Über Smart Cities wird viel geredet – meist allerdings im Konjunktiv. Die Stadt Karlsruhe katapultiert das Thema nun entschlossen in die urbane Wirklichkeit. Protagonisten des ambitionierten Projektes sind die Stadtwerke Karlsruhe GmbH mit ihrem Tochterunternehmen SWK Novatec GmbH sowie die ZENNER IoT Solutions GmbH aus Hamburg. Gemeinsam bauen sie in Karlsruhe ein flächendeckendes Netzwerk für das Internet of Things (IoT) auf und realisieren parallel bereits mehrere praktische Anwendungen. Technisch gründet das System auf dem LoRaWAN-Funkverfahren (siehe unten).

Intelligente Abfallwirtschaft

Zuerst gestartet und am weitesten fortgeschritten ist das Projekt Smart Waste. In diesem Anwendungsfall werden Ultraschall-Sensoren in öffentlichen Abfallbehältern der Verkehrsbetriebe Karlsruhe (VBK) installiert, zum Beispiel in Unterflurcontainern. Die Sensoren übermitteln in regelmäßigen Abständen Informationen zum aktuellen Füllstand, die im Backend-System per Ampeldarstellung für die Disposition visualisiert werden. Erreicht die Füllhöhe ein zuvor festgelegtes, kritisches Maß, werden Mitarbeiter der VBK per Signal auf ein mobiles Endgerät darüber informiert. Die Karlsruher Verkehrsbetriebe, Kooperationspartner in diesem Projekt, können die Behälter somit gezielt ansteuern und leeren.

Diese smarte Art des Abfallmanagements bietet eine Reihe von Vorteilen. So wird es möglich, die Unterflur-Container bedarfsgerecht zu leeren und die Route des Müllfahrzeugs intelligent zu planen. Das heißt, man vermeidet sowohl Belastungsspitzen durch übervolle Abfallcontainer als auch unnötige Anfahrten zu weniger frequentierten Behältern. Dies führt zu einer Optimierung der Einsatzzeiten der Müllabfuhr und damit zu einer Kostenreduktion sowie einer Verringerung der innerstädtischen Abgasemissionen. Beide Faktoren tragen zur Erhöhung der Lebensqualität der Bürger in der Stadt bei. Durch Auswerten der in diesem Prozess gewonnenen Daten lassen sich darüber hinaus Vorhersagen ableiten. So können die Entleerungszeiten und Fahrrouten stetig optimiert werden. Beispielsweise werden Belastungsspitzen bei öffentlichen Veranstaltungen wie Festen, Konzerten und Demonstrationen besser beherrschbar, weil präventiv optimiert werden kann.

Was den Anwendungsfall Smart-Waste in Karlsruhe besonders macht, ist das Engagement vieler Stakeholder und die dadurch erzeugte Begeisterung im Projekt. Der in den Containern platzierte Sensor – liebevoll Oskar genannt – ist im Rahmen einer Kooperation von ZENNER IoT Solutions und den Stadtwerken Karlsruhe entwickelt worden. ZENNER IoT Solutions kümmerte sich um das Entwickeln von Füllstandsensoren, die für diese spezielle Aufgabe optimiert sind. Mitarbeiter der Stadtwerke andererseits entwarfen und bauten das Verbindungsstück, mit dem der Sensor am Rand der Müllbehälter sachgerecht und robust befestigt wird.

Funkfernüberwachung von Trafostationen

Trafostationen sind die Schaltstellen im Stromnetz und stehen in Zeiten der Energiewende und Elektromobilität vor besonderen Belastungen. Die LoRaWAN-Technologie gibt den Netzspezialisten des Netzservices der Stadtwerke nun ein Werkzeug an die Hand, das eine einfache und kostengünstige Fernüberwachung ermöglicht. Ein Sensor, installiert in Ortsnetztrafostationen, überwacht den Zustand von bis zu acht potentialfreien Kontakten und sendet neben regelmäßigen Heartbeats eine LoRaWAN-Nachricht bei jeder Zustandsänderung. Drohende oder eingetretene Ausfälle der Trafostationen können so frühzeitig erkannt und verhindert schneller behoben werden. Der hier zum Einsatz kommende Sensor ist ebenfalls eine Eigenentwicklung, entstanden in Kooperation zwischen den Stadtwerken Karlsruhe und der Firma EPS.

Umweltmanagement und Smart Metering

Die Ad-hoc Auslesung von Wasser-, Gas-, Wärme- und Stromzähler lässt ein intelligentes Energiemanagement in Echtzeit auf einfache Art und Weise Realität werden. Darüber hinaus ermöglicht die Digitalisierung von schwer erreichbaren Messstellen eine kosteneffektivere Zählerauslesung. In diesem Projekt kommen LoRaWAN-Zähler aus der ZENNER-Produktfamilie zum Einsatz.

Smart Parking

Auch der Use-Case Smart Parking kann zukünftig in Karlsruhe realisiert werden: Sensoren melden, ob ein Parkplatz frei oder belegt ist. Dadurch wird das Finden und Ansteuern von Parkplätzen erleichtert. Die Integration der Anwendung in Routenplanern und Navigationssystemen bringt Nutzern einen erheblichen Komfortgewinn, verringert die innerstädtische Abgasbelastung und ermöglicht Parkraumbetreibern eine minutengenaue Parkzeitabrechnung.

Pegelstandmessungen

Auch die Messung von Grundwasserpegelständen wird in Karlsruhe zukünftig durch die LoRaWAN-Infrastruktur deutlich erleichtert. Sensoren an unzugänglichen Orten können auf Funkbasis einfach und zuverlässig ausgelesen werden. Die Stadtwerke sind auf diese Weise zeitnah und umfänglich über den Grundwasserpegel im Bilde.

Weitere konkrete Anwendungen der LoRaWAN-Technologie in Karlsruhe sind GPS-Tracker sowie Umweltsensoren, die Feinstaub- und CO2-Belastungen in der City messen und melden. Indem man Fußgängern und Radfahrern umweltoptimierte Routen vorschlägt, können sie gesundheitliche Belastungen durch schlechte Luft vermeiden.

Dass sich die Karlsruher als Digitalisierungsvorreiter fühlen dürfen, wird durch zwei Preise bestärkt, die den Stadtwerken Karlsruhe für den flächendeckenden Aufbau einer IoT-Kommunikationsinfrastruktur zugesprochen wurde. Beim 16. eGovernment-Wettbewerb von Bearing Point und Cisco landeten sie auf Platz drei in der Kategorie Bestes Infrastrukturprojekt 2017 und in der Kategorie Publikumspreis 2017 sogar auf Rang zwei.

IoT-Wegbereiter

LoRaWAN bedeutet Long Range Wide Area Network und ist ein LPWAN-Standard für die drahtlose Kommunikation zwischen IoT-Objekten wie Sensoren, Aktoren oder Zählern. LP steht für Low Power. Damit sind zwei wesentliche Vorteile dieser Technologie genannt: große Reichweiten (in ländlichen Gebieten bis zu 15 km) und geringer Energieverbrauch (Lebensdauer der Batterien je nach Anwendung bis zu zehn Jahre). Die Funkfrequenz (in Europa 868 Megahertz) erreicht zuverlässig auch schwer zugängliche Orte, beispielsweise Schächte und Kellerräume. Die LoRaWAN-Technologie ist ein frei zugänglicher und interoperabler Funkstandard. Stadtwerke und beliebige andere Anwender können damit selbständig eigene Funknetze aufbauen und betreiben. Die LoRaWAN-Technologie ebnet für viele Anwendungen den Weg ins Internet of Things (IoT) und damit zur Digitalisierung.