ZEIT für X
Hochwasser im Ahrtal

Kein Land unter

07. Juli 2022

Flutkatastrophen wie die im Ahrtal 2021 sind vorhersagbar – unter anderem durch die clevere Nutzung von Sensor- und Wetter­daten. Forschende Unternehmen machen es vor.

Die Warnung kommt am Tag der Katastrophe um 15.26 Uhr vom Lande­sumwelt­amt Rheinland-Pfalz. Bei diesem Hochwasser, so heißt es, könnte die Ahr einen bedrohlichen Höchststand erreichen: 5,19 Meter am Pegel Altenahr. Normaler­weise ist die Ahr ein friedliches Flüsschen, nicht mal einen Meter tief. Um 20.45 Uhr misst der Pegel bereits 5,75 Meter. Das ist der letzte übermittelte Wert, danach wird das Messgerät von den Fluten fortgerissen.

Das Jahrhundert­hochwasser, bei dem alleine im Ahrtal 134 Menschen ums Leben kamen, jährt sich am 14. Juli zum ersten Mal. Noch immer sind die Menschen an der Ahr mit dem Aufräumen beschäftigt, viele werden nie wieder in ihre Häuser zurückkehren können. Längst hat die Aufarbeitung der Ursachen begonnen. Das Hochwasser hätte man wohl nicht verhindern können, wohl aber die späten und ungenauen Hoch­wasser­prognosen mit ihren katastrophalen Folgen. Wie, so fragen sich nicht nur die Menschen im Ahrtal, lassen sich solche tödlichen Fluten künftig besser vorhersagen?

Wachhund künstliche Intelligenz

Verschiedene Unternehmen feilen dafür an technischen Lösungen. So testet der Software­entwickler tablano im schwäbischen Ammerbuch ein digitales Früh­warn­konzept. Und die Wuppertaler Heinz Berger Maschinenfabrik, die 2021 unter Wasser stand, entwickelte kurzerhand selbst ein Hoch­wasser­früh­warn­system. Not macht eben erfinderisch. Einen spannenden technischen Ansatz hat der Mess­technik­hersteller Endress+Hauser zusammen mit dem Start-up Okeanos entwickelt: ein Früh­warn­system, das durch Sensor­messungen und künstliche Intelligenz Gebiete, in denen Bäche und Flüsse verlaufen, permanent überwacht. Steigt die Hoch­wasser­gefahr, werden Krisenstäbe und Feuerwehr frühzeitig informiert und gewinnen dadurch wertvolle Zeit, um Menschen und Gebäude zu schützen.

Schon 2019 haben sich die beiden Unternehmen zusammengetan: die Messtechnik-Expert:innen aus der Schweiz und die Programmierer:innen, die sich auf die Entwicklung von Algorithmen für Hydrologie und Wasser­wirtschaft spezialisiert haben. Beiden war aufgefallen, dass kleine Gewässer bisher kaum überwacht werden. „Große Städte haben eine eigene Hoch­wasser­vorhersage, kleineren Gemeinden fehlt dafür das Personal. Erschwerend kommt hinzu: Bei kleinen Gewässern – das heißt Bächen mit nur kurzer Fließ­strecke bis zu den Hängen, an denen ein Hochwasser entsteht – ist die Anstiegs­zeit eines Hochwassers sehr kurz. Den Einsatz­kräften bleibt also nur sehr wenig Zeit, bis eine Welle die ersten Häuser erreicht“, sagt der Hydrologe Henning Oppel, einer der beiden Okeanos-Gründer.

Große Städte haben eine eigene Hoch­wasser­vorhersage, kleineren Gemeinden fehlt dafür das Personal. Erschwerend kommt hinzu: Bei kleinen Gewässern ist die Anstiegs­zeit eines Hoch­wassers sehr kurz.

Henning Oppel, Gründer des Start-ups Okeanos

Versteckte Ermittler

Das Frühwarnsystem „Netilion Flood Monitoring“ erkennt das Hoch­wasser bereits an seinem Ursprung. Batterie­betriebene Pegel­mess­geräte, Regenmengen- sowie Starkregen- und Boden­feuchte­sensoren sammeln Sensor­daten direkt an Bach- und Flussläufen. Die Installation des Systems ist unkompliziert. Die Pegel­sensoren werden unauffällig unter Brücken montiert, andere Sensoren einfach im Boden vergraben. Die Geräte senden ihre Messwerte an die Cloud-Plattform Netilion von Endress+Hauser. Dort wird mithilfe von künstlicher Intelligenz eine hydrologische Gebietswarnung erstellt.

In die Berechnung fließen neben den Sensor­mess­werten auch Daten von Wetter­diensten und aus Prozess­leit­systemen von Wasserwerken, Zweckverbänden und Behörden ein. „Auf dieser Basis kann unsere KI vorhersagen, ob in einer bestimmten Kommune ein Hochwasser droht und an welchen Stellen die Ursachen dafür liegen“, erklärt Oppel. Dank kontinuierlich eingespeister Daten lernt die künstliche Intelligenz ständig dazu. Werden kritische Werte erreicht, alarmiert das System die Nutzer:innen automatisch per Smartphone, Tablet oder Computer. Im Durchschnitt liegt der Zeit­gewinn allein durch die Messungen bei bis zu einer Stunde. Fließt auch eine Nieder­schlags­prognose für die nächsten Stunden mit ein, verlängert sich die Vorhersage entsprechend.

Forschung in eigener Hand

Das Projekt zeigt beispielhaft, wie forschende Unternehmen in kurzer Zeit praxis­taugliche Lösungen für drängende Probleme entwickeln. Seit Ende 2019 tüftelten die Entwickler:innen von Endress+Hauser an dem Hoch­wasser­früh­warn­system. Den Anfang machte die Pegel­messung mit einem damals neu entwickelten, intelligenten Radar-Füll­stand­messgerät. Im Jahr darauf begann die Kooperation mit Okeanos. Der von den Gründern entwickelte Algorithmus basiert auf der Grund­lagen­forschung des Start-ups im Bereich Hydrologie.

„‚Netilion Flood Monitoring‘ ist ein Beispiel dafür, wie wir bei Endress+Hauser durch das Internet of Things konkrete Mehrwerte für die Nutzer:innen schaffen. Das gelingt uns hier durch die Kombination von Messwerten, einer Cloud-Plattform und einer KI“, erklärt Eric Birgel, System Owner im unter­nehmens­eigenen Innovation Lab von Endress+Hauser. „Alle drei Zutaten dieser Kombination resultieren aus unserer eigenen Entwicklung und Forschung: Wir haben die Sensoren für die Pegel­stände und die Boden­feuchte sowie die Cloud-Plattform Netilion selbst entwickelt – und wir können dank der Skalier­barkeit unserer Cloud-Architektur den von Okeanos entwickelten KI-Algorithmus in unser digitales Ökosystem integrieren“, so Birgel.

Keimzelle für Geschäftsmodelle

Der Forschungsaufwand für solche Innovationen ist beträchtlich. Bei Endress+Hauser beschäftigen sich gruppenweit von insgesamt 15.100 Mit­arbeitenden 1.200 mit Forschung und Entwicklung. Das im Geschäfts­bereich Level+Pressure frisch gegründete Innovation Lab dient als Keimzelle für neue Heran­gehens­weisen und Geschäfts­modelle. Um Innovationen gezielt zu fördern, wurde das Innovations­management direkt an die Geschäfts­leitung angebunden.

Wie Menschen von der Innovation profitieren, zeigt sich schon in der Praxis. Bei einem Pilotprojekt in Lenzkirch im Schwarzwald hat sich das Hoch­wasser­früh­warnsystem „Netilion Flood Monitoring“ bewährt. „Das System kann ein Hochwasser natürlich nicht vermeiden“, sagt der Bürgermeister von Lenzkirch, Andreas Graf. „Aber wir gewinnen durch die frühe Warnung wertvolle Zeit, um die nötigen Maßnahmen einzuleiten. Bei einer Über­schwemmung zählt schließlich jede Minute.“

Forschungstreiber

Erfindergeist ist beim Mess­technik­her­steller Endress+Hauser ein wichtiger Wachstums­treiber. Im Jahr 2021 wendete das Schweizer Unternehmen 213 Millionen Euro bzw. 7,4 Prozent des Umsatzes für Forschung und Entwicklung auf. Insgesamt verfügt es über 8.600 „lebende“ Patente und Patent­an­meldungen. Im Jahr 2021 vermeldete das Familien­unter­nehmen mit Sitz im schweizerischen Reinach 258 Erst­an­meldungen bei Patent­ämtern.