VDE/ETG-ITG Studie Smart Cities

Bis 2050 werden 70 Prozent der Weltbevölkerung in Städten leben, derzeit sind es noch 52 Prozent. Vor allem in den Schwellen- und Entwicklungsländern wird es die Menschen in die Städte ziehen, weil sie dort bessere Lebensbedingungen erwarten. Gerade dort werden Städte deshalb eine intelligente, effiziente und kostengünstige Infrastruktur benötigen, um sowohl Einwohnern als auch Handel, Gewerbe und Industrie gute Bedingungen zu bieten. In Industrienationen werden die Städte indes nicht mit der gleichen Dynamik wachsen. Die Situation ist insofern eine andere: Hier geht es vor allem darum, mit Lebensqualität, Nachhaltigkeit und attraktive Infrastrukturen für die Wirtschaft zu punkten. Wie der Aufbau neuer Smart Cities, bekannt als Green-Field-Ansatz, und der Umbau bestehender Städte, oft als Brown-Field-Ansatz bezeichnet, gelingen kann, zeigt die neue VDE-Studie „Smart City – Herausforderungen und Potenziale einer lebenswerten Stadt von morgen“.

In der Studie, die sich an Entscheidungsträger aus Politik, Wirtschaft und EU-Kommissionen richtet, entwerfen die VDE-Experten einen neuartigen integrativen Ansatz zur Modellierung komplexer Stadtstrukturen. „Was den Fortschritt von Smart Cities behindert, ist der Mangel an Gesamtmodellen. Deshalb haben wir einen Modellierungsansatz entworfen, der die Entwicklung bereichsübergreifender Lösungen unterstützt. In unserem modularen Ansatz berücksichtigen wir unterschiedliche Aspekte wie Planung und Betrieb verschiedener Infrastrukturen und entwickeln ein mehrschichtiges Konzept, das eine Stadt in ihrer Vielfalt abbildet“, erklärt Rainer Speh, Mitglied des VDE-Präsidiums und Co-Autor der Studie.

Diese Herangehensweise ist neu: Bislang wurde individuell geplant, quasi „aus dem Bauch heraus“. Dies funktionierte bis dato tadellos, da die Versorgungsstrukturen mit großen Sicherheitsmargen ausgelegt wurden. Heute aber schrumpft dieser Spielraum aufgrund von wirtschaftlichen und umwelttechnischen Einschränkungen sowie damit einhergehender Überlastung der Systeme. „Die Smart City muss die Versorgungs- und Infrastrukturen koppeln und übergreifend steuern“, so Speh. Die einzelnen Subsysteme wie etwa Strom-, Gas- und Wasserversorgung, Gebäude oder Mobilität müssen in ihrer unterschiedlichen Dynamik und ihrem Zusammenspiel betrachtet werden. Egal ob es sich um den Auf- oder Umbau von Smart Cities handelt: In beiden Fällen sei der Aufbau einer intelligenten Infrastruktur zur effizienten Vernetzung, Interaktion und Steuerung von Stadt- und Versorgungsstrukturen erforderlich.

Die Studie empfiehlt daher ein standardisiertes, modulares Konzept, das einzelne Elemente, Infrastrukturen und Ressourcen einer Smart City definiert und klassifiziert. Die Autoren analysieren Elementarbausteine wie zum Beispiel Straßen, Gebäude, Heizungssysteme, Beleuchtung, dezentrale Erzeugungsanlagen, thermische oder elektrische Speicher. „Indem wir einzelne Aspekte einer Smart City klassifizieren, ermöglichen wir eine exakte virtuelle Abbildung einer Stadt in ihrer Vielfalt und können so den Bedarf an Maßnahmen ermitteln“, erklärt Speh weiter. So analysieren die Autoren einzelne Stadtviertel („Quartiersansatz“) mit ihren zellularen Strukturen (z. B. Häusern und anderen Gebäuden), zum anderen die Datenplattformen zum interaktiven Betrieb und zur Optimierung der einzelnen Subsysteme darin. „Wir modellieren die Komponenten auf unterster Ebene. Das bietet den Vorteil, dass das Systemmodell beliebig erweiterbar ist und sich somit auf Städte und Kommunen beliebiger Größe mit beliebigen Kombinationen von Elementen und Infrastrukturen übertragen und flexibel skalieren lässt. Neben der Umsetzung des „Quartiersansatzes“ postulieren die Autoren den Aufbau einer geeigneten Datenplattform als unabdingbare Voraussetzung für eine intelligente Stadt. Diese muss Bestandteil der Infrastruktur werden und liegt genauso in der Verantwortung der Administration wie z. B. Straßen, Schulen und Krankenhäuser. Darüber hinaus ist nach Meinung der Autoren die weltweite Standardisierung zur Sicherung der Interoperabilität der einzelnen Systeme voranzutreiben. Hier gibt es bereits vielversprechende Ansätze bei IEC, ISO und ITU.

Weiterer Forschungsbedarf über die bereits erwähnte Modulierung von Stadtstrukturen hinaus besteht im Bereich der Sensoren und der sie verbindenden Netzwerke. Sie sind als Datenlieferanten für die Steuerung der Infrastruktur zwingend notwendig. Neben der Datensicherheit sind dabei u.a. Fragen der drahtlosen Kommunikation sowie der effizienten Stromversorgung der Sensoren zu untersuchen.
Aber auch Politik und Bürger sind gefordert. Die Politik muss die Bürger aktiv einbinden und die Akzeptanz durch umfassende Information und durch Datensicherheit erhöhen. Zudem muss sie neue Rahmenbedingungen schaffen. Hierzu gehört u.a. die bereits erwähnte Datenplattform. Zusätzlich können neue Geschäftsmodelle und Fördermaßnahmen den Finanzierungsrahmen für Städte vergrößern. Zugleich erfordern neue technische Lösungen und Geschäftsmodelle die Novellierung der juristischen Rahmenbedingungen – auch auf internationaler Ebene.

Für die Redaktion: Die VDE-Studie „Smart City – Herausforderungen und Potenziale einer lebenswerten Stadt von morgen“ ist für 250 Euro unter shop.vde.com als Download erhältlich. Für VDE-Mitglieder und Journalisten ist die Studie kostenlos.