Ausgerechnet der Schnee spielt im Sonnenstaat Kalifornien eine wichtige Rolle bei der Wasserversorgung. Er sammelt sich im Winter in den Höhenzügen der Sierra Nevada, schmilzt im Frühling und versorgt Kalifornien im Sommer mit Wasser. Nachdem bereits seit 2011 Dürre herrscht, blieb im vergangenen Jahr auch der Schnee aus. Das zwingt die Behörden nun zu drastischen Sparmaßnahmen. Sie setzen dabei auf das Internet der Dinge und auf moderne Analysewerkzeuge aus der Cloud. Ganzheitliche Datenauswertungen helfen, Ressourcen zu sparen und flexibel auf unvorhersehbare Ereignisse zu reagieren, wie zwei Beispiele aus Monterey und San Francisco zeigen.
Die Verwaltung von Wasserressourcen ist ein energieaufwendiger Prozess. Dazu kommt, dass die Preise für Energie ausgerechnet dann am höchsten sind, wenn das meiste Wasser verbraucht wird. Um hier zu optimieren, stattet die Monterey Regional Water Pollution Control Agency (MRWPCA) ihre Anlagen mit Sensoren aus. Die so gewonnenen Daten nutzt die Behörde, um die Verteilung des kostbaren Guts an Farmer und andere Konsumenten zu optimieren.
Wann immer die Nachfrage die Kapazitäten übersteigt, muss die Behörde zusätzliche Ressourcen wie Brunnen und weitere Pumpen einbinden. Das wiederum treibt die Energiekosten in die Höhe. Unterm Strich gehört die Wasserbehörde zu den größten Stromverbrauchern in der Region. Nicht selten muss sie sogar Strafgebühren zahlen. „Das Zuschalten einer einzigen Pumpe kann die Agentur Tausende von Dollar kosten“, sagt Tom Kouretas, der als Energieingenieur bei der MRWPCA arbeitet.
Angebot und Nachfrage kennen
Durch das Verschieben von Wasserlieferungen in die Nacht und durch die Nutzung von Solarenergie am Tag kann die Behörde diesen Mehraufwand mindern. Allerdings lassen sich dadurch nicht alle Probleme lösen. Um weiter optimieren zu können, braucht die Behörde detaillierte Informationen über die Zusammenhänge zwischen Wasserverbrauch und Energiekosten, Spitzenzeiten und Auslastung der Anlagen. Diese Einblicke erhält die MRWPCA nur über eine gigantische Menge von in Echtzeit erhobenen und analysierten Daten aus der fast 15.800 km2 großen Region.
Zusammen mit den Microsoft-Partnern Candi Controls und MC Engineering installierte die MRWPCA für die Messung des Verbrauchs Sensoren in ihren Anlagen. Damit ergänzt das System das bereits seit den 80er Jahren genutzte – und teure – Supervisor Control And Data Acquisition-System (Scada). „Die hohen Kosten für das Hinzufügen moderner Sensorik sind der Grund, warum wir mit Scada nie einen wirklich ganzheitlichen Blick auf die Verbrauchsdaten hatten“, sagt Mark Carey, Präsident von MC Engineering. „Moderne, leichtgewichtige und intelligente Sensoren sind in der Lage, sich mit vielen Systemen zu vernetzen – bei geringerer Komplexität und niedrigeren Kosten.“ Tatsächlich war das neue System in nur 30 Tagen einsatzbereit. Zudem musste die Behörde dafür nur 20 Prozent dessen ausgeben, was es gekostet hätte, das veraltete Scada für das erweiterte Monitoring aufzurüsten.
Um die Daten der über die Cloud vernetzten Sensoren empfangen und verarbeiten zu können, nutzt die Wasseragentur Azure Event Hubs von Microsoft. Das System speist die erhobenen Daten in Azure Stream Analytics ein, das die Auswertung dieses immensen Informationsflusses über Energieverbrauch und Leistungsanforderungen ermöglicht. Die Ergebnisse werden anschließend über Microsoft Power BI in Dashboards aufbereitet und visualisiert, um den Ingenieuren rasche Entscheidungen zu erlauben. Doch das ist nur ein Zwischenschritt hin zu ganz neuen Analysemöglichkeiten.
Die Ingenieure von Candi Controls und MC Engineering arbeiten schon daran, neben der Verarbeitung von Realtime-Daten auch valide Vorhersagen für die Zukunft möglich zu machen. Dadurch sollen sich die Reaktionszeiten auf Engpässe und Überlastungen weiter verringern. Zu diesem Zweck werden Wetterdaten und Temperaturvorhersagen integriert. „Die Cloud macht solche Vorhersagen und damit auch völlig neue Chancen für operatives Handeln möglich“, sagt Mark Carey, Präsident von MC Engineering.
Vor ähnlichen Problemen wie Monterey Bay steht man in der Metropole San Francisco. Um rund 2,6 Millionen Menschen mit Wasser versorgen zu können, ist auch die San Francisco Public Utilities Commission (SFPUC) auf valide Daten angewiesen. Die Kommission unterhält vier Wasseraufbereitungsanlagen im Stadtgebiet, die nur dann durch Mitarbeiter der SFPUC in Betrieb genommen werden, wenn genug Regen fällt. „In der Vergangenheit“, berichtet Tommy T. Moala, der stellvertretende Generaldirektor der Kommission, „haben wir dort jedoch auch Leute hingesetzt, wenn es nicht geregnet hat.“ Das war ineffizient und unnötig teuer.
Viele Alternativen hat die Behörde nicht: Das Abpumpen von Wasser aus den Bergen kostet bis zu 1000 US-Dollar pro Einheit (zirka 1,2 Millionen Liter). Skalierbar ist diese Form der Wassergewinnung nicht, denn zusätzliche Dämme werden für die Wasserspeicherung nicht errichtet. Und das Aufbereiten von Abwasser kostet gleich zehnmal so viel. Also hat die SFPUC nur eine Möglichkeit: Die vorhandenen Ressourcen der vier städtischen Anlagen und das dafür zur Verfügung stehende Personal optimal einzusetzen.
Microsoft-Partner Osisoft baute deshalb eine Echtzeit-Infrastruktur, um erfolgskritische Informationen zu managen. Die Realtime-Daten für solche Entscheidungen kommen wie in Monterey von Sensoren und erlauben es, unmittelbar zu reagieren. Ronan de Hooge, Cloud-Architekt bei Osisoft, berichtet: „Normalerweise landen solche Daten in irgendwelchen Speichersystemen oder Datenbanken, aber das ist hier anders: Hier stehen sie direkt und in Echtzeit zur Verfügung.“
Die Cloud bewältigt Terabytes
Das System ist in der Lage, Terabytes an Daten zu verarbeiten. „Das sind Größenordnungen, die wir allein nicht schaffen können“, sagt de Hooge. „Wir nutzen deshalb stattdessen die Microsoft-Cloud, die uns nicht nur Kapazitäten in dieser Größenordnung zur Verfügung stellt, sondern auch die Anwendungen für die Echtzeitanalyse der Daten.“ Azure Machine Learning und Azure Stream Analytics erlauben den Behörden in San Francisco, Daten auf der Basis von Industriestandards zu verarbeiten und zu analysieren. Mehr als 300 Millionen Liter Wasser am Tag pumpt das gesamte Wasserversorgungssystem an einem normalen Tag in die Bay-Region rund um die Millionenstadt. Kommt es zu heftigen Regenfällen, steigt diese Zahl bis auf 2,2 Milliarden Liter an. Auf der Basis von Echtzeitdaten ist die Wasserbehörde nun in der Lage, die vorhandenen Ressourcen besser zu nutzen und zu verteilen, ohne dass es zu Lieferengpässen und Überbelastungen kommt.
„Für unsere Arbeit ist Technologie erfolgskritisch“, sagt der stellvertretende Generaldirektor Moala. „Wir sind ein datengetriebenes Unternehmen. Wir wollen genau wissen, wann wie viel Wasser in unsere Anlagen kommt und rausgeht. Mittlerweile können wir das auf kleinste Einheiten genau erheben. Die Cloud hilft uns dabei, Kosten für Server und Software zu sparen. Stattdessen können wir unsere Mittel dafür verwenden, wofür sie gebraucht werden: für die Versorgung von mehr als zwei Millionen Menschen mit Wasser.“
