LED-Straßenleuchte ist Lichtquelle und intelligentes System

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Vernetzte Straßenlaternen mit LEDs als Teil einer Smart City bieten energieeffizientes Licht sowie integrierte Licht-Szenarien und Zusatzfunktionen. Sie haben sich von einer Lichtquelle zum intelligenten System gewandelt.

Die Umgestaltung des Bahnhofsgeländes im hessischen Bürstadt nutzten die Stadt und SRM Straßenbeleuchtung Rhein-Main (SRM) zusammen mit Thüga und verwandeln damit den städtischen Verkehrsknotenpunkt zu einem Hot Spot mit Internetverbindung. Die Inbetriebnahme des frei zugänglichen WLAN aus Laternenmasten im Dezember 2018 stellte dabei den Auftakt für Maßnahmen zu einem intelligenten Gesamtsystemen dar. Bei diesem gilt es auch, die Praxistauglichkeit eines Parkleitsystems zu testen, das ebenfalls über smarte Leuchten gesteuert wird. Dafür wurden insgesamt 44 mit LED ausgestattete Lichtpunkte neu errichtet und über ein kabelloses System als auch über Glasfasern miteinander vernetzt.

Die Leuchten sind einzeln kontrollier- und ereignisabhängig steuerbar, denn ein Lichtmanagementsystem übernimmt das Monitoring und die Kontrolle ihrer Funktionalität, steuert die Leuchten und ermittelt den Verbrauch. Das fällt in die Verantwortung der SRM, einem Tochterunternehmen der Frankfurter Mainova, Hessens größtem Energieversorger. Die SRM bietet ihren Kunden Beratungen zu Technik, Effizienz, Datenmanagement, Strategie und Nachhaltigkeit, Planung und Realisierung von kompletten Straßenbeleuchtungsanlagen sowie IT-gestützter Betriebsführung mit mobiler Datenerfassung. Seit 2013 ist sie für die rund 2000 Leuchten in Bürstadt zuständig, die ausschließlich mit Ökostrom betrieben werden. In den letzten fünf Jahren hat das Unternehmen dort die Energieeffizienz durch technische Umstellungen um fast 40% gesteigert.

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Pilotanlage ist ausbaufähig und providerunabhängig

Die LED-Straßenbeleuchtung am Bahnhof stammt von Selux, ergänzt um Module der auf smarte Lösungen spezialisierten Firma ICE Gateway. Die Pilotanlage ist ausbaufähig und providerunabhängig gestaltet. Dabei haben die Projektverantwortlichen bewusst auf handelsübliche Produkte gesetzt, um die Anlage langfristig betreiben und um Funktionen verändern zu können. Unter Realbedingungen soll geprüft werden, wie die Geräte untereinander kommunizieren, um so punktgenau feststellen zu können, wo und wie sie gegebenenfalls weiter aufeinander abgestimmt werden müssen. Aktuell prüft die Stadt, welche weiteren Maßnahmen sie damit in Angriff nehmen will. Hier könnte der Aspekt Sicherheit ein zentrales Thema werden.

Hintergrund für das Parkraummanagement mit Erfassen der Parkplatzbelegung in Echtzeit sowie die Verknüpfung zu intelligenten Systemen ist: In Deutschland entfällt täglich etwa ein Drittel des Stadtverkehrs auf die Parkplatzsuche [1]. Smarte Leuchten können hier Abhilfe schaffen. Denn bei einem intelligenten Parkraummanagement erkennt die Leuchte über Sensoren freie Parkplätze und meldet diese per App direkt ans Mobiltelefon. Das Telefon lenkt über GPS den Fahrer zum nächsten freien Parkplatz. Gleichzeitig kann eine Software, wie die Bürstadt-App, künftig auch für Veranstaltungshinweise, das Stadtmarketing oder das Navigieren vor Ort im Allgemeinen interessant sein. So lässt sich beispielsweise der Verkehr bei Baustellen und/oder Staus gleichmäßiger als bisher auf Umleitungsstrecken verteilen.

Öffentliche Smart-Light-Musteranlage

Passen sich die Beleuchtungszeiten an die Umgebung an, ist auf die deutschlandweit etwa neun Mio. Lichtpunkte ein Einsparpotenzial von rund 2,7 Mrd. kWh und eine jährliche Kosteneinsparung von bis zu 400 Mio. Euro möglich [2]. Ein Grund, weshalb die Stadt Frankfurt vermehrt auf LED-Technik in der Straßenbeleuchtung setzt. Das gilt zunehmend auch für intelligente Leuchten.

So entsteht auf den zentral gelegenen, unterschiedlich häufig frequentierten Wallanlagen in der Innenstadt die erste öffentliche Smart-Light-Musteranlage. Dazu hat die SRM im Sommer 2018 insgesamt 22 Leuchten auf LED-Technik umgerüstet und mit intelligenten Steuerungssensoren versehen. Aktuell wird die Anlage und deren Schwarm-Kommunikation erprobt. Ziel ist, dass die Leuchten über automatisches Dimmen beim effizienten Einsatz von Energie zu unterstützen.

Leuchte passt sich der Umgebung an

Sogenanntes Light-On-Demand reduziert die Volllaststunden: Läuft jemand an den Lampen vorbei, erstrahlen sie hell, ansonsten werden sie abgedunkelt. Zudem lassen sich Beleuchtungszeiten und -intensitäten anpassen. Weiterer Vorteil: Im Vergleich zum Ausschalten einzelner Leuchten bietet die neue Technik durch eine homogenere Lichtverteilung ein Sicherheitsplus für Passanten. Ob und wie sich das smarte System auf die Lebensdauer und die Wartungskosten der Leuchten-Anlage auswirkt, wird ebenfalls untersucht. Wenn das Ganze problemlos läuft, könnte es zum Beispiel um einen Informations- oder Notruf-Service erweitert werden.

Das Projekt am Wall ist das erste seiner Art im Mainova-Versorgungsgebiet und dient als Machbarkeitsstudie. Je nach den Ergebnissen soll ein weiterer Teil der Laternen in Frankfurt in naher Zukunft umgerüstet werden. So will die Stadt zusammen mit der Mainova und der SRM ihre Beleuchtung langfristig nachhaltig gestalten: Dort sind bereits fast zwei Drittel der rund 68.000 Stromleuchten jünger als 20 Jahre. Rund 60% davon sind mit effizienten Metallhalogen- oder Natriumdampf-Hochdrucklampen ausgestattet. Bei rund 2600 Leuchten ist bereits LED-Technik installiert. Moderne Anlagen sparen 30 bis 35% Energie im Vergleich zu herkömmlichen Leuchten. Durch Dimmen lassen sich durchschnittlich weitere 20% sparen. Die maßgebende Bezugsgrößen sind der Energiepreis und die verbaute Technik.

Die intelligente LED-Leuchte in der Smart City

Mit Sensoren, Bewegungsmeldern oder auch einer Kamera ausgestattete Leuchten und mit erneuerbaren Energien betrieben, bringen sie für Gemeinden und Kommunen einige Vorteile:

• sie melden die verfügbaren Parkplätze (Bürstadt),

• werden heller, wenn sich ein Radfahrer oder ein Passant nähert (Frankfurt/Main),

• enthalten Strom-Zapfsäulen für Elektroautos (Prototyp der Hochschule Koblenz und der Energieversorgung Mittelrhein) oder

• messen Daten über Verkehrsströme, Lärm und Luftqualität (Pilotprojekt der Stadt Darmstadt mit ICE Gateway und Vodafone).

Die Straßenbeleuchtung ist als hoheitliche Aufgabe einer Kommune zur Unterstützung der Daseinsvorsorge verankert. Eine flächendeckende, gleichmäßig verteilte Infrastruktur ist vorhanden. Allerdings sind Investitionen notwendig, damit sie zukunftsfähig werden. Gutes Licht verbessert die Lebensqualität, lädt zum Spazieren und Verweilen ein und spart Energie. Vor allem Letztgenanntes ist in Zeiten des Klimaschutzes und angespannter öffentlicher Haushalte ein Argument für LED-Beleuchtung. Die Förderung für den Einsatz von LEDs im öffentlichen Raum wurde im Zuge der Nationalen Klimaschutzinitiative in Deutschland fortgesetzt. Auch die Bundesländer bieten Förderprogramme. So sind in Hessen bis zu 25% der zuwendungsfähigen Ausgaben für die Umrüstung von Außenbeleuchtung erhältlich. Auf EU-Ebene wird im Rahmen des Programms „Horizon 2020“ die Entwicklung von Städten zu Smart Citys vorangetrieben. Der Begriff umfasst gesamtheitliche Konzepte, die Städte effizienter, fortschrittlicher und sozialer gestalten wollen.

Auf dem Weg zu einer Smart City lohnt es sich vielerorts, die bereits vorhandene Infrastruktur mit Informations- und Kommunikationstechniken zu ergänzen. Weil die Rahmenbedingungen überall anders sind, werfen solche Konzepte immer Fragen zu konkreten Anwendungs- und Umsetzungsfällen auf. Verschiedene Projekte zur Digitalisierung und Elektrifizierung der Infrastruktur zeigen heutige Grenzen im realen Betrieb, fordern Lösungen und neue Geschäftsmodelle:

• Sollen sämtliche erhobenen Daten auf einer IT-Plattform (Cloud) ankommen? Wie werden sie ausgewertet und zusammengeführt? Wie werden Datenschutz und -sicherheit gewährleistet?

• Soll zur Datenerhebung eine kameragestützte Technologie zum Einsatz kommen oder können Signale von Smartphones genutzt werden? In welchen zeitlichen Intervallen werden Daten übermittelt?

• Wer stellt die Technik (Hard- und Software) zur Verfügung? Arbeiten die Systeme auch herstellerübergreifend interoperabel zusammen?

LED-Straßenleuchte: Zwischen Kosten und Nutzen abwägen

Eine LED-Straßenleuchte verspricht eine lange Lebensdauer bei geringem Energieverbrauch, kaum bis keine Wartung und vielseitige Einsatzmöglichkeiten. Die Effizienz einer Leuchte (Kennzahl: Systemlichtausbeute) bestimmt das gesamte System aus Lichtquelle, allen optischen Bauteilen sowie dem Vorschalt- und Steuergerät. Außerdem zählt eine präzise Verteilung, die sämtliche Nutzflächen in die Planung einbezieht.

Der Schritt vom Einsatz der LEDs hin zur smarten Beleuchtung sollte sich auf die jeweilige Gesamtsituation beziehen: Welche Anwendungsfälle, Daten und Gestaltung sind individuell vor Ort wichtig und wie können diese mit einem ganzheitlichen Konzept am besten realisiert werden? Während eine normale Leuchte etwa rund 4200 Stunden in Betrieb ist, ist eine smarte Leuchte permanent online. In der Folge spart der Betreiber der LED-Leuchten hier zunächst nur wenige Watt an Energie.

Exkurs: Smart Citys

Im Jahr 2007 wurde die Leipzig Charta beschlossen, die Grundlage für eine integrierte und nachhaltige europäische Stadtpolitik sein will. Sie bildete wiederum die Basis, auf der die „Dialogplattform Smart Cities“ von 2016 bis 2017 die „Smart City Charta“ erarbeitete. Auf Initiative des Bundes wurde sie als Leitlinie mit Handlungsempfehlungen für deutschen Kommunen auf dem Weg zu „Smart Cities“ entwickelt. Das Forum bestand aus Vertretern des Bundes, der Länder, Kommunen, kommunalen Spitzenverbände, verschiedener Wissenschaftsorganisationen, Wirtschafts-, Sozial- und Fachverbände.

Seit 2017 gibt die Unternehmensberatungsgesellschaft Roland Berger jährlich einen „Smart City Strategy Index“ heraus, der die veröffentlichten Smart-City-Strategien untereinander vergleicht. Details zum Projekt finden sich hier.Arbeitsmaterialien und einen Handlungsleitfaden Smart City/Smart Region des globalen Netzwerks „bee smart city“ finden Interessierte hier.

Lesetipps

Leuchtenmanagement: LED-Straßenleuchten per Funk miteinander verbinden

Ist die Natriumdampf-Hochdrucklampe eine Alternative zur LED?

Dieser Beitrag ist erschienen im Sonderheft LED- und OLED-Lichttechnik II der ELEKTRONIKPRAXIS (Download PDF)

Referenzen

[1] Faktenpapier Saubere Luft in deutschen Städten (PDF)

[2] Straßenbeleuchtung zeitgemäß: 400 Mio. Euro Einsparpotenzial.

* Bettina Gehbauer-Schumacher ist Inhaberin von Smart Skript – Fachkommunikation für Architektur und Energie in Griesheim.

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