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Das Magazin für Forschung und Innovation
 

Smart Cities

Schöne neue Stadtwelt

Siemens gründet einen Digitalisierungs-Hub in Singapur, um neue Geschäftsmöglichkeiten zu erschließen, die sich in Asien durch die schnell voranschreitende Urbanisierung und Digitalisierung ergeben. Dabei wird Siemens das IoT-Betriebssystem MindSphere als Piloten einsetzen, um die Digitalisierung des Stadtstaates voranzutreiben.

Aktuelle Prognosen zu den Lebensbedingungen in Städten gehen noch nicht davon aus, doch es ist möglich: ein gesünderes, angenehmeres, entspannteres Leben in Metropolen weltweit. Die Voraussetzung dafür ist, dass diese smart, also regelrecht schlau werden. Diverse spannende Technologien verwandeln Städte zunehmend in Open-Air-Computer.

Wir leben im Zeitalter der Urbanisierung. Bereits seit rund zehn Jahren wohnt mehr als die Hälfte der Weltbevölkerung in Städten. Und: Ein Ende des Zustroms in die Ballungsgebiete ist nicht in Sicht. Im Gegenteil: Bis 2050 sollen es aktuellen Prognosen der UN zufolge sogar 70 Prozent sein – und damit fast so viele Menschen, wie heute auf der Erde leben. Innerhalb von nur einhundert Jahren wird die Zahl der Einwohner von Metropolen somit von einer Milliarde auf fast sechs Milliarden Menschen angestiegen sein. Hinzu kommt, dass das starke Bevölkerungswachstum dazu führen wird, dass immer mehr sogenannte Megacitys entstehen, also Städte mit mehr als zehn Millionen Einwohnern. Waren es im Jahr 2014 noch 28 an der Zahl, werden es bis 2030 voraussichtlich 41 sein – und die Anforderungen an ihre Infrastruktur entsprechend groß. Doch auch kleinere Städte werden deutlich wachsen. Waren es im Jahr 2016 weltweit noch rund 500 Städte, die mehr als eine Million Einwohner zählten, werden es im Jahr 2030 voraussichtlich mehr als 650 sein.

Bereits jetzt kämpfen viele Städte mit Wohnraummangel, überlasteten Infrastrukturen, gefährdeter Wasser- und Energieversorgung. Hinzu kommt die zunehmende Bedrohung durch Naturkatastrophen, verursacht durch den Klimawandel – an dem die Emissionen der Metropolen einen entscheidenden Anteil haben, vornehmlich durch den Verkehrssektor. Aktuellen Studien zufolge stellt dessen Elektrifizierung die wichtigste Strategie zur Kohlenstoffreduktion dar. Ein entsprechender Trend beginnt sich abzuzeichnen. Um jedoch das Ziel zu erreichen, die Klimaerwärmung bei unter zwei Grad Celsius zu halten, müssten bis 2060 90 Prozent aller Fahrzeuge im Straßenverkehr elektrisch betrieben sein.

Vernetzte Zukunft: Wie aus der Flut von Big Data schlaue, nutzbare Smart Data werden können, das ist die Frage und somit die Herausforderung für die Stadt von morgen.

Saubere Luft statt Smog, sauberes Trinkwasser für alle

Die Vorstellung, dass sich diese Verstädterung fortsetzt, ist erschreckend und alarmierend. Aber es gibt die berechtigte Hoffnung, dass sich diese Trends umkehren lassen. Saubere Luft statt Smog; entspannte Mobilität statt verstopfter Straßen; genug sauberes Trinkwasser statt Wasserquellen, in denen sich Krankheitserreger finden; ein nach Bedarf verfügbarer und bezahlbarer Strom aus regenerativen Quellen statt teurer oder „schmutziger“ Energie, die aus fossilen Trägern gewonnen wird.

Der Weg dorthin führt allerdings nicht zurück in ein vorindustrielles Zeitalter, sondern nach vorn, in ein Zeitalter der Digitalisierung, in dem Städte wie große Computer funktionieren. Und immer mehr Metropolen sind – zumindest in Teilen – schon auf dem Weg dorthin: Insbesondere in den vergangenen vier Jahren haben mehr und mehr Städte ganz bewusst die Strategie verfolgt, „Smart Cities“ zu werden. Sie sind also im Begriff, im modernsten Sinne schlau zu sein: auf Basis von Daten – und mithilfe einer Vielzahl ausgeklügelter Technologien. Diese übermitteln beispielsweise die Information, wo Parkplätze frei sind und reduzieren damit Verkehrsaufkommen und Emissionen bei der Suche danach; auch erheben sie Emissionswerte und Daten zum Verkehrsaufkommen und stimmen die Taktung des öffentlichen Nahverkehrs sowie Ampelschaltungen darauf ab, um so auch dem Einzelnen auf digitalem Weg seine idealen Verbindungen anzuzeigen, sei es mit dem eigenen Auto, per Carsharing oder mit öffentlichen Verkehrsmitteln – oder in Form einer Kombination der beiden Letztgenannten.

Die Effekte können sich sehen lassen. So kommt eine neue Studie – in der Siemens in Kooperation mit Arup und unterstützt von Londons Deputy Mayor for Business die britische Hauptstadt als Business Case für Smart Cities untersucht –  zu dem Ergebnis, dass beispielsweise alleine durch das smarte Parkraummanagement für die Region des „Arc of Opportunity“ im Osten der Stadt Parkplatzsuchenden jährlich 33.000 Stunden weniger im Auto säßen. Der Studie zufolge bedeutet diese Zeitersparnis bei der Parkplatzsuche, umgerechnet in Stunden der Wertschöpfung, einen wirtschaftlichen Gegenwert von 870.000 Euro pro Jahr. Und dies betrifft wohlgemerkt nur einen Bereich Londons.

Schlaue Vorhersagen für schlaue Städte von schlauer Software

In einem ersten Schritt geht es darum, das Wissen um die Stadt zu erweitern. Schon jetzt sammeln in jeder Metropole etliche Sensoren und Zähler Daten jeglicher Art. Diese Unmengen an Bits und Bytes werden oft auch gespeichert – aber in vergleichsweise geringem Ausmaß ausgewertet und sinnvoll genutzt. Wie aus der Flut von Big Data schlaue, nutzbare Smart Data werden können, das ist die Frage und somit die Herausforderung für die Stadt der Zukunft. 

Antworten dazu liefert smarte Software, wie sie heute bereits in unterschiedlichster Art im Einsatz ist. Manchmal sind es virtuelle Werkzeuge mit cleveren Algorithmen, wie das interaktive City Performance Tool (CyPT) von Siemens. Es gibt Städten Orientierungshilfe bei der Wahl der Mittel zur Erreichung ihrer Umweltziele und zeigt dabei auf, welchen Einfluss infrastrukturbezogene Entscheidungen auf das Stellenwachstum sowie das Wachstum des Infrastruktursektors haben werden.

Nicht selten sind es aber auch komplexere Systeme, sogenannte neuronale Netze. Dabei handelt es sich um Computermodelle, die ähnlich arbeiten wie ein menschliches Gehirn. Sie lernen durch Training, Zusammenhänge zu erkennen und so Vorhersagen zu treffen.

Siemens hat eine intelligente Software auf Basis neuronaler Netze entwickelt, die den Luftverschmutzungsgrad in Großstädten präzise und mehrere Tage im Voraus vorhersehen kann.

Ein Beispiel für die faszinierenden Ergebnisse neuronaler Netze ist eine Siemens-Software, die Ralph Grothmann von der zentralen Siemens-Forschung Corporate Technology (CT) entwickelt hat. Sie bestimmt den Luftverschmutzungsgrad in Großstädten präzise und mehrere Tage im Voraus.

Präzise Vorhersagen, basierend auf sorgfältig erfassten Daten, sind der Kern fast aller Bereiche einer schlauen Stadt. So werden beispielsweise intelligente Stromnetze Stromschwankungen als Folge wechselnder Wetterlagen ausbalancieren können. Schon jetzt sind Aussagen dazu möglich, wie sich eine Flotte von E-Autos in das Gebäudemanagement integrieren lässt und dort als Energiespeicher fungieren kann.

Neue Märkte durch das Internet der Dinge und Smart Data

Das Internet der Dinge als Vernetzungstechnologie und Smart Data als Prognosetechnologie werden die Zukunft der Smart Cities prägen. So lassen sich beispielsweise Energieerzeugung und -verbrauch genauer aufeinander abstimmen als je zuvor, die wachsende Dezentralisierung meistern, Wärme- und Strommarkt verschmelzen, Industrieanlagen, Gebäude und Verkehr als Energiedienstleister integrieren.

Ein Schritt in diese Richtung bietet etwa MindSphere, ein offenes, Cloud-basiertes IoT-Betriebssystem von Siemens, das Datenanalyse mit vielfältiger Konnektivität vereint. Es ist quasi ein gigantischer Werkzeugkasten für Entwickler, mit dem Städte und ihre Versorger unterschiedlichste Applikationen zur intelligenten Verbesserung ihrer Infrastrukturen entwickeln können.

Singapur und Siemens wollen den südostasiatischen Stadtstaat gemeinsam zu einer "Smart Nation" weiterentwickeln. Singapur will dafür als erstes Land der Welt MindSphere als Piloten einsetzen,  um seine Infrastruktur weitestgehend zu digitalisieren. Siemens unterstützt diesen Masterplan mit dem Aufbau eines Digitalisierungs-Hub. Startschuss für das Hub fiel am 11. Juli 2017.

Mit solchen Ansätzen öffnen sich völlig neue Märkte für Technologien und Dienstleistungen. Ein Report von McKinsey aus dem Jahr 2016 schätzt, dass zwischen den Jahren 2016 und 2030 weltweit insgesamt 49 Billionen US-Dollar in Infrastrukturprojekte investiert werden müssten, allein um die erwarteten Wachstumsraten unterstützen zu können. Dies entspricht einem Jahresdurchschnitt von 3,3 Billionen US-Dollar oder etwa 3,8% des BIP (basierend auf einem jährlichen Durchschnitts-BIP von 3,3%). Circa 60 Prozent dieser Investitionen werden in Schwellenländern benötigt. Damit wächst auch der globale Markt für Smart-City-Lösungen: Navigant Research prognostiziert hier für die folgenden Jahre ein jährliches Wachstum von rund zehn Prozent – von 40 Milliarden US-Dollar im Jahr 2017 auf 98 Milliarden US-Dollar im Jahr 2026.

Die Möglichkeiten der Vernetzung der Stadt und ihrer Akteure sind faszinierend. Sie bedeuten in letzter Konsequenz jedoch auch die totale Erfassung von Daten – was die Sorge vor dem Überwachungsstaat schürt. Wird die Stadt der Zukunft ein im Orwell’schen Sinne wahr gewordenes 1984? „Mitnichten“, meint Gerhard Engelbrecht, Experte für intelligente Informations- und Kommunikationstechnologien bei Siemens Corporate Technology. Der Forscher arbeitet derzeit am Forschungsprojekt Seestadt Aspern in Wien, wo mehr als 100 Haushalte ihre Daten zu Energieverbrauch, Luftgüte und Raumtemperatur zur Verfügung stellen, um das Zusammenspiel und die Wechselwirkungen zwischen Gebäuden und dem Stromnetz analysieren und somit optimieren zu können. „Wir sind uns der Sensibilität des Themas Datenerfassung bewusst und verwenden nur anonymisierte Informationen“, beschwichtigt Engelbrecht.

Open-Air-Computer

Was müssen Städte also tun, um smart und lebenswerter zu werden? Was die Architektur betrifft, nicht viel, argumentiert Carlo Ratti, Architekt, Ingenieur und Professor am MIT Department of Urban Studies and Planning. Die Stadt von morgen wird laut Ratti nicht grundlegend anders aussehen als die Stadt von heute – ebenso wie sich die Städte aus der Römerzeit nicht allzu sehr von den Städten unterscheiden, wie wir sie heute kennen. „Was sich jedoch ändern wird“, so Ratti, „ist die Art und Weise, wie wir die Stadt erleben“. Ratti führt dies auf den umfassenden Einsatz digitaler Technologien zurück. Bereits in den letzten zehn Jahren hätten diese flächendeckend Einzug in unsere Städte gehalten und bildeten nun das Rückgrat einer großen, intelligenten Infrastruktur. Unsere Städte seien zunehmend „Open-Air-Computer“.

Sandra Zistl
Picture credits: von oben: 1.Bild F1online; Bildergalerie: Panthermedia und Siemens, 8. Bild Getty Images