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BABLE-Lösungen sind von Experten kuratierte Entwürfe für effizient umsetzbare Smart City-Projekte. Jede Smart City-Lösung enthält detaillierte und relevante Informationen und verweist auf relevante Anwendungsfälle und innovative Produkte.

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Drahtloses Breitband-Mesh-Netzwerk

Die Konnektivität über drahtlose Breitband-Mesh-Netzwerke (B-WMN) ist zu einem der wesentlichen Aspekte der Smart-City-Infrastruktur geworden. Trotz der weitreichenden Verfügbarkeit von Glasfaserleitungen in städtischen Gebieten ist die Bereitstellung einer kabelgebundenen Infrastruktur für digitale Dienste ein kostspieliges Unterfangen, das eine sorgfältige Planung erfordert und häufig zu statischen, unflexiblen Strukturen führt. Die schnelle und flexible Bereitstellung von Lösungen führt zu erheblichen Beeinträchtigungen des öffentlichen Lebens und verursacht hohe Kosten. B-WMNs zielen darauf ab, diese Probleme zu überwinden, indem sie den Bedarf an kabelgebundener Infrastruktur minimieren und/oder beseitigen und bestehende städtische Infrastrukturen als Plattformen für ihre Bereitstellung nutzen (Egners et al., 2013). B-WMNs weisen geringe Installations- und Wartungskosten auf und ermöglichen die Anbindung an jeden denkbaren Standort in städtischen oder ländlichen Gebieten, unabhängig von der Komplexität der Erreichbarkeit. Es gibt zahlreiche Anwendungsbereiche für B-WMNs, darunter das digitale Zuhause, Breitband-Internetzugang, Gebäudeautomation, Gesundheits- und Medizinsysteme sowie Notfall- und Katastrophennetzwerke (Salah & Salleh, 2013). Mitarbeiter öffentlicher Versorgungsbetriebe können B-WMNs zur Überwachung ihrer Wasser- und Stromversorgung nutzen, indem sie ein drahtloses Mesh-Netzwerk in Abwasserkanälen, Wasseraufbereitungsanlagen oder Generatoren installieren. Mitarbeiter der öffentlichen Sicherheit können sichere virtuelle Netzwerke nutzen, um in Kontakt zu bleiben. Mesh-Knoten können zudem an Straßenlaternen, Ampeln und anderen beweglichen Objekten angebracht werden; dies schafft die Möglichkeit, im Notfall mehrere Geräte an das Mesh-Netzwerk anzuschließen (BasuMallick, 2022). Ein B-WMN ist eine Infrastruktur, die aus einem Netzwerk von Routern besteht, die drahtlos mit Gigabit-Geschwindigkeiten (ähnlich wie Glasfaser) miteinander kommunizieren. Es besteht aus Funkknoten, die nicht wie herkömmliche WLAN-Zugangspunkte an einen kabelgebundenen Anschluss angeschlossen werden müssen (Parvin, 2019). B-WMNs finden zunehmend Beachtung als attraktives Mittel zur Bereitstellung flächendeckender Konnektivität als Ergänzung zu den von regulären Internetdienstanbietern (ISPs) angebotenen Zugängen. Die Mesh-Topologie von B-WMNs bietet hohe Flexibilität, eine Zuverlässigkeit von bis zu 99,999 % und eine Latenz von unter 2 ms – ideal für Echtzeitanwendungen mit hoher Bandbreite –, was zu einer physikalischen Infrastruktur führt, die flexible Routing- und Transportverbindungen ermöglicht (Matos et al., 2011). B-WMN-Infrastruktur in städtischen Gebieten (Cilfone et al., 2019) Zu lösende Probleme Hohe Kosten für die Errichtung Treibhausgasemissionen durch Aufbau und Wartung Hoher Energiebedarf Bedarf an nahtloser und schneller 5G-Konnektivität Mangelnder Zugang zu dicht besiedelten städtischen Gebieten

Gebäudeenergiemanagementsystem

Gemäß der Richtlinie über die Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden (EPBD) sind Gebäude für etwa 40 % des Energieverbrauchs und 36 % der CO₂-Emissionen in der EU verantwortlich. Derzeit sind etwa 35 % der Gebäude in der EU älter als 50 Jahre, und fast 75 % des Gebäudebestands sind energieineffizient. Gebäude sind daher der größte Einzelverbraucher von Energie in Europa und bieten ein enormes Potenzial für Energieeffizienzsteigerungen. Derzeit wird jährlich nur etwa 1 % des Gebäudebestands saniert. Die Sanierung bestehender Gebäude kann zu erheblichen Energieeinsparungen führen, da dadurch der Gesamtenergieverbrauch der EU um 5–6 % und die CO₂-Emissionen um etwa 5 % gesenkt werden könnten. Eine Möglichkeit, die Energieeffizienz von Gebäuden zu steigern, ist die Einführung eines Gebäudeenergiemanagementsystems (BEMS). BEMS sind zentralisierte, computergestützte Systeme, die eine Echtzeitüberwachung und integrierte Steuerung der Gebäudetechnik und -ausstattung ermöglichen, um den Energieverbrauch zu optimieren. Sie steuern in der Regel die Beleuchtung, die Stromversorgung, die Warmwasserversorgung sowie die HLK-Anlagen (Heizung, Lüftung und Klimatisierung). Das System überwacht die von verschiedenen Sensoren im Gebäude empfangenen Informationen (intelligente Zähler, Anwesenheits-, Temperatur-, Kohlendioxid- und Feuchtigkeitssensoren usw.) und optimiert den Energieverbrauch unter Wahrung von Sicherheit und Komfort. Diese Systeme können zudem dazu dienen, die Gesundheit und Sicherheit der Bewohner zu verbessern, indem sie die Umgebungsbedingungen, Notfallmaßnahmen und regelmäßige Wartungspläne steuern und überwachen. Die Technologie lässt sich sowohl in Wohn- als auch in Gewerbegebäuden sowie in unterschiedlichem Umfang anwenden – von kleinen, eigenständigen Gebäuden bis hin zu komplexen Anlagen mit mehreren Gebäuden. (Europäische Kommission) Zu lösende Probleme Energieverbrauch Energiekosten Treibhausgasemissionen Stromausfälle

Drohnen-Liefersystem

Paketzustellfahrzeuge sind ein auffälliger Bestandteil des städtischen Verkehrs, der durch die Einführung eines Drohnenzustellsystems reduziert werden kann. Da der Markt für Zustellungen insbesondere aufgrund der zunehmenden Möglichkeiten im Online-Handel erheblich und stetig wächst, gewinnt dies noch mehr an Bedeutung. Ebenso wandelt sich der Zustellmarkt langsam von einem vorwiegend B2B-Markt zu einem B2C-Markt. Diese Entwicklungen führen zu einer zunehmenden Bedeutung der sogenannten „letzten Meile“ – der Zustellung vom nächstgelegenen Verkehrsknotenpunkt zum endgültigen Bestimmungsort. Eine Möglichkeit zur Verbesserung der Zustellung auf der letzten Meile sind Drohnen. Autonome Drohnen können die Lieferzeiten erheblich verkürzen und den mit der Zustellung verbundenen Personalaufwand reduzieren.

Ökologische Sanierung

Innerhalb der EU gibt es zahlreiche Brachflächen mit kontaminiertem Boden, Wasser oder Luft. Ein erheblicher Teil dieser Brachflächen befindet sich in zentraler Lage und ist an das Verkehrssystem angebunden. „Green Remediation“ ist eine Lösung, mit der diese Brachflächen saniert und für die Nutzung freigegeben werden können. Die wichtigsten Vorteile der Anwendung dieses Modells sind: 1) Vermeidung neuer Erschließungen auf unerschlossenen Flächen 2) Verbesserung der menschlichen Gesundheit und der Umweltbedingungen. Die Idee hinter dieser „Green Remediation“ besteht darin, dass nicht nur die Verschmutzung minimiert oder beseitigt wird, sondern auch Ressourcen effizient genutzt und die Auswirkungen von Sanierungsverfahren reduziert werden. Der wesentliche Punkt besteht darin, dass der kontaminierte Boden oder das Grundwasser vor Ort saniert wird, wodurch die Notwendigkeit einer Abfuhr und eines Transports an einen anderen Standort entfällt. Zudem kann Energie vor Ort erzeugt werden, was Einsparungen beim Stromverbrauch ermöglicht. Auch alte Infrastruktur kann wiederverwendet oder recycelt werden.

Intelligente Beleuchtung

Intelligente Straßenlaternen ermöglichen die Senkung der Betriebskosten im Bereich der öffentlichen Beleuchtung, indem sie Städten und Bürgern verschiedene Mehrwertdienste bieten. Die Lösung ermöglicht die dynamische Anpassung der Helligkeit der Straßenlaternen an die saisonabhängige Dauer des Tag-Nacht-Zyklus oder sogar an eine Kombination aus dieser und dem Lärmpegel. Ein gutes Beleuchtungssystem erhöht sowohl die tatsächliche als auch die empfundene Sicherheit. Darüber hinaus kann gezielt eingesetztes Licht das Wohlbefinden der Anwohner verbessern. Ein zugrunde liegendes Konnektivitäts-Backbone verbindet die Masten (d. h. ein Glasfaser-Backbone) und dient der Bereitstellung digitaler Dienste über integrierte Straßenlaternen. Im Rahmen dieser Lösung können die Lichtmasten durch die Anbringung zusätzlicher Sensoren oder Signalgeräte zur Bereitstellung weiterer Funktionen (z. B. „Intelligent and Connected Public Space“ – WLAN, Orientierungshilfen für Sehbehinderte oder Anzeigen) genutzt werden.

Intelligentes Parken

Der durchschnittliche Autofahrer in der Stadt verbringt 6 bis 14 Minuten mit der Suche nach einem Parkplatz; in Großstädten erhöht sich diese Zeit auf 18 bis 20 Minuten. Schätzungen zufolge macht die Zeit, die für die Parkplatzsuche aufgewendet wird, 30 % der Verkehrsstaus auf den Straßen der Stadt aus. Ein intelligentes Parksystem nutzt Sensoren oder andere Technologien, um die Verfügbarkeit von Parkplätzen in Städten zu ermitteln. Diese Informationen können an Autofahrer weitergegeben werden, wodurch sich die Zeit für die Parkplatzsuche verkürzt und somit Verkehrsstaus verringert werden. Darüber hinaus kann intelligentes Parken dazu beitragen, die Nutzbarkeit der Parkplätze selbst zu verbessern. Parkgebühren sind bereits Teil der Einnahmen der Städte. Die Einführung eines intelligenten Parksystems ermöglicht es den Städten, ihren Verkehr besser zu steuern, je nach Gebiet und Tageszeit unterschiedliche Tarife anzuwenden und dank neuer Abrechnungsmodelle Minutenpreise – anstelle von Pauschalpreisen – zu nutzen. ( Shoup, 2007; Shoup, 2008 ; IBM, 2011 ) Intelligente Parksysteme und ihre Funktionen können verschiedene Auswirkungen haben, die die Ziele der Kommune oder der Nutzer unterstützen können. Das folgende Diagramm veranschaulicht, wie die verschiedenen Aspekte miteinander verknüpft sind. Wesentliche Vorteile von „Smart Parking“ ( Anke, Scholle, 2016, übersetzt ) Zu lösende Probleme? Schlechte Luftqualität Verkehrsstaus Unausgelastete Parkplätze Parkverstöße Unfälle/ Zusammenstöße

Lieferung auf der letzten Meile

Aufgrund des wachsenden Anteils des Online-Shoppings hat sich für Unternehmen mittlerweile ein zusätzlicher Vertriebskanal erschlossen. Der Internetverkauf ist in den letzten Jahren zu einem wesentlichen Bestandteil des Einzelhandels geworden. Infolgedessen hat das durch Lieferdienste verursachte Verkehrsaufkommen mit dem Erfolg des E-Commerce rapide zugenommen. Ebenso wandelt sich der Liefermarkt allmählich von einem überwiegend B2B-orientierten Markt hin zu einem B2C-Markt (z. B. Drohnenlieferungen). Die letzte Etappe der Lieferkette – die Zustellung zum Kunden nach Hause – wird als „Last Mile“ bezeichnet. Die „Last Mile“ einer Lieferung stellt erhebliche logistische Herausforderungen dar, insbesondere im Hinblick auf die steigenden Kundenerwartungen wie „Lieferung am selben Tag“ oder „Lieferung zu einer genauen Uhrzeit“, was zu einer Verringerung der für die Planung verfügbaren Zeit führt. Darüber hinaus hat die „Last Mile“ enorme Auswirkungen auf den Verkehr von Nutzfahrzeugen in Städten. Zudem macht die „Last-Mile“-Zustellung einen Großteil der mit einer Lieferung verbundenen Kosten aus. Eine Studie des Capgemini Research Institute ergab, dass die Kosten hierfür 41 % der gesamten Lieferkettenkosten ausmachen ( Jacobs, Warner et al., S. 20 ). Abbildung 1 – Aufschlüsselung der Gesamtkosten der Lieferkette ( Jacobs, Warner et al., S. 20 ) In der Praxis der „Last-Mile“-Zustellung müssen Herausforderungen wie kleine oder Einzelbestellungen im Vergleich zu Lieferungen an Geschäfte, zahlreiche sich ständig ändernde, geografisch verstreute Standorte (im Vergleich zu Lieferungen an Geschäfte) usw. bewältigt werden. Ziel ist es, die Effizienz der „Last-Mile-Zustellung“ zu verbessern, die anfallenden Kosten zu minimieren, die Sicherheit zu erhöhen, die Auswirkungen auf den Verkehr zu verringern und die Umweltbelastung zu minimieren. Um die Lebensqualität in den betroffenen Gebieten zu verbessern, sollte die „Last-Mile-Zustellung“ umweltfreundlich und emissionsfrei (Lärm und Abgase) gestaltet werden; das Verkehrsaufkommen sollte reduziert werden, um Falschparken, Zusammenstöße und stressige Staus zu verhindern. Zu lösende Probleme: Verkehrsstaus Luftqualität Unfälle Falschparken Eingeschränkter Zugang zur Innenstadt Kosten Staus, schlechte Luftqualität, Verkehrsunfälle und Falschparken sind allesamt Probleme, die die Lebensqualität der Bürger beeinträchtigen. Die Erreichbarkeit innerstädtischer Standorte wird für Pkw und Lkw immer weiter eingeschränkt, während gleichzeitig der Lieferverkehr gerade in diesen dicht besiedelten innerstädtischen Gebieten zunimmt. Es gibt verschiedene Lösungsansätze zur Bewältigung dieser Probleme, die Schadstoffemissionen reduzieren, die Auswirkungen auf den Verkehr verringern, die Sicherheit verbessern und die „Last-Mile-Zustellung“ effizienter gestalten.

Intelligente Abfalllogistik

Die weltweit produzierte Abfallmenge nimmt stetig zu. Mit der Menge an Abfall wächst auch die Bedeutung einer effizienten Abfallverarbeitung. Intelligente Abfalllogistik deckt die gesamte Abfallkette ab, von der Abholung der Abfälle bei den Einwohnern bis hin zur Verarbeitung von Recycling und Vernichtung. Routenoptimierungen für Müllwagen sind Teil eines intelligenten Abfallsystems. Dies kann durch den Einsatz intelligenter Mülltonnen erreicht werden, die ihren aktuellen Zustand melden können. Die Lösung kann auch als unterirdisches Abfallsammelsystem implementiert werden. Um die Verarbeitung des gesammelten Mülls zu verbessern, können Müllsortierroboter eingesetzt werden.

Intelligente Regenwassernutzung

Eindeutige Belege für Techniken zur Regenwassernutzung reichen fast 4.000 Jahre zurück. Das Konzept der Regenwassernutzung könnte jedoch im alten China bereits vor fast 6.000 Jahren entstanden sein ( Che-Ani et al., 2009 ). Es ist offensichtlich, dass die Regenwassernutzung seit jeher Teil der Menschheitsgeschichte und der menschlichen Identität ist. Im Zuge der Modernisierung und der massiven Urbanisierung ist die Regenwassernutzung mittlerweile zu einem Bestandteil der städtischen Identität geworden. Um die Effizienz zu steigern, wird das Konzept der „Smart Rainwater Harvesting“ in führenden Städten eingeführt. Die „intelligente Regenwassernutzung“ zeichnet sich durch die Erfassung von Echtzeitdaten mittels Sensoren in den Bereichen Wasserquellen, Auffangphasen, Speicherphasen und Verwendungsphasen aus (Behdazian et al., 2018). Die Daten werden in einer zentralen Datenerfassungseinheit gesammelt, wo sie überwacht und verarbeitet werden. Die verarbeiteten Daten werden anschließend genutzt, um Entscheidungen zu treffen und sich an spezifische Gegebenheiten anzupassen. Intelligente Regenwassernutzungssysteme können mithilfe automatisierter Verfahren Regenwasser bereits vor dem Eintreten von Niederschlägen ableiten, um die Wasserrückhaltekapazitäten zu vergrößern ( Behdazian et al., 2018 ). Das Hauptziel von Regenwassernutzungssystemen besteht darin, Regenwasser während Niederschlagsereignissen zu sammeln und zu speichern, um es für Nicht-Trinkwasserzwecke zu nutzen ( Pradhan & Sahoo, 2019 ). Der „intelligente“ Aspekt dieses Konzepts besteht in der Entwicklung kommunikationsfähiger Komponenten, die in das Gesamtsystem integriert sind ( Xu et al., 2020 ). Das System nutzt kostengünstige Sensoren in Kombination mit innovativen Kommunikationstechnologien. Dieser technologische Schwerpunkt eröffnet zahlreiche neue Möglichkeiten für das Management der städtischen Wasserinfrastruktur im Rahmen einer Smart City. Die Leistungsfähigkeit des Systems hängt stark von der Qualität der Wettervorhersage ab und steht in enger Wechselbeziehung zu dieser. Die Niederschlagsmenge und die Niederschlagsmuster werden in die Regelungsstrategie integriert, um das Abflussvolumen bzw. den Schließzeitpunkt zu bestimmen ( Pradhan & Sahoo, 2019 ).

Smart-Home-System

Ein Smart Gateway verbindet als wesentlicher Bestandteil des Systems das Smart Home mit der Außenwelt. Dies ermöglicht die mobile Steuerung von Geräten im Haus aus der Ferne, häufig über Smartphones und Mikrocontroller. Externe Systeme und Dienste können zur besseren Regulierung des Energieverbrauchs genutzt werden. Darüber hinaus kann das System sowohl an das Smart Grid als auch an die Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge angeschlossen werden, um eine bessere Energieeffizienz und Tarifmodelle zu ermöglichen, beispielsweise entsprechend dem Energieverbrauch zu Spitzenzeiten oder dem Anteil erneuerbarer Energien ( Europäische Kommission, 2019 ). Zu lösende Probleme Ineffizienz Unsicherheit Mangel an Komfort Abhängigkeit älterer Menschen Hohe Energiekosten Energieineffizienz ist ein großes Problem in Wohngebäuden. In Europa entfallen 26 % des gesamten Endenergieverbrauchs auf Privathaushalte. Smart-Home-Systeme können Energieverluste reduzieren und die allgemeine Sicherheit sowie den Komfort der Bewohner erhöhen, wobei insbesondere die Selbstständigkeit älterer Menschen verbessert wird. Im Rahmen von Smart-Home-Systemen gibt es verschiedene Lösungen, um diese Probleme zu beheben ( Eurostat, 2018 ). Zu den marktfähigen Ergebnissen, die Smart-Home-Systeme bieten, gehören: Abonnementbasierte Dienste, die einen konstanten Einkommensstrom generieren können Große Zielgruppen : Die Systeme können an Krankenhäuser sowie an Alten- und Behindertenheime verkauft werden, aber auch an Personen, die ihren Komfort in einer Smart-Home-Umgebung steigern möchten Die Gateways können Daten anonymisieren und an Datenplattformen weiterleiten , um effektive Analysen, langfristige Verbesserungen sowie die Produktgestaltung zu ermöglichen. Die Daten können in Rechnung gestellt werden, und die Analysedienste sowie deren Ergebnisse können ebenfalls als vermarktbare Ergebnisse betrachtet werden.

Kommunale Energiesparsysteme

Seit über einem Jahrzehnt haben die europäischen Kommunen Initiativen, Strategien und Aktionspläne zur Steigerung der Energieeffizienz privater und kommunaler Infrastrukturen entwickelt. Die Kommunen der EU-Mitgliedstaaten müssen, erzwungen durch die EU-Richtlinie zur Energieeffizienz, zusammenarbeiten, um sicherzustellen, dass bis 2020 und 2030 eine Energieeffizienz von 20% bzw. 32,5% erreicht wird. Initiativen, wie der Konvent der Bürgermeister, wurden ins Leben gerufen, um das Engagement für Energie- und Klimaziele zu fördern. Die Unterzeichner haben sich freiwillig verpflichtet, die Energieeffizienz und die Nutzung erneuerbarer Energiequellen zu erhöhen. Um dies zu erreichen, haben die teilnehmenden Kommunen einen Nachhaltigkeits-Energie-Aktionsplan (SEAP) ausgearbeitet und eingereicht, in dem sie ihre Energiespar- und Klimamaßnahmen festlegen. Seit 2008 haben mehr als 6000 Gemeinden einen SEAP entwickelt und genehmigt. Gemessen an der Gesamtzahl der Gemeinden in Europa liegt jedoch noch ein weiter Weg vor uns. Es wurde festgestellt, dass der Gebäudebestand einer Gemeinde das größte Potenzial für Energieeinsparungen darstellt. Außerdem wird erwartet, dass bis 2050 mehr als zwei Drittel der Weltbevölkerung in städtischen Gebieten leben werden. Daher zielt diese Lösung darauf ab, die Konzeption und Umsetzung von kommunalen Energiesparmaßnahmen zu erleichtern. Zu lösende Probleme Verbrauch von fossilen Brennstoffen Kohlenstoff-Emissionen Beeinträchtigung der städtischen Luftqualität Vergeudete Energie Unzuverlässige Energieversorgung Geringe Energieüberwachung

Energieeffiziente Nachrüstung von Gebäuden

Die Verbesserung der Energieeffizienz des Gebäudebestands in einer Stadt erfordert strategisches und langfristiges Denken. Komplexe Eigentumsverhältnisse, Marktbarrieren, die Vielfalt der Gebäudetypen, Verbraucherpräferenzen sowie die Vielzahl der an Bau und Sanierung eines Gebäudes beteiligten Akteure machen energieeffiziente Gebäude selbst angesichts fortschrittlicher technologischer Entwicklungen zu einer Herausforderung. Um jedoch Plusenergie-Stadtteile zu verwirklichen und die von den Städten gesetzten ehrgeizigen Klimaziele zu erreichen, spielen Null- und Plusenergiegebäude eine entscheidende Rolle. Zahlreiche Initiativen weltweit haben gezeigt, dass die energieeffiziente Sanierung von Gebäuden zwar eine komplexe Herausforderung darstellt, aber dennoch möglich ist und einen enormen Beitrag zu grüneren und widerstandsfähigeren Städten leistet. Zu lösende Probleme Energieverluste in Gebäuden Verwendung ungeeigneter Materialien Energiearmut Weg von fossilen Brennstoffen Technologien bereitstellen Energiebedarf in Gebäuden

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