden. Der Pegelstand in den Entwässerungskanälen, die in städtischen Gebieten unter drei Viertel aller Strassen verlaufen, wird in der Zürcher Gemeinde mit Sensoren erfasst. Die Ultraschall-Füllstandmesser unter den Schachtdeckeln übermitteln alle fünf Minuten den gemessenen Wert drahtlos an eine Basisstation, welche die Daten an einen Internetserver weiterleitet.

Die Sensoren in der Kanalisation sind Teil eines Feldexperiments, das der Umweltingenieur Frank Blumensaat an der Eawag leitet. «Die Digitalisierung eröffnet uns Möglichkeiten, die so noch nie dagewesen sind», sagt der Fachmann für Siedlungswasserwirtschaft, der auch Dozent an der ETH Zürich ist: «Immer mehr Daten können ressourcenschonend mittels räumlich verteilter Sensoren erfasst und übertragen werden.» Innovativ ist die in Fehraltorf entwickelte Kombination aus robusten und energieeffizienten Sensoren und Datenübertragung via Niedrigenergiefunk, kurz LPWAN für «Low Power Wide Area Network» des Internet der Dinge (Internet of Things, IoT). Der hier verwendete LoRa®-Standard hat trotz dem direkten Einsatz im Untergrund eine grosse Reichweite, braucht aber viel weniger Energie als der Mobilfunk und ist deutlich günstiger.

Internet der Dinge

Internet der Dinge

Das Internet der Dinge (IdD) (englisch Internet of Things, IoT) bezeichnet die Vision einer globalen Infrastruktur der Informationsgesellschaften, die es ermöglicht, physische und virtuelle Gegenstände miteinander zu vernetzen und sie durch Informations- und Kommunikationstechniken zusammenarbeiten zu lassen.

«Autarke Messgeräte mit langen Standzeiten zu betreiben und Daten effizient zu übertragen, das ist die Innovation in unserem urbanhydrologischen Feldlabor», erläutert Frank Blumensaat. «Bisher wurden die Daten auf kleinen Speicherkarten, die in ihren Speicherkapazitäten begrenzt sind,  in den Messgeräten aufgezeichnet. Man musste also regelmässig hingehen und die Werte auslesen.» Der Niedrigenergiefunk erspart diesen Aufwand. Seit dem Start des Projekts im Februar 2016 mit fünf Regenmessern hat das Eawag-Team auf einer Fläche von drei mal drei Kilometern rund 60 Sensoren installiert und erstmals gezeigt, dass sich diese ressourceneffiziente Technologie zur Erfassung der hochdynamischen Vorgänge in Entwässerungssystemen bestens eignet.

Frank Blumensaat (l.) und sein technischer Mitarbeiter Simon Dicht.

Vor Überflutung warnen

Dass die Standortwahl für das Feldlabor auf Fehraltorf fiel, war einerseits naheliegend – der Ort ist nur rund 15 Kilometer von der Eawag in Dübendorf entfernt –, andererseits bestanden bereits gute Kontakte zur lokalen Industrie. Vor allem aber ist die Gemeinde mit rund 7000 Einwohnerinnen und Einwohnern repräsentativ für ein Schweizer Entwässerungssystem. In ihrem Projekt wollen die Forschenden den Wasserhaushalt im Stadtgebiet möglichst genau und umfänglich erfassen, angefangen vom Regen, der über Strassen und Plätze in das Entwässerungssystem abgeleitet wird, bis zum Wasser, das in die Kläranlage und ins Gewässer fliesst oder in den Boden eindringt und den Grundwasserspiegel anhebt. Ziel ist es, mehr und insbesondere räumlich differenzierte Informationen zu den Abläufen in schwer zugänglichen Bereichen zu gewinnen und diese sinnvoll zu nutzen, zum Beispiel zur Frühwarnung vor Überflutungen bei Starkregen oder vor Kontamination.

Man kann mit Hilfe des Sensornetzwerks aber auch herausfinden, wie viel Abwasser in Bäche, Flüsse und Seen gelangt und wie sich diese Belastung minimieren liesse. Auch undichte Kanäle lassen sich identifizieren und sanieren. Dazu brauchte es bis anhin aufwändige und teure Messungen. Frank Blumensaat hofft, dass dank der Digitalisierung künftig selbst Gemeinden mit beschränktem Budget ihr Entwässerungssystem effizient überwachen und geeignete Massnahmen zum Umweltschutz treffen können. Das Projekt dient denn auch während seiner fünfjährigen Laufzeit zur Ausbildung von Studierenden, die als Ingenieure von morgen das neue Wissen in die Planungsbüros bringen sollen. So erlernen die jungen Umweltingenieurinnen und Umweltingenieure im Rahmen der 2017 neu eingeführten Mastervorlesung «Planung und Modellierung von Abwassersystemen» den Umgang mit modernen Simulationswerkzeugen direkt mit den hochaufgelösten Daten des Feldlabors.

«Die Veröffentlichung umweltrelevanter Daten kann durchaus sensible Aspekte beinhalten», so Frank Blumensaat, «hier gilt es noch offene Fragen zu klären.»

Doch der Fachmann warnt vor übertriebenen Vorstellungen im Zuge der digitalen Transformation. Der sinnvolle Umgang mit den grossen Datenmengen und die rasante Entwicklung des «Internet der Dinge» sind Herausforderungen. Aber auch das von dem Wissenschaftler angestrebte Ziel, die gesammelten Daten öffentlich zugänglich zu machen, so dass andere Forschende weltweit damit arbeiten können. Da stellen sich Fragen des Datenschutzes. Denn kennt man die Zusammensetzung der Abwässer, lassen sich beispielsweise Rückschlüsse auf das Konsumentenverhalten ziehen. «Die Veröffentlichung umweltrelevanter Daten kann durchaus sensible Aspekte beinhalten», so Frank Blumensaat, «hier gilt es noch offene Fragen zu klären.»