Methoden zur koordinierten Optimierung von Wasserversorgungssystemen in zukünftigen Energiesystemen unter großer klimatischer Unsicherheit

Der Klimawandel verschärft die Probleme der Verfügbarkeit von Trinkwasserressourcen, die bereits für 80% der Weltbevölkerung bedroht sind. Es ist von daher wichtig, Systeme sorgfältig zu konzipieren, die Wasser mit hoher Zuverlässigkeit, langfristiger Nachhaltigkeit und niedrigere Kosten bereitstellen können. Außerdem erzeugt die Energiewende in der nahen Zukunft stark schwankende Strompreise was sich auf die Gestaltung, den Betrieb und die Kosten von Wasserversorgungssystemen auswirken wird.

In der Literatur sind erste koordinierte Planungsansätze für Wasser- und Energiesysteme aufgetaucht. Diese jedoch begrenzen sich hauptsächlich auf die Bewertung einzelner Wasseranlagen. Das Verständnis komplexerer (z.B. aus mehreren Quellen bestehender) Wassersysteme, die langfristige Investitionsplanung von gekoppelten Wasser-Energie-Systemen und die langfristige Nachhaltigkeit unter dem Einfluss des Klimawandels sind entscheidende Aspekte, die mehr Forschung erfordern.

Unser übergreifendes Ziel ist die Verbesserung des Planungsprozesses der Infrastruktur und des Betriebs von Wasserversorgungssystemen, wobei der Schwerpunkt auf der Wasserentnahme und -produktion aus verschiedenen Quellen liegt. Diese Methoden zur Entscheidungsfindung werden auf die Ressourcenknappheit, die Klimaunsicherheit und die fortschreitende Energiewende zugeschnitten und gleichzeitig die Komplexität von Wassersystemen mit mehreren Quellen berücksichtigen.

Unser Vorhaben ist in drei Arbeitspakete strukturiert. Im ersten werden wir Methoden zur Planung des kurzfristigen (Wochen) Betriebs komplexer Systeme der lokalen Wasserversorgung vorantreiben. Dafür werden wir neuartige multikriterielle Optimierungsmodelle (Wasserqualität, Kosten) für Wasserversorgungssysteme mit mehreren Quellen entwickeln, die in intelligente Energiemärkte eingebunden sind. Maschinelles Lernen zur Vorhersage des Wasserbedarfs und der Stromkosten für die Wasserproduktion wird in dieses Optimierungsproblem eingebettet. Im zweiten Arbeitspaket werden wir Optimierungsmodelle für eine koordinierte Investitionsplanung für die Infrastruktur von Wasser-Energie-Systemen entwickeln. Diese werden so konzipiert sein, dass sie gegen Dürren unterschiedlicher Intensität und Dauer abgesichert sind, wie die Megadürren, die vielen Ländern in jüngster Zeit widerfahren sind. Im dritten Arbeitspaket werden wir unsere Methoden erweitern, um mit tiefen (d.h. schwer quantifizierbaren) Unsicherheiten umzugehen, die das langfristige (Jahrzehnte) Wassermanagement prägen. Unsere dazu entwickelten Methoden werden sich auf adaptive Investitionsstrategien konzentrieren.

Die Ergebnisse unserer Grundlagenforschung werden Konzepte und Methoden für ein nachhaltiges und kosteneffizientes Wassermanagement sein, einschließlich der Betriebs- und Infrastrukturplanung. Die Weiterentwicklung dieser Planungsmethoden wird dazu beitragen, die Wasserversorgungssysteme auf den Klimawandel und auf die Gefährdung der Versorgungssicherheit vorzubereiten.