Städte sind komplexe Systeme, die sich über die Jahre hinweg entwickelt haben, weshalb die Verbesserung ihrer Nachhaltigkeit eine anspruchsvolle Aufgabe ist. Doch wie funktioniert nachhaltige Stadtentwicklung? In diesem Blog-Artikel zeigen wir, wie die Nutzung von digitalen Zwillingen im Kontext von Smart Cities die Lebensqualität in und die Nachhaltigkeit von Städten fördern kann.
Nachhaltigkeit als Herausforderung für die Städte
Städte sind das pulsierende Herz der Gesellschaft, wo sie lebt und gedeiht. Die Menschen zieht es aus vielen Gründen in die Städte, z.B. wegen der besseren Arbeitsplätze, der Lebensqualität und der leicht zugänglichen Annehmlichkeiten. Es wird erwartet, dass bis 2050 mehr als die Hälfte der europäischen Bevölkerung in Städten leben wird. Dies wird zu Herausforderungen auf verschiedenen Ebenen für eine nachhaltige Stadtentwicklung führen. In diesem Beitrag werden wir uns auf die Herausforderung der Nachhaltigkeit konzentrieren, da der nachhaltige Bau und die nachhaltige Planung der Städte von heute über das Wohlergehen künftiger Generationen entscheiden werden.
Im Bericht der Vereinten Nationen aus dem Jahr 1987 wird Nachhaltigkeit als die Fähigkeit der Menschheit definiert, die Entwicklung nachhaltig zu gestalten, um sicherzustellen, dass die Bedürfnisse der Gegenwart befriedigt werden, ohne die Fähigkeit künftiger Generationen zu gefährden, ihre eigenen Bedürfnisse zu befriedigen. Grundsätzlich ist es also wichtig, die vorhandenen Ressourcen nachhaltig zu planen. Die Anwendung dieser Definition in Städten ist jedoch schwierig, da die Städte über lange Zeiträume gewachsen sind. Dies hat zu versiegelten Flächen und begrenzt verfügbarem Land für Planungen oder Maßnahmen geführt.
Smart City als Lösung für eine nachhaltige Stadtentwicklung
Wir können diese und weitere Herausforderungen angehen, wenn wir Städte nicht nur als Ansammlung physischer Einheiten auf dem Boden betrachten, sondern als ein System lebensfähiger Einheiten, die auf die Bedürfnisse ihrer Bewohner und die Dynamik ihrer Umgebung reagieren und miteinander kommunizieren können. Mit den Fortschritten in der Informationstechnologie und der Digitalisierung wurde die Smart City als vielversprechende Lösung eingeführt.
Smart Cities nutzen digitale Technologien, Kommunikationstechnologien und Datenanalysen, um ein effizientes und effektives Dienstleistungsumfeld zu schaffen, das die städtische Lebensqualität verbessert und die Nachhaltigkeit fördert. Sie können in verschiedenen Bereichen wie Gesundheitsversorgung, Mobilität, Bildung und Verwaltung zum Einsatz kommen. Unabhängig von diesen Bereichen hat die Smart City eine allgemeine Grundstruktur, die aus drei Schichten besteht:
- Physikalische Infrastrukturebene: liefert Informationen über die Stadt durch drahtlose Sensor- und Aktor Netzwerke
- Datenplattform: bietet einen homogenen Zugang zu den Infrastrukturressourcen
- Anwendungs- und Dienste Ebene: bietet Zugang zu verschiedenen Diensten und Fähigkeiten
Verschiedene Anwendungen profitieren von dieser Struktur und sind so aufgebaut, dass sie die vorherigen Schichten vollständig nutzen.
Digitaler Zwilling und Smart Cities
Ein urbaner digitaler Zwilling ist ein digitales Modell eines geplanten oder tatsächlichen physischen Produkts, Systems oder Prozesses, das Live-Daten von in der Stadt verteilten Sensoren nutzt, um das Verhalten einiger Teile der Stadt zu visualisieren und zu simulieren. Es könnte auch Vorhersagen und zukünftige Erkenntnisse liefern und partizipative Planungsaktivitäten ermöglichen.
Urbane digitale Zwillinge haben einen bemerkenswerten Einfluss auf die Verbesserung der Nachhaltigkeit von Städten, abhängig vom Kontext und der Art und Weise, wie sie eingesetzt werden. Mit Hilfe der von ihnen gesammelten Daten und der von ihnen durchgeführten Analysen können wir ein gutes Verständnis der Gegebenheiten vor Ort erlangen. Wir können sogar Modelle mit noch nie dagewesener Präzision erstellen, die zeigen, wie die verschiedenen Einheiten miteinander und mit der Umwelt interagieren. All dies hilft uns, die drei Säulen der Nachhaltigkeit zu erhalten und eine nachhaltige Stadtentwicklung zu fördern [1]:
Soziale Nachhaltigkeit
Dreht sich um die Erhaltung und Entwicklung des sozialen Kapitals. Dazu gibt es viele Möglichkeiten, und die Förderung der sozialen Teilhabe ist eine davon, weil sie dazu beiträgt, Kreativität freizusetzen und Wissen zu schaffen.
Sie hilft auch, ökologische und soziale Anliegen und Konflikte zum Ausdruck zu bringen. Soziale Nachhaltigkeit könnte als schwierig angesehen werden, wenn sie mit Hilfe von Technologie erhalten werden soll, aber die Implementierung digitaler Zwillinge in Anwendungen der Stadtverwaltung kann die Bürgerbeteiligung erleichtern und einen gemeinschaftlichen Entscheidungsprozess ermöglichen.
Ein Beispiel hierfür ist ein digitaler Zwilling für die Stadtplanung, mit dem die Zuweisung von Einrichtungen wie Kliniken, Märkten und Cafés geplant werden soll. Wenn der Stadtplaner die Anfragen und Wünsche der Bürgerinnen und Bürger zusammen mit dem Wissen über den Zustand und die Anforderungen der Einrichtungen vor Ort erhält, kann er den besten Standort finden, der den Bedürfnissen der Menschen entspricht.
Ökologische Nachhaltigkeit
Der Schutz der Umwelt und die Erhaltung des Ökosystems der Erde sind die Hauptziele der ökologischen Nachhaltigkeit. Digitale Zwillinge können dazu beitragen, die Umwelt zu schützen und die Auswirkungen einiger durch den Klimawandel bedingter Katastrophen wie Überschwemmungen oder Hitzewellen zu mindern.
Die Fähigkeit, einige der damit verbundenen Umweltindikatoren kontinuierlich zu überwachen und zu kontrollieren, hilft dabei, die Phänomene zu verstehen und Anomalien in den Daten zu erkennen, was die Vorhersage und die schnelle Reaktion auf Naturkatastrophen erleichtert.
Digitale Zwillinge der Vegetation sind in diesem Zusammenhang ein gutes Beispiel, da sie zur Erhaltung der ökologischen Umwelt in der Stadt eingesetzt werden können. Durch die Anbringung von Sensoren im Boden von Grünflächen können wir eine ständige Messung von lebensfähigen Indikatoren wie Bodenfeuchtigkeit, Luftqualität und Feuchtigkeit vornehmen. Alle diese Indikatoren spielen eine wichtige Rolle bei der Erhaltung des Ökosystems der Vegetation.
Wirtschaftliche Nachhaltigkeit
Die wirtschaftlichen Vorteile eines digitalen Zwillings liegen auf der Hand. Indem wir über kontinuierliche Daten über den Energieverbrauch und Informationen über die Bedürfnisse der Menschen und den Zustand der Umwelt verfügen, können wir unsere Ressourcen leicht nutzen, um einen minimalen Energieverbrauch zu erreichen und somit wirtschaftliche und kosteneffektive Einheiten in der Stadt zu schaffen.
Zwei vielversprechende Beispiele für solche Zwillinge sind:
Digitaler Zwilling für Parkplätze: Die Idee hinter diesem digitalen Zwilling ist es, den Menschen die Möglichkeit zu geben, den nächstgelegenen verfügbaren Parkplatz entsprechend ihrem Ziel zu finden. Dies wird durch die Installation von Sensoren auf bestimmten Parkplätzen in einer Stadt erreicht. Diese Sensoren übermitteln den aktuellen Status des Parkplatzes an ein zentrales Verwaltungssystem, um anzuzeigen, ob der Parkplatz frei ist oder nicht. Wenn ein Autofahrer dann einen Parkplatz benötigt, sucht er über eine App nach dem nächsten freien Parkplatz. Dadurch wird die Zeit, die für die Suche nach einem
- Parkplatz benötigt wird, ebenso verringert wie das Verkehrsaufkommen in der Stadt. Dies wird zu einer Verringerung der Emissionen und des Kraftstoffverbrauchs beitragen, da die Fahrzeit verkürzt wird.
- Digitale Zwillinge für die Straßenbeleuchtung: Das Beleuchtungsniveau der Straßenbeleuchtung wird je nach Bedarf und Sonneneinstrahlung erhöht oder gedimmt. Die Straßenbeleuchtung wird an sonnigen Tagen oder sogar in der Nacht, wenn die Straßen leer sind und kein Verkehr herrscht, gedimmt. Dies geschieht durch den Einbau von optischen Sensoren, die über ein zentrales Managementsystem den gewünschten Beleuchtungsgrad berechnen und die Straßenbeleuchtung dann entsprechend steuern. Die Installation der Straßenbeleuchtung in Urdorf im Kanton Zürich hat zu einer Reduzierung des Energieverbrauchs um 70 % im Vergleich zu herkömmlichen Straßenleuchten geführt.
Wir haben gesehen, dass die Implementierung von digitalen Zwillingen in Smart Cities zweifellos die Nachhaltigkeit von Städten in verschiedenen Formen erhöhen wird. Aber natürlich muss die korrekte Anpassung dieser Technologie von Experten durchgeführt werden, um die Probleme zu identifizieren und den richtigen digitalen Zwilling zu erstellen und zu entwerfen, um den nahtlosen Übergang in die digitale, intelligente Welt zu erreichen und eine nachhaltige Stadtentwicklung zu ermöglichen.
[1] Purvis, B., Mao, Y. & Robinson, D. Three pillars of sustainability: in search of conceptual origins. Sustain Sci 14, 681–695 (2019).