Nachhaltigkeit und Smart City - Transforming Economies

Tobias SchockGemeinde Kirchheim

Klimawandel und Ressourcenverbrauch gehören zu den größten gesellschaftlichen Herausforderungen unserer Zeit – ein Turnaround zu einer nachhaltigen Lebensweise ist unabdingbar. Bei dem dafür notwendigen Systemwandel kommt den Städten und Gemeinden eine Schlüsselrolle zu. Um diese Aufgabe bewältigen zu können, sind allerdings neue Technologien und Methoden notwendig. Wir müssen smarter werden im Umgang mit unseren begrenzten Ressourcen – wir brauchen smarte Cities.

Wie wäre es, wenn wir gemeinsam mit der Erde leben würden statt nur auf ihr? Wenn wir eine Symbiose mit unserem Planeten eingingen und nicht nur ein beschämendes parasitäres Verhältnis? Wenn wir nicht mehr nähmen, als wir zurückgeben?

Dieser Wunsch einer nachhaltigen Lebensweise ist nicht neu.

Nachhaltigkeitsgedanke besteht seit Jahrhunderten

Bereits Anfang des 18. Jahrhunderts beschrieb Hans Carl von Carlowitz den Begriff der Nachhaltigkeit in seinem Werk zur Bewirtschaftung des Waldes und sprach schon damals im Kontext einer um sich greifenden Holznot von „größter Kunst, Wissenschaft, Fleiß (…)“ (von Carlowitz 1713: 105), die vonnöten sein werden, um ebendieses Ziel zu erreichen.

Während sich im Laufe der Geschichte immer wieder Gruppierungen und Bewegungen von internationaler Bedeutung mit der Umsetzung des Nachhaltigkeitsgedankens auseinandergesetzt haben, scheint die Diskussion zu dieser Problematik globalen Ausmaßes in den vergangenen Jahren deutlich emotionaler geführt zu werden.

Vor allem junge Menschen fordern nicht nur auf Plakaten, die Klimakrise ernst zu nehmen und endlich zu handeln, sondern unterstreichen ihre Forderungen, indem sie
wöchentlich ihre Schulpflicht missachten sowie wochenlang in einen Hungerstreik treten. Der Ton auf Demonstrationen wirkt schrill, verzweifelt, apokalyptisch.

Ob die geforderten Maßnahmen tatsächlich ausreichend wären, den globalen Klimawandel zu stoppen und unsere Umwelt nachhaltig zu schützen, bleibt unklar. Zu komplex scheinen die beinahe unendlichen Verflechtungen zwischen globaler Gesellschaft, Umwelt und Klima. Dass gehandelt werden muss, ist jedoch unumstritten.

Kommunen kommt eine Schlüsselrolle zu

Welche Maßnahmen sind aber wirklich geeignet? Was können wir tun, um in Balance mit unserer Erde zu leben und gleichzeitig wirtschaftlich leistungsfähig zu bleiben?

Den Kommunen, den kleinsten räumlichen administrativen Einheiten, fällt dabei eine Schlüsselrolle zu.

Verglichen mit dem menschlichen Körper, stellen Kommunen die Zellen dar. Sind alle Zellen gesund, geht es dem gesamten Körper gut. Eben deshalb wird es Aufgabe der Städte und Gemeinden sein, in ihrem jeweiligen Wirkungskreis individuelle Lösungen für Nachhaltigkeit und Klimaschutz zu finden.

Um diese Herausforderungen annehmen zu können, sind allerdings neue Werkzeuge, Technologien und Methoden notwendig. Diese werden nun im Rahmen von Smart City verfügbar. Nachfolgend werden am Beispiel der Gemeinde Kirchheim bei München drei Themenfelder sowie mögliche technologische Lösungsansätze für eine nachhaltigere Zukunft vorgestellt.

Verkehrswende durch Smart Mobility

Als einer der Hauptverursacher für den Klimawandel wurde das Automobil identifiziert. 20 Prozent des Kohlendioxidausstoßes in Europa gehen auf den Verkehr zurück, zwölf Prozent davon auf private Pkws. Deutschland wurde über Jahrzehnte weltweit als führendes Autoland gesehen, doch in den letzten Jahren haben sich die Vorzeichen deutlich verändert.

Aktionen bekannter Umweltschützer:innen im Zusammenhang mit Autoexporten, massive Proteste am Rande einst prestigeträchtiger Automobilmessen sowie die verständnisvollen Reaktionen aus der Bevölkerung zeigen, dass hier ein Umdenken stattfindet. Und das kommt auch in der Automobilindustrie an. Konzerne reagierten mit ehrgeizigen Zielen zur Abschaffung des Verbrennungsmotors.

E-Autos sollen also die Lösung bringen, auch wenn damit verbundene Fragen der Batterieproduktion bzw. -entsorgung, der Ladeinfrastruktur und des Strombedarfs in der Breite noch ungeklärt sind. Das Problem der Emissionen von Automobilen wird in der politischen Diskussion gern an die Hersteller übertragen. Diese sollen eine Lösung finden und nun schnellstmöglich emissionsfreie Fahrzeuge entwickeln.

In der Debatte wird allerdings kaum erwähnt, welche Rolle der öffentliche Straßenraum, die Verkehrsführung und die Verkehrstechnik bei der emissionsfreien Mobilität bzw. bei der nachhaltigen Verkehrsverlagerung spielen können. Dies zu vermitteln, ist Aufgabe der öffentlichen Hand und vor allem der Städte und Gemeinden. Und genau in diesen Bereichen gibt es viel Optimierungspotenzial.

Verkehrsflüsse besser verstehen, Staus verhindern

Bislang basieren Verkehrsanalysen und Mobilitätsstudien im Wesentlichen auf Hochrechnungen und Schätzungen. Punktuelle Verkehrszählungen werden auf bestimmte Verkehrsarten und Verkehrsadern begrenzt. So geht viel Detailwissen darüber verloren, wie unsere Mobilität eigentlich funktioniert bzw. idealerweise funktionieren könnte.

Als Teil des Exzellenzclusters Mobilität setzt die Gemeinde Kirchheim bei München sich gemeinsam mit verschiedenen Lehrstühlen der TU München und weiteren Unternehmen mit diesem Problem interdisziplinär auseinander. In einem Forschungsprojekt soll ein ganzheitlicher, kooperativer Entwicklungsansatz entwickelt werden, um Verkehrsflüsse besser zu verstehen und nachhaltig zu optimieren.

Übergeordnetes Ziel ist, die Emissionen unseres Mobilitätsverhaltens zu reduzieren. Umweltfreundlichere Verkehrsmittel, eine erhöhte Effizienz der Verkehrsströme sowie verflüssigter Verkehr sind hier die Mittel der Wahl. Auf diese Weise sollen auch Staus respektive Stop-and-go-Situationen deutlich verringert werden.

Denn insbesondere Beschleunigungs- und Bremsmanöver sind für den erhöhten Schadstoffausstoß verantwortlich – einerseits durch den größeren Energieaufwand, andererseits aufgrund der Bildung von Feinstaub durch Reifenabrieb und Bremsstaub.

Smart Mobility Phasenplan

Phase 1: Der erste Teil des Projekts gilt der Verkehrserfassung und insbesondere der Erfassung des Modal Split, das heißt, erfasst werden die Anteile der einzelnen Verkehrsträger am Verkehrsmarkt. Hier kommen innovative WLAN- bzw. Bluetooth-Sender zum Einsatz, die an allen relevanten Kreuzungen der Gemeinde installiert werden und so ein nahezu vollständiges Bild des Mobilitätsverhaltens der Bevölkerung wiedergeben.

Phase 2: Sind die Daten erhoben, werden sie in der zweiten Phase in ein multimodales Verkehrsmodell überführt. Dieses digitale Modell kann die Gemeinde verwenden, um das Verkehrsgeschehen genau zu beobachten, Problemstellen sowie Engpässe zu identifizieren und den intendierten Effekt verschiedener Maßnahmen zu validieren.

Phase 3: In der dritten Phase wird das Modell mit weiteren Funktionen versehen. So können bestimmte Szenarien simuliert werden, beispielsweise, wie sich neue (Rad-)Wegeverbindungen oder veränderte Verkehrsregelungen auf den Verkehrsfluss und den Modal Split auswirken.

Phase 4: Mithilfe von KI-Elementen, die auf Smart Data und Algorithmen beruhen, werden diese Simulationen eine neue Qualität von Verkehrsplanung und -steuerung ermöglichen sowie eine neue Generation intelligenter Verkehrstechnik.

Das erwartete Projektergebnis ist ein Rahmenwerk, das erhebliche gesellschaftliche Vorteile bietet:

• eine deutliche Reduktion von Emissionen durch flüssigere Verkehrsströme und daraus resultierend eine bessere Luftqualität
• eine nachhaltigere Verkehrsverlagerung
• reduzierte Pendelzeiten
• technische Innovationsschübe durch neue Sensortechnologie und Automatisierung

Luftqualität als vielseitiger Gradmesser

Einer der wichtigsten Gradmesser für den Zustand unserer Umwelt ist die Luftqualität. So lässt die Zusammensetzung der Luft Rückschlüsse auf den Einfluss des Menschen hinsichtlich des Klimawandels zu. Wir können diesen Werten entnehmen, wie viel Schadstoffe wir durch unsere Lebensweise emittieren und wie stark unser Verhalten unsere Umgebung belastet.

Allerdings sind die genauen Zusammenhänge zwischen Gesellschaft und Luftqualität noch nicht abschließend untersucht. Insbesondere fehlen Forschungsdaten im Hinblick auf die Möglichkeiten von Bürger:innen, durch die Veränderung von Gewohnheiten Verbesserungen herbeizuführen. Das Modellprojekt in Kirchheim zielt daher darauf ab, ein holistisches Bild der Luftqualität (Stickstoffoxid, Ozon, Feinstaub, CO2, Methan) und der zugrunde liegenden Ursachen auf dem gesamten Gemeindegebiet zu erstellen.

Datengrundlage durch Luftqualitätssensoren 

Statische Luftqualitätssensoren, flächendeckend verteilt, liefern dabei die Datengrundlage. Die Platzierung der Sensoren deckt unterschiedliche Untersuchungsszenarien ab, etwa viel befahrene Straßen und Industriegebiete als Hauptemissionsquellen, deren negative Auswirkungen offenkundig sind.

Darüber hinaus aber auch klassische Wohngebiete, denn einerseits ist die Bevölkerung dort besonders betroffen von schlechter Luft; andererseits soll so untersucht werden, inwiefern unser tägliches Leben zur Luftverschmutzung respektive zum Klimawandel beiträgt.

Insbesondere die Heizung ist in diesem Kontext zu nennen, der mit Abstand größte Erzeuger von CO2 im Haushalt. Luftqualitätssensoren in Parkanlagen und  Naturschutzgebieten runden die Untersuchung ab, wobei vor allem Möglichkeiten natürlicher Filterfunktionen und der positive Einfluss der Flora im Allgemeinen untersucht werden.

Veränderungsprojekte werden begleitet

Neben diesen statischen Untersuchungen werden – als zweite Untersuchungsebene – spezielle Veränderungsprojekte der Gemeinde Kirchheim begleitet. So soll etwa ermittelt werden, welche Effekte der für die Landesgartenschau 2024 angelegte Ortspark im Zentrum der Gemeinde auf das übrige Gebiet hat. Wie wirkt sich ein grünes Zentrum mit dichter Vegetation, Wasserfläche und hohem CO2 -Bindungspotenzial auf das Klein- und Mikroklima sowie die Luftqualität insgesamt aus?

Mithilfe von Sensordaten werden die Prognosen zu den Auswirkungen verifiziert und anschließend optimiert. Insgesamt ist von diesem Teilprojekt zu erwarten, dass
sich die Luftqualität des Mikrokosmos Kommune in bisher kaum vorhandener Detailschärfe erfassen lässt.

Vom Verständnis für die Entstehung und das Verhalten von Schadstoffwolken über Verbesserungsmöglichkeiten durch städtebauliche Maßnahmen bis zu Hinweisen zur Verhaltensänderung bieten die eingesetzten Smart-City-Technologien einen klaren, wissenschaftlich fundierten Weg zu einer nachhaltigeren Lebensweise.

Ökosysteme als Verbündete im Kampf gegen den Klimawandel

Unsere stärkste Verbündete im Kampf gegen den Klimawandel ist die Natur. Etwa ein Viertel des auf der Erde generierten CO2 wird vom Land wieder aufgenommen. Ob dies aber auch in Zukunft so sein wird, hängt im Wesentlichen davon ab, ob es uns gelingt, die Funktionsfähigkeit unseres Ökosystems zu bewahren.

Hier sind wir allerdings noch nicht auf dem richtigen Weg: Nur etwa 20 Prozent der Bäume in Deutschland weisen keinen Kronenschaden auf, die Biomasse der Fluginsekten in den vergangenen 27 Jahren ist um über 75 Prozent zurückgegangen und die Gesamtzahl der Vogelarten unserer Agrarlandschaften in Deutschland hat sich
seit 1980 um 34 Prozent reduziert. Diese Werte basieren allerdings auf Stichproben, Schätzungen und händischem Zählen und enthalten daher gewisse Unschärfen.

Um die Zusammenhänge in unserem Ökosystem besser verstehen und nachhaltig optimieren zu können, ist somit eine innovativere Herangehensweise unabdingbar. Neue Technologien müssen eingesetzt werden, um den Zustand unserer Umwelt kontinuierlich und automatisiert zu erfassen: Technologien aus dem Smart-City-Werkzeugkasten, die in einem weiteren Teilprojekt in Kirchheim erprobt werden.

Zustand der Bäume ermitteln

Der Zustand der Bäume wird auf zwei Arten ermittelt. Zum einen werden mit Sensoren ausgerüstete Drohnen eingesetzt. Diese autonom agierenden Flugsysteme analysieren automatisiert die Kronenverlichtung – als Maß für die Vitalität der Bäume – sowie das CO2-Bindungspotenzial. Zum anderen werden Sensoren eingesetzt, die auf Bioimpedanz basieren.

Sie werden an als Schlüsselarten klassifizierten Bäumen angebracht und messen anhand leichter Stromstöße kontinuierlich den Wasserhaushalt. Veränderungen oder drohende Risiken können so frühzeitig erkannt, in Verbindung gesetzt und bewertet werden.

Akustische Sensoren für Blühwiesen

Zur Quantifizierung der Insektenpopulation wird ein neuer Ansatz getestet, basierend auf der Auswertung akustischer Signale. So werden Blühwiesen angelegt und mit akustischen Sensoren ausgestattet. Diese messen über einen langen Zeitraum die Intensität des Summens respektive der Insektenaktivität.

Natürlich können auf diese Weise nicht einzelne Klassen identifiziert oder exakt quantifiziert werden, aber das System meldet automatisiert und laufend Daten zum allgemeinen Aktivitätsniveau. In Kombination mit anderen Datenquellen, etwa dem Wetter, Bautätigkeiten oder der Aktivität der Landwirtschaft, könnte dies ein äußerst wichtiger Indikator sein.

„Kohabitation“ untersuchen

Nicht zuletzt sollen in diesem Projekt die Möglichkeiten von Biodiversität in urbanen Räumen unter dem Leitbegriff „Kohabitation“ untersucht werden. Der Ansatz basiert im Wesentlichen auf dem Animal Aided Design, hervorgegangen aus Forschungsprojekten über die Rolle von Tieren in urbanen Räumen.

Dabei werden zu fördernde Zielarten definiert und geeignete Mikrohabitate bei Bauvorhaben systematisch berücksichtigt, etwa in Hausfassaden integrierte Fledermauskästen. Die so geschaffenen Habitate werden dann mit entsprechender Sensortechnik ausgestattet, beispielsweise Bewegungsmeldern an Einfluglöchern.

Das Projektziel für diesen Bereich ist die automatisierte und kontinuierliche Generierung von Daten, die eine indikative Bewertung des Zustands unserer Flora und Fauna
zulassen.

Smart Public Data in einem holistischen System

Jedes dieser Teilprojekte birgt einen erheblichen Innovationsgrad, indem entweder Prototypen erstmals in der Praxis erprobt oder bekannte Technologien in einem neuen Zusammenhang eingesetzt werden. Die zu erwartenden Ergebnisse sind in jedem Fall aufschlussreich, doch das wahre Potenzial wird erst durch die Kombination der Teilbereiche zu einem größeren Ganzen deutlich.

Verkehrsdaten, Daten zur Luftqualität und Biodiversität speisen einen Data Lake, der zudem mit etlichen weiteren Datensätzen, beispielsweise zur Demografie, zum Wetter oder zur Flächennutzung, angereichert wird. Sämtliche für eine Kommune relevante Bereiche sollen so erfasst werden, um ein möglichst vollständiges Bild zu zeichnen.

Diese Datenmengen sind allerdings mit manuellen oder herkömmlichen Methoden nicht mehr sinnvoll nutzbar. Daher muss das übergeordnete Ziel sein, ein KI-basiertes Steuerungselement zu entwickeln, um Analysen, Interpretationen und Vorhersagen zu ermöglichen. Aus Big Data muss Smart Public Data werden.

Eine der großen Chancen von Künstlicher Intelligenz besteht darin, aus sehr großen Datenmengen Wissen zu generieren und dieses zu nutzen, um die Welt, in der wir leben, besser zu verstehen. So lassen sich auf Basis von Smart Data Vorhersagen für bestimmte Maßnahmen treffen. Dadurch steigt die Qualität politischer Entscheidungen und von Verwaltungshandeln. Probleme und Herausforderungen können frühzeitig erkannt und auf Basis sozioökonomischer Datenanalysen spezifisch behandelt und besser gelöst werden. Somit birgt die Technologie enorme Chancen für die Gesellschaft und insbesondere für die öffentliche Hand.

Der Beitrag von Tobias Schock ist im Sammelband „Update Wirtschaft für Gesellschaft. 32 Vordenker:innen aus der Praxis geben Anregungen für besseres Wirtschaften“ im Verlag der Bertelsmann Stiftung erschienen. Tobias Schock ist einer von 32 Voices of Economic Transformation, eine Gruppe junger (im Denken und/oder Lebensjahren) Führungskräfte der Wirtschaft, die ihre Ideen für den gesellschaftlichen Wandel einbringen. Alle Beiträge sind CC BY-SA 4.0 lizensiert erschienen und werden u.a. auf diesem und anderen Blogs der Bertelsmann Stiftung veröffentlicht.

Weitere Beiträge zum Thema auf unserem Blog:

Veröffentlichter Link, Prof. Dr. Martin Wietschel, Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI

Strukturwandel der Mobilität – Warum eine Verkehrswende dieses Mal gelingen sollte von Prof. Dr. Gerhard Prätorius, TU Braunschweig

Endlich Raum fürs Wohnen: Die sozial-ökologische Transformation der Wohnungspolitik von Anton Brokow-Loga, Bauhaus-Universität Weimar