Recht, Ökonomie, Digitalisierung

Auf der einen Seite hilft die digitale Transformation der Wasserwirtschaft, Umweltdaten besser zu erschließen, auszuwerten und zu veröffentlichen und so den Zustand der Gewässer genauer zu beurteilen. Auf der anderen Seite lässt der wachsende Bedarf an Rechenleistung den Wasserverbrauch digitaler Anwendungen steigen.

Der Einsatz moderner digitaler Technologien in der Wasserwirtschaftsverwaltung ist ein wichtiger Treiber, um bessere Daten zur Beurteilung des Gewässerzustandes und dessen Entwicklung zu erhalten. Die Auswertung und Interpretation dieser Daten bilden die Grundlage für die Entwicklung und Bewertung von Gewässerschutzmaßnahmen, die Information der Öffentlichkeit und umweltpolitische Empfehlungen. Das UBA erhebt als Bundesbehörde selbst nur sehr wenige Gewässerdaten, sondern erhält diese überwiegend von den Bundesländern und nutzt sie zur Bewertung des bundesweiten Gewässerzustandes. Die Daten zu wichtigen Nähr- und Schadstoffen ausgewählter Grund- und Oberflächenwassermessstellen werden dem UBA auf Grundlage einer Verwaltungsvereinbarung von den Bundesländern übermittelt. Zusätzlich nutzt das UBA Daten, die für die amtliche Berichterstattung zur Umsetzung verschiedener wasserbezogener Richtlinien, wie der EU-Wasserrahmenrichtlinie (2000/60/EG) oder der EU-Nitratrichtlinie (91/676/EWG), von den Bundesländern bereitgestellt werden. Diese Daten sind nur ein Teil der bei Ländern, Landkreisen, Kommunen und Wasserversorgern verfügbaren wasserwirtschaftlichen Daten.

Neben der Beschreibung des Status quo kommt in Zukunft modellbasierten Projektionen und den dafür erforderlichen Daten eine wichtige Rolle zu, insbesondere um den Auswirkungen des Klimawandels, den demografischen Veränderungen und dem zunehmenden Nutzungsdruck auf die Gewässer frühzeitig mit geeigneten Maßnahmen begegnen zu können.

Die fortschreitende Digitalisierung wird die Art und Weise der Aufgabenerfüllung, den Umgang mit und die Nutzung von Daten sowie die bestehenden Organisationsstrukturen erheblich verändern. Dieser Prozess hat bereits begonnen. Die Aktivitäten zur Gestaltung dieses Wandels sind auf Bundes-, Landes- und kommunaler Ebene sowie bei Unternehmen und Verbraucherinnen und Verbrauchern äußerst vielfältig. Diese Veränderungsprozesse werden in der Wasserwirtschaft unter dem Stichwort "Wasserwirtschaft 4.0" zusammengefasst. Das UBA hat die zentralen Herausforderungen in der Studie "Wasserwirtschaft 4.0" untersuchen lassen. Den politischen Rahmen zur Ausgestaltung der Digitalisierung im Bereich der Umweltpolitik setzt die Umweltpolitische Digitalagenda der Bundesregierung. Die Agenda beinhaltet ein Maßnahmenpaket, mit dem die Digitalisierung klimafreundlich gestaltet, für Wohlstand und Wettbewerbsfähigkeit, soziale Gerechtigkeit und eine intakte Umwelt genutzt werden kann. Die Agenda enthält mehr als 70 konkrete Maßnahmen. Für die Wasserwirtschaftsverwaltungen ist im Besonderen das Maßnahmenpaket IV mit dem Titel „Umweltpolitik 4.0“ relevant. Mit diesem Paket möchte die Bundesregierung die Umweltverwaltung stärken. Ein Kompetenzzentrum für Satellitenfernerkundung und Sensorik sowie ein Anwendungslabor „Künstliche Intelligenz“ und „Big Data“ sollen als Dienstleister bei der Nutzung und der Analyse von Daten unterstützen.

Für die Wasserwirtschaft bildet Die Nationale Wasserstrategie den zentralen strategischen Rahmen für eine nachhaltige Wasserwirtschaft bis 2050. Die Digitalisierung spielt dabei eine Schlüsselrolle für Monitoring, Datenmanagement, Planung und Entscheidungsunterstützung. Dabei werden nicht nur technische Herausforderungen, sondern auch Themen wie Fachkräftegewinnung, Weiterbildung und verwaltungsübergreifendes Datenmanagement adressiert.

Der letztgenannte Punkt ist für das UBA als Bundesoberbehörde besonders wichtig, da wir für nationale Berichterstattungen, internationale Berichtspflichten und Auswertungen stets Gewässerdaten der Bundesländer verwenden und es bei diesen Datenbereitstellungen in vielen Bereichen deutlichen Optimierungsbedarf gibt. Um diese Defizite zu identifizieren, hat das UBA ein Forschungsvorhaben mit dem Titel „Analyse und strategische Weiterentwicklung der Berichtsprozesse im nationalen und europäischen Gewässerschutz“ durchgeführt. Darin wurden wasserwirtschaftliche Berichtsprozesse zwischen Bund und Ländern auf deren Effizienz und Aktualität untersucht und Vorschläge zur Weiterentwicklung erarbeitet. Ein Ergebnis dieses Vorhabens war auch die Empfehlung zur Revision der technischen Infrastruktur des gewässerkundlichen Datenmanagements beim UBA. Mit dem Projekt „FIS Wasser & Boden“ wurden diese Empfehlungen praktisch umgesetzt und das Datenmanagement für die Gewässerzustandsdaten beim UBA komplett neu aufgestellt und dabei fachlich und technisch konsolidiert. Das übergreifende Ziel des Projektes war eine deutliche Verbesserung im Bereich der Prozessteuerung von der Datenbereitstellung, über die Qualitätssicherung, die Abfrage und Aggregation von Daten bis zum Endprodukt (Datensatz, Karte, Webdienst, EU-Bericht). Hierfür wurden die bisher in getrennten Systemen gehaltenen Daten zu Fließgewässern, Standgewässern, Grundwasser und Boden in ein einheitliches IT-System überführt, das sich auf Grundlage der Architekturrichtlinie für die IT des Bundes an technisch zeitgemäßen Standards orientiert und ausschließlich auf Basis von freier Software entwickelt wird. Der Quellcode des „FIS Wasser & Boden“ ist zur Nachnutzung transparent auf OpenCode.de veröffentlicht. Mit der aktuell laufenden Entwicklung des Gewässer-Kompass für bundesweit verfügbare Gewässerdaten wird die transparente und umfassende Datenbereitstellung für die Öffentlichkeit, die Politik und die Wissenschaft komplettiert.

Künstliche Intelligenz (KI) bietet der Wasserwirtschaft vielfältige Möglichkeiten, Prozesse effizienter, nachhaltiger und resilienter zu gestalten. Sie kann beispielsweise bei der Auswertung großer Datenmengen, der Früherkennung von Belastungen sowie der Optimierung von Betrieb und Instandhaltung wasserwirtschaftlicher Anlagen unterstützen. Gleichzeitig erfordert ihr Einsatz eine sorgfältige Berücksichtigung von Datenqualität, Transparenz und rechtlichen Rahmenbedingungen. Das KI-Lab des Umweltbundesamtes (UBA) begleitet diese Entwicklungen, indem es den verantwortungsvollen Einsatz von KI im Umweltbereich untersucht und praxisnahe Anwendungen fördert. Dadurch trägt es dazu bei, Potenziale und Risiken von KI für die Wasserwirtschaft fundiert zu bewerten und den Wissenstransfer zwischen Forschung, Verwaltung und Praxis zu stärken. Open Data schafft in der Wasserwirtschaft die Grundlage für einen transparenten und effizienten Austausch von Informationen zwischen Behörden, Forschung, Wirtschaft und Öffentlichkeit. Damit Daten ihr volles Potenzial entfalten können, sollten sie den FAIR-Prinzipien entsprechen und somit auffindbar, zugänglich, interoperabel und nachnutzbar sein. Eine hohe Interoperabilität wird durch gemeinsame Datenstandards (z.B. XÖV) und Metadaten gewährleistet, sodass Informationen aus unterschiedlichen Quellen miteinander verknüpft und gemeinsam ausgewertet werden können. Offene Schnittstellen, sogenannte APIs (z.B. Pegel-Online), erleichtern den automatisierten Datenaustausch und ermöglichen die Entwicklung innovativer digitaler Anwendungen und Dienste. Das UBA setzt sich dafür ein standardisierte APIs für den zwischenbehördlichen Datenaustausch zu etablieren.

Die technischen Möglichkeiten, die mit der Digitalisierung in der Wasserwirtschaftsverwaltung verbunden sind, bringen auch Herausforderungen und Hemmnisse mit sich. Diese müssen bei der Einführung neuer digitaler Prozesse und Anwendungen berücksichtigt werden.

Dazu gehören Aspekte des Datenschutzes und der Verfügbarkeit von Daten unterschiedlicher Behörden. Nicht alle für den Gewässerschutz erforderlichen Daten sind einheitlich verfügbar. So stellen beispielsweise einige Länder keine Informationen zu Messstellen (Trinkwasserbrunnen) bereit, die sie der kritischen Infrastruktur zurechnen. Auch sind Daten zur landwirtschaftlichen Flächenbewirtschaftung mit Blick auf den Schutz personenbezogener Daten in der Regel nicht frei verfügbar– auch nicht für Bundesbehörden. Hinzu kommen sehr unterschiedliche rechtliche Regelungen in den Ländern über den Zugang zu und dem Eigentum an Daten sowie deren Nachnutzung. Einige Behörden stellen wasserwirtschaftliche Daten sehr nutzerfreundlich und aktuell zur Verfügung. Häufig werden Daten aber nur auf Anfrage und nicht proaktiv als maschinenlesbarer Datensatz in Standardformaten auf offiziellen Plattformen bereitgestellt. Die unzureichende technische Standardisierung im Bereich des Datenmanagements zwischen den Verwaltungen ist ein großes Hindernis bei der Umsetzung übergreifender digitaler Verwaltungsprozesse. Auch sind die technischen Infrastrukturen und die Kompetenzen zum Betrieb dieser Systeme auf Bundes-, Landes- und Kommunalebene sehr unterschiedlich ausgeprägt und es fehlt in vielen Verwaltungen an Fachpersonal.

Insgesamt überwiegen im Bereich des Datenmanagements die Chancen der Digitalisierung die genannten Risiken. Bisher werden die Möglichkeiten der Digitalisierung in der Wasserwirtschaftsverwaltung nur eingeschränkt genutzt. Das UBA setzt sich dafür ein, die bestehenden Ansätze fortzuentwickeln und neue Initiativen zur Digitalisierung zu begleiten und auszugestalten. Es gilt, die rechtlichen Rahmenbedingungen weiterzuentwickeln und das verwaltungsübergreifende Datenmanagement sowie der Austausch von Daten stärker zu harmonisieren und zu standardisieren. Das öffentliche Angebot an wasserwirtschaftlichen Daten ist deutlich zu verbessern und es sind Bezüge zu anderen Bereichen wie der Landwirtschaft, der Industrie und der Wissenschaft herzustellen.

Weltweite Dimension

Der weltweite Wasserverbrauch durch digitale Anwendungen (Seite 3), vor allem durch Rechenzentren und die Halbleiterproduktion, hat sich zu einem ökologischen Risiko entwickelt, das der Boom der Künstlichen Intelligenz massiv verschärft. 

Haupttreiber ist die Künstliche Intelligenz. Ihr Wasserfußabdruck erreicht inzwischen eine Größenordnung, die mit dem weltweiten Jahresverbrauch an abgefülltem Flaschenwasser vergleichbar ist. Relevant ist dabei vor allem die laufende Nutzung: Schon ein einzelnes durch Künstliche Intelligenz erzeugtes Video benötigt mehrere Liter Wasser (Seite 9). Hinzu kommt, dass der indirekte Verbrauch (Seite 242) über die Stromerzeugung in der Regel deutlich höher liegt als der direkte Kühlwasserverbrauch vor Ort. Die Prognosen sind eindeutig: Der Wasserfußabdruck globaler Rechenzentren wird in den kommenden Jahren stark steigen (Seite 242), in den USA bis in eine Größenordnung, die mit dem Tagesbedarf von New York City vergleichbar ist.

Besonders kritisch ist die geografische Konzentration dort, wo Wasser ohnehin knapp ist: Ein großer Teil der in den vergangenen Jahren neu gebauten oder geplanten Rechenzentren liegt in Regionen mit bereits schwerem Wasserstress. Ein oft übersehener Faktor ist die Herstellung der Chips, die enorme Mengen hochreinen Wassers (Ultrapure Water) benötigt. Da die für moderne Hardware nötigen besonders feinen Fertigungsprozesse deutlich mehr Wasser pro Chip erfordern und ein erheblicher Teil der Produktionsstätten in Regionen mit Wasserstress (Seite 42 ff.) wie Taiwan oder dem Südwesten der USA liegt, verschärft sich auch dieser Engpass. Aus dem Zusammentreffen von massivem Anstieg, überdurchschnittlichem Wachstum und der Konzentration in wasserarmen Regionen wird weltweit ein strategisches Betriebsrisiko und ein soziales Spannungsfeld, in dem Digitalindustrie, Landwirtschaft und Bevölkerung um Trinkwasser konkurrieren.

Die Lage in Deutschland

In Deutschland ist die Situation dank des kühleren Klimas und des im Vergleich zu den USA geringeren Rechenzentrumsausbaus noch weniger dramatisch. Doch auch hier nimmt der Ausbau digitaler Infrastrukturen Fahrt auf und trifft teils auf wasserarme Regionen. Laut Water Risk Atlas wird künftig etwa das Gebiet um Frankfurt am Main, einer der weltweit größten Knotenpunkte für Rechenzentren, unter mittlerem bis hohem Wasserstress leiden. Zudem belastet der Ausbau entlang des Rheins, teils mit direkter Flusswasserkühlung, einen Wasserkörper, der durch Klimawandel und extreme Dürren wie im August 2022 ohnehin belastet ist. Schließlich stoßen mit der durch KI steigenden Leistungsdichte herkömmliche Luftkühlungen an ihre Grenzen, wodurch der Druck hin zu wasserbasierten Systemen wächst. Deutschland ist damit heute schwächer betroffen, wird durch die KI-getriebene Leistungssteigerung und die Standortkonzentration etwa im Rhein-Main-Raum aber zunehmend Teil desselben Problems.

Regulatorisch versucht Deutschland gegenzusteuern, etwa über das Energieeffizienzgesetz und das Umweltzeichen „Blauer Engel“ für Rechenzentren, das Anreize für Abwärmenutzung und wassersparende Kühlung setzt. Außerdem sind alle Wasserentnahmen genehmigungsbedürftig und nur unter Einhaltung der im Wasserhaushaltsgesetz genannten Bewirtschaftungsziele genehmigungsfähig, so dass die Wasserbehörden darüber Einschränkungen und Auflagen machen sowie unter bestimmten Bedingungen auch Entnahmen untersagen können.

Auch auf EU-Ebene wird die Wassereffizienz von Rechenzentren mitbetrachtet. Die Wassernutzungseffizienz („Water Usage Effectiveness (WUE)”) fließt in die Erstellung von Nachhaltigkeitsindikatoren für Rechenzentren ein und soll perspektivisch über Labels für Rechenzentren angegeben werden.

Wie viel eine einzelne Anfrage tatsächlich auslöst, ist für Verbraucherinnen und Verbraucher kaum greifbar. Einen anschaulichen Eindruck vermittelt der frei zugängliche EcoLogits Calculator: Dort lässt sich für verschiedene KI-Modelle abschätzen, welcher Energie- und Ressourcenaufwand, einschließlich Wasser, hinter einer einzelnen Anfrage steht. Es geht dabei ausdrücklich nicht um exakte Messwerte, sondern darum, ein Gefühl für die Größenordnung zu bekommen und nachvollziehbar zu machen, dass je nach Art der Aufgabe an das KI-System deutlich unterschiedlichen Umweltkosten verursacht werden.