Wirken smarte Städte tatsächlich?

Potenziale und Umwelteffekte von intelligenten urbanen Infrastrukturen

Mehr Effizienz beim Energie- und Ressourcenverbrauch, mehr nachhaltige Mobilität, mehr Resilienz gegen den Klimawandel: Smart Cities sollen all das durch den Einsatz von digitalen Informations- und Kommunikationstechnologien schaffen. Wie weit die positiven Effekte in Bezug auf den Umwelt- und Klimaschutz tatsächlich reichen, muss sich in den meisten Städten jedoch erst noch zeigen.

Smart Cities als Schlüssel zum urbanen Klimaschutz?

Smart & nachhaltig: Neue Konzepte für moderne Städte

Wie Städte ihren Anteil am Klimawandel reduzieren wollen

Städte bieten mehr als der Hälfte der Menschen weltweit ein Zuhause, bis zum Jahr 2050 kann der Anteil sogar auf mehr als zwei Drittel steigen. Das hat deutliche Folgen: Denn die Städte verbrauchen laut Weltklimarat etwa 80 Prozent der globalen Energie und Ressourcen, dazu sind sie für mehr als 70 Prozent der CO2-Emissionen verantwortlich.

Nachhaltige Konzepte sind deshalb nicht nur wichtig, weil die Städte erheblich zum Klimawandel beitragen – sondern auch, weil sie stark davon betroffen sind. Klimaschutzstrategien und Nachhaltigkeitsbemühungen werden immer häufiger mit dem Trend zur Digitalisierung verbunden. Smarte Technologien sollen in den Bereichen für Verbesserungen sorgen, die maßgeblich die größten Effekte auf Klima und Umwelt haben.

Klimaschutzziele mit smarten Technologien erreichen

Der stärkere Fokus auf innovative digitale Lösungen hängt nicht nur mit den spürbaren Veränderungen des urbanen Mikroklimas zusammen, sondern in erster Linie mit den Klimaschutzzielen. Die deutsche Klimaschutzgesetzgebung (zuletzt 2021 überarbeitet) geht sogar über die EU-Vorgaben hinaus und formuliert verbindliche Zielsetzungen. Die zentralen Vorsätze dabei sind:

die Reduzierung der Treibhausgasemissionen um 65 Prozent bis 2030 im Vergleich zu 1990,
das Erreichen der vollständigen Klimaneutralität Deutschlands bis 2045.

Diese Ambitionen spiegeln sich auch in der kommunalen Klimapolitik der deutschen Städte wider, die ebenfalls nach Möglichkeiten suchen, um klimaneutral zu werden. Smart City-Konzepte nehmen dabei eine wichtige Rolle ein, weil sich digitale Lösungen auf viele Handlungsfelder anwenden lassen. Die Frage nach der Wirksamkeit von Smart Cities im Hinblick auf den Klimaschutz ist allerdings mit weiteren verknüpft: Wie smart sind die Städte überhaupt – und was genau macht sie smart?

Was macht eine Stadt „smart“?

Definitionsversuche für die Smart City

Auch wenn es keine einheitliche, allgemein anerkannte Definition des Begriffs „Smart City“ gibt, so besteht in den Erklärungsversuchen dennoch in einem Punkt Einigkeit: Die Grundlage bilden immer Informations- und Kommunikationstechnologien (IKT) zusammen mit digitalen Lösungsansätzen. In dieser vergleichsweise knappen Form definiert beispielsweise der Verband der Elektrotechnik, Elektronik und Informationstechnik (VDE) die intelligente Stadt:

„Smart City bezeichnet einen Siedlungsraum, in dem systemisch (ökologisch, sozial und ökonomisch) nachhaltige Produkte, Dienstleistungen, Technologien, Prozesse und Infrastrukturen eingesetzt werden, in der Regel unterstützt durch hochintegrierte und vernetzte Informations- und Kommunikationstechnologien.“

Smart City

Definition des Bundesinstituts für Bau-, Stadt- und Raumforschung (BBSR)

Die Smart City ist eine Stadt, in der „neue Technologien in den Bereichen Infrastruktur, Gebäude, Mobilität etc. intelligent systemübergreifend vernetzt werden, um Ressourcen wie Energie, Wasser etc. hocheffizient zu nutzen und ihren Verbrauch zu reduzieren, neuartige Mobilitätsformen und deren infrastrukturelle Voraussetzungen vernetzter Services antizipiert, entwickelt und realisiert werden, Platz für Innovationen und Erprobung neuer Ideen, Verhaltensweisen und Lösungswege geschaffen wird, integrierte (Stadt-)Planungsprozesse wie z. B. integrierte Energie- oder Mobilitätskonzepte mit den Möglichkeiten und Anforderungen neuer Technologien verzahnt werden und im Sinne von Good Governance interaktive Kommunikations- und Management-Systeme eingesetzt werden, um die Dynamik der Stadt effektiv und auf Beteiligung setzend steuern zu können.“

Mehr als nur smart

Was in der VDE-Definition aber schon anklingt: Die Smart City wirkt sehr weitreichend in nahezu alle wichtigen Lebensbereiche ein. Das Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI) verweist in diesem Zusammenhang darauf, dass der digitale Wandel auf kommunaler Ebene mehr und mehr die Infrastrukturen zur Daseinsfürsorge einschließen.

Entsprechend vielfältig sind die Sektoren, in denen der Smart City-Ansatz positive Impulse und langfristige Effekte bringen soll: Stadtplanung, Transport und Mobilität, Wasserversorgung und Abwasserbeseitigung, technische Infrastruktur, Energieversorgung, Gesundheitsvorsorge, Bildung, Gebäude, Verwaltung sowie Sicherheit zählt das BSI auf.

Dieses umfassende Verständnis hängt auch mit der Zielsetzung einer ökonomisch, ökologisch und sozial nachhaltigen Stadt zusammen. In dieser sind höhere Effizienz beim Energie- und Ressourcenverbrauch oder ein effektiverer Klimaschutz ebenfalls nur Etappenziele, um insgesamt die Lebensqualität für die Menschen in den Städten zu verbessern. In der Definition der Wiener Stadtwerke heißt es zu den Zielen noch allgemeiner, dass die Smart City die Zukunftsfähigkeit der Stadt verbessern soll.

Smart City

Definition des Deutschen Instituts für Urbanistik (difu)

„Die Smart City ist eine Stadt, in der durch den Einsatz innovativer (vor allem IuK)-Technologien intelligente Lösungen für ganz unterschiedliche Bereiche der Stadtentwicklung (Infrastruktur, Gebäude, Mobilität, Dienstleistungen oder Sicherheit erzielt werden […]). In infrastruktureller Hinsicht geht es dabei um die intelligente Vernetzung innerhalb eines Sektors (zum Beispiel die Kombination verschiedener Anlagen zur Nutzung erneuerbarer Energien) oder auch zwischen Sektoren (zum Beispiel Fahrzeugbatterien als Energiespeicher). Die Lösungen zielen ganz allgemein auf die Steigerung der Energie- und Ressourceneffizienz, auf die Erhöhung der wirtschaftlichen Wettbewerbsfähigkeit sowie auf die Steigerung der Lebensqualität der Stadtbewohner ab. Insofern umfasst die Smart City nahezu alle städtischen Lebensbereiche.“

Klimaschutz & Nachhaltigkeit in der Smart City: Die Theorie

Wie können smarte urbane Umwelt- und Klimaschutzmaßnahmen aussehen?

Klimaschutzmaßnahmen nehmen innerhalb der Stadtentwicklung eine immer größere Rolle ein. Es gilt, typische, durch die urbanen Strukturen bedingte Probleme auszugleichen: Hitze-Insel-Effekt, schlechte Luftqualität oder Schäden durch extreme Wetterereignisse stellen große Herausforderungen dar. Denn die Ursachen sind vielfältig, von der dichten Bebauung über versiegelte Oberflächen bis hin zum hohen Verkehrsaufkommen.

Der Smart City-Ansatz ist für den urbanen Klimaschutz deshalb so vielsprechend, weil er ebenso vielfältig ist. Intelligente Lösungen lassen sich nicht nur für die jeweiligen relevanten Bereiche – wie zum Beispiel Mobilität, Gebäude oder Energieversorgung – finden. Mit der geeigneten technischen Infrastruktur ist es außerdem möglich, durch die Vernetzung dieser Sektoren Synergieeffekte zu schaffen.

Viele Aufgaben für den städtischen Umwelt- und Klimaschutz

Im kommunalen Rahmen zielen Maßnahmen für Klima- und Umweltschutz häufig auf das langfristige Ziel der Klimaneutralität hin. Das erfordert eine umfassende Strategie, die verschiedene Aspekte der Stadtplanung und -entwicklung einbezieht. Wie das aussehen kann, demonstriert die dänische Hauptstadt Kopenhagen, die schon 2025 die erste klimaneutrale Stadt der Welt sein will.

Im Fokus der Bemühungen stehen vor allen Dingen Maßnahmen im Bereich der Energieproduktion, des Energieverbrauchs, der Mobilität sowie der Stadtverwaltung. Bei letzterer geht es in erster Linie um eine effizientere Gestaltung der öffentlichen Gebäude sowie um den Aufbau einer klimaneutralen städtischen Fahrzeugflotte.

Im Kopenhagener Fall sind digitale Technologien für funktionierende intelligente und dezentrale Energieversorgungssysteme und für die Energieeffizienz von Gebäuden wichtig. Ganz allgemein betrachtet, können digitale Services aber in nahezu allen Bereichen wenigstens eine unterstützende Funktion einnehmen. Das gilt insbesondere für die Sektoren Mobilität, Energie sowie Gebäude und Wohnen.

Tatsächlich sind die Einsatzmöglichkeiten für smarte Technologien äußerst vielfältig, zumal sie auf verschiedenen Ebenen genutzt und verknüpft werden können. So ließe sich die Energieversorgung beispielsweise auf Gebäude-, Quartiers- oder auf der Stadtebene betrachten und die Verteilung der Energieflüsse optimieren.

Wie das aussehen könnte, zeigt beispielsweise das Klima-Bündnis modellhaft für das Handlungsfeld Energieverbrauch auf:

Die Ziele umfassen mehr Partizipation, Nachhaltigkeit und eine Verbesserung des Standorts.
Zu den genutzten Technologien zählen unter anderem Breitbandinternet, soziale Netzwerke, Cloud-Services und Big Data-Anwendungen, die mit Informationen aus mobilen Daten und Sensoren gespeist werden.
Durch das Zusammenspiel von smarten Technologien und anderen Maßnahmen sollen verschiedene Veränderungen erreicht werden – ein geringerer Energieverbrauch, die stärkere Nutzung alternativer Energiequellen, ein effizienteres Energiemanagement, mehr Teilhabe an den Planungsprozessen und Verhaltensänderungen.

Nachhaltigkeitseffekte richtig einschätzen

Um das gewünschte Ergebnis zu erreichen, nämlich mehr Nachhaltigkeit und damit einen Beitrag zu mehr Klimaschutz, müssen teils sehr unterschiedliche Auswirkungen von Smart City-Ansätzen berücksichtigt werden. Der Verband der Internetwirtschaft e. V. (eco) hat daher verschiedenen Effekte in seiner Studie „Der Smart-City-Markt in Deutschland 2021-2026“ aufgeschlüsselt. Für einen insgesamt positiven Nachhaltigkeitseffekt müssen die jeweiligen Folgen im Zusammenhang betrachtet werden.

Direkte Effekte

Indirekte Effekte

Rebound-Effekte

Induktionseffekte

Wenn Smart City-Elemente eingeführt werden (etwa die Umstellung des ÖPNV auf elektrisch betriebene Busse) und eine unmittelbare Wirkung haben, spricht man von direkten Umwelteffekten. Diese können sowohl positiv als auch negativ sein.

Verhaltensänderungen oder neue Produktionsmuster, die durch die Implementierung von Smart City-Komponenten entstehen, werden als indirekte Effekte bezeichnet.

Rebound-Effekte beschreiben das Phänomen, dass eine verbesserte Effizienz zu einem höheren Ressourcenbedarf führen kann.

Induktionseffekte können durch den Einsatz digitaler Services entstehen. Das bedeutet, dass diese Dienste einen zusätzlichen Konsum fördern und dadurch zu mehr Emissionen beitragen.

Beispiele aus der Praxis

Wie oben bereits angeführt, helfen elektrische Stadtbusse dabei, die CO2-Emissionen im Bereich Mobilität zu senken.
Es kann jedoch auch der umgekehrte Fall eintreten, etwa beim Einsatz von Sensoren zur Erhebung von Klimadaten. Denn bei der Produktion, beim Betrieb, bei der Instandhaltung oder der Entsorgung dieser Sensoren entstehen wiederum CO2-Emissionen.

Indirekte Umwelteffekte können beispielsweise dadurch erzielt werden, dass eine smarte Verkehrssteuerung das Stauaufkommen im Stadtverkehr verringert – und damit den CO2-Ausstoß. Ähnlich wirkt sich der Ausbau der Ladeinfrastruktur für E-Mobilität aus.

Um das Beispiel der Verkehrsführung noch einmal aufzugreifen: Ein Rebound-Effekt wäre in diesem Fall ein höheres Verkehrsaufkommen als Folge von smarten Ampelschaltungen und Parkleitsystemen.

Induktionseffekte können etwa im Bereich der intelligenten Gebäudesteuerung auftreten. Diese ist eigentlich dazu gedacht, die Energieeffizienz eines Bauwerks zu optimieren. Gleichzeitig eröffnen Smart Home- und Smart Building-Lösungen eine Reihe von Möglichkeiten, um weitere Geräte und Anwendungen zu kaufen.

Wie wirken Smart City-Ansätze tatsächlich?

Auswertung von positiven Umwelteffekten in Smart Cities

Eine zentrale Frage bezüglich des Einsatzes von smarten Technologien in der Stadtplanung und -entwicklung ist die nach den quantitativen Umwelteffekten: Wie viel CO2 lässt sich einsparen, wie weit können Temperaturen gesenkt werden, wie weit wird der Energieverbrauch reduziert? Die Einsparpotenziale sind in jedem Fall groß, wie die eco-Smart-City-Studie für einige Sektoren darlegt. Wie groß die Einsparungen tatsächlich sind, lässt sich in vielen Projekten bislang aber nur schwer ermitteln (siehe unten).

Städtischer Pkw-Verkehr

Für den Pkw-Verkehr in der Stadt gibt es unterschiedliche Möglichkeiten, um diesen umwelt- und klimaschonender zu gestalten. Die eco-Studie schlägt beispielsweise einen Ausbau der Car-Sharing-Angebote vor, die bis 2026 für 20 Prozent weniger Autos auf den Straßen sorgen könnten.

Smart-Parking (etwa mit App-Unterstützung) könnte den Parkplatzsuchverkehr bis zum Jahr 2030 um die Hälfte verringern.

Öffentliche Gebäude

Smart Buildings weisen bereits jetzt einen 20 Prozent niedrigeren Energieverbrauch im Vergleich zu konventionell betriebenen Gebäuden auf. Laut Studie ist es möglich, die Effizienz bis 2030 zu verdoppeln.

Öffentliche Beleuchtung

Intelligente Beleuchtungssysteme (mit Tageslichtsensoren, Dimmung etc.) und LED-Leuchtmittel tragen erheblich dazu bei, den Energieverbrauch für die öffentliche Beleuchtung zu senken.

Zusätzlich bieten sie die Möglichkeit, sie mit anderen smarten Elementen zu verbinden: Straßenlaternen könnten beispielsweise Verkehrs- oder Klimadaten aufzeichnen, in das Parkleitsystem integriert oder als Ladesäule für E-Autos und E-Bikes ausgestattet werden.

Telekommunikation

Die Smart City benötigt eine leistungsstarke Infrastruktur, um intelligente Dienste effizient nutzen zu können. Der Glasfaserausbau und die wachsende Abdeckung mit 5G hat den positiven Nebeneffekt, dass sie laut eco-Studie ebenfalls den Ausstoß von CO2-Emissionen reduziert.

Einsparpotenzial:
Bis zu 50 Prozent weniger CO2

Einsparpotenzial:
Bis zu 40 Prozent weniger Energie

Einsparpotenzial:
Bis zu 85 Prozent weniger Energie

Einsparpotenzial:
Bis zu 60 Prozent weniger CO2

Schwierige Bestandsaufnahme der Smart City-Effekte

Wie weit diese Potenziale in der Praxis tatsächlich ausgeschöpft werden, ist allgemein nur schwierig zu erfassen. Das liegt nicht zuletzt an dem weiten Begriff der Smart City, unter dem sich einfache Maßnahmen ebenso zusammenfassen lassen wie komplexe Vorhaben.

Wie das Umweltbundesamt erklärt, reicht die Bandbreite „von kleinen, städtischen Digitalisierungsprojekten bis hin zu umfangreichen Strategieprozessen oder Stadtentwicklungsvorhaben“. Hinzu kommt, dass die lokalen Voraussetzungen entgegen den allgemein gültigen Rechtsvorschriften und Fördervorgaben für eine smarte, nachhaltige Stadtentwicklung sehr unterschiedlich sein können. Entsprechend variieren daher auch die Maßnahmen und Bereiche, auf die die einzelnen Städte ihren Fokus legen.

Obwohl inzwischen zahlreiche Smart City-Modellprojekten in Deutschland angelaufen sind, zeigen sich nach wie vor noch Schwächen im Umgang mit den eingesetzten Mitteln und ihren Effekten. Der Modell-Charakter drückt sich häufig darin aus, dass Machbarkeit und Experimentieren mit smarten Lösungsansätzen im Vordergrund stehen.

Monitoring, Evaluation und langfristige Analyse notwendig

Eine Auswertung von Fallstudien durch das Umweltbundesamt zeigt außerdem, dass die Smart City-Strategien der Städte häufig keine quantifizierbaren Ziele formulieren. Das erschwert die Auswertung der tatsächlichen Umwelteffekte ebenfalls.

Um detaillierte Aussagen über die Wirkung der Maßnahmen im Hinblick auf CO2-Reduktion, geringeren Ressourcenverbrauch oder ähnlichen Zielsetzungen treffen zu können, brauchen die Projekte eine kontinuierliche Begleitung durch Monitoring und Evaluation.

Eine Untersuchung des Bundesinstituts für Bau-, Stadt- und Raumforschung (BBSR) hat allerdings erbracht, dass diese Aufgabe für die Städte sehr herausfordernd ist. Die EU bietet mit ihren Rahmenvorgaben für ihre Förderung zwar eine gute Orientierungshilfe für die Erfolgsmessung. Bei der Übertragung auf die Gegebenheiten vor Ort kommt es jedoch häufiger zu Schwierigkeiten. Das hat unter anderem zur Folge, dass sich die Messungen meist auf den Projektrahmen beschränken und eine weitergehende Einordnung – etwa in den gesamtstädtischen Kontext – nicht erfolgt.

Smart City und Umwelteffekte – ein Fall für die Forschung

Die Wirkung von Smart City-Ansätzen ist deshalb ein nach wie vor aktuelles Forschungsfeld. Das gilt für die allgemeine Abschätzung ihrer Umwelteffekte genauso wie für ihre Auswirkungen auf spezifische Bereiche.
Zwei aktuelle Projekte des Deutschen Instituts für Urbanistik (difu) befassen sich deshalb mit ganz unterschiedlichen Themen, obwohl es in beiden Fällen um die Möglichkeiten smarter Stadtentwicklung geht. Die Fragestellungen lauten:

Wie können Digitalisierungsmaßnahmen zu mehr Resilienz der Städte im Hinblick auf Krisen wie Extremwetterereignissen beitragen? Wie können sie beim Katastrophenschutz helfen und die Stadt als System stabiler machen?
Wie verändern smarte Technologien und Infrastrukturen städtische Räume – und wie lassen sich die räumlichen Wirkungen messen?

Allgemeine Aussagen zu den Umwelteffekten von Smart Cities bleiben daher schwierig. Es fehlen bislang noch geeignete Messkriterien für verschiedene Auswirkungen sowie quantitative Langzeitinformationen. Immerhin: Das Thema Smart City und die Potenziale für mehr urbane Nachhaltigkeit und besseren Umwelt- und Klimaschutz sind in den laufenden Modellprojekten durchaus präsent.

Quellen:
Umweltbundesamt: Smart Cities werden nachhaltig: Empfehlungen für den Bund
https://www.umweltbundesamt.de/sites/default/files/medien/479/publikationen/texte_16-2022_smart_cities_werden_nachhaltig_policy_brief.pdf

Umweltbundesamt: Direkte und indirekte Umwelteffekte von intelligenten, vernetzten urbanen Infrastrukturen
https://www.umweltbundesamt.de/sites/default/files/medien/479/publikationen/texte_16-2022_direkte_und_indirekte_umwelteffekte_von_intelligenten_vernetzten_urbanen_infrastrukturen.pdf

Klimabündnis Arbeitsgruppe Energieversorgung 2050: Der Smart City-Ansatz. Chance und Herausforderung für Städte und Gemeinden
https://www.klimabuendnis.org/fileadmin/Inhalte/7_Downloads/Informationspapier_Smart_Cities_201601.pdf

Ravin, Dimitri: Smart-City-Strategien und Nachhaltigkeit: Klimawandel kaum berücksichtigt
https://publicgovernance.de/media/Smart_City_Strategien.pdf

eco Verband der Internetwirtschaft e. V.: Der Smart-City-Markt in Deutschland 2021-2026 (Studie als Download verfügbar)
https://www.eco.de/themen/internet-of-things/studien/studie-der-smart-city-markt-in-deutschland-2021-2026/

Bundesinstitut für Bau-, Stadt- und Raumforschung (BBSR): Wirkungsanalysen von Smart-City-Projekten
https://www.bbsr.bund.de/BBSR/DE/veroeffentlichungen/bbsr-online/2022/bbsr-online-14-2022-dl.pdf?__blob=publicationFile&v=3

Bundesministerium des Innern, für Bau und Heimat: Modellprojekte Smart Cities 2021. Gemeinsam aus der Krise – Raum für Zukunft
https://www.smart-city-dialog.de/wp-content/uploads/2021/10/BMI-SmartCities_Modellprojekte2021.pdf

Bitkom: Smart City Index 2022
https://www.bitkom.org/sites/main/files/2022-09/Ausfuehrliche-Ergebnisse-SmartCityIndex-2022.pdf

Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI): Smart City
https://www.bsi.bund.de/DE/Themen/Unternehmen-und-Organisationen/Informationen-und-Empfehlungen/Smart-City/smart-city_node.html

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