Die Menschheit lebt über ihre Verhältnisse: Zusammengenommen verbrauchen wir jedes Jahr 50 Prozent mehr Ressourcen, als die Erde innerhalb dieses Zeitraums regenerieren und somit nachhaltig zur Verfügung stellen kann. Das ist das zentrale Ergebnis des „Living Planet Reports 2014“, den die Naturschutzorganisation WWF alle zwei Jahre erstellt. Laut dem globalen Zustandsbericht nehmen die Schulden der Menschheit gegenüber der Natur zu, die ökologischen Reserven hingegen ab. So zeigt der Living Planet Index für die vergangenen vier Jahrzehnte einen Rückgang der biologischen Vielfalt um 52 Prozent. Im Durchschnitt hat sich die Anzahl der untersuchten Säugetiere, Vögel, Reptilien, Amphibien und Fische damit halbiert.

Wir brauchen zwei Planeten

„Der angehäufte Schuldenberg wird größer und größer“, warnt WWF-Vorstand Eberhard Brandes. „Klimawandel, Artensterben und Wassermangel – bereits heute sind die Auswirkungen unseres Lebens auf Pump mehr als deutlich. Wir sind gerade dabei, zulasten unserer Kinder den Kreditrahmen zu sprengen.“ Die Verantwortung für die globale Übernutzung tragen laut Brandes vor allem die wohlhabenden Länder und die großen Industrienationen wie etwa Deutschland oder die USA. Die rund 8,5 Milliarden Menschen, die im Jahr 2030 auf der Erde leben werden, verbrauchen Wasser, Energie, Platz und Material. Das wird zwar zum einen die Weltwirtschaft wachsen lassen – aber unser Planet kann mit der Entwicklung nicht mithalten: Ohne einen Wandel in unserem Handeln benötigen wir 2030 eine biologische Kapazität, die doppelt so hoch ist wie die der Erde. Mit anderen Worten: Wir brauchen einen zweiten Planeten, zum Jahr 2050 wären es sogar knapp drei Erden.

Mega-Cities sind die Zukunft

Im Fokus dieser Entwicklung sind die Städte: Mehr als zwei bis drei Milliarden Menschen werden innerhalb weniger Jahrzehnte weltweit vom Land in die Städte drängen. Die Wucht dieses Urbanisierungsschubs ist der zentrale Treiber globalen Wandels im 21. Jahrhundert. Das zeigt ein vom Wissenschaftlichen Beirat der deutschen Bundesregierung Globale Umweltveränderungen (WBGU) erstelltes Gutachten. Mega-Cities mit vielen Millionen Menschen sind die Zukunft. 2010 lebte bereits die Hälfte der Erdbevölkerung in urbanen Regionen. Laut UN-Angaben wird diese Zahl im Jahr 2030 auf rund fünf Milliarden und bis 2050 auf 6,4 Milliarden Menschen angestiegen sein. Der Megatrend der Urbanisierung existiert schon eine ganze Zeit. Neu aber ist, dass nicht mehr die westlichen Industrienationen Treiber dieser Entwicklung sind, sondern Schwellenländer wie Brasilien, Mexiko, Indien oder China. Allein in China wird es bis zum Jahr 2025 mehr als 221 Millionenstädte geben. Der Bedarf an zukunftsfähigen Mega-Cities ist gigantisch, die Herausforderungen für große, aber auch für mittlere und kleine Städte sind enorm – sowohl ökonomisch, ökologisch, politisch, sozial als auch kulturell. Auch die Entwicklung der Städte in Europa und Nordamerika ist weiterhin hochspannend.

Zukunftsfragen entscheiden sich im urbanen Raum

„Das Wachstum der Städte ist so ungeheuer, dass es dringend in neue Bahnen geleitet werden muss“, sagt der WBGU Co-Vorsitzende Dirk Messner, Direktor des Deutschen Instituts für Entwicklungspolitik. Würden in den Städten der Entwicklungs- und Schwellenländer immer neue Siedlungen mit Zement und Stahl gebaut, könnte allein die energieaufwändige Herstellung dieses Baumaterials bis 2050 so viel Treibhausgase freisetzen, dass damit das weltweite Emissionsbudget unter dem 1,5-°C-Ziel bereits beinahe aufgebraucht wäre. Städte sind für rund 75 Prozent des Energieverbrauchs und der weltweiten CO2-Emissionen verantwortlich. Damit bietet der urbane Raum das größte Steuerungs-, Effizienz- und Einsparpotenzial und hat einen signifikanten Einfluss auf globale Nachhaltigkeitsbemühungen. „Ohne entschlossenes politisches Handeln und internationale Zusammenarbeit würden durch den Ressourcenbedarf und den CO2-Ausstoß des Städtebaus die natürlichen Lebensgrundlagen der Menschheit gefährdet“, so Messner.
„Eine Stadt wie Hongkong in ihrer extremen Verdichtung ist nur lebensfähig, weil sie Erdöl, Metalle, Lebensmittel aus dem Umland und der ganzen Welt aufsaugt, verdaut und die Rückstände wie Müll, Schmutzwasser, Abgase ins Umland ausstößt“, ergänzt Hans Joachim Schellnhuber, ebenfalls WBGU Co-Vorsitzender und Direktor des Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung. Die wichtigsten Zukunftsfragen entscheiden sich im urbanen Raum. „Die Dezentralität der Erzeugung erneuerbarer Energien, der Kreislaufwirtschaft und auch etwa der digitalen Ökonomie ermöglicht aber die Entdichtung – und erfordert diese teils.“
Immer mehr Städte setzen daher auf Hightech: Städte sollen vernetzt, grün und intelligent werden, um konkurrenzfähig zu bleiben, Ressourcen zu sparen und Herausforderungen wie dem Klimawandel und sich verändernden Stadtgesellschaften begegnen zu können. Die Smart City – sie soll es ermöglichen, dass der Schuldenberg der Menschheit gegenüber unserem Planeten nicht ins unermessliche steigt.

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Laut einer Prognose der Weltbank werden im Jahr 2050 70 Prozent der Weltbevölkerung in Städten leben. In den Schwellen- und Entwicklungsländern benötigt die Stadt der Zukunft dafür eine intelligente, effiziente und kostengünstige Infrastruktur. In den Industrienationen fordern die Bürger dagegen vor allem Lebensqualität, Nachhaltigkeit und attraktive Infrastrukturen für die Wirtschaft. Die Lösung hierfür sollen Smart Cities bringen.

Ausgangspunkt sind Informationen

„Dank der von Sensoren gesammelten Daten können Smart Cities mit ihren Bewohnern und Unternehmen interagieren und sie beteiligen, das schafft ein kollaboratives Umfeld“, meint Bettina Tratz-Ryan, Vizepräsidentin Research beim Marktforschungsunternehmen Gartner. In Singapur zum Beispiel identifizieren Sensoren in Bushaltestellen Passagiere mit speziellen Bedürfnissen – unter anderem werden Busse frühzeitig angekündigt, sodass ältere Menschen sich rechtzeitig für die Abfahrt bereit machen können. In Malaga oder auch Madrid registrieren mit Umweltsensoren ausgerüstete Fahrräder oder Post-Handwagen Luftverschmutzungen, wobei die Daten in ein öffentlich zugängliches Web-Portal hochgeladen werden. „Bürger können aktiv zur Entwicklung und strategischen Ausrichtung ihrer Stadt beitragen“, ergänzt Tratz-Ryan. „Gleichzeitig werden die Unternehmen stärker befähigt, die Sensordaten zu nutzen, um einen Mehrwert zu schaffen.“

Viele verschiedene Ansätze

Eine einheitliche Definition, was genau eine Smart City ist, existiert nicht. Die einen verstehen darunter vor allem eine Stadt mit einer umfassenden Infrastruktur an Informations- und Kommunikationstechnologien. Bei anderen steht eine dezentrale, regenerative Energieerzeugung im Fokus. Und bei den nächsten drückt sich Smartness durch autonomes Fahren in einem Carsharing-Programm mit App-gesteuertem Parkmanagementsystem aus. Einen recht umfassenden Ansatz hat die Europäische Union: Sie versteht unter einer Smart City eine Stadt, die, unterstützt durch Digitalisierung und Telekommunikation, ihre Netzwerke und Dienstleistungen effizienter gestalten kann und so zu einer nachhaltigen und klimafreundlichen Zukunft der Bürger und Unternehmen beiträgt.

Die stärkere Stadt

Die Ziele einer Smart City ähneln sich jedoch bei allen Definitionen: Die Lebensqualität der Bürger und ihre gesellschaftliche Teilhabe soll verbessert werden. Ein wichtiges Ziel ist auch die Verringerung der Nutzung endlicher Ressourcen und die Etablierung erneuerbarer Energien. Zur Smart City gehört zudem die Schaffung einer transparenten Entscheidungsstruktur für kommunale Prozesse. Zu guter Letzt soll die Wettbewerbsfähigkeit des Wirtschaftsstandorts dauerhaft erhalten oder sogar erhöht werden. Das große übergeordnete Ziel lautet jedoch vor allem, die Überlebens-, Anpassungs- und Widerstandsfähigkeit der Stadt zu stärken und negative Folgen der Urbanisierung zu mindern oder zu vermeiden.

Ein sich anpassender Organismus

Die Vielfalt der Definitionen spiegelt die Vielfalt der Herausforderungen: „Fest steht, dass bisherige, scheinbar autark voneinander existierende Lebens- und Technologiefelder künftig immer enger miteinander verbunden werden“, erläuterte Joachim Lonien, Projektmanager beim Deutschen Institut für Normung (DIN). Sein Institut hat eine Normungs-Roadmap entwickelt, mit der eine durchgängige Interoperabilität der Teilsysteme einer Smart City international sichergestellt werden soll. Denn gleich ob bestehende, historisch gewachsene Städte, beispielsweise in Europa, oder boomende neue Städte in den Entwicklungs- und Schwellenländern – sie alle haben ähnliche technologische Herausforderungen.
Die Umsetzung der Lösungen kann und muss allerdings immer individuell angepasst werden, um einerseits effizient zu sein, andererseits auch den Charakter der Städte, die Individualität und damit die Lebensqualität der Menschen, die darin wohnen, beizubehalten. Denn die Smart City ist eine Stadt, die sich den Bewohnern und ihren Bedürfnissen anpasst. Sie ist wie ein lebendiger, denkender Organismus, der gleichzeitig Plattform und Akteur ist. Laternen leuchten dann, wenn jemand die Straße entlang-läuft oder -fährt. Ruhemöglichkeiten im Park mit WLAN bieten jedem die Möglichkeit, im Grünen einzukaufen oder Mails zu beantworten. Autonom fahrende Autos bringen ihre Passagiere sicher von A nach B. Das Smart Home stimmt Heizung und Jalousien auf die Bedürfnisse der Bewohner ab und trägt so dazu bei, Ressourcen zu sparen. Das ist keine Zukunftsmusik. Dank der rasanten Technologieentwicklung in den letzten Jahren ist heute schon vieles davon Realität.

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Das Rückgrat eines jeden Kommunikationsnetzes einer Smart City bildet das Breitband. Hierüber kann jeder Bürger, jede Institution und jedes Unternehmen Zugang zum Internet erlangen und Daten mit der Smart-City-Cloud austauschen. Die Breitband-Infrastruktur lässt sich über klassische Kupferkabel, Glasfasernetze und auch Funknetze realisieren. Gerade bei den Funk- oder Mobilfunknetzen schreitet die Entwicklung in den letzten Jahren zügig voran. So demonstrieren die Deutsche Telekom und Huawei bei einem Live-Versuch Anfang 2016, wie mit Millimeter-Wellen-Technologie Verbindungsgeschwindigkeiten von bis zu 70 Gbit/s im Multi-User-Betrieb erzielt werden können. Bei der 5G-Demonstration wurde eine verbesserte Multi-Richtstrahl-Technologie eingesetzt, die in Gebäuden wie auch an sehr bevölkerten Orten für eine leistungsfähige Breitbandanbindung sorgt. Dr. Wen Tong, 5G Chefentwickler und Huawei Wireless CTO: „Mit der Millimeter-Wellen-Mu-MIMO-Technologie können bislang nie dagewesene glasfaserähnliche Geschwindigkeiten für den mobilen Breitbandzugang erreicht werden.“
Mithilfe der Multi-Richtstrahl-Technologie werden lenkbare, bleistiftförmige Strahlen zwischen der Antennengruppe und den Geräten der Kunden erzeugt. Diese können zur selben Zeit auf derselben Frequenz senden und empfangen, unterscheiden sich jedoch durch ihre Strahlensignaturen. Die beim Rekord benutzte mmWave-Multi-User-MIMO-Technologie kann jedem der damit verbundenen Nutzer hohe Verbindungsraten von 20 Gbit/s zur Verfügung stellen. Das ist rund 60-mal schneller, als die aktuell schnellste mobile Breitbandverbindung. Der Download von 100 GB hochauflösendem Videomaterial dauert dabei gerade mal 40 Sekunden.

Gleiche Infrastruktur, verschiedene Eigenschaften

Das ausschlaggebende Unterscheidungsmerkmal der 5G­-Ära wird allerdings die Fähigkeit sein, über virtuelle Netzabschnitte unterschiedlichste Bedürfnisse mit ein und der­selben Infrastruktur effizient und zuverlässig bedienen zu können. Dazu werden Virtualisierungs-Technologien genutzt, um auf derselben Infrastruktur parallel mehrere virtuelle Netze nach dem Prinzip des Network Slicing laufen zu lassen. Dieses gibt vor, welche Topologie, Protokolle und Netzressourcen genutzt werden sollen. So kann zum Beispiel der eine virtuelle Netzabschnitt Echtzeitkommunikation garantieren, während der andere mit derselben Infrastruktur große Datenmengen in Rekordzeit überträgt. Das Netz ändert wie ein Chamäleon seine Eigenschaften. Claudia Nemat, Vorstandsmitglied bei der Telekom: „Ziel bei 5G ist es nicht nur, mehr Leistungen zu bieten. Die neue Mobilfunktechnik wird auch individueller auf die Anforderungen der Kunden eingehen: Der eine braucht hohe Datenraten, andere eher kurze Latenzen oder energiearme Massenanwendungen.“

Neue Alternative für Sensoranbindung

Doch das Gros der Signale in einer Smart City stammt nicht von Smartphones oder Notebooks, sondern von Millionen von Sensoren, die das Internet der Dinge (IoT – Internet of Things) bilden. Die meisten dieser Sensoren müssen dazu nur winzig kleine Datenmengen senden – hierfür ist das Breitbandnetz völlig überdimensioniert. Auch andere klassische Kommunikationswege wie WLAN, Bluetooth und LTE bieten dafür oftmals nicht die nötige Reichweite, Objektdurchdringung oder sind für viele Kleinanwendungen zu kostenintensiv. Um Sensoren und damit Alltagsgegenstände innerhalb einer Stadt an das Kommunikationsnetz anzubinden, ist daher in den letzten Jahren eine neue Netz-Technologie entwickelt worden: Low Power Wide Area (LPWA). Unter diesem Begriff werden verschiedene Systeme zusammengefasst. Eines davon ist Narrowband IoT: Die Technologie nutzt bestehende Netze in einem lizenzierten Spektrum – wie das 5G-Netz – und unterstützt eine Vielzahl von IoT-Geräten. Sie ist insbesondere für Anwendungen mit niedrigem Bandbreitenbedarf (von 100 bit/s bis zu wenigen Kbit/s) wie etwa intelligente Parksysteme, Stromzähler und Abfallmanagement konzipiert. Die Technologie ermöglicht innerhalb von Gebäuden außerdem einen weitaus besseren Empfang als zum Beispiel der Mobilfunkstandard GSM. Dank des niedrigen Energiebedarfs beträgt die Batterielebenszeit bis zu zehn Jahren.

Anbindung ohne Mobilfunknetz

Andere LPWA-Systeme arbeiten völlig unabhängig vom Mobilfunknetz und nutzen das unlizenzierte Funkspektrum. Die bekanntesten dabei sind sicherlich LoRa, Sigfox – beide stammen übrigens aus Frankreich – sowie das Start-up Ingenu.
Die von Semtech verbreitete LoRa-Lösung ist speziell für die Übertragung niedriger Datenraten bei gleichzeitig großen räumlichen Distanzen von bis zu 20 Kilometern konzipiert. Weitere Vorteile sind die kostengünstige Hardware, eine End-to-End-Verschlüsselung und eine lange Batterielaufzeit der Funkeinheiten von bis zu zehn Jahren. Das Industriegremium LoRa Alliance hat dazu den offenen Standard LoRaWAN definiert. Er garantiert, dass alle Geräte, die diesen Standard nutzen, im LoRa-Funknetzwerk eingesetzt werden können. „Insbesondere Städte können auf diesem Weg Kosten sparen und wichtige Erkenntnisse zur Optimierung ihrer Infrastruktur sammeln“, sagt Marcus Walena, Gründer von Digimondo. Das Start-up baut in deutschen Metropolen ein LoRa-Kommunikationsnetzwerk für das Internet der Dinge auf. „Mit dieser kostengünstigen Datenkommunikation werden Städte fit für die Herausforderungen der Zukunft“, betont Walena.
Ein ähnliches System, allerdings basierend auf einer anderen Modulationstechnik, ist Sigfox. Auch hierbei handelt es sich um eine einfache wirtschaftliche und energieeffiziente Zwei-Wege-Fernübertragung für geringe Datenmengen. Sigfox existiert bereits in 20 Ländern (oder wird dort gerade eingeführt), in denen heute mehr als sieben Millionen Geräte über dieses Netzwerk verbunden sind. Im Gegensatz zu den anderen Netzkonzepten hat das US-amerikanische Unternehmen Ingenu mit RPMA (Random Phase Multiple Access) eine Technologie entwickelt, mit der Reichweiten von bis zu 65 Kilometern (auf freier Fläche) erzielt werden können. Pro Funkturm lassen sich unter „real-life“-Bedingungen immer noch über 700 Quadratkilometer abdecken. Inzwischen existieren bereits 38 private Netzwerke weltweit, die mit dieser Technologie ausgerüstet sind.
Neben den drei genannten LPWA-Anbietern existieren noch viele andere Firmen, die Funksysteme zur Anbindung von Objekten an das Kommunikationsnetz einer Smart City anbieten. Das birgt das Risiko, dass Städte keine standardisierten Systeme für ihr IoT einsetzen, sondern fragmentierte Lösungen. Durch derartige uneinheitliche Lösungen könnten den Smart Cities bis zum Jahr 2025 Kosten in Höhe von bis zu 341 Milliarden Dollar entstehen, wie Machina Research in einem von dem Mobilfunk- und Forschungsunternehmen InterDigital in Auftrag gegebenen Whitepaper errechnete. Jim Nolan, Executive Vice President IoT Solutions bei InterDigital, kommentiert das so: „Die Welt des IoT ist zurzeit charakterisiert durch konkurrierende Technologien und Plattformen und wird zusätzlich verkompliziert durch zahlreiche Standardisierungs-Organisationen. Diese Fragmentierung verursacht eine Verzögerung in der breit angelegten Einführung des IoT. Wir können nicht hoffen, irgendwelche Smart-City-Ambitionen zu realisieren, wenn sich nicht alle Akteure auf ein gemeinsames Set von Standards einigen.“

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Die meisten der heute bereits umgesetzten Smart-City-Anwendungen sind mehr oder minder Insellösungen: Die über sie gewonnenen Daten stehen anderen Applikationen nicht zur Verfügung. Doch der volle Nutzen einer Smart City kann sich nur entfalten, wenn Anwendungen in der Lage sind, ihre Daten zu teilen. Erst dann werden abteilungsübergreifende Prozesse möglich, können Bürger sich umfassend beteiligen und werden städtische Prozesse transparent für alle Akteure. Gleichzeitig wachsen viele Städte, gerade in den Schwellenländern, sehr schnell. Sie benötigen Smart-City-Anwendungen, die einfach und preiswert erweitert und ausgedehnt werden können. Mit der richtigen Strategie kann die für die Smart-City-Services benötigte Informationstechnik zukunftssicher gestaltet werden.

Städtische Prozesse gemeinsam gestalten

„Cloud-Implementierungen bieten die Flexibilität, Skalierbarkeit und Kosteneffizienz, die notwendig sind, um Smart-City-Anwendungen umzusetzen, die viele Tausend Endpunkte miteinander verbinden“, meint Margaret Ranken, die Autorin des von Machina Research erarbeiteten Whitepapers „Future-Proofing IT for Smart City Services“. Das Ziel einer entsprechenden City Cloud ist es, Unternehmen, Organisationen und Bürgern der modernen Stadt einen sicheren Zugriff auf öffentliche Daten für eine gemeinsame Gestaltung von städtischen Prozessen zu bieten. Über eine City Cloud können kommunale Dienste wie Feuerwehr, Notarztdienste oder die Polizei gesteuert oder der Straßenverkehr durch „intelligente” Ampelschaltungen gelenkt werden.

Offene Daten und flexible IT

Die Daten sollen möglichst offen sein. So kann die Stadt ihrer Rolle als Dienstleister effektiver gerecht werden. Offene Daten umfassen kommerzielle und öffentliche, aktuelle und kontextsensitive Daten über städtische Infrastrukturen und Ressourcen wie auch aggregierte Informationen. Bürger und Unternehmen können sich aktiv an der Bereitstellung und Nutzung der Daten und Informationen beteiligen. Da das Angebot und die Verwaltung offener Daten enorme und flexible IT-Leistungen erfordern, eignen sie sich ideal für eine Cloud. Über die City Cloud können Mehrwertdienste beispielsweise für Verkehrsmanagement, Energieversorgung, öffentliche Dienste und die Müllentsorgung mit aktuellen Informationen versorgt werden. Allerdings wird der Übergang von klassischen IT-Infrastrukturen zu Cloud-Lösungen nicht von heute auf morgen erfolgen. Margaret Ranken betont, dass die kosteneffektivste IT-Infrastruktur mit einer hybriden Cloud aufgebaut werden kann: „Wenn Städte ihre Smart-City-Anwendungen implementieren, werden sie feststellen, dass die einzige praktikable Lösung darin besteht, für neue Anwendungen Cloud-Infrastrukturen zu nutzen und gleichzeitig existierende Inhouse-Infrastrukturen zu erhalten.“

(Bildnachweis: Unsplash: Ian Simmonds)

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Chicago ist die erste größere Stadt in den USA, die eine permanente Infrastruktur zum Sammeln von Big Data aufbaut. Hunderte von Umweltsensoren werden dazu installiert. Sie erfassen Temperaturen, Luftfeuchtigkeit, Licht, Lärmpegel und Signale von Mobiltelefonen. Diese Daten sollen helfen, Chicago sicherer und sauberer zu machen.

Schlau und preiswert

Sensoren sind die Datengeneratoren in Smart Cities wie Chicago. Dank der enormen technologischen Entwicklungen, die in der Sensorik in den letzten Jahren gemacht wurden, ist eine massenhafte Installation in Städten möglich: Denn für moderne Sensoren werden Elektronik- und Datenübertragungs-Bausteine zusammen auf einem einzelnen Silikon-Chip integriert – das ermöglicht eine preiswerte Massenproduktion. Zudem sind die heutigen Sensoren deutlich kleiner als noch vor zehn Jahren – und wesentlich schlauer. Sie verfügen über integrierte Elektronik, mit der sie einfache Rechenprozesse durchführen können, und haben somit die Fähigkeit, selbstständig logische Entscheidungen zu treffen. Eigene Datenübertragungs-Module ermöglichen eine Zwei-Wege-Kommunikation mit übergeordneten Systemen wie zum Beispiel einer City Cloud. „Die Verwendung smarter Sensoren unterstützt hochentwickelte IT-Lösungen wie M2M-Kommunikation und Analytik“, erklärt Amit Sharma, einer der leitenden Analysten für IT-Services beim Marktforschungsinstitut Technavio. „Smarte Bewegungssensoren sammeln Informationen und leiten ein Signal an intelligente Systeme, wenn irgendwelche Änderungen in den Aktivitäten der Bewohner entdeckt werden. Der Einsatz von Sensortechnologie zur Unterstützung smarter Projekte in den Bereichen Verkehr, Beleuchtung, Abfallmanagement und Smart Grids nimmt ebenfalls zu.“
Dabei müssen diese smarten Sensoren nicht unbedingt fest in der städtischen Infrastruktur installiert sein. Auch Sensoren in Wearables wie Fitness-Trackern oder Smartphones können wertvolle Informationen für die smarte Stadt liefern: Denn erst über sie sind Daten zum Verhalten und zu den Bewegungen des einzelnen Bürgers verfügbar.

Mehrere Sensoren in einer Plattform

Inzwischen existieren spezielle Smart-City-Sensorplattformen – Systeme, die gleich eine ganze Palette an Sensoren in einem Modul vereinen. Der TrafiOne von Flir zum Beispiel kombiniert einen Wärmebildsensor und Wi-Fi-Tracking-Technologie, um Daten von Fahrzeugen, Fußgängern und Fahrrädern an Verkehrsknotenpunkten zu erfassen. Noch umfassender sind die Möglichkeiten der Waspmote Plug & Sense Plattform von Libelium: Das Unternehmen hat elf Modelle mit mehr als 90 verschiedenen integrierten Sensoren im Angebot. Mit eigenen Solarmodulen sind sie unabhängig vom Stromnetz, verfügen über eine ganze Bandbreite an Funkschnittstellen wie ZigBee, LoRaWAN, Wi-Fi oder Sigfox und können per Funk programmiert werden.
Auch die in Chicago installierte Sensorinfrastruktur wird aus ähnlichen Plattformen aufgebaut: Hier kommen die vom Argonne National Laboratory entwickelten Waggle-Plattformen zum Einsatz. „Array of Things“ (kurz: AoT) nennen die Forscher das Chicagoer Projekt. „Array of Things wird eine Detailtiefe liefern, wie es sie heutzutage in noch keiner anderen Stadt gibt“, so Charlie Catlett, AoT-Projektleiter und Direktor des Urban Center für Computation and Data in Chicago. „Diese Daten werden es Forschern, Politikern und Bürgern ermöglichen, gemeinsam urbane Herausforderungen zu erkennen und Lösungen zu entwickeln.“

(Bildnachweis: Istockphoto: aleksandarvelasevic)

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Die US-amerikanische Stadt Phoenix hat in 2015 einen groß angelegten Plan gestartet, mit dem das Verkehrsnetz völlig umgestaltet wird. Rund 30 Milliarden Dollar will die Stadt in Arizona in den nächsten 35 Jahren dazu aufbringen. Die Investition soll nicht nur die Lebensqualität in der Stadt verbessern, sondern auch gut ausgebildete, sozialbewusste junge Menschen in das Stadtzentrum locken – und damit auch neue Geschäfte und Firmen, die wiederum mehr Geld in die Steuerkassen der Stadt spülen. „Wir sind eine Stadt des 20. Jahrhunderts, die die ökonomischen Entwicklungen des 21. Jahrhunderts anziehen muss“, bringt es Alan Stephenson, Leiter der Stadtentwicklung in Phoenix, auf den Punkt. „Um wettbewerbsfähig zu sein, mussten wir Orte schaffen, an denen sich Arbeitnehmer niederlassen möchten.“

Das Auto verliert an Bedeutung

Kern der neuen Verkehrsphilosophie ist die Tatsache, dass die Mehrheit der sogenannten Millennials – der zwischen 1980 bis 1999 Geborenen – an einem Ort leben will, an dem nicht allzu häufig ein Auto benutzt werden muss. Sie wollen in dicht besiedelten, städtischen Nachbarschaften leben, in denen sie zu Fuß, mit dem Fahrrad oder dem öffentlichen Nahverkehr den Großteil ihrer täglichen Ziele erreichen können. Daher besteht für Phoenix der erste Schritt darin, an den existierenden Stadtbahn-Stationen kompakte Viertel mit gemischter Nutzung zu entwickeln. Zudem soll das vorhandene, für Autos ausgelegte Verkehrsnetz umgebaut werden, sodass auch andere Verkehrsmittel wie der öffentliche Nahverkehr, Fahrräder oder Fußgänger unterstützt werden.

Züge und Busse liefern Echtzeitdaten

Der öffentliche Nahverkehr wird von Grund auf modernisiert, um effizienter, zuverlässiger und besser erreichbar zu sein. Dazu werden die Stadtbusse und -bahnen mit einem neuen rechnergestützten Betriebsleitsystem ausgerüstet. Dieses System bietet nicht nur freies WLAN für alle Fahrgäste, sondern sammelt vor allem auch Daten für das zentrale Verkehrsmanagement-Zentrum. Neben dem Standort des Fahrzeugs werden auch sicherheitsrelevante Daten, Informationen zu der Zahl der Passagiere, Verkehrsdaten und Betriebsdaten des Zuges oder Busses gestreamt. In Zukunft sollen darüber hinaus auch dynamische Fahrgastinformationen in Echtzeit zur Verfügung gestellt werden.

Ein großer Daten-Pool

Um die verschiedenen Verkehrsprojekte zusammenzuführen, startete die Stadt Phoenix ein Big-Data-Projekt, in das die Daten der einzelnen Bereiche integriert werden. Die Analyse dieser Vielzahl an Daten soll eine Optimierung des Kundenservices ermöglichen und die Effizienz der Stadtverwaltung verbessern. So können zum Beispiel Feuerwehr und Ambulanz Echtzeit-Verkehrsinformationen des Verkehrsamtes nutzen, um den schnellsten Weg zu einem Notfall zu finden.

Grüne Welle mit Intelligenz

Zumindest auf absehbare Zeit wird das Auto immer noch die Mobilität in den Städten bestimmen. Den Kraftfahrzeug-Verkehr effizienter zu gestalten, ist daher eine Kernfunktion einer smarten Stadt. Allgemein zugängliche Verkehrsdaten sind dabei ein Schlüssel. Das hat auch Darmstadt erkannt und eine erste Open-Data-Plattform für Verkehrsdaten in Betrieb genommen. Sie dient als Datengrundlage für eine vom Urban Software Institute entwickelte App, die diese Informationen als Basis für Bürgerdienste, innovative Verkehrsanwendungen für die Privatwirtschaft und weitergehende Forschungsprojekte zur Verfügung stellt. Die bereitgestellten Informationen zeigen die aktuelle Verkehrslage in Darmstadt. Die Daten werden über Sensoren an den Ampeln der Stadt in Echtzeit erfasst. Dies ist die Voraussetzung, um den Verkehr treibstoffsparend und damit umweltschonend durch den Rhythmus städtischer Ampelschaltungen zu führen. Weitere Informationen über aktuelle Umweltdaten, wie CO2-Werte, Temperatur oder Lautstärke, könnten über Messstationen wie intelligente Straßenlaternen erfasst und Bürgern und Unternehmen ebenfalls zur Verfügung gestellt werden. „Aus der Idee, bisher ungenutzte Ampeldaten zu öffnen, können sich als Dominoeffekt immer weitere Nutzungen entwickeln, die Beiträge bis hin zur verbesserten Luftreinhaltung und zum Klimaschutz liefern“, so Oberbürgermeister und Wirtschaftsdezernent Jochen Partsch. „Der Aspekt der Verkehrsverflüssigung, das heißt der besseren Organisation von Verkehrsströmen, wird in seinen Möglichkeiten immer noch häufig gegenüber Straßenneubauten unterschätzt. Wo die Flächen knapp werden, ist er aber meist der einzige handhabbare Weg.“

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7:00
Frühstück – auf dem Tisch stehen auch frische Tomaten, die in einer „vertikalen Farm“ in einem alten U-Bahn-Tunnel nur drei Straßen weiter gezüchtet wurden.

7:50
Beim Verlassen der Wohnung erkennt das Smart Home, dass niemand mehr in der Wohnung ist. Alle nicht benötigten Stromverbraucher werden automatisch ausgeschaltet und die Wohnungstemperatur um zwei Grad gesenkt – das spart Energie.

8:00
Auf dem Weg zur Arbeit – mit dem Elektroauto, das sich über Nacht in der Tiefgarage aufgeladen hat. Die Photovoltaikanlage auf dem Dach liefert den Strom.

8:30
Dank exakter Informationen über die Verfügbarkeit freier Parkplätze am Büro wird keine Zeit für die Parkplatzsuche verschwendet.

8:35
Das Videosystem erkennt die Gesichter der Mitarbeiter und gewährt problemlos Zugang – kein Stau beim Betreten des Firmengebäudes oder bei der Zeiterfassung.

8:40
Im Büro – mit sorgfältig auf die Tageszeit abgestimmtem LED-Licht und schadstofffreier Luft bietet das Green Building ein optimales Arbeitsumfeld.

10:00
Zuhause beginnt der Wäschetrockner zu laufen – das Smart Meter hat die Information empfangen, dass die aktuelle Auslastung gering und der stundenaktuelle Strompreis damit niedrig ist.

15:30
Alarmmeldung auf dem Smartphone! Die Sensoren in der Wohnung der Eltern zeigen einen Sturz an! Kurze Zeit später die Entwarnung – die Telemonitoring-Zentrale hat telefonisch jemanden erreicht, es ist nichts passiert.

16:30
Auf dem Nachhauseweg – ein Unfall auf der Strecke! Da das Navi aktuelle Daten von der Verkehrsinfrastruktur und anderen Verkehrsteilnehmern automatisch erhält, konnte früh genug eine Ausweichroute eingeschlagen werden.

16:50
Zwischenstopp beim Arzt – Nachuntersuchung beim Hausarzt. Dank der elektronischen Patientenakte sieht er genau, welche Behandlung der Facharzt vorgenommen hat und welche Medikamente verordnet sind.

19:00
Eigentlich war Jogging im zentralen Stadtpark verabredet – doch die Air-App zeigt, dass die Ozonwerte dort gerade zu hoch sind. Stattdessen in den Wald; ein Fitness-Tracker überwacht die Herzfrequenz und lädt die Trainingsdaten in die Cloud.

19:10
Auf dem Weg eine kaputte Rutsche auf dem Spielplatz um die Ecke entdeckt. Per App wird die Stadtverwaltung informiert. Es kommt auch gleich ein Feed­back: Der Schaden ist bereits gemeldet und wird einen Tag später behoben.

20:00
Es sind noch einige Behördengänge zu erledigen – dank des elektronischen Personalausweises und der kommunalen Verwaltungsplattform geht das von zuhause aus.

20:30
Noch schnell den Müllbeutel in den Vakuumschacht werfen – getrennt wird der Müll zum Glück im Sammelzentrum.

21:00
Auf ein Feierabend-Bier in die Stadtmitte – erst zu Fuß, dann mit dem Elektrobus, zum Schluss mit der Stadtbahn. Alle Verkehrsmittel sind exakt aufeinander abgestimmt, eine App zeigt alle Abfahrtszeiten in Echtzeit an.

23:30
Die letzten Meter nach Hause lieber zu Fuß laufen …, intelligente Straßenlampen leuchten nicht nur heller beim Vorbeikommen, sondern erhellen auch gleich den vorausliegenden Straßenabschnitt.

24:00
Gute Nacht!

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Besonders in Südamerika sind sie häufig zu finden: „Gated Towns“, Stadtviertel, die mit hohen Mauern umgeben sind und die nur über Sicherheitszugänge betreten werden können. Diese an ein Fort aus amerikanischen Western erinnernden Viertel bieten den Bewohnern zwar ein hohes Maß an Sicherheit, doch das wird bezahlt mit einem Empfinden von Eingesperrtsein. In der Fujisawa Sustainable Smart Town in der Nähe von Tokio geht man dagegen den „smarten“ Weg: Hier hat man das Konzept einer „Virtual Gated Town“ realisiert. Mit einem neuen Sicherheitsmodell soll ein ähnlich hoher Sicherheitslevel gewährleistet werden, allerdings ohne das Viertel mit Zäunen und Toren abzuriegeln.

Intelligenter Lebensstil für alle

Fujisawa Sustainable Smart Town, kurz Fujisawa SST, ist ein von der Panasonic Corporation gemeinsam mit acht weiteren Partnern entwickeltes und gebautes Projekt. In dem Stadtviertel sollen bis 2018 rund 3.000 Menschen leben und arbeiten. Schon Anfang 2014 sind die ersten von ihnen eingezogen. Neu bei der Entwicklung der Fujisawa Sustainable Smart Town ist, dass die Konstrukteure einen intelligenten und komfortablen Lebensstil für die Bewohner in den Mittelpunkt der Planung gestellt haben. Darauf wurden das Design und die technische Infrastruktur ­abgestimmt. Dabei ist neben der Nachhaltigkeit und Energieeffizienz die Sicherheit eines der wesentlichen Leitmotive des Projektes.

Unaufdringliche Sicherheit

Diese Sicherheit soll aber „unaufdringlich“ gewährt werden. Dazu sind rund 50 Überwachungskameras und mit ihnen vernetzte LED-Straßenlampen an den Zugängen zum Stadtviertel, an öffentlichen Gebäuden und dunkleren Bereichen sowie an größeren Straßenkreuzungen installiert. Sie bilden den virtuellen Zaun. In einer Sicherheitszentrale verfolgen Mitarbeiter an den Monitoren das Geschehen und schicken bei Bedarf sogenannte „Security Concierges“ los, die nach dem Rechten sehen können. Dadurch soll ein hoher Sicherheitslevel bei einer gleichzeitig offenen Atmosphäre gewährleistet werden.

Smarte Videoanalyse

Denkbar, wenn auch in Fujisawa nicht realisiert, wäre die Ergänzung der Kameras mit einem modernen System zur Videoanalyse, wie sie auch auf der Fanmeile der letzten Fußball-Europameisterschaft in Frankreich zum Einsatz kam. Die Firma Evitech setzte hier eine Software ein, die Bilder aus der Videoüberwachung zur Analyse des Verhaltens von Menschen nutzt. Die Software kann unter anderem zählen, wie viele Menschen einen Bereich betreten und verlassen. Die Sicherheitszentrale kann auf Basis der Daten jederzeit entscheiden, einen Platz zu schließen, und so etwa eine Überfüllung vermeiden. Darüber hinaus wird auch die Bewegung der Menschenmenge erfasst. Eine ungewöhnliche Bewegung – zum Beispiel eine Person, die entgegen der allgemeinen Bewegungsrichtung läuft – kann schnell entdeckt und den Sicherheitskräften mitgeteilt werden.

Vorausschauende Straßenbeleuchtung

In Fujisawa SST wird aber nicht nur auf Kameras gesetzt, auch jeder Bürger soll in der Lage sein, etwaige Gefahren früh zu erkennen. Dazu sind die LED-Straßenleuchten mit Sensoren ausgestattet, die erfassen, ob ein Fußgänger oder Fahrzeug in der Nähe ist. Wenn sich niemand im Umfeld aufhält, dimmen sie automatisch das Licht herunter und sparen so Energie. Nähert sich aber eine Person oder ein Auto, liefern die Straßenlampen ausreichend Helligkeit, um nicht nur den Bereich direkt unter ihnen auszuleuchten, sondern leuchten auch drei oder vier Schritte voraus. Außerdem sind Straßenlampen und Sicherheitskameras zu einem Wireless-Netzwerk verbunden. So kann das System wie bei einem Staffellauf die Sicherheitsbeleuchtung in Bewegungsrichtung des Passanten von Lampe zu Lampe weitergeben und den vorausliegenden Straßenabschnitt erhellen.

Auch zuhause sicher

Das Sicherheitskonzept von Fujisawa SST reicht herunter bis zur Gebäude- und Wohnungsebene: Kameras mit Gesichtserkennung gleichen Personen, die Zutritt in eine Wohnung haben wollen, mit einer zuvor hinterlegten Liste ab. Sind sie berechtigt, die Wohnung oder das Haus zu betreten, wird automatisch die Tür geöffnet. Das Heim-Sicherheitssystem erkennt zudem ein unberechtigtes Eindringen und Feuer und warnt die Bewohner in einem Notfall. Ergänzt wird diese elektronische Überwachung durch Sicherheitspatrouillen. So entsteht ein integriertes Netzwerk von Systemen und Diensten, das eine Sicherheit ohne blinde Flecken ermöglichen soll.

Im Notfall noch drei Tage funktionsfähig

Auch im Katastrophenfall – im erdbebengeplagten Japan keine Seltenheit – kommt dem Sicherheitssystem eine wichtige Rolle zu. Während die Überwachungskameras und Straßenleuchten unter normalen Umständen Verbrechen verhindern sollen, switchen sie im Notfall sanft in einen Katas­trophenmodus. Ergänzend zur Überwachung der Gesamtsituation mithilfe der Kameras bleibt eine bestimmte Anzahl von Straßenleuchten dann immer an und Hauseingangsleuchten sowie Zimmerleuchten liefern zusätzlich eine schwache, aber immerhin vorhandene Straßenbeleuchtung. Das soll den Bewohnern auch im Katastrophenfall nachts ein Gefühl der Sicherheit geben.
Die Energie dazu wird aus Batterien geliefert, deren Kapazität für drei Tage ausreicht. Grundsätzlich ist die gesamte Infrastruktur so ausgelegt, dass die hochtechnisierte Stadt auch im Katastrophenfall die wichtigsten Funktionen und die Grundversorgung der Bewohner mit Wasser, Nahrung und sanitären Einrichtungen so lange gewährleisten kann, bis der Normalzustand wieder erreicht ist.

(Bildnachweis: Istockphoto: tansy04)

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Das ideale Gerät für die Smart City ist klein, kann zuverlässig Informationen übertragen und arbeitet selbstständig mit nur einem minimalen Wartungsaufwand über seine gesamte Lebenszeit. Nur wo sollen die Geräte die Energie für ihre Arbeit hernehmen? Der Anschluss an Stromleitungen ist nicht überall möglich und für die Vielzahl der benötigten IoT-Geräte auch viel zu aufwändig. Batterien spenden nur eine absehbare Zeit lang Strom – aber ein Wechsel bei tausenden Geräten wäre viel zu teuer und würde Wartungstechnikern wahre Alpträume bereiten. Die Lösung bietet das sogenannte Energy Harvesting: Fortschritte in der Halbleitertechnologie haben integrierte Schaltungen mit extrem niedrigem Stromverbrauch ermöglicht, die Energie aus der Umgebung „ernten“ können. Das kann natürliches oder auch künstliches Licht sein, Wärme, Wind oder Vibrationen. Die Ausbeute an Energie ist zwar gering, reicht aber völlig, um kleine, sparsame IoT-Geräte wie Sensoren zu versorgen.

Vibrationen und Schritte erzeugen Strom

Das New Yorker Unternehmen MicroGen hat zum Beispiel Mikro-Generatoren entwickelt, die aus Vibrationen Strom erzeugen. Sie nutzen den piezoelektrischen Effekt und sind mithilfe der MEMS-Technologie gefertigt: Die Vibrationen verformen ein Piezo-Material elastisch. Dabei entsteht eine elektrische Spannung. Diese Energie wird in Dünnfilm-Batterien oder kleinen Ultra-Kondensatoren gespeichert. Den gleichen Effekt nutzt auch die Londoner Firma Pavegen: Nur sind es hier die Schritte von Fußgängern, die Piezo-Elemente im Belag des Gehwegs verformen und so Strom generieren. Die kinetische Energie eines Schrittes wird in fünf Watt elektrische Energie umgewandelt. Das britische Start-up-Unternehmen hat seine Platten bereits in mehreren Projekten weltweit im Einsatz: In Rio de Janeiro wurde zum Beispiel ein Fußballplatz inmitten einer Favela mit den Bodenplatten ausgestattet. Seit 2014 sorgen sie zusammen mit Solarzellen dafür, dass der Platz für bis zu zehn Stunden lang hell erleuchtet ist. „Wann auch immer jemand einen Schritt auf unsere Fliesen macht, entsteht genug Energie, um eine Glühbirne für einige Sekunden zum Leuchten zu bringen. Diese Bewegung kann die Zukunft der Energieerzeugung in unseren Smart Cities verändern – genauso wie die Energienutzung in aufstrebenden Regionen weltweit“, ist sich Laurence Kemball-Cook, der 30-jährige Gründer und CEO von Pavegen, sicher.
Die US-amerikanische Firma Perpetua setzt dagegen auf Temperaturunterschiede, um elektrische Energie zu erzeugen. Die Power Pucks genannten thermoelektrischen Generatoren lassen sich zum Beispiel auf Rohrleitungen, Pumpen, Ventilatoren oder Motoren montieren. Die Temperaturdifferenz zwischen deren Oberfläche zur Umgebung reicht aus, damit die Halbleiterelemente der Pucks nutzbare elektrische Energie erzeugen – und das für Jahrzehnte. Die Generatoren arbeiten dabei im gleichen Spannungsbereich wie übliche Batterien.

Mini-Generatoren im Wasserzähler

Einen anderen Ansatz verfolgt das Team um Dr. Peter Spies vom Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS: Es nutzt die Drehung der Zahnräder von Ovalradzählern, mit denen Volumenströme in Leitungen gemessen werden, um Strom zu erzeugen. „Mit einer geeigneten Anordnung von Magneten an den Zahnrädern und fest installierten Spulen am Gehäuse des Ovalradzählers kann aus der Drehbewegung elektrische Energie gewonnen werden, um ein Funkmodul zu versorgen und die Messdaten drahtlos zu übertragen“, erläutert Peter Spies die Vorteile der Technologie. So kann bei jeder Durchflussmessung – zum Beispiel bei Wasserleitungen – Energie gewonnen werden.

Spannung liegt in der Luft

Wiederum einen anderen Effekt nutzen US-amerikanische und chinesische Forscher vom Georgia Institute of Technology bzw. dem Beijing Institute of Nanoenergy and Nanosystems: Ihr hybrider Generator basiert auf dem triboelektrischen Effekt. Darunter versteht man die elektrische Aufladung zweier Materialien durch Kontakt und anschließendes Trennen – im Alltag bemerkt man ihn etwa, wenn es beim Pulliausziehen knistert. Das Team entwickelte einen Generator, der zum einen aus einer Solarzelle auf Siliziumbasis besteht und zum anderen aus einem triboelektrischen Nanogenerator. Er besteht aus dünnen Schichten von Kunststoff und Teflon, die durch die Luft voneinander getrennt werden. Wenn Wind weht, vibriert der Kunststoff-Film zwischen den Teflonschichten, gerät also in Kontakt mit dem Teflon und wird wieder getrennt. So entsteht „Triboelektrizität“ – rund 26 Milliwatt lassen sich so produzieren (1 Milliwatt kann 100 kleine LEDs zum Leuchten bringen). „Diese Forschung präsentiert einen machbaren Ansatz, um die Ausbeute von Solar- und Windenergie in einer Stadt zu maximieren mit dem Ziel, energieautarke Funktionen in Smart Cities zu realisieren“, schreiben die Forscher in einem Abstract, das sie in der Fachzeitschrift ACS Nano veröffentlicht haben.

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Alleine in Europa müssen in den nächsten Jahren etwa zehn Millionen Straßenlaternen ausgetauscht oder instand gesetzt werden. Die Modernisierung eröffnet den Kommunen jetzt die Chance, über das Sparen von Energie und Kosten hinaus, eine innovative digitale städtische Infrastruktur aufzubauen. Aus Straßenbeleuchtung werden multifunktionale Masten: Ausgerüstet mit öffentlichem WLAN, Notruffunktionen, Sensorik zur Messung von Schadstoffen und CO2, Instrumenten der Verkehrsmessung und -steuerung bis hin zur Ladestation für Elektrofahrzeuge beschleunigen sie die Digitalisierung des städtischen Raums. Die anonymisierten Informationen können Bürger und Unternehmen für innovative Anwendungen nutzen. So können zum Beispiel Sicherheit und Komfort auf den Straßen erhöht, Energie intelligent genutzt und Daten zur Einhaltung von kritischen Schadstoffen gesammelt werden. „Der Austausch von Glühbirnen durch LEDs ist zu wenig. Mit digitalisierter Straßenbeleuchtung bauen wir die Smart City“, sagt Prof. Dr. Lutz Heuser, CEO des Urban Software Institute – ein Software- und Beratungsunternehmen, das sich auch als Inkubator für Smart-City-Lösungen versteht.

Licht nach Bedarf

Die niederländische Gemeinde Schiedam hat beispielsweise zwei Straßen mit einer intelligenten Straßenbeleuchtung der Firma Tvilight ausgerüstet. Funksensoren an den Straßenlaternen erkennen, ob sich ein Fußgänger, Radfahrer oder Auto nähert und passen das Licht entsprechend an: Ist jemand im Bereich der Laterne, wird die Leistung der Lampe hochgefahren, ist die Straße leer, dimmt sie herunter – dieser Effekt wird auch „Light on demand“ genannt. „Die Gemeinde legt größten Wert auf Nachhaltigkeit bei allen städtischen Projekten“, betont Jean-Marc Pisters von der Gemeinde Schiedam. „Als wir die Beleuchtung einer der wichtigsten Straßen der Stadt erneuern mussten, entschieden wir uns für eine intelligente Straßenbeleuchtung. Sie erlaubt uns, Energie zu sparen und die öffentliche Sicherheit zu steigern.“ Die öffentliche Beleuchtung hat einen Anteil von rund 60 Prozent an den Stromkosten europäischer Städte.

Multifunktionale Service-Stationen

Doch Straßenlaternen können noch viel mehr, als nur im Dunkeln zu leuchten. Das zeigt der Energieversorger EnBW mit seiner intelligenten multifunktionalen Straßenbeleuchtung: Neben einer effizienten LED-Beleuchtung ist Sm!ght ein WLAN-Hotspot für drahtlosen Internetzugang, Ladestation für Elektrofahrzeuge, Notrufsäule für Hilfesuchende und Messstation für Umweltdaten. Technische Basis für die Vernetzung der Laternen und ihrer Sensoren sowie die Verarbeitung der Daten ist Azure, die Cloud-Plattform von Microsoft. „Mit Sm!ght zeigen wir, dass moderne Laternen deutlich mehr Funktionen anbieten können als nur effizientes Licht“, sagt Uli Huener, Leiter des Innovationsmanagements bei EnBW, der die Eigenentwicklung verantwortet. „Mit modernen Sensoren und der richtigen Cloud können wir aus einfachen Laternen multifunktionale Service-Stationen entwickeln.“ So liefern die an den Masten montierten Sensoren Informationen über Feinstaub und verknüpfen diese mit Wetterdaten, um beispielsweise über eine angepasste Verkehrsregelung die Umweltbelastung zu reduzieren. Auch die am Hotspot angemeldeten Mobiltelefone übermitteln nützliche Daten, die sich etwa für die Lenkung von Menschenströmen bei Sportveranstaltungen und Volksfesten einsetzen lassen. Die ersten dieser smarten Lampen stehen bereits in Karlsruhe und weiteren Städten Baden-Württembergs.

Nutzung der alten Infrastruktur

Wichtig für Kommunen, deren Budget meist eingeschränkt ist: Es müssen nicht völlig neue Laternen installiert werden, um die Straßenbeleuchtung fit für die Smart City zu machen. Das zeigt das Beispiel Brasov: Die siebtgrößte Stadt in Rumänien und eines der wichtigsten Ziele für Touristen hat die vorhandene Infrastruktur nicht ausgetauscht, sondern „nur“ upgedatet. Denn das zur Verfügung stehende Budget reichte nicht aus, um die rund 12.000 Hochdruckentladungs- gegen LED-Lampen auszutauschen. Daher bestand das vorrangige Ziel darin, die vorhandene Infrastruktur besser zu managen. Gleichzeitig sollten aber auch an den Masten installierte Überwachungskameras und Panikknöpfe die Sicherheit für die Bürger erhöhen. Dazu wird seit 2015 das Intellilight-System der rumänischen Firma Flashnet eingesetzt: Neben LoRaWAN als Kommunikationssystem für eine moderne Straßenbeleuchtungs-Lösung bietet das Unternehmen auch die Kommunikation über Powerline an. Hierbei werden die Daten der Laternen nicht über Funk übertragen, sondern über die vorhandenen Stromleitungen, die die Laternen mit Energie versorgen. Dadurch ist die Datenübertragung auch gut geschützt vor elektromagnetischen Störungen, die von den alten HID-Lampen ausgestrahlt werden. Die Beleuchtungs-Kontroll-Software überwacht nicht nur den Stromverbrauch jeder einzelnen Lampe, sodass Defekte schnell erkannt werden. Sie sorgt auch dafür, dass das Netz 24 Stunden mit Energie versorgt wird. Somit steht immer Strom für die an einigen Laternenmasten installierten Kameras und Panikknöpfe zur Verfügung. Auch deren Daten werden über Powerline an die Zentrale übermittelt. Zudem hat Brasov einige Masten mit Ladestationen für Elektrofahrzeuge ausgerüstet – all das, ohne neue Stromleitungen verlegen oder neue Laternen aufbauen zu müssen.

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