Digitalisierung bringt Städte in eine nachhaltige Zukunft

Wie wollen wir in Zukunft leben? Die Antwort auf diese Frage ist angesichts der immer stärker spürbaren Folgen des Klimawandels drängender denn je. Abhilfe verspricht das Konzept der Smart City. Wissenschaft, Politik und Gesellschaft denken gerade die Stadt der Zukunft neu. Eine zentrale Rolle nehmen dabei digitale Technologien ein.

Der Trend zur Urbanisierung ist nicht aufzuhalten, weltweit zieht es die Menschen in die Städte. Nach Schätzungen der Vereinten Nationen werden im Jahr 2050 mehr als zwei Drittel der Weltbevölkerung in Ballungsräumen leben. In Deutschland sieht die Lage nicht viel anders aus: Schon heute haben sich drei von vier Menschen für ein Leben in der Stadt entschieden – wobei Stadt nicht gleich Millionen-Metropole bedeutet. Die Vorteile liegen jedenfalls auf der Hand: Es gibt Arbeitsplätze und eine gute Infrastruktur mit Bildungseinrichtungen und Kinderbetreuung. Restaurants, Einkaufsmöglichkeiten, Kinos und andere kulturelle Angebote sind mehr oder weniger zu Fuß erreichbar. Doch das moderne Stadtleben hat auch seine Schattenseiten. Es ist voll, eng, laut und hektisch. Bezahlbarer Wohnraum ist knapp, der Verkehr am Limit, hohe Emissionen belasten die Luft. Hinzu kommen die Auswirkungen des Klimawandels, der die Städte vor zusätzliche Herausforderungen stellt.

Pessimisten malen deshalb ein düsteres Bild von den Städten der Zukunft. Sie sehen überfüllte Metropolen, in denen die Menschen unter Hitze, Smog und Verkehrschaos leiden. Schon heute tragen sie mit ihrem hohen Bedarf an Wasser, Energie und Rohstoffen für Gewerbe, Haushalte und Verkehr überproportional zum Verbrauch der vorhandenen Ressourcen, zu steigenden Kohlendioxidemissionen und damit zur globalen Klimaerwärmung bei. 80 Prozent aller Abfälle werden in Städten erzeugt, sie verbrauchen zudem bis zu 80 Prozent der erzeugten Energie und sind für fast 70 Prozent der Treibhausgase verantwortlich. Optimisten hingegen haben eine ganz andere Vision – die einer grünen, leisen und sauberen Stadt. Vollautomatisierte Elektrofahrzeuge gleiten fast geräuschlos durch die Straßen. Kein Mensch sitzt hinter dem Steuer, Künstliche Intelligenz übernimmt das Fahren. Überall integrierte Solaranlagen liefern den Bewohnern nachhaltige Energie. Für ein besseres Mikroklima sorgen begrünte Fassaden. Die Stadtbewohner sind zudem weitgehend Selbstversorger – auf den Dächern und in den Parks wächst frisches Obst und Gemüse. Zwar kann heute noch niemand vorhersagen, wie die Stadt der Zukunft tatsächlich aussehen wird. Doch in einem sind sich Wissenschaft, Politik und Gesellschaft einig: So wie bisher kann es nicht weitergehen.

Städte stehen vor zahlreichen Herausforderungen

Es braucht ein Umdenken in vielen Bereichen – von Mobilität über Wohnen bis Energieversorgung. Oder anders formuliert: Schlüsselsektoren müssen mit Hilfe digitaler Technologien dekarbonisiert werden. Gerade die Verkehrssteuerung gilt als eines der Felder, auf denen sich relativ schnell Effekte erzielen lassen: Mit Hilfe intelligenter Systeme kann ein Fahrzeug beispielsweise im Vorbeifahren eine freie Parkfläche am Straßenrand erkennen und diese Daten anonymisiert über die Cloud anderen Autofahrern zur Verfügung stellen. Somit wird derjenige, der gerade auf der Suche nach einem Parkplatz ist, ohne Umweg, Zeitverlust und unnötigen CO₂-Ausstoß zur nächsten freien Lücke geführt. Noch mehr Verkehr lässt sich mit smarten Mobilitätskonzepten reduzieren, indem beispielsweise der öffentliche Personennahverkehr nach Bedarf gesteuert wird. Straßen-, S- und U-Bahnen sowie Nahverkehrsbusse und -züge stoßen durchschnittlich weniger Luftschadstoffe und CO₂ pro Personenkilometer aus als ein Pkw. Allerdings werden die Öffentlichen nur dann mehr Resonanz erfahren, wenn Taktung, Anbindung und die Abstimmung aufeinander besser geplant sind. Das heißt, alle Systeme müssen ohne Medienbrüche miteinander kommunizieren. Eine intelligente Lösung ermöglicht dann nicht nur eine multimodale Routenplanung, sondern auch das direkte Buchen von Trips inklusive bargeldloser Abrechnung per App. Dabei können auch die Ticketpreise dynamisch an die Verkehrs- und Umweltsituation angepasst werden, um so die Ökobilanz und den Verkehrsfluss zu optimieren.

Etwas weiter in der Zukunft liegen Anwendungen rund um autonome Mobilität: Damit sich Fahrzeuge selbstständig und sicher auf der Straße bewegen können, muss der Bordcomputer jedes einzelnen Fahrzeugs wissen, wo sich andere Verkehrsteilnehmer befinden, wie schnell diese sind – um zum Beispiel Bremsweg und toten Winkel berechnen zu können –, wie die Straßenverhältnisse aussehen und vieles mehr. Das setzt eine Vernetzung der Fahrzeuge untereinander wie auch mit ihrer Umgebung voraus. Beleuchtungsmasten beispielsweise eignen sich gut als Standorte für den Aufbau des dafür notwendigen IoT-Netzes. Die mit Messsensoren ausgestatteten Masten empfangen und senden eine Vielzahl von Informationen aus ihrer Umgebung – das reicht von Verkehrsströmen und der bereits erwähnten Parkplatzauslastung über Luft- und Wasserqualität bis hin zum Füllstand eines Abfallcontainers, damit dieser nur bei Bedarf zur Leerung angefahren wird.

Das Thema Energie muss neu gedacht werden

Das Funktionieren einer Stadt hängt aber auch von Energie ab. Wie werden die Städte der Zukunft ihre vielen Einwohner mit Wärme und Strom versorgen? Mit dieser zentralen Frage beschäftigen sich schon heute verschiedene Planspiele und Forschungsprojekte. Aktuell ist knapp die Hälfte des Stromverbrauchs in Deutschland durch Wind-, Solar-, Biogas- und Wasserkraftanlagen gedeckt, in Zukunft sollen erneuerbare Energien der einzige Lieferant sein. Eine zentrale Rolle spielen dabei die einzelnen Gebäude, die zu autarken Mini-Kraftwerken werden: Solarzellen auf dem Dach und Windkrafträder im Garten liefern grünen Strom, der direkt vor Ort für „energiearme“ Tage gespeichert wird. Alle Häuser sind zudem miteinander vernetzt und werden so zu einer „Energiegemeinschaft“, die Strom bedarfsgerecht zuteilt. Das heißt: Wer zu viel hat, gibt den Überschuss zu fairen Preisen an die Nachbarn ab.

Hybride Systeme, in denen die Nutzung und Speicherung von erneuerbaren Stromquellen barrierefrei zwischen Gebäuden, Strom- und Wärmenetz sowie Nutzern fließen kann, nehmen in Smart-City-Konzepten also eine wichtige Rolle ein. In diesen Smart Grids lassen sich mittels Sensoren und intelligenter Software Erzeugung und Verbrauch so aufeinander abstimmen, dass zu jeder Zeit die exakt benötigte Menge Strom bereitsteht – im Idealfall bis auf das Watt genau. Der Einsatz moderner Sensoren und des jüngsten Mobilfunkstandards 5G ermöglicht zudem eine kontinuierliche Überwachung, Steuerung und Automatisierung des Gebäudemanagements, allen voran der HLK-Steuerungssysteme (Heizung, Lüftung und Klimaanlage). So lassen sich der Verbrauch optimieren und die Kosten reduzieren. Bestenfalls tritt sogar ein Gamification-Effekt ein – das heißt, mit den Kennzahlen im Blick sind die Nutzer motiviert, ihren Strom- und Wasserverbrauch zu reduzieren. Aber auch die Abwärme großer städtischer Rechenzentren sollte bei der Versorgung angrenzender Wohngebiete nicht unberücksichtigt bleiben.

Die notwendigen Technologien stehen schon parat

Sensoren oder anders ausgedrückt das Internet of Things sind für die notwendige Vernetzung innerhalb einer Smart City unabdingbare Voraussetzung. Aber auch andere Technologien wie der Digitale Zwilling helfen bei einer nachhaltigeren Stadtentwicklung in den drei wichtigen Bereichen Bauen, Energie und Mobilität. Durch die Verfügbarkeit von immer größeren und genaueren Gebäudeinformationsmodellen (BIM) in Kombination mit Big Data, die aus den unterschiedlichsten Quellen generiert werden, lassen sich inzwischen digitale Abbilder von Gebäuden und Straßen, aber auch von Prozessketten wie Mobilitätsströmen, Treibhausgasemissionen und sozialen Interaktionen erstellen. Die Technologie bildet also nicht nur Grundrisse oder Ansichten des architektonischen Entwurfs ab, sondern enthält das gesamte Ökosystem eines Gebäudes, einschließlich Beleuchtung, Heizung und Klimatisierung, Brandschutzsystemen oder Informationen zu Laufwegen. Der Digitale Zwilling liefert somit ein virtuelles Modell, das als Entscheidungsgrundlage für die Planung städtischer Infrastrukturen und zur Optimierung von Prozessen sowie zur Abschätzung von Kosten, Nutzen und Risiken einzelner Projekte und Maßnahmen herangezogen werden kann. Der Digitale Zwilling kann seinem physischen Bruder sogar direkt Rückmeldungen geben und zu einem sich selbst verbessernden System werden.

Eine Erkenntnis kann beispielsweise sein, dass ein Bereich in einem Büro kaum genutzt wird, nachdem alle Mitarbeitenden das Gebäude betreten haben. Um Ressourcen zu schonen, kann ein Bewegungsmelder so programmiert werden, dass er automatisch die Beleuchtung ausschaltet und die Heizung herunterfährt. Durch die Zusammenführung aller gesammelten Daten aus Sensoren in Leuchten, Lüftungssystemen und Thermostaten sowie Informationen über die Energieaufnahme aus dem Stromnetz oder sogar Wetterdaten von außen lassen sich weitreichende Anpassung vornehmen, um unnötigen Verbrauch zu vermeiden und die CO₂-Bilanz zu verbessern. Das Konzept des Digitalen Zwillings wird in einer Smart City aber nicht nur auf ein einzelnes Objekt, sondern auf komplette Stadtviertel angewendet. Werden beispielsweise geographische Informationssysteme (GIS) herangezogen, können Modelle in den Kontext der lokalen Umgebung gestellt und mit Informationen wie dem Straßenverkehr sowie Energie- und Abfallströmen verknüpft werden. Wenn sich zum Beispiel ein Unfall ereignet, ist das System in der Lage, Optionen für mögliche Maßnahmen wie Straßensperrungen oder Umleitungen zu geben. Das verbessert nicht nur den Verkehrsfluss, sondern trägt auch zu mehr Verkehrssicherheit und weniger Emissionen bei. Aber auch die Auslastung öffentlicher Verkehrsmittel lässt sich mit Hilfe solcher Planungsmodelle besser steuern.

Die Umsetzung gestaltet sich in der Praxis schwierig

Theoretisch lässt sich eine Stadt mit Hilfe intelligenter Technologien in unterschiedlichster Art und Weise nachhaltig gestalten. Die Umsetzung entsprechender Konzepte ist aber durchaus mit einigen Herausforderungen verbunden. Eine Smart City zeichnet sich immer durch ein ganzheitliches, urbanes Gesamtsystem aus – voneinander unabhängige Einzelmaßnahmen führen also nicht zum Ziel. So wird beispielsweise die Datenerhebung zum Verkehrsaufkommen in einer Innenstadt erst dann smart, wenn diese Verkehrsdaten gleichzeitig mit denen der Luftqualität sowie Informationen über die Parkplatznutzung, die Frequenz des Nahverkehrs und das Pendlerverhalten verknüpft werden. Die gesammelten Daten müssen konsolidiert und mit Hilfe von Data Analytics sinnvoll ausgewertet werden. Zudem braucht es eine Plattform mit offenen Standards: Nur wenn alle Systeme ohne Medienbrüche miteinander kommunizieren, funktioniert der Smart-City-Gedanke reibungslos. Das setzt wiederum offene Standards voraus, um eine Interoperabilität zwischen den unterschiedlichsten Systemen und Plattformen zu gewährleisten und gleichzeitig Herstellerabhängigkeiten zu vermeiden.

Für eine nachhaltigere Stadt muss zudem die Verfügbarkeit und Verknüpfung der Daten erleichtert werden, nur so wird die Entwicklung neuer Dienstleistungen möglich. Ziel ist dabei, mit den gesammelten Daten einen Mehrwert zu schaffen – indem etwa das Ticket für den öffentlichen Nahverkehr sehr günstig ist, der Bürger im Gegenzug aber seine Bewegungsdaten teilt. Mit Hilfe von Data Governance lässt sich ein Konzept über die Datenhoheit für Stadt, Wirtschaft und Bürger erarbeiten, das auch die Grundlage für weitreichende Geschäftsmodelle und damit die Refinanzierung von Smart-City-Projekten ist. Keinesfalls darf dabei am Ende der „gläserne Bürger“ stehen. Die aggregierten Bewegungsdaten etwa müssen immer anonymisiert sein. Die Implementierung robuster Sicherheitsmaßnahmen und Datenschutzrichtlinien, um die Privatsphäre der Bürger und die Integrität der Systeme zu schützen, ist also eine grundlegende Voraussetzung. Hinzu kommt: Eine echte Transformation wird nur möglich sein, wenn die Bevölkerung aktiv beteiligt ist. Deshalb ist es so wichtig, Neuerungen mit den Menschen in den Quartieren und Städten vor Ort gemeinsam zu gestalten. Um zu wissen, was sie interessiert und wo es Probleme im Alltag gibt, helfen Workshops, Umfragen und Stadtlabore weiter. Die Städte wiederum sollten nicht verpassen, die verfügbaren Fördermittel auszuschöpfen, denn die Finanzierung von Smart-City-Projekten ist anspruchsvoller als bei konventionellen Infrastrukturvorhaben.

Eins steht fest: Die Städte der Zukunft müssen nachhaltiger werden, hier entscheidet sich das Ringen um den Klimaschutz. Sicher, nicht jede Idee wird von heute auf morgen Realität. Aber wenn auch nur ein Teil gelingt, können die Städte zuversichtlich in die Zukunft blicken.