Virtuelle Abbilder komplexer Strukturen

Viele Städte arbeiten aktuell an integrierten Smart-City-Strategien und setzen sie um − so etwa auch in den vom Bundesministerium für Wohnen, Stadtentwicklung und Bauwesen (BMWSB) geförderten Modellprojekten „Smart Cities made in Germany“.
Einige der bereits umgesetzten Ansätze beziehen sich auf Themen wie Datenstrategien in Kommunen, auf urbane Datenplattformen, auf das Smart-City-Ökosystem oder die Potenziale digitaler Zwillinge in der Stadtentwicklung.

„Kommunen bauen digitale Zwillinge derzeit vor allem anwendungsfallbezogen auf“, weiß Sarah Brandt. Die wissenschaftliche Mitarbeiterin am Fraunhofer-Institut für Experimentelles Software Engineering IESE forscht zur Entwicklung von digitalen Zwillingen und steht dazu im engen Austausch mit den Städten. Weit verbreitet seien die virtuellen Abbilder noch nicht, sagt sie. Aber an einzelnen Beispielen könne man schon erkennen, welchen Nutzen die Modelle stiften − wie etwa das 3D-Modell der Stadt Mönchengladbach. „Durch die Visualisierung kann man gezielt mit den Bürgerinnen und Bürgern kommunizieren und die Stadtentwicklung transparent machen“, erklärt die Wissenschaftlerin. Die zunehmende Komplexität der Kommunen und die damit verbundenen Ängste und Sorgen der Bevölkerung könnten damit besser adressiert werden.
 
Projekte aus dem Bereich der Stadtplanung werden gefördert
 
Auch in Mannheim steht das Thema Visualisierung im Entwicklungsprozess zur Smart City weit oben. Die „interaktive Repräsentation räumlicher Daten“ ermögliche „die Erkundung und Vermittlung ausgewählter städtischer Phänomene“, heißt es in einer Terminankündigung auf der Internetseite der Stadt zu einem Vortrag an der Hochschule Mannheim im Februar. Dahinter steht der Gedanke, Bürger sollen das urbane Umfeld besser verstehen und mit Planern und Entscheidern sachlich qualifiziert diskutieren können.

Es sind vor allem Projekte aus dem Bereich der Stadtplanung, über die digitale Zwillinge in den Smart-City-Transformationsprozess derzeit Einzug halten. Nach Ansicht von Sarah Brandt liegt es auf der Hand, dass hier aktuell die Prioritäten der Kommunen liegen. Die Förderung durch das BMWSB mache eine solche Fokussierung attraktiv. Die Wissenschaftlerin unterstreicht die Annahme mit Recherchen, die im Sommer 2022 durchgeführt wurden. „Wir haben in Deutschland 66 Städte gefunden, die angeben, einen digitalen Zwilling entwickeln und aufbauen zu wollen“, berichtet Brandt. Fast die Hälfte der Anwendungsfälle, auf die sich die Entwicklung bezieht, gehören zum Bereich der Stadtentwicklung und -planung. Den städtischen Verkehrsfluss zu erfassen, zu optimieren und nachhaltig zu gestalten, ist für rund 25 Prozent der Kommunen die Hauptmotivation für einen digitalen Zwilling. Die Energieversorgung ist nur etwa bei jeder zehnten Kommune der entscheidende Treiber für den Aufbau eines digitalen Zwillings.
 
Datensilos werden zwangsläufig aufgebrochen
 
Dabei kann ein digitaler Zwilling wertvolle Dienste leisten, etwa bei der energetischen Optimierung von Quartieren. Wie sehen die Energieflüsse aus? Wie kann der Handel mit Energie innerhalb eines Quartiers zwischen den Verbrauchern beziehungsweise Prosumern organisiert werden? Wie funktioniert die Abrechnung komplexer Beziehungen im Quartier? Bei solchen Fragen kann ein digitaler Zwilling helfen, konkrete Antworten zu finden. „Natürlich konnten auch schon bislang die Akteure in einem Quartier intelligent vernetzt werden“, sagt Denis Uecker.

Aber mit einem digitalen Zwilling werden viele Zusammenhänge leichter darstellbar und analysierbar, so der Projektmanager vom Fraunhofer IESE. „Im Grunde kann man einen digitalen Zwilling als eigenes Organisationsmodell für Daten ansehen“, erklärt er. Daten, die vorher isoliert in irgendwelchen Datenbanken gelagert wurden, können zunächst virtuell und dann auch tatsächlich zusammengeführt werden. Das zwangsläufige Aufbrechen von Datensilos sei ein großer Vorteil des Konzepts. Schon die anwendungsfallbezogene Modellierung sei ein großer Fortschritt, aber das letztendliche Ziel sei die sektorübergreifende Vernetzung der für eine nachhaltige Stadtentwicklung relevanten Akteure.

„MobiGrid“ ist ein solches Projekt, bei dem ein digitaler Zwilling zum Einsatz kommt. Darin wird seit August 2021 noch bis August 2023 untersucht, wie Flexibilitäten genutzt werden können, um die Elektromobilität ins Stromnetz zu integrieren. Ein Quartier im hessischen Groß-Umstadt dient dabei als Netzlabor. Neben dem Fraunhofer IESE sind die Entega und ihre Tochtergesellschaft E-Netz Südhessen sowie die Hochschule für Wirtschaft und Technik des Saarlandes daran beteiligt. Der digitale Zwilling ermöglicht es, das Zusammenspiel von Photovoltaikanlagen, Elektrofahrzeugen, Ladeinfrastruktur und Quartierspeicher abzubilden.

Welche Lösungen sich letztlich anbieten, um eine Überlastung der Betriebsmittel zu verhindern, kritische Netzzustände zu vermeiden und den Netzausbaubedarf zu minimieren, hängt wesentlich von der Netztopologie und dem erwarteten Ladeverhalten ab. Auch diese Faktoren kann der digitale Zwilling berücksichtigen. „So können wir die Beanspruchung des Netzes simulieren und Rückschlüsse auf den Einsatz von Flexibilitäten ziehen“, sagt Denis Uecker. Aber schon ein Schritt davor kann der digitale Zwilling wertvolle Erkenntnisse liefern: Mit einer automatisierten Netzanschlussprüfung lässt sich zeigen, wie sich erst noch zu installierende Ladepunkte auf die Stabilität des Netzes auswirken.

Und auch im „ODH@Jülich“ − ODH steht für Open District Hub − entwickelt das Fraunhofer IESE mit weiteren Fraunhofer-Instituten verschiedene digitale Planungs- und Simulationswerkzeuge für eine sektorübergreifende Energieversorgung im Quartier. Hier steht die Kopplung des Strom- und des Wärmesektors im Mittelpunkt.
 
Besondere Herausforderung in der Schaffung von Standards
 
„Echtzeitverknüpfung“ ist eines der Schlüsselwörter, mit denen sich die Projekte zum digitalen Zwilling charakterisieren lassen. Allerdings soll nicht nur die Simulation in Echtzeit erfolgen, sondern auch die daraus abgeleitete Steuerung des realen Objekts. „Die IT-Lösungen dafür entwickeln wir inhouse“, betont Denis Uecker und verweist auf die Arbeit des Instituts und dessen Erfahrung bei der Entwicklung digitaler Ökosysteme und Plattformen.

Wenn Sektoren gekoppelt werden, wenn verschiedene Akteure und Anlagen auf einer Plattform zusammengeführt werden, liegt eine besondere Herausforderung in der Überbrückung von Schnittstellen und damit verbunden in der Schaffung von Standards. An deren Entwicklung wird sowohl auf nationaler als auch internationaler Ebene gearbeitet.

Vor diesem Hintergrund empfiehlt der „Leitfaden zur Konzeption und Umsetzung von IT-Entwicklungsvorhaben im Smart-City-Kontext“ des Bundesbauministeriums darauf zu achten, auf bestehende und aktiv genutzte Datenstandards aufzubauen. Darüber hinaus solle die eigene Software als Zahnrad inmitten eines großen Maschinenraums mit vielen ineinandergreifenden Teilen gesehen werden. Deshalb biete es sich an, externe Daten über dynamische Schnittstellen zu verknüpfen und − abhängig vom Entwicklungsvorhaben − auch selbst Schnittstellen für anknüpfende Applikationen anzubieten.

Das Deutsche Institut für Normung (DIN) hat zusammen mit der Deutschen Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik das Smart City Standards Forum ins Leben gerufen, das als Informations- und Vernetzungsplattform sowie als Multiplikator bei der digitalen Transformation der Kommunen fungiert. Das Forum, in dem rund 30 Expertinnen und Experten aus Politik, Wirtschaft und Wissenschaft versammelt sind, analysiert und koordiniert laufende Normungs- und Standardisierungsaktivitäten der relevanten Gremien im Themenfeld Smart Cities. Darüber hinaus identifiziert es Handlungsfelder und initiiert neue Standardisierungsprojekte.