More than bits and bytes
Digitalization in the water industry
Water supply companies are currently facing various challenges - heavy rainfall events, periods of drought, a shortage of skilled workers, bureaucratic hurdles, IT security and increased customer demands are just a few examples. It is becoming clear that some suppliers have taken measures to modernize and digitize in recent years and are currently facing the situation more calmly than many others. This raises the question of why the majority of companies are hesitant to open up to new opportunities, even though the supply is available and growing rapidly.
In recent years, the industry has been confronted with a large number of digital offerings and new technologies from various service providers and manufacturers. Given the mass and complexity of the offerings, this can quickly become opaque and overloaded - especially when water suppliers are already struggling with various challenges.
Nevertheless, the digitalization of the water industry has become much more important in recent years. No water supplier or industrial company in this sector is not dealing with this topic in one way or another. The use of digital technologies has an impact on all stages of the water supply value chain - from raw water extraction to billing.
This can be categorized into three levels: The product level, process level and organizational level. The latter in particular must gain in importance as part of the digital transformation. Digitalization is more than just bits and bytes and requires comprehensive approaches with people at the center.
Date: 05.02.2024 | Reading timet: 10. Min.
Product level
At product level, there are four main elements to consider: Water meters, transmission technologies, power supply and higher-level IoT security.
Water meter
Mechanical water meters, if still in use, should be installed in the variants that already have a pulse interface or can be retrofitted with radio or pulse interfaces, e.g. the Itron Aquadis+.
Itron Aquadis+ with attached pulse interface
The current state of the art is electronic water meters with ultrasonic or magnetic-inductive technology for more accurate and long-term stable volume measurement. In addition to the higher quality measurement, electronic water meters offer further advantages, e.g. measurement of forward and reverse volumes, alarm messages (dry running, continuous flow, maximum flow, media temperature, etc.). The meters usually also have the option of radio transmission in various technologies and formats. For example, open standards such as M-Bus and wM-Bus according to OMS (Open Metering System) including different security encryptions, but also manufacturer-specific technologies such as Sensus RF, which enables greater transmission ranges. In recent years, other LPWAN technologies (Low Power Wide Area Networks) such as LoRaWAN, Nb-Iot or Mioty have been added.
Transmission technologies
The data can be transmitted to the server in different ways. Directly from the water meter (Nb-IoT), via walk-by/drive-by (here the meters are read, usually via wM-Bus, while walking or driving past) or in a so-called fixed network, in which the data is collected by permanently installed gateways (e.g. iQ wM-Bus Bridge) and then sent to the servers, e.g. via Nb-IoT or LoRaWAN. In recent years, LoRaWAN has established itself as a purpose-built network, often for cost reasons. However, the costs for Nb-IoT or LTE technology have now fallen to such an extent that a dedicated network no longer necessarily means comparatively lower costs. An analysis of the individual coverage areas is necessary here to see which technology makes the most sense in which area. In most cases, a mix of several transmission technologies will probably be used.
There are many ways to send data using transmission technologies. On the one hand, but more in a private environment, there is the option of WiFi transmission, where the data is sent to the relevant servers via the Internet. In the existing mobile network, there is the option of transmitting data via 4G, 5G, Nb-IoT and as a fallback via GSM. The selection of the appropriate technology depends on the local conditions and the use case, in particular data volume and frequency. The new 450 MHz network is based on LTE technology and is to be fully rolled out in Germany by 2025. It is particularly suitable for the transmission of failure-critical data, as a high level of availability can be guaranteed.
Another option is to set up or use your own LPWAN network such as LoRaWAN, in some cases Sigfox (French provider) or, more recently, Mioty (as a further development of LoRaWAN). With all options, it is important that the data is transmitted securely and encrypted.
The end points of data transmission should also not be neglected - where is the data collected, stored and processed for further use? There are very secure solutions here, such as the iQ water system or the IoTree solution. The concept must be considered and implemented as an overall solution from start (meter) to finish (e.g. billing).
Stromversorgung
Ein besonderes Augenmerk ist auf die Stromversorgung der IoT-Geräte zu richten. Zähler laufen meist mit fest eingebauten Batterien, die - abhängig von der Sendehäufigkeit und Datenmenge - eine Nutzungsperiode halten. Vorteil ist hier auch die Ortsunabhängigkeit und dass sie manipulationssicher im Gehäuse integriert werden können. Ausgeführt als Akkumulator können diese auch nachgeladen werden, wenn es im Anwendungsfall sinnvoll ist. Nachteilig ist, dass dauerhaft nur geringe Ströme möglich sind, denn z.B. für die Stellung von elektromechanischen Ventilen werden große Batteriepakete benötigt. Auch die Sendefrequenz und Datenmenge ist begrenzt.
Ein fester 230V-Stromanschluss dagegen eignet sich für Anwendungsfälle mit hohem Strombedarf durch hohe Sendefrequenzen oder Datenmengen, aber auch zum Betrieb weiterer Infrastruktur. Zudem gibt es keine Laufzeitbeschränkung. Nachteilig ist dagegen die Ortsbindung und dass Stromanschlüsse nicht überall wirtschaftlich hergestellt werden können.
IoT-Security
Intelligente Messgeräte bzw. IoT-Anwendungen ermöglichen alternativlos die Digitalisierung der Netzinfrastruktur, bergen aber auch ein Gefahrenpotenzial. So sind kommunizierende und steuernde Komponenten in Versorgungsnetzen, besonders im Bereich der kritischen Infrastruktur, attraktive Einfallstore für Angreifer.
Ebenso handelt es sich bei abrechnungsrelevanten Zählerdaten um persönliche Daten im Sinne der DSGVO, welche besonders schützenswert sind. Weiterhin gelten im Bereich kritischer Infrastruktur besondere Sicherheitsvorschriften, welche unter anderem eine Ende-zu-Ende Verschlüsselung der Datenübertragung vorschreiben. Dabei präferiert das Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI) das TLS-Verschlüsselungsprotokoll. TLS ist ein Verschlüsselungsprotokoll, welches zur Absicherung der Übertragung von Daten im Internet eingeführt wurde. LoRaWAN erfüllt diese hohen Anforderungen standardmäßig nicht.
Der hohe Energieverbrauch bei der Umsetzung von TLS führt zur Abnahme der Batterielebensdauer und beeinträchtigt damit die wirtschaftliche Eignung. Verschiedene Universitäten forschen an geeigneten Lösungen und haben in den letzten 15 Jahren große Fortschritte darin gemacht, Kryptographie für batteriebetriebene und rechenschwache Geräte zu realisieren.
Auf diesen Grundlagen haben IoT-Sicherheitsexperten der Ruhr Universität Bochum Lösungen entwickelt und durch die Ausgründung der PHYSEC GmbH im Jahre 2016 auf den Markt gebracht. Gemeinsam mit dem Wasserzähler-Hersteller Kamstrup und der Gelsenwasser AG wurde daraufhin ein Konzept entwickelt, das eine BSI-konforme Anbindung von Wasserzählern, selbst im KRITIS-Bereich, ermöglicht.
Für die Energie- und Wasserwirtschaft existiert so eine den BSI-TLS-Anforderungen konforme DTLS-Lösung inklusive Integrationsleistungen für LoRaWAN und NB-IoT/LTE. Das ganzheitlich sichere Konzept beinhaltet zudem PHYSECs sichere IoT-Plattform IoTree, mit der Versorger die volle Kontrolle über die eigenen Daten behalten.
Prozesse und Organisation
Prozessebene
Auf der Prozessebene können durch digitale Möglichkeiten die Prozesse verbessert, vereinfachet und kostengünstiger gestaltet werden. Aber nicht nur die Wirtschaftlichkeit sollte bei dem Gedanken im Vordergrund stehen.
Unter Anbetracht des bereits existierenden Fachkräftemangels, der sich in den kommenden Jahren noch enorm intensivieren wird, können und müssen digitale Technologien eingesetzt werden, um Unternehmen langfristig zu sichern. Dies insbesondere bei kosten- und zeitintensiven Prozessen und Tätigkeiten wie der Zählerauslesung oder Dokumentationen. Damit diese Prozesse bis dahin sicher aufgebaut sind und problemlos laufen, ist es notwendig, jetzt mit der Digitalisierung zu beginnen. Die Digitalisierung ist hier kein trendiges Nice-to-Have, sondern ein Must-Have, um die Infrastruktur langfristig zu sichern.
Beispiele für die Digitalisierung von Prozessen sind unter anderem die Zählerfernauslesung, in dem kein Personal oder deutlich weniger benötigt wird, um die jährliche Ablesung und Abrechnung durchzuführen, da die Daten direkt von den Zählern übertragen und in die benötigten Systeme eingebunden werden, damit die gesamte Abrechnung mit dem Kunden automatisch läuft.
Ein weiteres Beispiel ist die Durchführung und Dokumentation von notwendigen Armaturenwartungen, z.B. die jährliche Hydrantenwartung. Dieser Prozess kann durch heute schon verfügbare Lösungen, wie z.B. Waterloo Control deutlich vereinfacht und im Aufwand verringert werden.
Es existieren beispielsweise auch schon Komplettlösungen, um das Standrohrmanagement zu digitalisieren. Damit werden aufwändige manuelle Prozesse wie die Dokumentation, das Vertragsmanagement oder die Buchung der Standrohre seitens der Kunden automatisiert.
Organisationsebene
Die Digitalisierung bietet für alle Ziele der Wasserversorgung enorme Potenziale. Sie kann sich positiv auf Sicherheit, Qualität, Kundenzufriedenheit und -service, Nachhaltigkeit sowie die Wirtschaftlichkeit auswirken. Dabei ist zu beachten, dass nicht nur die Verfügbarkeit der Technologien und die Umstellung von Prozessen über den Erfolg entscheiden, sondern ein Kernfaktor dieser digitalen Transformation die Schaffung der organisatorischen Rahmenbedingungen und die Etablierung der passenden Unternehmenskultur sind – bei denen der Mensch im Vordergrund steht.
Die Digitalisierung wird unser Arbeitsleben grundlegend verändern. Wir werden neue Aufgaben und Funktionen erlernen und übernehmen. Das erfordert auch ein neues Arbeitsverständnis. Neben der Digitalisierung sind es auch gesellschaftliche und politische Einflüsse, vor allem auch die Krisen, die gezeigt haben, dass es nicht mehr so funktioniert wie wir es gewohnt sind. Unternehmen müssen sich schnell anpassen können und flexibler werden, um sich auf neue Situationen einzustellen. Viele Beschäftigte, die schon jahrelang für ein Unternehmen tätig sind, sind an bestehende Aufgaben und Prozesse gewöhnt – das hat doch immer schon so funktioniert, wieso sollte sich auch etwas ändern?
Diese Veränderung der Arbeitswelt geht bei den meisten Angestellten zunächst mit Ablehnung, Angst und Verständnislosigkeit einher. Wie schafft man es also hier, eine Unternehmenskultur und Organisation zu entwickeln, die die Rahmenbedingung für eine erfolgreiche digitale Transformation bildet?
Ganz klar: Ein Patentrezept dafür gibt es nicht. Jedoch existieren Ansätze und Methoden, mit denen diese Basis geschaffen werden kann.
Ein Kernfaktor ist die Organisationsstruktur. Viele Unternehmen sind immer noch streng hierarchisch organisiert. Durch eben diese Veränderungen ist heutzutage allerdings ein Paradigmenwechsel zur Auflösung dieser starren Systeme notwendig. Somit spielt die Entwicklung einer agilen Organisationsstruktur eine wichtige Rolle. In agilen Strukturen gelten andere Werte und Prinzipien als in klassischen hierarchischen Strukturen. Wir bewegen uns weg von Top-Down, Kontrolle, festen Regeln und Rollen sowie Prozessorientierung hin zu Transparenz, offener Kommunikation, Flexibilität und Eigenverantwortung.
Der Unterschied zwischen hierarchischen und agilen Strukturen
Agile Organisationen arbeiten in kleinen, sich selbst organisierenden und autonomen Teams. Eine Reihe unterschiedlicher Arbeitsmethoden hilft dabei, Agilität im Unternehmen zu etablieren und für flexiblere Arbeitsprozesse zu sorgen. So können Organisationen schnell auf sich verändernde Umgebungen reagieren. Jedoch ist eine agile Organisation nicht die Lösung aller Probleme und passt auch nicht in jedes Unternehmen.
Die Firma BEULCO hat zum Beispiel ein eigenes Modell der zwei Betriebssysteme entwickelt. Sie kombiniert die klassische hierarchische Organisation mit der agilen Organisation, um Synergieeffekte zu heben. Somit auf der einen Seite Sicherheit garantieren, durch die agilen Strukturen aber auch schnell und flexibel zu agieren und Potenziale, z.B. der Digitalisierung, zu generieren, Produkte zu entwickeln und neue Geschäftsmodelle aufzubauen.
Fazit:
Die Digitalisierung in der Wasserwirtschaft hat viele Facetten. Dabei geht es nicht nur darum, „mal eben“ digitale Produkte einzusetzen oder neue Softwarelösungen zu etablieren. Die digitale Transformation muss viel umfangreicher und ganzheitlicher betrachtet werden – bis hin zu strukturellen Veränderungen der Organisation. Das funktioniert nicht von heute auf morgen, sondern ist ein langfristiger Prozess, der über alle Ebenen hin betrachtet und begleitet werden muss. Dafür gibt es viele Ansätze und Ideen – aber jedes Unternehmen muss den für sich passenden individuellen Weg gestalten.
Themen der Digitalisierung sind oft komplex und vielschichtig. Hier den Durchblick zu behalten, kann oft eine Herausforderung sein. BEULCO hat in Kooperation mit weiteren Herstellern und Dienstleistern (u.a. Pipersberg, Sewerin, Physec, symvaro) die sogenannten „Praxiswochen“ ins Leben gerufen. Über einen Zeitraum von mehreren Wochen können sich Interessierte über ein gezieltes umfangreiches Informationsangebot freuen – Webinare, Schulungen, Präsentationen oder Whitepaper sind hier nur ein Teil des Angebots. Ab Februar starten die ersten Praxiswochen zum Thema „Digitalisierung in der Wasserwirtschaft“, in denen die hier erwähnten Themen nochmals vertieft werden. Informationen und Termine stehen bereits hier zur Verfügung: www.beulco.de/praxiswochen.