Smart City Sensoren und smarte Leuchten: So will Kopenhagen klimaneutral werden

Autor / Redakteur: Björn Fuchs* / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Kopenhagen möchte 2025 CO2-neutral sein – und damit als erste Hauptstadt. Mit zahlreichen Maßnahmen arbeitet die Stadt daran, dieses Ziel zu erreichen. Ein wichtiger Baustein auf diesem Weg ist die intelligente Straßenbeleuchtung. Sie ist außerdem Basis für zahlreiche weitere smarte Anwendungen.

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Klimaneutrales Kopenhagen: Radfahrer spielen auf dem Weg zu einer klimaneutralen Stadt einen wichtige Rolle.
Klimaneutrales Kopenhagen: Radfahrer spielen auf dem Weg zu einer klimaneutralen Stadt einen wichtige Rolle.
(Bild: gemeinfrei / Pixabay )

Bereits heute zählt Kopenhagen zu den nachhaltigsten und smartesten Städten der Welt. Um bis zum Jahr 2025 kohlenstoffneutral zu werden, setzt die Stadt unter anderem auf eine IoT-Plattform als Basis für vielfältige Smart-City-Anwendungen. Einer der Schwerpunkte hierbei lag auf der LED-Straßenbeleuchtung.

Denn sie bildete den größten Einzelposten auf der Energierechnung der Stadt. Doch es ging nicht nur darum, die veraltete Beleuchtungsinfrastruktur zukunftssicher und effizienter zu machen, sondern auch eine Grundlage zu schaffen für Innovationen in anderen Bereichen Kopenhagens.

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LED-Leuchten und drahtloses Netzwerk

Nach einem 18-monatigen intensiven Auswahlprozess entschied sich die Stadt für eine Lösung von Itron und dessen Partner Citelum für die Planung, die Errichtung und das Management der neuen Beleuchtungslösung für die kommenden 15 Jahre. Sie umfasst neben den LED-Straßenleuchten ein drahtloses Netzwerk und eine Smart- City-Plattform, die sich in die smarte Architektur integrieren lässt.

20.000 Natriumdampf-Hochdrucklampen hat die Stadt bis heute durch LED-Leuchten ersetzt. Sie bieten eine bessere Lichtqualität und eine Energieeinsparung von 55 Prozent. Zusammen mit dem Netzwerk und einer smarten Steuerung stieg diese sogar auf 76 Prozent. Alle neuen Lichtpunkte werden ebenfalls mit den LED-Leuchten und Steuerungen ausgestattet.

Modul für Kommunikation, Steuerung und Monitoring

Für die zwei-Wege-Kommunikation, Steuerung und Monitoring der Leuchten nutzt Kopenhagen die Control Nodes des Itron-Partners Selc. Mit einer Größe von 85 mm x 85 mm x 61,5 mm lassen sie sich entweder im Strommasten oder im Kopf der Straßenlampe einbauen. Sie verfügen über ein Funkmodul, einen Stromschalter und eine Dimm-Funktion. Damit lässt sich jede Straßenleuchte per Fernsteuerung mit Strom versorgen, um Sensoren dauerhaft und somit auch tagsüber mit Strom zu versorgen.

Für die Kommunikation mit anderen Straßenleuchten, Geräten, Anwendungen sowie mit der IoT-Plattform von Itron stellt das Funkmodul ein Mesh-Netzwerk auf Basis offener Standards IPv6 oder IEEE 802.15.4g her. Auch die Konfiguration und Firmware Upgrades lassen sich damit aus der Ferne Over-the-Air erledigen. Für die Sicherheit der Daten und der kritischen Infrastruktur sorgen strenge Sicherheitsrichtlinien auf mehreren Ebenen mit Ende-zu-Ende-Verschlüsselung (WES-128/256) und Zugangskontrolle.

Eine Basis für eine smarte Stadt

Detailansicht des Control Node für die Zwei-Wege-Kommunikation, Steuerung und Monitoring der Leuchten.
Detailansicht des Control Node für die Zwei-Wege-Kommunikation, Steuerung und Monitoring der Leuchten.
(Bild: Selc)

Mit den genannten Eigenschaften bilden die Control Nodes die Hardware-Basis für unterschiedliche Smart-City-Anwendungen: Straßenleuchten lassen sich mit Sensoren ausstatten, etwa für Bewegung, Akustik, Luftgüte oder Kameras. So lassen sich neuralgische Orte auf Unfälle oder Vandalismus oder die Luftqualität an stark befahrenen Straßen überwachen.

Sämtliche Daten können über das Netzwerk an die Itron-Smart-City-Plattform übertragen werden. Durch ihre offenen Schnittstellen bildet sie eine Datendrehscheibe für alle Sensoren und Smart-City-Anwendungen, auch von Drittanbietern. Hierfür unterstützt sie alle Anforderungen an Bandbreite und Latenzzeiten. Damit verfügen Städte über eine skalierbare und zukunftsfähige Anwendung, in die sie auch künftige Anwendungen integrieren können.

Diese Flexibilität war für Kopenhagen ein weiterer wichtiger Grund dafür, ein stadtweites Steuerungssystem aufzubauen. Denn damit kann die Stadt gemeinsam mit den Einwohnern die Beleuchtungsstärke und -dauer für jeden Bereich der Stadt testen, um im Laufe der Zeit die Energieeffizienz und Sicherheit weiter zu erhöhen, sowie außerdem auf verschiedene Veränderungen in den kommenden Jahren reagieren.

Daten liegen sicher in der Datenbank

In der Datenbank der Smart-City-Plattform werden alle Daten sicher erfasst und gespeichert, um umfassende Analysen, Automatisierungen und szenariobasierte Steuerungen zu ermöglichen. Sie hat sich bereits in anderen Städten in Systemen mit bis zu einer Million Geräten von hunderten von Herstellern bewährt.

Die Benutzeroberfläche zeigt einfach zu bedienende Menüs für verschiedene Anwender. Sie bekommen die jeweils wichtigen Informationen entsprechend der Zugriffsrechte auf einen Blick. Die Möglichkeiten reichen vom Asset Management, wie Lichtpunkte, Schranken oder Signale, über die Fehlererkennung und -Analyse bis zu umfangreichen Datenanalysen mit Reports, Trend Charts und Alarmen. Die Oberfläche ist HTML5-basiert und kann damit auf allen aktuellen Plattformen und Betriebssystemen angezeigt werden. Selbst mobile Geräte für den Einsatz im Feld sind möglich.

Austausch ohne Grenzen

Als Hindernis für einen effektiven stadtweiten Einsatz des Netzwerks und der Plattform, aber auch von Wissen, Ressourcen und Budgets, hat sich die Trennung zwischen verschiedenen Abteilungen erwiesen. Um diese Silos zu umgehen, hat Kopenhagen einen mehrschichtigen kollaborativen Ansatz gewählt, zu dem auch die Gründung des „Copenhagen Solutions Lab“ gehörte.

Hier arbeiten die Verantwortlichen der Stadt mit der Regierung, Forschungseinrichtungen und Lösungsanbietern zusammen. Dieses Team hat die Aufgabe, Möglichkeiten für intelligentere Systeme in Kopenhagen auszuloten und den Austausch zwischen allen städtischen Abteilungen zu fördern. Beispielsweise wurden in Workshops Details diskutiert, wie sich das Mesh-Netzwerk noch nutzen lässt.

Dabei ging es um Projekte mit Sensoren, um den Wasserverbrauch für zahlreiche neu zu pflanzende Bäume zu reduzieren, um Abfälle effizienter zu sammeln und zu entsorgen oder für den Einsatz in Nagetierfallen, um die Stadt bei der humanen Bekämpfung von Ratten zu unterstützen.

Straßenleuchten schnell und einfach anpassen

Das Webinterface der Smart-City-Plattform. Hier laufen alle wichtigen Informationen zusammen.
Das Webinterface der Smart-City-Plattform. Hier laufen alle wichtigen Informationen zusammen.
(Bild: Itron)

Was die Beleuchtung angeht, nutzt Kopenhagen den Ansatz von Itron für Alarme: Fällt eine Leuchte aus, sendet das Funkmodul sofort einen Warnhinweis. Damit konnte die Stadt die Kosten für Betrieb und Wartung der Straßenleuchten um 50 Prozent senken. Zudem wird die Lichtintensität während der Nacht automatisiert nach einem festen Zeitplan gesteuert, abhängig vom Wochentag und der Art der Straße.

Zu besonderen Anlässen wie Straßenfesten, Konzerten, Sportveranstaltungen oder der Earth Hour des WWF kann die Stadt die Beleuchtung über die Smart-City-Plattform schnell und einfach anpassen. Das gilt auch, wenn sich die Anforderungen ändern, beispielsweise wenn in einer Straße eine Schule neu gebaut wird.

Künftig ist geplant, die Straßenleuchten an sinnvollen Stellen um einen Anwesenheitssensor zu ergänzen, um das Licht auch dynamisch dimmen oder aufhellen zu können, je nachdem, ob Menschen anwesend sind oder nicht. So lässt sich die Energieeffizienz und die Sicherheit aller Verkehrsteilnehmer noch weiter erhöhen.

Sensoren erkennen Radfahrer an Kreuzungen

In Kopenhagen stehen Radfahrer dabei besonders im Fokus. Sie zählen zu den besonders gefährdeten Gruppen im Straßenverkehr; zudem ist Radfahren in der dänischen Hauptstadt extrem beliebt: Die rund 640.000 Einwohner legen fast die Hälfte der Pendlerfahrten mit dem Fahrrad zurück. Diese Zahl wird noch steigen, da die Stadt viel dafür tut, den Radverkehr zu unterstützen und sicherer zu machen.

Hier haben die Verantwortlichen an Kreuzungen Anwesenheitssensoren mit der Lichtsteuerung kombiniert. Der Sensor erkennt sich nähernde Radfahrer und gibt ein Signal an die Lichtsteuerung, die daraufhin die Helligkeit an der jeweiligen Kreuzung erhöht. Dank des eingesetzten Mesh-Netzwerks können die Leuchten entlang der Straßen direkt miteinander kommunizieren, ohne den Weg über die Smart-City-Plattform nehmen zu müssen. Das erlaubt ein sehr reaktionsschnelles System mit geringer Latenz, so dass sich die Beleuchtung sofort ändert, wenn ein Sensor einen Radfahrer erkannt hat. Dieser Ansatz lässt sich auch an Gehwegen für Fußgänger einsetzen.

Eine weitere Anwendung sorgt für eine grüne Welle für Radfahrer und zeigt ihnen die ruhigste oder schnellste Route zu ihrem Ziel an.

* Björn Fuchs arbeitet als IoT und Smart City Solution Sales Leader Germany bei Itron.

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