Smart City: Die intelligente Metropole

Die Urbanisierung führt dazu, dass immer mehr Menschen ein besseres Leben in der Großstadt suchen. Sie verlassen Dörfer und Kleinstädte, um in den modernen Metropolen von der guten Infrastruktur, einem vielfältigen kulturellen Angebot und den vorhandenen Jobs zu profitieren. Doch wie können immer mehr Menschen auf engem Raum ein lebenswertes Leben führen?

Eine Antwort darauf können Smart Cities sein. Das Ziel: Großstädte effizienter, technologisch fortschrittlicher und umweltfreundlicher zu gestalten – und dabei niemanden sozial auszuschließen. Wie muss sie also aussehen, die Stadt von morgen?

Mobilität in der smarten Stadt

Menschen müssen in die Arbeit, in die Schule, zum Arzt oder möchten ins Grüne. Somit ist das Thema Mobilität auch in der Stadt von morgen eine der wichtigsten Komponenten. In der idealen Smart City ist Mobilität energiesparend, schnell, effizient, emissionsarm und günstig. Zukunftsgewandte Städte setzen daher auf Elektromobilität. Elektroautos sind heute aber noch teuer und nicht für jeden erschwinglich. Herbert Diess, Vorstandsvorsitzender der Volkswagen AG, schlägt aktuell eine staatliche Subvention kleinster Elektrofahrzeuge vor, um auch Menschen mit niedrigem verfügbarem Einkommen nicht von moderner Mobilität auszuschließen. Doch nicht nur an das Fahrzeug als solches muss modernen Anforderungen genügen. In einer Smart City ist auch die Infrastruktur intelligent und informiert Pendler über ausgelastete Straßen, Unfälle, Störungen und Zug-Verspätungen. So können diese rechtzeitig alternative Transportmittel wählen.

Smartphone und Smart Card ersetzen das Ticket aus Papier

Statt an überfüllten Automaten beziehen Bewohner ihre Fahrkarten für Bus und Bahn über eine App auf dem Smartphone oder nutzen aufladbare Smart Cards. Das spart Papier und Verwaltungsaufwand – muss aber zuverlässig und unkompliziert funktionieren, um die großen Menschenmassen an Drehkreuzen oder Bushaltestellen schnell durchschleusen zu können. Damit kommen besondere Herausforderungen: Elektronische Ticketing-Systeme müssen kontaktlos, schnell und zuverlässig Daten der Passagiere verarbeiten können. Sicherheitschips und Technologien bringen den virtuellen Fahrschein in Karte und Smartphone und übertragen die Daten binnen weniger Millisekunden.

Um den Kundennutzen zu erhöhen, kombinieren manche Städte oder Banken gleich mehrere Anwendungen in einer Lösung – dann kann man mit ein und derselben Karte den Kaffee bezahlen, einen Fahrschein lösen, Fahrräder leihen oder Sozialleistungen in Anspruch nehmen. Das spart Platz im Geldbeutel und Zeit an der Kasse.

Fahrräder, Autos und Nutzfahrzeuge fahren elektrisch

Schon heute ist Oslo in Europa Musterstadt und Vorreiter in Sachen Elektromobilität. 40 Prozent der registrierten Neufahrzeuge sind bereits Elektro-Autos. Kein Wunder, sind mit dem Erwerb eines solchen Fahrzeugs doch erhebliche steuerliche Vorteile verbunden: So entfällt etwa die Kfz- und Mehrwertsteuer. Darüber hinaus sparen sich Käufer zusätzlich eine Steuer, die in Norwegen auf Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren erhoben wird. Die steigende Zahl an Elektrofahrzeugen erfordert mehr Lademöglichkeiten. Die Anzahl an Ladesäulen wächst in Oslo daher um 25 Prozent pro Jahr. Die Ausrichtung bei der Elektromobilität ist klar definiert: Bis zum Jahr 2025 will Norwegen nur noch emissionsfreie Fahrzeuge zulassen.

Elektromobilität hört aber nicht bei den elektrisch angetriebenen PKWs dieser Welt auf. Nutzfahrzeuge wie Busse, LKW, Bagger oder Schwertransporter sind in der EU für ein Viertel der im Verkehr entstehenden CO2-Emissionen verantwortlich - und damit für fünf Prozent der gesamten Emissionen von Treibhausgasen. Diese Nutzfahrzeuge auf E-Motoren umzurüsten, würde maßgeblich zum Schutz von Mensch und Umwelt beitragen. Besondere Herausforderungen liegen dabei in der Batterietechnik. Batterien für Nutzfahrzeuge müssen oft größer und leistungsfähiger sein als bei PKWs. Zudem müssen Batterien und Bauelemente des gesamten Antriebsstrangs robuster sein, um für Baustellen und die Landwirtschaft geeignet zu sein. Infineon entwickelt robuste Leistungshalbleiter für den elektrischen Antriebsstrang, die Erschütterungen und mechanische Belastungen aushalten und für den Einsatz in Nutzfahrzeugen zugeschnitten sind. Darüber hinaus entwickelt Infineon Bauelemente, die auf neuen Halbleitermaterialien basieren und die Energieeffizienz erhöhen.

Batterien von Nutzfahrzeugen werden im Idealfall über die Nachtstunden vollständig geladen und halten einen gesamten Arbeitstag durch. Ist ein zusätzlicher Ladevorgang tagsüber notwendig, muss der umso schneller erfolgen, damit Busse oder Transporter nicht zu lange ausfallen. Fahrzeug und Ladeinfrastruktur müssen entsprechendes leisten. Auch für die Ladeinfrastruktur entwickelt Infineon passende Halbleiterlösungen.

Selbstfahrende Autos sparen Zeit und Energie

Ist es wirklich effizient, nach dem Arbeitstag im Büro Energie und Zeit zu verbrauchen, um mit dem Auto zum Einkaufen zu fahren? Nein. In der Zukunft verbinden wir das Nützliche mit dem Angenehmen. Es wird völlig üblich sein, Lebensmittel auf dem Weg zur Arbeit online zu bestellen und am Abend liefern zu lassen. Lieferdienste planen die Routen ihrer Fahrzeuge dabei möglichst effizient. Einzelne Fahrzeuge versorgen ganze Stadtviertel und ersetzen so viele Individualfahrten zum Supermarkt – das spart Energie und reduziert das Verkehrsaufkommen.

Möglich wird das Bestellen auf dem Weg zur Arbeit auch durch autonomes Fahren. Nicht nur Pendler in Bus und Bahn können ihre Aufmerksamkeit Online-Diensten widmen, sondern auch Autofahrer – zunächst vor allem in Form sogenannter Robotaxis. Ähnlich den heutigen Carsharing-Angeboten wird ein autonomes Fahrzeug gebucht, betreten und am Ziel verlassen. Selbstfahrende Fahrzeuge bringen dabei nicht nur höheren Komfort und Zeitersparnis, sie sorgen auch für einen geringeren Treibstoffverbrauch und eine geringere Verkehrsbelastung. Der Grund: Die Fahrzeuge sind untereinander sowie mit der Infrastruktur vernetzt und wissen dadurch effizient und zielführend zu reagieren. Ausgelastete Straßen werden effizient umfahren, der nächste Passagier oder – im Falle eines eigenen Fahrzeugs – der nächste freie Parkplatz ohne Umwege angesteuert.

Ein weiterer wichtiger Faktor ist die Sicherheit: Das selbstfahrende Auto reagiert in Gefahrensituationen schneller als der Mensch. Ermöglicht wird autonomes Fahren durch das Zusammenspiel verschiedenster Sensoren. Ultraschallsensoren erkennen Hindernisse beim automatischen Einparken, Radarsensoren erfassen Objekte und deren Geschwindigkeit im Vergleich zum eigenen Fahrzeug. Bildsensoren in Kameras liefern weitere optische Daten. Die Informationen aller Sensoren ergeben in Kombination ein vollständiges Umgebungsbild, die Grundlage des autonomen Fahrens.

Die IoT-Metropole

Eine Schlüsselrolle beim Zusammenleben in der Stadt der Zukunft spielt genau wie beim kleinen Bruder Smart Home das Internet der Dinge (Internet of Things, IoT). Verschiedenste Geräte, Fahrzeuge und Infrastruktur werden mit Sensoren ausgestattet und miteinander vernetzt. Daten werden generiert, erfasst und gesichert über die Cloud berechtigten Personen und Systemen zur Verfügung gestellt. Diese Vernetzung und Verfügbarkeit von Daten bildet das Rückgrat einer smarten Stadt. Einwohner können mit technischen Geräten wie Smartphones oder Touch-Infoscreens öffentlich verfügbare Daten abrufen und mit der Technologie interagieren.

Smarte Straßenlaternen unterstützen im Alltag und in Notfällen

Ein Paradebeispiel für Dinge, die in einer Smart City effizienter und vielseitiger einsetzbar sind, ist die Straßenlaterne. Die Beleuchtung von Gehweg, Radweg und Straße erfolgt viel effizienter und energiesparender, weil die Lampe die Wetterbedingungen per Sensor erfasst und ihre Lichtleistung anpasst. Bei Nebel oder Starkregen wird mehr Licht gespendet. Sobald keine Autos, Zweiräder oder Personen in der Nähe sind, wird die Leistung reduziert. Außerdem kann eine smarte Straßenlaterne die Einwohner mit WLAN versorgen und die Luftqualität messen. Messwerte bzw. Umweltdaten werden der Cloud gemeldet, um ein detailliertes Bild der Luftqualität der gesamten Smart City zu erhalten. Bei Überschreitungen von Grenzwerten erhält die zuständige Stelle ein Signal, um etwa mit lokalen Geschwindigkeitsbegrenzungen, Sperrungen einzelner Straßen oder ähnlichen Maßnahmen zu reagieren. An wichtigen Punkten kann außerdem das Verkehrsaufkommen gemessen und an die Verkehrsleitzentrale übermittelt werden. So können u.a. Maßnahmen gegen die Entwicklung von Staus getroffen werden. Auch sind Alarmknöpfe denkbar, mit deren Hilfe Passanten bei Unfällen oder anderen Notsituationen Hilfe anfordern können. Die Laterne kann Autofahrern, die nicht vollständig automatisiert unterwegs sind, Tipps bei der Parkplatzsuche geben und freie Parkplätze oder Ladestationen auf dem Smartphone anzeigen. Auch die Laterne selbst dient als Ladestation.

IoT-Metropolen vor Manipulation schützen

Sicherheit ist einer der wichtigsten Faktoren für Digitalisierung und Vernetzung über das Internet. Angreifer könnten z.B. einen Zusammenbruch der Stromversorgung herbeiführen. Potenzielle Gefahr geht auch von sogenannten „Denial of Service“-Angriffen aus. Dabei wird eine Unmenge gezielter Anfragen gestellt, was zu einer Überlastung des Datennetzes führt. Das wiederum kann zur Folge haben, dass notwendige Internetdienste nicht mehr verfügbar sind. Um über das Internet der Dinge vernetzte Geräte, Fahrzeuge oder Fabriken vor Datendiebstahl, unbefugtem Zugriff oder andersartigen illegalen Manipulationen zu schützen, müssen entsprechende Sicherheitslösungen integriert werden.

Software allein reicht nicht, denn Software könnte umgeschrieben oder manipuliert werden. In einer zunehmend virtuellen Welt sind Sicherheitschips, also ein Stück Hardware, vergleichbar mit einem Tresor für digitale Daten. Hier können Geräte-ID oder Kryptographieschlüssel geschützt abgelegt werden. Zugriffe aus dem Netz werden erschwert – und Angriffe auf den Chip selbst sind in der Regel mit sehr viel technischem Aufwand  verbunden und kaum von Erfolg gekrönt. Das Prinzip ist bekannt von der Bankkarte mit Chip oder dem elektronischen Reisepass und findet nun Eingang in neue vernetzte Geräte - vom Auto über die vernetzte Produktionsmaschine bis zum digitalen Türschloss.

Sicherheit in der Smart City

Ein Aspekt steht bei jedem Smart-City-Konzept ganz oben auf der Liste: Sicherheit. Das gilt auch für eines der wichtigsten Dokumente eines jeden Bürgers: den Ausweis.

Elektronische Ausweisdokumente

An die moderne ID sind hohe Anforderungen geknüpft. Das Dokument muss maschinenlesbar sein, um Grenzkontrollen und Abfertigungen zu beschleunigen. Gleichzeitig müssen – zum Beispiel für den elektronischen Reisepass - Standards von Organisationen wie der ICAO (International Civil Aviation Organization) erfüllt werden, um den Schutz personenbezogener, biometrischer Daten oder erteilter Visa zu ermöglichen. So lässt sich die nötige Sicherheit und der Komfort bei der Nutzung erreichen.

Bei einem Personalausweis hingegen gibt es die Herausforderung, dass diese Dokumente sich regional zum Teil stark voneinander unterscheiden. Bei einigen dieser Dokumente werden je nach Land zusätzlich Krankenversicherungsdaten oder Wahlberechtigungen integriert. Der biometrische Ausweis der Zukunft muss somit nicht nur erhöhte Sicherheitsanforderungen erfüllen, sondern auch so konzipiert sein, dass er mit digitalen Dienstleistungen verknüpft werden kann. Infineon begegnet diesen Herausforderungen mit Sicherheitslösungen bestehend aus Chip und Software. Diese bieten den gewünschten Umfang an Sicherheit, Funktionalität und eine lange Nutzungsdauer der Dokumente.

In der Smart City bezahlen Bürger kontaktlos

Egal ob im Café, beim Wochenendeinkauf oder beim Bezahlen der Fahrt mit Bus und Bahn: Der Trend zum kontaktlosen Bezahlen zeigt steil nach oben. Unterwegs schnell und einfach via NFC zu bezahlen, ist vor allem bei der jüngeren Generation beliebt. So finden es 77 Prozent der 16- bis 29-Jährigen in Deutschland praktisch im Vorbeigehen zu bezahlen. Zwar sinkt das Interesse mit zunehmendem Alter, doch auch bei den über 60-Jährigen zeigt sich mit 45 Prozent Interesse an modernen Bezahlmöglichkeiten. Dies ergab eine Umfrage des Instituts für Demoskopie Allensbach (IfD) unter Inhabern einer Girocard in Deutschland 2018.

Doch nicht nur einfach und schnell, sondern auch gut gesichert soll die Transaktion sein. Deshalb bietet Infineon Lösungen an, die mehrere Aspekte verknüpfen: Noch ist die Infrastruktur in kaum einem Land flächendeckend kontaktlos – Karten müssen auch in das Lesegerät eingesteckt werden können. Chips, die sowohl kontaktlos als auch kontaktbasiert funktionieren (Dual Interface), schaffen den Spagat von der alten hin zur neueren Technologie. Doch nicht nur in Bezug auf die Datenübertragung bietet Infineon Flexibilität, auch bei Standards setzt Infineon auf international anerkannte und herstellerunabhängige Lösungen – schließlich soll die Kreditkarte, der Bezahldienst auf dem Handy oder ein Ring mit Bezahlfunktion nicht nur in Europa, sondern auch in Asien oder Afrika funktionieren.

Um sich zu identifizieren, braucht der Verbraucher heute in der Regel noch eine PIN – das wird mit biometrischen Verfahren einfacher. Neuste Smart Cards erlauben die Identifikation per Fingerabdruck. Beim mobilen Bezahlen mit dem Smartphone erlaubt die Time-of-Flight-Lösung von Infineon die Benutzerauthentifizierung mittels Gesichtserkennung.

Smart City: Grün und energieeffizient

In der Metropole der Zukunft gibt es einen hohen Energiebedarf. Für mehr als zehn Millionen Bürger in einer einzigen Stadt muss eine entsprechende Stromversorgung gesichert sein – möglichst aus regenerativen Energien. Autos, öffentlicher Nahverkehr und Straßenbeleuchtungen, Gebäudetechnik, IT-Infrastruktur, 5G-Mobilfunk und große Industriebetriebe: Zeitgemäße Infrastrukturen sollten nicht nur intelligente Energieverteilung und smarten Energieverbrauch in den Mittelpunkt stellen. Auch die Energiegewinnung sollte möglichst intelligent und erneuerbar erfolgen.

Effizient und nah am Verbraucher – Solarthermen und vertikale Farmen

Angesichts des Klimawandels und endlicher Ressourcen ist Nachhaltigkeit ein Muss. Die jetzige Generation sollte ihre Bedarfe decken können, ohne die Bedarfe späterer Generationen zu gefährden. Güter sollten zudem möglichst nah am Verbraucher produziert werden. Stadtnahe Open-Air-Supermärkte direkt am Gemüsefeld etwa können die Versorgung der Einwohner mit frischen Lebensmitteln ergänzen – je nach Region beispielsweise mit Kartoffeln oder Reis. Vertikale Farmen in zentralen Gebäuden eignen sich hingegen für schnellwachsende hochwertige Kulturen wie z.B. Sprossen. Urbane Dachgärten können in unmittelbarer Nähe zum Verbraucher den individuellen Lebensmittelbedarf – wenn auch in kleinerem Umfang – ergänzen. Moderne LED-Technologie unterstützt das Wachstum von Gemüse. Tomaten und Salat entwickeln sich schneller, da LED-Licht auch bei regnerischem Wetter oder in der Nacht scheint. Solarthermen, Photovoltaik oder Erdwärme sind Ansätze, um Energie lokal und ressourcenschonend zu gewinnen.

Toronto, Santander, Singapur: Vorreiter in Sachen Smart City?

Alphabet, die Dachgesellschaft von Google, hat schon erste Schritte in Richtung Zukunft getan. So hat Sidewalk Lab, eine Alphabet-Tochtergesellschaft für Stadtentwicklung, ein zwölf Hektar großes Areal an der Uferpromenade von Toronto erworben. Dort will das Unternehmen seine Version einer Smart City realisieren. Geplant sind innovative Bautechnologien, neuartige Energiesysteme sowie selbstfahrende Fahrzeuge, die für die Bewohner eine Alternative zum privaten Auto darstellen.

Schon seit 2010 bedient die spanische Küstenstadt Santander zahlreiche Konzepte einer Smart City. So sind etwa Müllcontainer mit Sensoren ausgestattet und werden erst dann geleert, wenn sie voll sind. Das reduziert die städtischen Betriebskosten signifikant. In Parks werden die Rasensprenger nur während trockener Wetterperioden aktiv. Auch Taxen sind mit Sensoren ausgestattet. Potenzielle Fahrgäste können sich so vorab über Standort und Anzahl freier Taxen informieren.

Moskau will den Wandel zur smarten Stadt bis zum Jahr 2030 vollziehen, als Vorbild dient Singapur. Mit Hilfe aktueller Technologien wie 5G und Blockchain will die russische Metropole für seine Bürger attraktiver werden. Den Grundstein haben die Verantwortlichen bereits vor mehreren Jahren gelegt. So sind kostenfreies WLAN in der Metro und Ladestationen für Smartphones in Bus und Bahn sowie an den Haltestellen inzwischen Standard.

Der „kleine Bruder“ Smart Home

Integraler Bestandteil der Smart Cities sind die Smart Homes. Hier beginnt der intelligente Stromverbrauch auf kleinerer Skala bei den Haushaltsgeräten. Durch eine Kombination aus Sensoren, Mikrocontrollern und Leistungshalbleitern werden Geräte wie der Kühlschrank energieeffizient. So lässt sich der Energieverbrauch des Kühlschranks durch drehzahlgeregelte Kompressoren um bis zu 40 Prozent verringert. Was bei Haushaltsgeräten und Klimaanlagen beginnt, kann auf die Straßenbeleuchtung, die Mobilität und die gesamte Infrastruktur einer Stadt ausgedehnt werden. So wird aus einer Stadt eine energieeffiziente Smart City.

Weitere Themen

NFC

NFC (Near Field Communication) ist eine Funktechnologie mit kurzer Reichweite und damit die Antwort auf viele Anforderungen unseres digitalen und mobilen Lebensstils. Kontaktloses Bezahlen via Smartphone, Smart Card und Wearable wird maßgeblich von dieser Technologie ermöglicht. Integrierte kleine Chips sorgen für einen einfachen Austausch von Informationen sowie schnelle und sichere Transaktionen von Geldbeträgen. Infineon sieht NFC als Schlüsseltechnologie für die Anforderungen im Personenverkehr von morgen.