Smart-City: Wieviel Intelligenz brauchen unsere Städte

Fachartikel

01. November 2014

Wie smart müssen unsere Städte in Zukunft werden?

Laut Weltbank lebten im Jahr 2013 sechzig Prozent der Weltbevölkerung in Städten. In Europa leben dem aktuellen Urban Audit der Europäischen Kommission zufolge über siebzig Prozent der Bevölkerung Europas in Städten oder dicht besiedelten Gegenden. Tendenz steigend aufgrund von Jobaussichten, Gehaltsniveau und Lebensstandard. Europas Städte müssen sich daher im 21. Jahrhundert verschiedensten Herausforderungen wie erhöhtem Energiebedarf, intelligenter Infrastruktur und effizienter Logistik sowie hohen Erwartungen an Lebensqualität bei erschwinglichen Lebenshaltungskosten stellen. Gleichzeitig gilt es, die in 2009 gesetzten Klimaziele bis zum Jahr 2020 zu erreichen: 20% weniger Treibhausgas-Emissionen, 20% Energiegewinnung aus regenerativen Quellen, 20% höhere Energieeffizienz. Bei der Umsetzung von Lösungen dazu spielt die Informations- und Telekommunikationstechnologie (ITK) eine tragende Rolle. Die Vernetzung möglichst vieler Verbraucher und Geräte soll der Sammlung von Daten dienen, deren Auswertung die Optimierung der Bedarfe bei gleichzeitiger Berücksichtigung der gegenseitigen Abhängigkeiten ermöglicht. In Deutschland können aktuell zwei Städte besonders gut im europäischen Vergleich mithalten.

Foto: Hafencity Hamburg

Foto: Hafencity Hamburg

Hamburg will sich als zweitgrößte Stadt Deutschlands einer umfassenden Transformation unterziehen und ist mit dem Bau der 157 Hektar großen Hafencity auf dem besten Weg dazu. Hamburg setzt damit seit Veröffentlichung des Masterplans Anfang des neuen Jahrtausends das in Europa aktuell größte Strukturprojekt in einer Stadt um. Dabei sollen über zwei Millionen Quadratmeter neuer Arbeits-, Wohn-, Handels- und Kulturflächen entstehen. Hamburg recycelt im großen Stil, bebaut werden nicht neu erschlossene Grundstücke, die der umliegenden Landwirtschaft abgeknapst werden müssten, sondern bereits bestehende Nutzflächen im Hafengebiet. Effizient ist auch der Anteil an strukturell notwenigen Flächen wie Straßen, der nur bei 24 Prozent beträgt. Erreicht wird dies durch den dichten Mix der Nutzungsarten Wohnen, Arbeiten, Einkaufen und Freizeitgestaltung, der kurze Wege ermöglicht. Doch auch in Sachen Mobilität wird in der Hafencity auf Nachhaltigkeit gesetzt, schließlich wollen zukünftig etwa 100.000 Menschen täglich zwischen der inselartigen Anlage und der Innenstadt pendeln können.

Foto: Hafencity Hamburg - Brennstoffzellen-Pilotanlage am Großen Grasbrook

Foto: Hafencity Hamburg – Brennstoffzellen-Pilotanlage am Großen Grasbrook

Es ist eine Umkehr des bisherigen Transportkonzepts, das auf eine Abgrenzung vom täglichen Leben ausgelegt war. Die Parkplatzsuche wird bereits über den Anschluss an das zentral gesteuerte Parkleitsystem der Stadt erleichtert. Über ein kombiniertes Angebot aus U-Bahn, wasserstoffbetriebenen Bussen, Carpools und Leih-Fahrradrädern sowie -Elektrofahrzeugen soll eine Reduzierung des durch einzelne Teilnehmer verursachten Verkehrsaufkommens auf ein Viertel des Gesamtverkehrs erreicht werden. Dies wäre knapp die Hälfte des derzeitigen Durchschnitts der Stadt Hamburg. Für Elektrofahrzeuge steht neben verschiedenen öffentlichen und an Geschäftsräume angeschlossenen Ladestationen, die laut Vattenfall mit Strom aus Windkraft versorgt werden, seit Ende 2012 eine Schnellladestation am Heizwerk bereit. Gut 600 batteriebetriebene Fahrzeuge werden bereits von Firmen in Hamburg genutzt. Über das vom BMU mit rd. 3,9 Mio. Euro geförderte Projekt „ePowered Fleets Hamburg“ kommen weitere 450 Fahrzeuge dazu, die seit Beginn dieses Jahres bis Ende 2016 von Unternehmen genutzt werden können. Im östlichen Teil der Hafencity sollen sogar ein Drittel aller Parkflächen mit Lademöglichkeiten ausgestattet werden und auch die angedachte Carsharing-Flotte soll zu einem hohen Teil elektrisch fahren. Ob Elektroautos jedoch Teil des Smart Grid und darin als Energiespeicher genutzt werden sollen, lässt man bewusst offen. Die Stromversorgung der Hafencity erfolgt zu einem Großteil über das neu in Betrieb genommene Umspannwerk von Vattenfall, dessen 110kV starke Schaltanlage zukünftig zur automatisierten Fehlererkennung online auf Erdschlüsse und Temperaturschwankungen hin überwacht werden soll.

Strom liefert dabei das südlich der Stadt gelegene neue Steinkohlekraftwerk Moorburg, das jährlich bis zu elf Milliarden Kilowattstunden aus Steinkohle produziert. Intelligenter ist da schon die Ausstattung von zweiundvierzig Wohneinheiten mit Smart Meters und Anbindung an die Home Service Plattform, über die Verbrauch und verfügbarer Windstrom detailliert abgebildet werden können. Bewohner, die ihren Verbrauch antizyklisch anpassen, können bares Geld sparen. Die Klimatechnik des neuen maritimen Museums wird ebenfalls stetig analysiert und dementsprechend die Energieversorgung angepasst. Die Stromversorgung des Kreuzfahrtterminals soll dezentral über ein mit Erdgas betriebenes Blockheizkraftwerk (BHKW) erfolgen. Rein regenerativ hingegen ist die Stromgewinnung für das Greenpeace-Gebäude, das von einer eigenen 800qm großen, 70 Kilowatt(peak) starken Photovoltaikanlage versorgt wird. Laut Hamburger Solaratlas können jährlich rund 1000 kWh Leistung aus Sonnenenergie geerntet werden. Bei der Wärmeversorgung setzte die Stadt eine Obergrenze von 175 Gramm CO2 Ausstoß pro Kilowattstunde fest und erzielte damit, dass die benötigte Wärme aus Solarthermie, Wärmepumpen, BHKWs, Holzverbrennungsanlagen und Brennstoffzellen erzeugt wird. In der östlichen Hafencity werden über lokale, dezentrale Einheiten sogar Werte um 89 Gramm CO2/kWh erzielt.

Foto: Cisco Bürgerkiosk

Foto: Cisco Bürgerkiosk

Im April gab Hamburg eine Partnerschaft mit dem Netzwerkspezialisten Cisco bekannt, um die Stadt über eine intelligente Vernetzung Smart zu machen und ein Ecosystem aus weiteren Technologiepartnern aufzubauen. Besonders im Hafen als wichtiger Wirtschaftsfaktor der Stadt verspricht man sich eine Effizienzsteigerung, daher gehört zu den avisierten Pilotprojekten der SmartPort: vorhandene Infrastruktur effektiver nutzen, um finanzielle Konsequenzen für die Logistikparteien zu minimieren, die Sicherheit zu erhöhen und Luftverschmutzung besser bewerten zu können. Nach Verlegung von Glasfaserkabeln werden Zufahrtswege und Brücken über vernetzte, internetbasierte Kameras hinsichtlich Verkehrsfluss und –dichte sowie Unfälle überwacht. Die Auswertung der kontinuierlich gesammelten Daten dient der Steuerung des Verkehrsflusses und der stromreduzierten LED-Straßenbeleuchtung. Sensoren messen gleichzeitig Umweltwerte wie Wind, Temperatur, Feuchtigkeit und Luftverschmutzung. Dem Projektkonsortium gehören neben Cisco und der Hamburg Port Authority auch die Firmen Philips, T-Systems und World Sensing an. In der Hafencity soll verstärkt Elektromobilität eingebunden und Lösungen für intelligente Gebäude zur Reduzierung des Energieverbrauchs erprobt werden. Ebenso will Hamburg die Akzeptanz von sogenannten Bürgerkiosken, die von Cisco entwickelt wurden, testen. Hier erhält der Bürger in einer abschließbaren Kabine über eine Videoverbindung den Kontakt zu einem Experten, der ihn bei Fragen zu Regierungsdiensten berät und über den der Bürger in dem Kiosk sogar die notwendige Papierdokumentation vollständig erledigen kann. Im Oktober veranstaltet die Stadt Hamburg eine Delegationsreise nach San Francisco und ins Silicon Valley, in deren Laufe IT-Größen wie Facebook, Twitter aber auch auf intelligente Sensoren spezialisierte Firmen wie Nest etc besucht werden.

Foto: EUREF Center

Foto: EUREF Center

Als Inkubator für zukünftige Smart City-Lösungen, die von anderen übernommen werden können, sieht sich die Hauptstadt. Berlin will in diesem Thema die Vorreiterrolle übernehmen und ist, wie der Europen Green City Index mit dem ersten Platz in der Kategorie Gebäude und dem dritten Platz bei Wasser zeigt, gut positioniert. Zentraler Ansprechpartner für das Thema Smart City ist die „Berlin Partner für Wirtschaft und Technologie GmbH“, eine Verbindung aus öffentlicher Hand und Wirtschaft, in der sich der Senat des Landes Berlin gemeinsam mit über 200 Unternehmen engagiert. Insgesamt widmen sich über 300 Forschungsgruppen und Unternehmen dem Thema und machen Berlin zu einem Labor für zukünftige Technologien. Deutlich sichtbar wird dies beispielsweise am 5,5 Hektar großen EUREF Campus in Schöneberg am Berliner Gasometer. Der Energiemix aus dem Micro-Smart-Grid mit 22KW-Biogas-BHKW, Photovoltaikanlage, Windkraft-Anlage und Wärmepumpe, der aktuell bereits für die Erfüllung der Klimaziele der Bundesregierung für das Jahr 2050 sorgt, soll bis 2018 um Tiefengeothermie erweitert werden. Bei diesem Verfahren wird 55°C warmes Wasser aus über 400 Meter Tiefe hochgepumpt und zum Heizen oder über eine Kraft-Wärme-Kopplung zur Stromerzeugung verwendet. Ein Erdwärmespeicher soll bis zu 3GWh pro Jahr zur Verfügung stellen. Eine weitere Besonderheit ist der geplante 1000 Kubikmeter Wasser fassende Speicher, der überschüssigen Strom zwischenspeichern soll.

Ein intelligentes Energiemanagement, das mit seinen Produzenten und Verbrauchern über den KNX-Standard kommuniziert, regelt die Lasten anhand der in Echtzeit ermittelten Bedarfe. Erste Zahlen für die Effizienzsteigerung durch diese Maßnahmen liefert das Campusgebäude 12-13 mit 15.000qm Fläche auf zehn Etagen, bei dem ein System von Schneider Electric im Einsatz ist. Dank SmartMeter, Temperatursensoren sowie Bewegungs-und Präsenzmeldern in den Wohn-und Büroräumen können aktuell über 6 Millionen Liter Wasser, 100kg CO2 – was in etwa der Menge von 3100 gepflanzten Bäumen entspricht – und über 960.000 kWh Heizenergie jährlich eingespart werden. Eingebunden in das System am Campus wird, inklusive einer Schnellladestation, die größte Elektroautotankstelle Deutschlands, mit der bis zu dreißig Wagen gleichzeitig geladen werden können. Der Strom hierfür kommt teilweise aus lokal installierten Solarzellen, erprobt wird neuerdings eine wind-to-vehicle Station, bei der eine Großbatterie von einem Windrad gespeist wird. Die an der Ladestation erhobenen Daten werden in das BeMobility-Projekt der Stadt Berlin aufgenommen.

Foto: Graft

Foto: Graft

Etwas theoretischer geht es an der technischen Universität Berlin zu. Dort formiert sich derzeit das Urban Lab, um Prozesse von intelligenten Städten zu erforschen und über Simulationen die Wechselwirkungen innerhalb des Systems zu testen und Methoden zu entwickeln. Leise Töne von Zukunftsmusik hört man am auch im Terminal D des Flughafen Tegel, der nach Eröffnung des neuen Flughafens Berlin-Brandenburg komplett in die Urban Tech Republic umgewandelt werden soll. Der zukünftige Forschungs- und Industriepark ist den vier Themenschwerpunkten Energie, Mobilität, Wasser und Recycling und deren Beeinflussung durch die Querschnittsbereiche Werkstoffe und ITK gewidmet. Ein Konglomerat aus über 800 Firmen und Institutionen zusammen mit 5.000 Studenten kann das 495ha große Areal als Spielwiese für kreative Ideen nutzen, 10 ha sind konkret für Experimentierflächen vorgesehen. Für Firmen, die sich in den genannten Bereichen engagieren und vom Start-up-Potenzial der Hauptstadt profitieren wollen, bieten sich in der Hauptstadt gute Ansätze. Auch App-Entwickler kommen auf ihre Kosten, denn sie können über das eigens eingerichtete Open-Data Portal in 22 Kategorien auf knapp 900 verwaltungsbezogene Datensätze öffentlich zugreifen.

Der Blick über den deutschen Tellerrand führt nach Norwegen, Holland, Österreich, Spanien, und England.

Die ehrgeizigsten Klimaziele in Europa hat sich Kopenhagen gesteckt, wo man bis zum Jahr 2025 CO2 neutral sein will. Neue Gebäude müssen bereits bis 2020 diese Vorgabe erfüllen. Angesichts des mit vierzig Prozent respektablen Anteils an Fahrradfahrern ist Kopenhagen auf einem guten Weg dahin und nicht nur, weil mit dem Massachusetts Institute of Technology (MIT) ein Projekt umgesetzt wurde, bei dem intelligente Sensoren an den Fahrrädern Emissions- und Verkehrsdaten im Stadtbereich lieferten. Kopenhagen wurde auch zur Umwelthauptstadt 2014 gewählt.

In Amsterdam liegt der Anteil emissionsfreier Fortbewegung mit Fahrrad und zu Fuß bei mehr als zwei Drittel, doch das genügt den Stadtlenkern nicht. Innerhalb des PPP (public private partnership) Amsterdam Smart City gibt es über 68 Projekte. Der Fokus liegt dabei auf der Gewinnung und Bereitstellung öffentlicher Daten zur Entwicklung von Diensten, Integration neuer Mobilität und dem Energiemanagement über Koppelung privater Speicher mit dem Netz sowie Energieeinsparung. Letzteres kann als Teilprojekt schon einmal spielerisch umgesetzt werden, wie Cityi-zen – Serious Gaming zeigt.

In Wien ruht man sich ebenfalls nicht auf dem komfortablen Kissen der hohen Lebensqualität aus und legt in der kürzlich veröffentlichten Rahmenstrategie Ressourcenschonung, Innovationsführerschaft durch Forschung, Wirtschaft und Bildung sowie Sicherstellung des jeweils besten Lebensstandards als die drei Hauptziele fest – unter ausdrücklicher Berücksichtigung sozialer Gegebenheiten aller Stadtbewohner. Gute Ansätze beim Umwelt- und Klimaschutz zeigen sich in Projekten wie SternE, bei dem die Hauptkläranlage Wiens vermehrt über regenerativ erzeugten Strom betrieben werden soll, oder EOS, bei dem aus erhitztem Klärschlamm Methangas gewonnen und zur Strom- und Wärmegewinnung in Blockheizkraftwerken verwendet wird.

Foto: Libelium

Foto: Libelium

Dass Barcelona seit mehreren Jahren federführend in Sachen Smart City ist, erkennt man nicht nur an dem jährlich dort stattfindenden Smart City Expo Word Congress. Bereits vor über zehn Jahren wurde begonnen, ein knapp 200 Hektar große Industriegelände städtebaulich zu recyceln, um mit 22@Barcelona ein urban lab entstehen zu lassen. Die Rahmenstrategie der Stadt umfasst gleich zwölf Schwerpunkte (Umwelt, ITK, Mobiliätt, Wasser, Energie, Abfall, Naturflächen, Gebäude, öffentliche Plätze, öffentliche Verwaltung, Informationsfluß und Dienste), die aktuell in 83 Projekten adressiert werden. Dazu gehören eine intelligente LED-Stadtbeleuchtung, die schon bei 50% der Straßenbeleuchtung umgesetzt ist, die Energieversorgung über Smart Grids – allein im olympischen Dorf wurden über 19.500 Smart Meters installiert –  und Eigenproduzenten, die Optimierung der Wasserversorgung öffentlicher Plätze und Parks mittels Fernsteuerung, stadtteilbezogene Heizung und Klimatisierung, Effizienzsteigerung bei öffentlichen Verkehrslinien, Förderung schadstofffreier Mobilität und Transparenz in der Stadtverwaltung mit Veröffentlichung der Daten.

Barcelona hat sich zudem als gefragter Partner im globalen Erfahrungsaustausch positioniert, wie die nach Bogota exportierte Smart City Expo und die Initiative für ein weltweites City Protocol im Bereich Smart Cities zeigt. Die technologische Architektur der Stadt ist in drei Layer gegliedert. Die im Stadtgebiet verteilten Sensoren laden Daten wie z.B. Lärmpegel oder Luftqualität dank mehr als 500 Kilometern Glasfaserkabel direkt in die Cloud und werden über die open source Software-Plattform Sentilo ausgewertet und weiterverarbeitet. Darüber liegt das sogenannte City OS, in dem die Daten aller städtischen Anwendungen gesammelt und auf Vorhersagen analysiert werden. Diese Daten werden im dritten Schritt öffentlichen und privaten Institutionen zur Nutzung bereitgestellt werden. Im März 2014 schlug Barcelona die Städte Grenoble und Groningen und wurde von der Europäischen Kommission zur Innovationshauptstadt Europas („iCaptial“) gewählt.

Foto: Siemens

Foto: Siemens

London wächst schneller als New York und erwartet bis zum Jahr 2030 zehn Millionen Bewohner. Innovative Anwendungen, um den Massen Herr zu werden, benötigen Daten und die Strategie Londons zur Offenlegung dieser wird mit bisher über 450 erstellten Apps im Bereich Verkehr bestätigt. Immerhin will man bis zum Jahr 2020 die beste Luftqualität aller weltweiten Großstädte erreicht haben, wofür eine Reduzierung der Abgase des Londoner Verkehrssektors um 50 Prozent notwendig ist. Die Einführung des kontaktlosen Bezahlsystems Oyster-Card dient dabei der Einsparung von Verwaltungskosten. Bis zum Jahr 2016 sollen insgesamt 24 Millionen Pfund in eines der weltweit schnellsten Breitbandnetze, investiert werden, um besonders die gut 22.000 KMUs besser einzubinden. In der U-Bahn steht heute schon ein drahtloses Funknetz zur Verfügung. Mit „The Crystal“ hat Siemens eines der nachhaltigsten Gebäude geschaffen, das sich ganz dem Thema urbaner Nachhaltigkeit widmet und dessen Ausstellung die Herausforderungen aufgrund globaler Trends sowie Lösungsmöglichkeiten aufzeigt.

Kurz erklärt: KNX – ein einheitliches System für Gebäudesteuerung

KNX kommt seit über 20 Jahren zum Einsatz, um herstellerübergreifend Produkte der Haus- und Gebäudetechnik wie beispielsweise Heizung, Lüftung und Klima effizient zu verbinden. Das System basiert auf dem EIB Standard. Hierbei kommunizieren mit Mikroprozessoren ausgestattete Sensoren mit den für sie relevanten Aktoren direkt über eine zentrale und standardisierte Busleitung. Als Übertragungsmedien können Telefon- und Stromleitungen oder Funkverbindungen genützt werden. Temperaturfühler senden beispielsweise die gemessene Raumtemperatur mittels eines Datentelegramms direkt an die Steuerung der Heizung oder Außenjalousie. Das KNX System findet in der ISO/IEC 14543-3 international, in den Standards CENELEC EN 50090 und CEN EN 13321-1 europäisch Anerkennung und ist ebenfalls im chinesischen Standard GB/Z 20965 abgebildet. KNX Deutschland ist im ZVEI – Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie e.V. – angesiedelt.

Die Gesamtentwicklung hin zur intelligenten Stadt erfordert tiefgreifende Netzwerke, in denen statische Sensordaten für ein einwandfreies Funktionieren der Energieversorgung nicht mehr ausreichen. Dynamische Werte, angepasst an reale, spontane Bedürfnisse spielen eine immer größere Rolle. Doch es gibt auch viel zu beachten. Denn nicht alle technischen Lösungen machen eine Stadt „Smart“. Ausschlaggebend für den Erfolg intelligenter Lösungen in der Stadt wird die Integration des Menschen sein, da er mit den Systemen interagieren muss und dies nur kann, wenn er sie auch versteht. Da hält man sich am besten an Forrest Gump: „Dumm ist der, der dummes tut.“

Dieser Artikel wurde auch im Magazin ke-next (verlag moderne industrie – Mediengruppe des Süddeutschen Verlag) veröffentlicht.

Autor
AutorBritta Muzyk
2017-07-12T19:29:08+00:00