Smart Cities
Der relativ junge Sammelbegriff „Smart City" beschreibt Ideen und Konzepte für urbane Räume, mit denen Städte durch Einsatz moderner Technologie effizienter und damit klimaschonender sowie lebenswerter werden sollen. Um diese Ziele in wachsenden Städten zu erreichen, braucht es Produkte, Dienstleistungen, Prozesse und Infrastrukturen, die durch hochintegrierte und vernetzte Informations- und Kommunikationstechnologien gestützt werden.
Die schlaue Stadt der Zukunft
In den kommenden Jahrzehnten werden immer mehr Menschen in urbane Räume ziehen. Bereits heute leben und arbeiten über 50 Prozent der Menschen weltweit in Städten. Deshalb spielen Städte bei den Herausforderungen des Klimawandels und des demografischen Wandels eine zentrale Rolle. Es geht darum, die richtigen Ressourcen zur richtigen Zeit innerhalb der Stadt zur Verfügung zu stellen – seien es Nahrungsmittel, Energie oder Konsumprodukte. Energie- und Wasserversorgung, Mobilität und Kommunikationstechniken werden immer mehr miteinander vernetzt. Sie treten in Interaktion zueinander, um die Bedürfnisse der Menschen erfüllen zu können. Städte mit solch schlauen Infrastrukturen nennt man „Smart Cities“.
Um der Urbanisierung gerecht zu werden, müssen Städte intelligenter (also: smart) werden. Das heißt, Systeme müssen in Echtzeit verstehen, wie Milliarden von Vorgängen zustande kommen, wie sie zusammenspielen und was wo getan werden muss, damit alles funktioniert. Computer müssen lernen, was Menschen brauchen, mögen, tun und wie sie sich von einem Ort zum anderen bewegen.
Was bedeutet eigentlich „Smart City"?
Eine allgemein anerkannte Definition, was eine Smart City ist, gibt es derzeit noch nicht. Zentrales Anliegen in einer Smart City ist es, die Effizienz, Effektivität und Widerstandsfähigkeit des Gesamtsystems zu steigern. Denn beim demografischen Wandel und beim Bewältigen der Herausforderungen des Klimaschutzes spielen Städte eine wichtige Rolle. Mithilfe von Informations- und Kommunikationstechnologien sowie neuen Technologien begegnen Bürger, Unternehmen und Verwaltung in einer Smart City diesen Herausforderungen. So soll das bestmögliche Potenzial von ökologischen und sozialen Verbesserungen erreicht werden.
In der Smart City kann die gesamte städtische Umgebung mit Sensoren versehen sein. Es entsteht ein Internet der Dinge (Internet of Things and Services), das sämtliche erfassten Daten auf einem virtuellen Computerserver, der Datencloud, verfügbar macht. Stadtbewohner und die sie umgebende Technologie interagieren permanent. Beispielsweise können wir heute schon ein Smartphone nutzen, um Kraftstoff und damit Abgase zu sparen: So können wir informationsgestützt diejenigen Verkehrsmittel kombinieren, die uns schnell, umweltschonend und bequem von A nach B bringen.
In Deutschland gibt es immer mehr Pilotprojekte, die die Stadt der Zukunft heute schon Wirklichkeit werden lassen. Sensoren, die die Wasserführung von Flüssen und Bächen melden; intelligente Verkehrsführung, vorbei am Stau zum nächsten freien Parkplatz mit oder ohne E-Ladesäule: All das sind Beispiele für Smart-City-Anwendungen.
Eine Stadt geht auf Empfang
Damit die städtische Infrastruktur untereinander kommunizieren kann, braucht es neben Sensoren auch ein eigenes Kommunikationsnetz. Die Anforderungen: energieeffizient, daten- und ausfallsicher, gute Reichweite, mit kostengünstigen Komponenten. Eine geeignete Technologie ist LoRaWAN. Die Abkürzung steht für Long Range Wide Area Network. Hier funktioniert die Datenübertragung mit niedrigen Frequenzen, gleichzeitig ermöglicht LoRaWAN dank großer Reichweite auch innerhalb von Gebäuden guten Empfang. In Baden-Württemberg errichtet der Verteilnetzbetreiber Netze BW ein solches LoRaWAN-Netz; bis 2023 soll es flächendeckend verfügbar sein.
Bedeutung von Energie in der Smart City
In einer Smart City gibt es mehrere Handlungsfelder, die mit intelligenter Technologie vernetzt werden. Die smarte Stadt verknüpft Verwaltung und Mobilität mit Energie- und Umweltfragen. Hier spielen die dezentrale Erzeugung von Energie, die Steuerung von Lastspitzen, die Beleuchtung und das Smart Home (intelligentes Wohnen) eine Rolle.
Wo bislang der eine produzierte und der andere konsumierte, verschmilzt der aktuelle technische Fortschritt die angestammten Rollen: Wir buchen Reisen selbst, checken am Flughafen eigenhändig ein, bauen Möbel eigenhändig auf, erledigen Überweisungen online. Auch die bislang scharfe Trennung zwischen Energieproduzent und -verbraucher verwischt zunehmend. Immer mehr Verbraucher produzieren heute auch Energie: im Kleinen – beispielsweise mit einer Photovoltaikanlage auf dem Eigenheim – oder im Großen – als genossenschaftlicher Zusammenschluss vieler Wohnungsbesitzer mit einem eigenen Miniblockheizkraftwerk. Sie verbrauchen den produzierten Strom oder die in eigenen Anlagen erzeugte Wärme auch selbst und speisen den Überschuss in die örtlichen Energienetze ein. So werden aus Verbrauchern (englisch: Consumer) zunehmend auch Produzenten (englisch: „Producer"). In der intelligenten Stadt übernehmen immer mehr Konsumenten Aufgaben des Produzenten – und werden so zu Prosumenten (englisch: „Prosumer").
In der Vergangenheit war die Eigenerzeugung von Energie eher in ländlichen Regionen zu finden, beispielsweise mit Photovoltaikanlagen, Kleinwindenergieanlagen oder solarthermischen Anlagen (Kollektoren). Dank technischer Innovationen können Menschen auch auf kleinstem Raum in Städten Energie selbst erzeugen – und so den Trend zum Eigenstrom in die intelligenten Städte holen.
Dezentrale Erzeugung: vom Consumer zum Prosumer
Leben viele Menschen auf engem Raum, ist das eine Herausforderung für die Stromnetze. Stehen in einer Stadt Tausende Menschen auf einmal morgens auf, duschen, kochen Kaffee und machen Frühstück, so kommt es zu Lastspitzen: In einer gewissen Zeitspanne braucht es deutlich mehr Energie und Wasser als zu anderen Zeiten des Tages. Dafür müssen Stromnetze ausgelegt sein. Die Smart City mit ihren vernetzten digitalen Strukturen kann helfen, solche Lastspitzen zu verringern: Bestimmte Energieverbraucher – die in diesem Zeitraum nicht unbedingt gebraucht werden – können dann automatisch abgeschaltet werden.
Das Beispiel „intelligente Waschmaschine"
„Intelligente Waschmaschinen" können so programmiert werden, dass sie etwa dann starten, wenn keine Spitzenlast herrscht und das Angebot an Strom höher ist als der momentane Bedarf. Bisher gibt es diese verbrauchsabhängigen Tarife lediglich in der Unterscheidung Tag und Nacht – als Hoch- und Niedertarif. Einige Energielieferanten entwickeln heute bereits bestimmte Tarife, die Strom zu solchen Zeiten günstiger anbieten, in denen viel Strom im Netz ist – unabhängig von einer festen Tageszeit. In der Smart City bedeutet das: Ist das Zuhause mit einem intelligenten Zähler, dem Smart Meter, ausgestattet, so schickt dieser zum Beispiel in Zeiten günstigen Stroms oder eines Überangebots eine Nachricht auf das Smartphone des Besitzers. Dieser kann aus der Ferne dann die Waschmaschine per Knopfdruck in Gang setzen. Später kann das, je nach gesetzlicher Regelung und Netztechnik, auch automatisch geschehen.
Wo Lastspitzen sind, lässt sich mithilfe einer Lastgangmessung ermitteln. Sie macht Zeiten sichtbar, an denen der meiste Strom verbraucht wird. Außerdem können so auch „heimliche“ Verbraucher entdeckt werden, beispielsweise Geräte mit einem hohen Stand-by-Verbrauch.
Stabile Stromnetze: Lastspitzen ausgleichen
In Smart Cities spielt Beleuchtung eine wesentliche Rolle für die Energieeffizienz einer Stadt. Moderne LED-Straßenleuchten sind miteinander vernetzt und lassen sich individuell steuern. So können Städte und Kommunen das Straßenlicht je nach Bedarf mithilfe von Software in ganzen Stadtteilen oder einzelnen Straßen ein- und ausschalten oder das Licht dimmen. Der technische Fortschritt geht weiter: Entwickelt wurden bereits Straßenlaternen, die mit Bewegungssensoren ausgestattet die Helligkeit erhöhen, wenn ein Auto oder Fußgänger sie passiert. Ist niemand unterwegs, wird die Leuchte gedimmt – der Energieverbrauch sinkt.
Straßenbeleuchtung ist bereits multifunktional: Straßenlaternen können mit Sensoren bestückt sein und viele nützliche Dinge bieten. Sie können freie Parkplätze melden, es können Ladesäulen für Elektroautos integriert sein oder freies Internet sowie Notrufeinrichtungen. Auch Umweltdaten können sie anzeigen.
In einigen Orten Baden-Württembergs gibt es bereits Straßenlaternen, die zusätzlich kabelloses Internet, also WLAN, anbieten. Router, Antenne und Energiepuffer sind so gestaltet, dass sie in jeden Leuchtenmast passen. SM!GHT heißt diese Entwicklung der EnBW. Solche Innovationen vereinfachen es Kommunen, ihren Bürgern einen Mehrwert zu bieten. Denn überall im Internet surfen zu können, bedeutet für moderne Menschen heute Lebensqualität.
Über die integrierte Umweltsensorik zum Beispiel werden aktuell Werte wie Schadstoffbelastung, Temperatur und Lärmpegel für jedermann ablesbar angezeigt. Diese Werte können aber auch über eine spezielle Steuerung dazu verwendet werden, den Verkehr dem Belastungsgrad entsprechend zu steuern.
Öffentliche Beleuchtung: vom Laternenmast zur Servicestation
Intelligente Technik zieht auch zu Hause ein. Beim sogenannten Smart Home liegt der Sinn nicht nur in der Vernetzung von Geräten untereinander, um Heizung, Jalousien, Beleuchtung und Haushaltsgeräte zu steuern. Auch individuelle Mobilität ist ein Teil des intelligenten Wohnens in der Smart City: In Zukunft sollen Elektroautos stärker als Speicher genutzt werden – auch um Lastspitzen auszugleichen. Demnach sollen geladene Elektrofahrzeuge den Strom ihrer Akkus an das Stromnetz zurückgeben können, wenn es geparkt ist und im Stromnetz zu wenig erneuerbarer Strom bereitsteht. Eine vernetzte Ladestation im Gebäude kann Elektrofahrzeuge als Speicher und Verbraucher einbinden. Ist zu viel Strom im Netz, kann die Batterie eines Elektrofahrzeugs Energie aufnehmen und diesen in Hochlastzeiten ins Netz zurückspeisen. So lassen sich Lastspitzen ausgleichen und Energie aus regenerativen Quellen optimal in das Energiesystem integrieren. Auf diese Weise kann das Angebot an Ökostrom aus der Natur besser genutzt werden.