Smart City Mit Moos und Edge Computing für saubere Luft in der Stadt

Redakteur: Hendrik Härter

Moos sorgt für saubere Luft und mehr Sauerstoff in Innenstädten. Doch die lebenden Organismen wollen überwacht werden. Hier hilft ausgeklügelte Elektronik für einen europaweiten Erfolg.

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Gutes Klima in Downtown Berlin – dank IoT-Einbindung lebendiger Filterflächen aus Moos.
Gutes Klima in Downtown Berlin – dank IoT-Einbindung lebendiger Filterflächen aus Moos.
(Bild: Green City Solutions)

Moos besitzt die natürliche Fähigkeit, Schadstoffe zu binden und abzubauen sowie über seine Oberfläche große Mengen an Feuchtigkeit zu verdunsten. Das Unternehmen Green City Solutions nutzt diese Eigenschaft, um Feinstaub, CO2 und andere schädliche Substanzen lokal gezielt aus der Luft zu filtern. Nebeneffekt: der Sauerstoffgehalt erhöht sich und die sommerliche Hitze sinkt. Dazu bepflanzen Mitarbeiter des 2014 gegründeten Unternehmens vertikale Flächen seiner Stadtmöbel mit Moos.

Die ersten sogenannten City Trees gingen noch mit passiven Moos-Filtern an den Start. Die Praxis zeigte jedoch schnell die Schwächen dieses Ansatzes. Moos ist empfindlich und muss ständig überwacht werden. Denn nur mit einer ständigen präzisen Zustandserfassung und aktiver Einflussnahme auf die klima-aktive Biomasse lässt sich Moos optimal versorgen. Ansonsten kommt es zu Ausfällen und die Auswirkung auf die Umwelt lässt nach. Deshalb war die Skepsis bei kommunalen Anwendern groß. Zudem gab es Kritik am hohen Energieverbrauch der Systeme und dem beträchtlichen CO2-Äquivalent.

Gefragt war ein Elektronikexperte mit IoT-Kompetenz. Diesen fand GCS-Geschäftsführer Peter Sänger 2018 bei KD Elektroniksysteme. Ziel war es, eine kontinuierliche, dynamische und zugleich energieoptimierte Fernkontrolle sowie bedarfsabhängigen Versorgung der moosbesetzten Filterfelder jedes City Trees zu sichern.

Platine steuert die einzelnen Filter-Module

Der neue Partner entwickelte unter Adaption und Vernetzung verschiedener Systemkomponenten ein gänzlich neues System: Es besteht aus komplexer Schalt- und Steuereinrichtungen und funktionierte die vertikalen Gärten so von passiven in aktive Luftfilter um. Eine eigens entwickelte Platine im Schaltschrank jedes City Trees regelt als sogenannte Head Unit sämtliche Abläufe in den einzelnen Filter-Modulen. Sie überwacht und steuert den Füllstand des Wassertanks, prüft im Zusammenspiel mit einer in jedem Modul installierten elektronischen Controller Unit die Temperatur und die je nach Sonnenstand und Intensität der UV-Strahlung unterschiedliche Feuchte dort, steuert dann unter anderem bedarfsabhängig Bewässerungs-Ventile.

Ihre Sensorik misst zugleich die Feinstaubbelastung an den einzelnen Flächen, erfasst die aktuell zu filternde Partikelgröße und regelt die dafür optimale Luftführung über integrierte Lüfter jedes Moduls. Dank der ständig verfügbaren Datenfülle zum Zustand des Filtermaterials kann das vernetzte System sehr dynamisch auf Veränderungen der Umfeldbedingungen reagieren.

Gateway bidirektional mit zentralen Server verbunden

Elektronikfacharbeiterin Christine Schröter mit KD-Geschäftsführer Ralf Kleinodt bei der Endprüfung eines CityTree-Steuerschranks.
Elektronikfacharbeiterin Christine Schröter mit KD-Geschäftsführer Ralf Kleinodt bei der Endprüfung eines CityTree-Steuerschranks.
(Bild: KD Elektroniksysteme)

Die lokal von unterschiedlichen Sensoren erfassten Daten werden von den Controllern über ein Bussystem an die Head Unit übermittelt. Hier kommt das Gateway als weitere KD-Eigenentwicklung ins Spiel: Über die API-Schnittstelle des Gateways erfolgt die bidirektionale Kommunikation mit dem zentralen Server der Green City Solutions. Verlangt er nach Informationen zu einem beliebigen Klimabaum weltweit, liefert dessen Gateway sie via Cloud nahezu in Echtzeit zur Verarbeitung am GCS-Firmensitz in Bestensee, südlich von Berlin. Ebenso schnell gelangen die resultierenden Steuerbefehle zurück an die Aktoren des Bio-Filters.

„Klingt recht einfach, war für uns aber doch eine komplexe Herausforderung“, bilanziert KD-Geschäftsführer Ralf Kleinodt den Verlauf der Anfang 2019 gestarteten und mit Blick auf eine gerade entstehende neue Generation von City Trees bis heute andauernden Forschungs- und Entwicklungsarbeiten. Schließlich habe man das IoT in ein Internet of Living Things überführen müssen. Speziell die akkurate Erfassung der Eigenschaften des organischen Filtermediums und ihre datentechnische Zusammenführung mit modernster Sensorik sowie aktiver Bewässerungs- und Ventilationstechnik sei anspruchsvoll gewesen; Kleinodt spricht von einem „agilen Entwicklungsprozess mit stetigen Sprinteinlagen“.

Im Rahmen der „andauernde Abfolge konstruktiver Optimierung“ habe man auch die Energiebilanz des Gesamtsystems durch Weiterentwicklung der Lüfter deutlich verbessert: Ihr Strombedarf sank gegenüber der vorherigen Lösung um den Faktor fünf. Wissenschaftliche Unterstützung erhielt das Projekt vom Leibniz-Institut für Troposphärenforschung aus Leipzig und dem Dresdner Institut für Luft- und Kältetechnik.

Leiterplatten innerhalb kürzester Zeit liefern

Firmensitz von KD Elektroniksysteme in Zerbst, Sachsen-Anhalt.
Firmensitz von KD Elektroniksysteme in Zerbst, Sachsen-Anhalt.
(Bild: KD Elektroniksysteme)

Zum Erfolg des Vorhabens trug laut Kleinodt ebenfalls die enge Zusammenarbeit mit der HEB industrie-elektronik aus dem regionalen Umfeld bei. Der auf elektronische Baugruppen, Geräte und Systeme spezialisierte EMS-Dienstleister habe unter anderem die Bestückung der Controller Units geliefert. „Für die Konzipierung, Prüfung und Fertigung wiederholt neu ausgelegter Leiterplatten hatten wir mitunter tatsächlich kaum 10 Tage Zeit“, bestätigt HEB-Chef Robert Rathmann. Solche Herausforderungen hätten aber für sein Team besonderen Reiz.

Die KD Elektroniksysteme selbst nutzte bei dem interdisziplinären Vorhaben ihr über zwei Jahrzehnte gewachsenes Know-how bei der Entwicklung und Implementierung kompletter IoT-Systeme. Es floss in die Projektierung und Fertigung sämtlicher Schalt- und Steuereinrichtungen, in die Leiterplattenentwicklung und -programmierung wie auch in die Sensorik-Auslegung und deren Anbindung, sowie in die Schaltung und Installation verteilter Netze samt Anbindung an das Cloud-System des Auftraggebers ein.

Nur notwendige Daten fließen

Blick in das Innere einer CityTree-Steuereinheit.
Blick in das Innere einer CityTree-Steuereinheit.
(Bild: KD Elektroniksysteme)

Selbst Bau, Bestückung und Montage der Schaltschränke seien im eigenen Haus gesichert worden. Stolz ist man bei KD besonders auf die dezentrale Datenerfassung und –aufbereitung in den Controllern der einzelnen Moosfelder. Zwar hatte der Auftraggeber sich ursprünglich Standleitungen mit kontinuierlichem Datenfluss zum Server vorgestellt. Man entschied sich jedoch für einen anspruchsvolleren und effizienteren konzeptionellen Ansatz: Die enorme Informationsflut aus der Vielzahl der Daten-Messpunkte von der Head Unit soll bereits vor Ort analysiert, Werte gemittelt und eine momentane Bilanz gezogen werden. Lautet die beispielsweise „alles im grünen Bereich“, wird nur diese Information sekündlich erfasst, gesammelt und in Abständen von 20 oder 30 Sekunden gemeinsam mit anderen als Datenpaket in die Cloud geschoben.

Bei mangelnder Feuchtigkeit etwa, übermittelt das System dagegen detailliertere Angaben zu dem jeweils kritischen Wert und ermöglicht so eine gezielter sofortige Reaktion. Sämtliche Parameter dieser komplexen Abläufe sind dabei mittels einer Config-Datei über die Cloud jederzeit frei einstellbar.

Entscheidende Vorteile des Edge Computings von KD gegenüber einem stetigen Datenfluss ohne vorgeschaltete Analytik: Das Volumen des Datenverkehrs zwischen dem einzelnen City Tree und dem Zentralrechner des Betreibers schrumpft massiv, damit sinken auch die Traffic-Kosten und der Energieaufwand im Server. Zudem bricht das Versorgungssystem nicht zusammen, wenn die Datenverbindung zur Zentrale zeitweise gekappt ist: Der lokale Algorithmus regelt das Verhalten des lebendigen Systems dann in einem Notbetrieb.

Hintergrund: Smart Trees

Unsere Atemluft wird durch Feinstaub und Stickoxide verunreinigt. Vor allem in Ballungszentren und Metropolen mit viel Verkehr. Im Sommer heizen sich die Städte dabei sehr stark auf und kühlen nachts kaum noch ab.

In Deutschland und Großbritannien haben sich zwei Startups in dem Eurostars-Projekt „PEPOLL COUNT“ zusammengeschlossen, um den sogenannten City Tree weiterzuentwickeln. Möglich wird das auch durch die Förderung des BMBF-Programms Eurostars. Mit diesem Smart-City-Stadtmöbel wollen die Green City Solutions aus Bestensee bei Berlin und BlockDox aus London weltweit für eine schnelle, punktuelle Verbesserung der Luftqualität an Orten sorgen, an denen sich viele Menschen aufhalten.

Bei einem City Tree handelt es sich um einen drei Meter hohen Turm aus Holz, in den neben großen Moosflächen auch Bewässerungssysteme, Ventilatoren und Sensoren integriert sind. Die Moose filtern Feinstaub aus der Luft, indem sie ihn einfach aufessen. Nebenbei produzieren die flauschigen Pflanzen Sauerstoff und senken ihre Umgebungstemperatur herab, weil sie große Mengen an Feuchtigkeit speichern können und ihre Verdunstungsfläche verhältnismäßig groß ist.

Metropolen sind Hauptnutzer

Alle Ergebnisse überzeugten den Auftraggeber. Peter Sänger nennt KD als Entwicklungs-Dienstleister und inzwischen Lieferanten sämtlicher City Tree-Elektronik einen „starken und verlässlicher Partner“ mit umfassendem Know-how in Bezug auf Vernetzung, IoT und Smart City-Anwendungen. Er habe „ganz wesentlich“ zum Erfolg der City Trees beigetragen. Hauptnutzer des multifunktionalen Angebots sind bislang Kommunen, darunter Metropolen wie London, Paris, Brüssel oder Amsterdam, aber auch deutsche Großstädte wie beispielsweise Hamburg, Berlin, Bonn, Jena oder Stuttgart. Das System eignet sich jedoch ebenso für Eventlocations, Unternehmen, Schulen oder Behörden und jeden anderen Standort, an dem es auf die lokale Luftqualität besonders ankommt.

Zur Refinanzierung der City Trees mit Stückkosten um die 40.000 Euro ist deren aktuelle Generation 3 unter anderem mit einer digitalen Wall-Map ausgestattet. Sie lassen sich an Werbekunden vermieten oder können örtliche Informations- und Dialogsysteme ausstatten. Drittkunden können die in Echtzeit verfügbaren, präzisen Daten zur Intensität der lokalen UV-Strahlung, Lufttemperatur oder Feinstaubbelastung an jedem Standort nutzen und sparen Kosten für eigene Messpunkte. Außerdem eignen sich die Klimabäume, um technische Zusatzfunktionen zu übernehmen. Beispielsweise durch Bestückung mit Technik für den Ausbau des 5G-Netzes.

KD Elektroniksysteme (externer Link)

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