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Ausgabe 48/2022
Das Wunder von Bad Hersfeld - Dynamische Steuerung der Straßenbeleuchtung spart viel Energie
29.11.2022
Im November/Dezember-Heft von stadt+werk ist ein Artikel von den Projektleitern Martin Bode und Mattias Weis (ui Lighting GmbH) zum Bad Hersfelder Straßenbeleuchtungs-Modellprojekt "Light as a Service" erschienen. Das Projekt, welches im Juni 2021 begann, hat die Erwartungen in Sachen Energieeinsparungen und CO2-Reduktionen übertroffen:
„Light as a Service“ – Modellprojekt in Bad Hersfeld für eine neue Straßenbeleuchtung
Beleuchtung im öffentlichen Raum soll hell sein, aber gleichzeitig Energie sparen. Dem Sicherheitsgefühl von Bürgerinnen und Bürgern muss Rechnung getragen werden, aber die „Lichtverschmutzung“ und CO2-Emissionen sollen minimiert werden. Stichworte wie „Insektenfreundlichkeit“ beschreiben weitere Ziele.
Dieses Dilemma mit zum Teil gegensätzlichen Zielsetzungen wird von aktuellen Straßenbeleuchtungsanlagen bisher in vielen Fällen nicht zuverlässig aufgelöst. Deshalb hat ein Modellprojekt der Kreisstadt Bad Hersfeld, der Deutschen Bank, Microsoft, [ui!] Urban Lighting Innovations und den Stadtwerken Bad Hersfeld über ein Jahr hinweg neue Ansätze erprobt und umgesetzt.
Kernthese dabei: Die genannten Anforderungskonflikte sind so komplex, dass sie nicht mehr durch eine statische Straßenbeleuchtung oder menschliche Operatoren gelöst werden können. Der Weg zum Erfolg kann nur über eine dynamisch-adaptive Lichtsteuerung unter Einsatz künstlicher Intelligenz (KI) führen.
154 neue Straßenleuchten wurden in drei Projektgebieten der Stadt Bad Hersfeld installiert, die zum einen bislang noch nicht auf LED-Technologie umgestellt waren und zum zweiten ein breites Spektrum unterschiedlicher Anforderungen an die öffentliche Beleuchtung repräsentieren. Konkret sind das
- der nördliche Stadtring mit hohem Verkehrsaufkommen,
- die Berliner Straße als Verbindung des südlichen Stadtrings zu überörtlichen Bundestraßen
- und Teile des Wohngebietes Eichhofsiedlung.
Die intensive Erfassung der Vorher- und Nachher-Situation aller Leuchtenstandorte in den drei Projektgebieten war die Grundlage für konkrete und messbare Projektergebnisse. Das gesamte Projekt hat der Fachbereich Lichttechnik der Technischen Universität Berlin wissenschaftlich begleitet.
Sehr wichtige Voraussetzung für das Projekt war die Beschaffung von Straßenleuchten der neuesten Generation, die erstmalig in dieser Form von der Firma Schréder für das Projekt verfügbar gemacht wurden. Sie können Signale aus der Lichtsteuerung und der entwickelten künstlichen Intelligenz (KI) auch verarbeiten.
Die eingesetzten Produkte können zudem die Farbtemperatur zwischen einem neutralen Weißton und einem gelblichen, oft auch als „Amber“ bezeichnetem Licht regulieren (im Projekt zwischen 3.000 und 2.200 Kelvin). Darüber hinaus lässt sich über dynamisches Dimmen die Lichtverteilung und die Helligkeit situativ den Straßenverhältnissen anpassen.
Einer der im Projekt aufgebauten Infrarot-Witterungssensoren
Die Leuchten verfügen alle über eine Kommunikationsschnittstelle, über die sie einerseits Daten über ihre Betriebszustände, Verbräuche und Störungen senden. Andererseits empfangen die Leuchten Steuerbefehle aus dem Lichtmanagement, der schon vorhandenen städtischen Datenplattform [ui!] UrbanPulse und von im Projektgebiet installierten Sensoren.
Eine Vielzahl von Messpunkten und Sensoren speisen Daten in die städtische Datenplattform ein, um die jeweils geltenden Verkehrs, Witterungs- und Umwelteinflüsse zu erfassen. Aus diesem Datenbestand errechnet die KI-basierte Software-Lösung des Projektes, ständig und in Echtzeit für jede einzelne Leuchte, die bedarfsgerechte Beleuchtungssteuerung und gibt diese Informationen an das Lichtsteuerungssystem weiter – inklusive weiterer Energieverbrauchsberechnungen und Betriebsprognosen.
Beleuchtung der Berliner Straße vorher und nachher: Mehr Licht auf der Fahrbahn und für die Rad- und Gehwege – und das bei deutlichen Energieeinsparungen
Neben der vollautomatisierten KI und der Sensorik erhalten die Leuchten auch Steuersignale von ganz anderer Seite. Im Wohngebiet Eichhofsiedlung griffen Bürgerinnen und Bürger mit einer exklusiv im Rahmen des Projektes entwickelten App durch ihre privaten Endgeräte auf die Straßenbeleuchtung zu.
Somit konnten eine oder mehrere Leuchten im Hinblick auf Farbtemperatur und Lichtintensität ausgetestet werden. Auch die Lichtverteilung, also die Überstrahlung auf die Hausfassade, die Einfahrt oder das eigene Wohnzimmer, war für jeweils 10 Minuten veränderbar. Danach hat dann das Regelprogramm wieder die vorherigen Einstellungen aufgerufen.
Die umfangreichen Informationsströme aus dem Modellprojekt werden durch die städtische Datenplattform verarbeitet. Sie ist das interaktive Bindeglied zwischen dem Lichtsteuerungsmanagement einerseits und den Sensoren bzw. der Bürger-App andererseits. Schließlich werden aus dieser Datenplattform heraus die im Projekt gewonnen Informationen gleichzeitig auch für weitere Anwendungen aufbereitet, etwa für das kommunale Energiemonitoring.
Ergebnisse
Aus einer großen Auswahl von weltweiten Bewerbern wurde das Modellprojekt in Bad Hersfeld in den USA als Gewinner des diesjährigen „Smart 50 Awards“ gekürt – als nur eines von zwei europäischen Projekten.
Auch aus Bad Hersfelder Sicht hat das Modellprojekt „Light as a Service“ die Erwartungen der Projektteilnehmer und der Stadtpolitik voll erfüllt und in großen Teilen übertroffen. Die beabsichtigten Energieverbrauchs- und CO2-Einsparungen sind voll erreicht und durch die dynamische Lichtsteuerung weiter ausgebaut worden.
- Durch den Einsatz der neuesten Leuchtengeneration konnten innerhalb des Projekts Energieeinsparungen von durchschnittlich 77% gegenüber dem Istzustand erzielt werden. Diese Werte konnten mit Einsatz der dynamischen Steuerung in bestimmten Situation bis auf 86% gesteigert werden!
- Die Verbrauchsverminderung beträgt bei den eingesetzten 154 Leuchten des Projektes rund 65.000 kWh pro Jahr.
- Die CO2-Verminderung beläuft sich auf rd. 27 Tonnen pro Jahr.
- Die dynamisch-adaptive Straßenbeleuchtung kann jederzeit ohne großen Unterhaltungsaufwand einzelleuchten- und gruppenbezogen angepasst werden, etwa an verändertes Verkehrsaufkommen, Witterungsumstände, Umleitungssituationen oder besondere Veranstaltungen.
- Das sensorgestützte Erfassen nasser Straßenverhältnisse führt zu erheblicher zusätzlicher Energieeinsparung und zu reduzierten Blendwirkungen durch Herabsetzen des Dimmlevels der Straßenleuchten.
- Die Verkehrssicherheit ist gegeben. Dies gilt auch, wenn zur Reduzierung von Lichtverschmutzungseffekten (durch veränderte Lichtkegel) und zur Erhöhung der Insektenfreundlichkeit vermehrt warmweiße Farbtemperaturen und stärkere Dimmung in Nachzeiträumen umgesetzt werden.
- Das Modellprojekt bietet eine bessere Störungsanalyse und eine erhöhte Anlagenverfügbarkeit. Die Zeitspanne, bis Defekte auffallen und eine Instandhaltung greift, wird verkürzt.
Ausblick
Die Skalierbarkeit des Pilotprojektes auf ein Gesamtumrüstungsszenario der Bad Hersfelder Straßenbeleuchtung ist möglich – und wird auch umgesetzt. Statt der bisherigen schrittweisen jährlichen Eigenfinanzierung für die energetische Modernisierung der Straßenbeleuchtung hat sich die Bad Hersfelder Stadtverordnetenversammlung aufgrund des erfolgreichen Projekts für ein neues Servicemodell entschieden.
In 2023 wird für die in Bad Hersfeld noch umzurüstenden Straßenleuchten rund 1.500 bis 2.000 modernste Leuchten- und Sensortechnik in Gesamtheit beschafft und über 10 Jahre mithilfe eines Dienstleisters betrieben - der neben den Investitionen auch Reinigung, Wartung, Unterhaltung sowie die Entstörung und den Ersatz von ausgefallenen Komponenten übernimmt.
Die Investitionsaufwendungen lassen sich so für die Stadt über eine lange Laufzeit verteilen und bedürfen damit keiner großen, zusätzlichen Kreditermächtigung.
So können die im Modellprojekt nachgewiesenen Qualitätsgewinne, die gemessenen CO2-Reduzierungen und die signifikanten Verminderungen der Stromverbräuche für die restliche Straßenbeleuchtung Bad Hersfelds „auf einen Schlag“ realisiert werden – und nicht, wie bisher, nur zeitverzögert in Jahresschritten.
Autoren
Martin Bode (55), Leiter des Fachbereiches Technische Dienst bei der Kreisstadt Bad Hersfeld und zugleich Betriebsleiter des Abwasserbetriebs. Ausgebildet bei der TU Braunschweig als Bauingenieur, hat er sich seit 1997 in Ingenieurbüros und in Bad Hersfeld mit zahlreichen technischen Infrastrukturplanungen auseinandergesetzt. In seinen Fachbereich fallen zusammen mit den Stadtwerken auch Betrieb, Unterhaltung und energetische Modernisierung der Straßenbeleuchtung in Bad Hersfeld.
Matthias Weis (48), Geschäftsführer der [ui!] Urban Lighting Innovations GmbH. Zuvor Leiter Entwicklung und internationale Markteinführung multifunktionaler SmartCity-Infrastrukturen bei EnBW. Er blickt auf über 25 Jahre Erfahrung im Bereich der Straßenbeleuchtung zurück. 2017 vom „Handelsblatt“ als einer der 100 innovativsten Menschen Deutschlands ausgezeichnet. 2016 erhielt er den Digital Leader Award unter der Schirmherrschaft des Bundeswirtschaftsministeriums.