Smart City - die digitale Zukunft Karlsruhes

Karlsruhe gilt als Smart City, denn die Stadt verfolgt gesamtheitliche Entwicklungskonzepte, die die Fächerstadt effizienter, technologisch fortschrittlicher und grüner zu gestalten. Durch die Stadtwerke Karlsruhe wurden bereits einige smarte Projekte in Karlsruhe umgesetzt und auch künftig soll die intelligente Vernetzung der Fächerstadt durch ein Demolab ausgebaut werden.

Smart City - Karlsruhe wird digital vernetzt

Smart City

Intelligent vernetzt, schnell und modern: Karlsruhe gilt als etablierter IT- und Wissenschaftsstandort und bemüht sich seit einiger Zeit eine sogenannte Smart City zu werden. So landete die Fächerstadt beispielsweise beim Smart City Index der Bitkom 2019 bereits auf dem zweiten Platz der „smartesten Städte in Deutschland“. Karlsruhe ist zudem als einzige deutsche Stadt, Teil der G20 Global Smart Cities Alliance des Weltwirtschaftsforums (WEF).

Unter Beweis stellt Karlsruhe seine Ambitionen gerne im Kunst- und Kreativbereich und wurde nicht grundlos 2019 als erste und bislang einzige Stadt in Deutschland mit dem Titel „City of Media Arts“ ausgezeichnet und hierdurch in das internationale Städte-Netzwerk „Creative Cities“ aufgenommen. 

Die Stadtwerke Karlsruhe möchten, neben der Versorgung der Karlsruher mit Energie und Trinkwasser, die Stadt Karlsruhe in das digitale Zeitalter einer „Smart City“ begleiten. So wurden bereits in der Vergangenheit einige Projekte zur intelligenten Vernetzung umgesetzt.  Zu einer smarten City gehört auch, dass zukunftsfähige Infrastrukturlösungen für Karlsruhe geschaffen und betrieben werden - Lösungen sowie Anwendungsprobungen sollen in einem Demolab entstehen.

Demolab - Smart City zum Anfassen

Das Smart City Cockpit vereint die unterschiedlichen Datenströme. Diese werden auf einem Dashbord in Echtzeit abgebildet.
Das Smart City Cockpit vereint die unterschiedlichen Datenströme. Diese werden auf einem Dashbord in Echtzeit abgebildet.

Derzeit entsteht bei den Stadtwerken Karlsruhe ein smartes Demolab. Dieses steht unter dem Motto „Smart City zum Anfassen“ und bildet die Basis für die Schaffung sowie den Einsatz verschiedener smarter Lösungen für Karlsruhe: Denn mit dem Demolab können Smart-City-Anwendungen unmittelbar erlebbar gemacht werden.

Hierzu wird das Demolab entsprechend konzipiert und mit der notwendigen Technologie ausgestattet, welche eine stetige und flexible Weiterentwicklung ermöglicht. So soll, durch den Einsatz smarter Lösungen, der Einbindung von Sensorik und Daten, sowie die Visualisierung dieser Datensätze, eine praktische Anwendung von Innovation entstehen. Es soll dabei möglich sein, neue Produkte zu testen und Erfahrungen bereits existierender Produkte zu intensivieren, damit die entstehende Innovation für die Karlsruher Bürger nutzbar gestaltet werden kann.

Denn bei den vorgesehenen Themen, die im Demolab im Fokus stehen, handelt es sich um Bereiche, mit denen die Karlsruher alltäglich konfrontiert werden. Hierzu zählen Parken, Straßenbeleuchtung, Umwelt, Sicherheit und E-Mobilität.

Das Demolab im Video erklärt

Die Demolab-Themen im Überblick

Das Demolab bei den Stadtwerken

Parken - Smart Parking
Um die Belegung von Parkplätzen permanent festzustellen und so die Parkmöglichkeiten für die Bürger zu optimieren, können Sensoren eingesetzt werden, die entweder aus einer bestimmten Höhe Parkflächen screenen oder auf dem Boden angebracht werden. Beide übermitteln Daten, welche sowohl in Parkleitsysteme einfließen als auch in Apps und öffentlichen Dashboards dargestellt werden. Neben den Informationen des Belegungszustands des Parkplatzes können für Elektrofahrzeuge auch Information über den Ladevorgang hierbei erfasst werden.

Licht - Smart Lighting
Zur Steuerung der Straßenbeleuchtung in Karlsruhe wird im Demolab ein Telemanagementsystem genutzt. Hierbei handelt es sich um eine Software, die einzelne Leuchten gezielt steuern kann und permanent Informationen über diverse Betriebszustände liefert. So lassen sich beispielsweise Lichtlevel zu verschiedensten Zeiten einzustellen und Betriebsabläufe sowie das Störungsmanagement optimieren.

Sicherheit: Kombination Parken & Licht
Der Punkt Sicherheit wird, dank einer Kombination der Systeme aus den Themen Licht und Parken, durch eine Videoanalyse ermöglicht. Diese Bilder werden durch in den Systemen integrierte High-End-CCTV-Kamera aufgenommen. Die Bilder solcher Kameras können analog, kabelgebunden oder digital übertragen werden. Der Vorteil ist, dass die aufgenommen Bilder live und in Echtzeit analysiert werden können. Um das Datenvolumen möglichst gering zu halten und dem Datenschutz gerecht zu werden, finden diese Analyseprozesse lokal statt. Das heißt, anstatt einer Übertragung der Bilder zur Auswertung, erfolgt die Auswertung direkt - so dass lediglich die Ergebnisse übertragen werden (edge-processing).

Umwelt - Smart Irrigation
Das Umweltpaket im Demolab ermöglicht es, Umweltdaten zu erfassen, zu speichern, zu visualisieren und individuell zu verarbeiten.
Bei Smart Irrigation kann beispielsweise überflüssiger Wasserverbrauch reduziert werden, wenn Feuchtigkeitssensoren in den Boden eingelassen wurden. Denn diese messen permanent den Feuchtigkeitswert des Bodens, was eine klare Aussage über die Notwendigkeit der Bewässerung zulässt. Diese Informationen können dann mit einer Bewässerungsanlage verbunden werden. Auch stehen Wetterprognosen online zur Verfügung, welche Einfluss auf den Einsatz der Bewässerungsanlage haben.

Projektmanagement Smart City

Smarte Anwendungen in der Fächerstadt

Um die Stadt Karlsruhe in der weiteren Entwicklung der urbanen und smarten Infrastruktur zu unterstützen, sind die Stadtwerke Karlsruhe und die EnBW Tochter Netze BW im September 2020 eine Kooperation eingegangen. Gemeinsam wollen die Unternehmen so ihre Zusammenarbeit in den Bereichen Infrastruktur, Digitalisierung und Mobilität stärken.

Eines der gemeinsamen Projekte thematisiert ein ganzheitliches Zufahrtsmanagementsystem zur Absicherung und Verkehrsberuhigung von Plätzen, Straßen, Quartieren und Innenstädten. Das „EnBW BarrierSystems“ ist ein Produkt aus der Innovationsschmiede der Muttergesellschaft der Netze BW. Durch Künstliche Intelligenz und zentraler Steuerungssoftware werden hier bewegliche Sperranlagen und deren Umgebung überwacht und die Durchfahrt für Zufahrtsberechtigte sichergestellt.

Zu diesen Projekten zählt aber auch die Verkehrsoptimierung durch die Nutzung der Sensorik von Smight – einer Geschäftseinheit der EnBW. An Verkehrsknotenpunkten werden hierfür Sensoren angebracht, die den Verkehr dort erfassen und diese Daten an eine IoT-Plattform übermitteln. Diese Daten können dann aufbereitet und den Verkehrsfluss durch daraus abgeleitete Maßnahmen positiv beeinflussen. Ein ähnliches Projekt setzten die Stadtwerke Karlsruhe bereits in Form eines intelligentes Verkehrsleitsystem um.

Smartes Verkehrsleitsystem in der Innenstadt

Baustellen und Rush-Hour sorgen in Karlsruhe gerne für Staus und strapazierte Nerven bei den Autofahrern. Ein smartes Verkehrsleitsystem der Stadtwerke Karlsruhe hat während der Adventszeit im Jahr 2019 die Straßen der Fächerstadt entlastet. So ließ das Tiefbauamt der Stadt Karlsruhe das Verkehrsauf­kommen in der Fächerstadt über ein dynamischesLeitsystem situativ steuern, um so die Fahrzeuge auf alternative Routen zu lenken und Staus zu vermeiden, beziehungsweise diese zu umgehen. Die entsprechende intelligente Infrastruktur haben die Stadtwerke Karlsruhe hierfür entwickelt und realisiert. 

An sechs Karlsruher Hauptverkehrsstraßen zeigten LED-Tafeln an, wie die Autofahrer am effizientesten und umweltschonendsten ihr Ziel erreichen konnten. Hierzu leitete das System, abhängig von der Verkehrssituation, die Autofahrer direkt auf die jeweils naheliegenden Park-and-Ride-Parkplätze der Fächerstadt.

Dieses smarte Verkehrslenksystem nutzte zur Feststellung der Verkehrssituation mehrere Datenquellen. So wurden an drei relevanten Standorten Detektionskameras errichtet, die über Wärmebilder den Verkehrsfluss erfassten, analysierten und somit zeigten, ob sich ein Stau bildet. Auf der Karlsruher Südtangente dagegen, kam das Verfahren Floating Car Data (FCD) zum Einsatz. Hierbei handelt es sich um das Messen und Auswerten der Fahrzeugbewegungen anhand von Daten, die unmittelbar von den Fahrzeugen geliefert werden. Dies funktioniert durch GPS für die Positionsbestimmung und GSM für die Übertragung von Informationen.

Auf einer Smart-City-Plattform liefen dann alle erfassten Daten zusammen. Echtzeit-Belegungsdaten verschiedener Karlsruher Parkhäuser flossen hier ebenfalls mit ein. Die Plattform verarbeitete die Daten und steuerte die LED-Tafeln am Straßenrand. Die smarten Anzeigetafeln waren bis in den Januar 2020 in Karlsruhe im Einsatz.

LoRaWAN - eine intelligente Vernetzung Karlsruhes

Wie kann Karlsruhe kostengünstig und energiesparend intelligent vernetzt werden? Ein weiterer Schritt in Richtung Smart City der Stadtwerke war bereits die international anerkannte Funktechnik “Long Range Wide Area Network“, kurz LoRaWAN.

Um die Fächerstadt mit dieser modernen Technologie abzudecken, verfolgten die Stadtwerke Karlsruhe den Ausbau einer flächendeckenden LoRaWAN-Infrastruktur in Karlsruhe. Denn so sollten beispielsweise Parkplatzsensoren, Feuchtigkeitsmesser in Räumen oder Funkfernüberwachung von Trafostationen über LoRaWAN smarter vernetzt werden.

Ein LoRaWAN-Netzwerk besteht aus drei Komponenten: einem Node (Sensor), einem Gateway und einer Plattform. Das Gateway bildet dabei die Schnittstelle zwischen der LoRa-Funkübertragung und der Anbindung zum Server. 

Innerhalb eines solchen Netzwerks werden geringe Datenmengen übertragen, dabei können die Sensoren oder Kommunikationsmodule über weite Strecken senden. Überland schafft die Technologie bis zu 20km. Im Stadtgebiet rechnet man zwischen 1 und 2 km Reichweite. Da das bekannte WLAN räumlich stark begrenzt ist, liegen die Vorteile con LoRaWAN darin, Daten über Entfernungen bis zu 15 Kilometer zu senden und zu empfangen. 

Diese Daten können verschlüsselt von Sensoren über LoRaWAN zu den Antennen geschickt werden. Von hier kommen sie dann auf sicheren Leitungen zu den Servern der Stadtwerke Karlsruhe.

Ein smartes Quartier in Karlsruhe-Durlach

Smarte Lösungen spielen auch im Energiesektor eine wichtige Rolle. So wurde im Mai 2020 der Baustart für ein „Smartes Quartier“ in Karlsruhes größtem Stadtteil Durlach gefeiert.

Konkret handelt es sich hierbei um den Bau eines innovativen Energieversorgungskonzeptes für fünf Mehrfamilien-Bestandsgebäude mit 175 Wohnungen auf insgesamt 11.600 Quadratmetern Grundfläche.

Unter dem Namen „Smartes Quartier Karlsruhe-Durlach“ soll das Projekt die konventionelle Versorgung durch ein Energiesystem ersetzen, bei dem zwei Wärmepumpen, Photovoltaik-Anlagen (PV), ein Erdgas-Blockheizkraftwerk (BHKW) und ein Energiemanagement mit auf künstlicher Intelligenz basierter Fehlererkennung umsetzen. 

Energieversorgungskonzept „Smartes Quartier Karlsruhe-Durlach“ mit Photovoltaik, zwei dezentralen Wärmepumpen und einem BHKW mit Nahwärmeleitung. (Gebäude in der Ersingerstraße 1-5)   © Google Earth, Map data: Google, GeoBasis-DE/BKG
Energieversorgungskonzept „Smartes Quartier Karlsruhe-Durlach“ mit Photovoltaik, zwei dezentralen Wärmepumpen und einem BHKW mit Nahwärmeleitung. (Gebäude in der Ersingerstraße 1-5) © Google Earth, Map data: Google, GeoBasis-DE/BKG

Dadurch soll die Halbierung des Primärenergieverbrauchs und der damit verbundenen CO₂-Emissionen sowie die Erprobung eines wirtschaftlichen Betreiberkonzeptes erreicht werden. Zuvor wurden die fünf Mehrfamilienhäuser der VOLKSWOHNUNG, welche aus den 1960er Jahren stammen, in dem Komplex durch Wärme aus Erdgaskesseln und mit Strom aus dem Netz versorgt. Das Quartier umfasst 175 Wohnungen, die Anfang der 1990er Jahre teilmodernisiert wurden und beherbergt rund 350 Menschen, die pro Jahr rund 350 Megawattstunden Strom und 1.200 Megawattstunden Wärme verbrauchen.


Die VOLKSWOHNUNG und die Karlsruher Energieservice GmbH (KES), eine Tochtergesellschaft der Stadtwerke Karlsruhe, bauen mit dem Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme (ISE), dem Institut für Nachhaltige Technische Systeme (INATECH) der Universität Freiburg und der Klimaschutz- und Energieagentur Baden-Württemberg die dezentrale und solare Energieversorgung für die Gebäude in der Ersinger Straße in Durlach auf.

Für die Umsetzung des Projektes werden auf den Dächern Photovoltaik-Anlagen installiert. Zudem sind drei der Häuser sind mit einer Nahwärmeleitung verbunden, in die zwei Erdgas-BHKW-Aggregate Wärme einspeisen. Zwei weitere Häuser werden künftig durch dezentrale Wärmepumpenanlagen mit innovativen Wärmequellen versorgt.

Smart East: Smarte Energieversorgung in Karlsruhes Osten

Smart East

Smart East zeigt, wie die Stadtwerke Karlsruhe als Vorreiter in der Digitalisierung mit einem neuen Geschäftsmodell große Schritte in die energieeffiziente Zukunft gehen. Zwischen 2021 und 2023 wird im Bereich der Haid-und-Neu-Straße im Osten Karlsruhes ein Reallabor entstehen - mit der Intention, den großen Nutzen der Digitalisierung für eine erneuerbare und klimaneutrale Energieversorgung in Bestandsquartieren aufzeigen. 

Die vier entscheidenden Aktionsfelder des Leuchtturmprojekts sind: Klimaschutz, Geschäftsmodelle, Digitalisierung und Partizipation. Die Sektoren Strom, Wärme, Kälte und Verkehr sollen digitalisiert und energetisch vernetzt werden. Die Sektor-Kopplung ist zusammen mit einem Ausbau von Photovoltaik das Ziel des Aktionsfeldes Klimaschutz. Mit der Digitalisierung als zweitem Aktionsfeld sollen insbesondere intelligente Messsysteme in den Gebäuden installiert und deren Daten in einer Quartiersplattform zusammengeführt werden. Das dritte Aktionsfeld bezieht sich auf die Identifikation von Geschäftsmodellen und deren Bewertung. Das vierte Aktionsfeld ist die aktive Teilhabe aller wesentlichen Stakeholder, wie Eigentümer, Mieter, Vermieter, Anlagenbetreiber und Energieversorger.

Luftaufnahme Quartier Smart East
Luftaufnahme Quartier Smart East

„Smart East“ soll Energiewende nach Karlsruhe bringen

Das Smart-East-Projekt, das unter der Schirmherrschaft von Oberbürgermeister Frank Mentrup steht, soll die Energiewende in die Stadt bringen. Er lobte, dass „Smart East“ den Fokus auf eine möglichst nachhaltige Energieversorgung in Bestandsquartieren mit sowohl Gewerbe- als auch Wohnflächen lege, im Gegensatz zu vielen anderen Projekten, die auf Neubauquartiere zielten. „Smart East“ wird vom Ministerium für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft mit knapp einer Million Euro gefördert. Initiator von Smart East ist das FZI Forschungszentrum Informatik. Weitere Projektpartner sind unter anderem das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und Seven2one.

Die Stadtwerke Karlsruhe begleiten das Projekt Smart East als Praxispartner. Wir wollen wissen, welche Vorteile energieoptimierte Quartiere für Energieversorger und Kunden haben, und welche Hürden es bei der Umsetzung zu überwinden gilt. Unser Ziel ist eine praxistauglich Lösung, die auch für andere Quartiere funktionieren kann. Ziel ist zu zeigen, dass eine effiziente und klimafreundliche Energieversorgung nicht nur in Neubaugebieten möglich ist. Auch bestehende Quartiere können technisch so umgerüstet werden, dass sie ihre Energie zum Teil selbst produzieren und verbrauchen. Dazu ist ein intelligentes Energiemanagementsystem nötig, das die Akteure des Quartiers vernetzt und den Energieaustausch ermöglicht.

Ansprechpartner für digitale Lösungen

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