Smart City mit Blockchain-Technologie

Blockchain Smart City

Smart City dank Blockchain-Technologie? Städte und Regionen sollen zukunftsfähig werden, wenn es nach dem Positionspapier der Fraunhofer Morgenstadt Initiative geht, das auf zahlreichen Projekterfahrungen im Zeitraum von 2012 bis 2020 basiert.

Smart Cities sind zukunftsfähige Städte

35 Städte, 42 Unternehmen und 13 Fraunhofer-Institute haben gemeinsame Ideen entwickelt, Lösungen erprobt und neue Projekte auf den Weg gebracht, um allen Kommunen in Deutschland eine nachhaltige Stadtentwicklung und effiziente Digitalisierung zu ermöglichen.

Morgenstadt City of the Future
Morgenstadt City of the Future

Strukturelle Veränderungen, die Herausforderungen durch den Klimawandel und der Transformationsprozess der Digitalisierung bringen für industrielle Schlüsselbranchen sowie urbane Räume große Herausforderungen mit sich. Städte werden immer mehr zum Lebensraum vieler Menschen, doch gleichzeitig zentrale Angriffspunkte bei CO2-Emissionen. Ballungsräume sind verantwortlich für den größten Teil des Bruttoinlandsprodukes, aber es braucht eine nachhaltige, klimaneutrale und flächendeckende Lösung für die Aufgaben, die mit dem digitalen Wandel aufkommen.

Eine intelligente Stadt ist ein Ort, an dem traditionelle Netzwerke und Dienste durch den Einsatz digitaler und Telekommunikationstechnologien zum Nutzen ihrer Einwohner und Unternehmen effizienter gestaltet werden. Eine intelligente Stadt geht über den Einsatz von Informations- und Kommunikationstechnologien (IKT) für eine bessere Ressourcennutzung und weniger Emissionen hinaus“. (aus dem Englischen übersetzt) Quelle: Europäische Kommission für Smart Cities

Auf europäischer Ebene gibt es Initiativen für Städte und Gemeinden, bei denen sich digitale Lösungen aus den Bereichen der Informations- und Kommunikationstechnologie, dem Energiemanagement und dem Verkehrsmanagement miteinander kombinieren lassen. Europäische Städte sehen sich in der Zukunft großen ökologischen, gesellschaftlichen und gesundheitlichen Herausforderungen gegenüber, auf die skalierbare und übertragbare Lösungen wie die Blockchain-Technologie Antwort gegen können.

Neben den Klimaschutzzielen der EU stehen intelligente Städte, die Smart Cities, auf der Agenda. Nach dem Willen der Initiative der Europäischen Kommission geht es um den Aufbau strategischischer Partnerschaften zwischen der Industrie und den Städten, um die Infrastrukturen von morgen zu entwickeln.

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EU-Initiative Smart Cities and Communities

Schon 2011 gab es erste Projekte im Rahmen der EU-Initiative „Smart Cities and Communities”, doch damals waren lediglich Energiethemen enthalten. Im Juli 2012 erfolgte dann die Erweiterung des Budgets durch die Ausdehnung auf die Verkehrs- und ICT-Sektoren. Unter ICT versteht die Europäische Kommission Schlüsselkompetenzen für lebenslanges Lernen, und zwar digitale Kompetenzen sowie die Informations- und Kommunikationstechnologien.

Smart City – die intelligente Stadt. In Haßfurt, Kaiserslautern, Solingen und Wolfsburg wurden die ersten Modellprojekte des Bundesministeriums für Inneres, Bau und Heimat, kurz BMI, umgesetzt. Doch was sind Smart Cities genau und wie lässt sich die Blockchain-Technologie dort einsetzen?

Mit Blockchains und grundsätzlich der Distributed-Ledger-Technologie lassen sich grundlegende organisatorische Umstrukturierungen durchsetzen. Wichtig ist dabei, dass die Ziele weniger die Technik im Fokus haben, sondern der Mensch im Mittelpunkt von Smart Cities steht.

Der Smart-City-Atlas für Deutschland

Die folgenden Kernaufgaben gehören laut dem Smart-City-Atlas von Bitkom e.V. aus dem Jahr 2018 hinsichtlich der kommunalen Digitalisierung zu den großen Aufgaben der nächsten Jahre und Jahrzehnte:

Bildung

Im Bereich der Bildung steht die berufliche Qualifikation der Bürger im Berufsleben, während der Ausbildung, im Studium und der Schulzeit im Mittelpunkt. Im Rahmen von Smart-City-Projekten erfolgt die Integration von digitalen Medien in Lernprozesse, um einer digitalisierten Schul- und Berufswelt gerecht zu werden. Blockchains bieten einen großen Mehrwert, sei es bei der Organisation von Schulen oder der stärkeren Einbeziehung von Schülern in die Gestaltung des Unterrichts.

Schulen und Hochschulen entwickeln sich in einer Smart City zu lernenden Organisationen. Lebenslanges Lernen ist das Ziel und dies lässt sich mit innovationsorientierter Forschung und Entwicklung auch erreichen. Das disruptive Potenzial von Blockchains erlaubt die dezentrale und sichere Speicherung von Datensätzen. Sie bieten die Möglichkeit, Unterrichtsinhalte anzupassen und neue Formen von offener, vernetzter und personalisierter Online-Bildung anzubieten. Alle Maßnahmen sollen am Ende dem Mangel an qualifiziertem Nachwuchs an Fachkräften entgegentreten.

Mobilität

Die Optimierung des Verkehrsflusses ist eine gewaltige Herausforderung für Städten und Regionen. Wartezeiten im Stadtverkehr sind lästig, teuer und schädlich für die Umwelt. Blockchains liefern eine Lösung und beispielsweise Verkehrsdaten in Echtzeit, die eine Reaktion oder Evaluation ebenfalls in Echtzeit erlauben. Die Bereiche Luftqualität und Parkraummanagements gehört ebenfalls dazu, denn ruhigere Straßen und eine bessere Luftqualität führen zu einer gesteigerten Lebensqualität der Bürger.

Bei der Suche nach freien Parkplätzen lässt sich die DLT aber genauso effizient einsetzen. Beispielweise mit einer App, die freie Stellplätze in einem Stadtbereich anzeigt. Dafür stehen vorhandene GIS-Daten zur Verfügung, die mit Daten aus vorhandenen Parkscheinautomaten zu einem Datenstrom gebündelt werden. Der Individualverkehr verändert die Mobilität der Einwohner in der Zukunft. Intelligentes Parken, Baustellenkoordination, Car-Sharing-Konzepte, E-Mobilität sowie autonomer Busverkehr nehmen ebenfalls Einfluss auf die Entwicklung zukünftiger Mobilitätsprojekte.

Selbstsouveräne Identitäten SSI von IOTA

Eine bürgernahe Verwaltung auf Basis von Open Data und digitalen Identitäten ist das Ziel im Rahmen einer Smart City. Die IOTA-Foundation forscht intensiv an der Verwaltung von sogenannten Selbstsouveränen Identitäten SSI, die beispielsweise die Anwendungen für E-Government beeinflussen. Eine digitale Verwaltungsstrategie beeinhaltet die Bereiche E-Government, Open Data und Smart City und je nach Anwendungsfall ein integriertes Change-Management, mit dem sich kurzfristige Optimierungen an Prozessen durchführen lassen.

Der IOTA-Tangle speichert Transaktionen dauerhaft und transparent ab und kann digitale Identitäten verwalten. Viele verwaltungsbezogene Onlinedienste macht die Blockchain-Technologie möglich. Über das Peer-to-Peer-Netzwerk wird der kooperative Gedanke von einer öffentlichen Verwaltung für alle Bürger einer Region realisierbar. Interoperabilität sowie hohe Sicherheitsanforderungen lassen sich mit der DLT umsetzen und Verwaltungsprozesse von Bürgern vollständig online durchführen.

 

Smart Cities Marketplace für EU-Initiativen

Gesundheit
Aktuelle Smart City Projekte der Europäischen Kommission, darunter die sogenannten Leuchtturm-Projekte, finden sich auf einer extra eingerichteten Webseit.  Dort sind unter Smart Cities Marketplace europaweite Smart City Initiatien zusammengefasst. Auch das Thema Gesundheit kommt in den strategischen Zielen für smarte Städte vor. Projekte für das altersgerechte Wohnen sind unter dem Begriff Ambient Assisted Living AAL zusammengefasst, bei dem digitale Assistentsysteme zur Erleichterung im Alltag beitragen.

Das altersgerechte Wohnen in technologieunterstützen Wohnungen oder Quartieren ist Bestandteil der Bereiche E-Health und DLT im Gesundheitswesen. Blockchains können bei dem sinnvollen Teilen von Daten aus bestehenden Pflegesystemen helfen, die Entwicklung der Telemedizin forcieren und Teile der Gesundheitsversorgung vor Ort positiv bereichern.

 

Bürgernahe Gesellschaft dank Smart City

Gesellschaft

Hier fließen Projekte ein, bei denen es um die Erhöhung der Lebensqualität im Allgemeinen geht, sowie solche, die für mehr Attraktivität der Einwohner sorgen sollen. Dazu hat ein Team der Fraunhofer-Gesellschaft Handlungsfelder für innovative, ökologische und sozial nachhaltige Maßnahmen abgeleitet. Eine flexible Stadtentwicklung und ihre Anpassung an die Änderungen in der Bevölkerungsstruktur ist dafür notwendig. Bürgernahe Initiativen wie beispielsweise Online-Plattformen für Nachrichten von Bürgern an die Stadt sind hier interessante Umsetzungsbeispiele. Das Ziel ist dabei grundsätzlich, Bürgern mehr Nähe zur öffentlichen Verwaltung und den Behörden zu ermöglichen.

Eine gelunge Lösung in der Rubrik ist beispielsweise die Ehrenamts-App, bei der sich Bürger spontan, niederschwellig und freiwillig einbringen können und ihr Engagement mit den Institutionen koordinieren können. So lässt sich schnell auf flexible Bedarfe reagieren, denn über das Netzwerk lassen sich auch Suchanfragen veröffentlichen.

“Ich denke, dass eine Blockchain-basierte Plattform, um dezentrale Mikrowirtschaften aufzubauen am meisten Sinn macht. So kann man die Bürger ermächtigen, selber Lösungen zu finden.” Ric Ferrer (Hafven, Digitales Hannover e.V., PEY) auf die Frage wie er bei der Lösung aktueller Herausforderungen der koproduktiven Stadtentwicklung vorgehen würde. Quelle

Die Uni Lübeck hat dafür ein Joint Innovation Lab ins Leben gerufen, welches vom Ministerpräsidenten Daniel Günther 2018 eröffnet wurde. Ziele sind dabei neben der Entwicklung einer digitalen Vorzeigeregion Schleswig Holstein, vor allem die Nutzung aktueller Technologien wie der Blockchain. Die TH Lübeck hat im April 2020 digitale, rechtssichere Zertifikate im Internet vergeben, und zwar als erste produktreife Blockchain-Lösung.

 

Smart City Schlüsselfunktionen mit DLT

Sicherheit

Sicherheitsinformationen und relevante Daten müssen entsprechend ihrer Wichtigkeit, Dringlichkeit oder Privatsspähre auf entsprechenden IT-Infrastrukturen basieren. Glasfaserkabel sind beispielsweise dafür geeignet, ein geschütztes Netz für Sicherheitskräfte auf Großveranstaltungen bereit zu stellen. Damit lassen sich Videobilder übertragen und Informationen vorhalten und Kooperationen von Einsatzkräften zusammenfassen. Echtzeitdaten ermöglichen dabei im Falle eines Unglücks die direkte Übermittlung von Lagebildern.

Die intelligente Verknüpfung kann auf einen Blockchain-basierten P2P-Netzwerk stattfinden. Unsichere Produkte stellen im Internet zunehmend eine Gefährdung dar, und zwar nicht nur für den Einzelnen, sondern für die öffentliche Sicherheit. Cyber-Sicherheit gehört genauso wie der digitale Verbraucherschutz zu dieser Rubrik und beschäftigt auch das Bundesministerium für Sicherheit und Informationstechnik. In einem Artikel aus dem vergangen Jahr haben wir bereits ausführlich zum Thema “Wie Blockchains die Cyber-Sicherheit beeinflussen” berichtet.

Datenplattformen

Die Bemühungen zur Entwicklung einer elektronischen Öffentlichen Hand greifen unter dem Begriff E-Government in bestehende Systeme ein. Dazu gehört auch Open Daten und schließlich Open Government. Darin enthalten sind Initiativen und Bemühungen für neue Analysen, Anwendungen, Produkte und Dienstleistungen, mit denen sich der Bürger stärker für die Demokratie in seinem Land engagieren kann. Open Data Plattformen bilden dafür die technischen Voraussetzungen. In den Handlungsfeldern der Leuchtturmprojekte der Bitkom Studie und dem Smart-City-Atlas aus dem Jahr 2018 stehen diese Themen auf Rang 3 von 9.

Das zeigt deutlich das offenkundig starke Interesse der öffentlichen Verwaltung, Wissens- und Informationsquellen auf verschiedensten Datenplattformen bereitzustellen. Solche Datenplattformen sind wesentlicher Bestandteil zahlreicher europäischer Projekte im Rahmen der Energiewende, wie das Beispiel der länderübergreifenden Blockchain-basierten Datenplattform Equigy zeigt.

Transparente Supply-Chains

Handel
Entlang der Supply-Chain bietet die Blockchain-Technologie zahlreiche Möglichkeiten für praxisnahe Lösungen und benutzerfreundliche Anwendungen. Im Bereich Handel gibt es aber auch Einsatzgebiete für Blockchains beispielsweise bei der Aufbereitung und Verbreitung von Angeboten, der Bedarfserfassung oder der Unterstützung von Warenauslieferungen. Für Handelsfinanzierungen sind zwar derzeit noch verschiedene Hürden im Weg, jedoch kann die Blockchain-Technologie auf Basis von Smart Contracts Kosten senken und verschiedene Parameter digital abbilden.

Algorithmen für die Verarbeitung von Handelsdaten lassen sich auf der Blockchain abspeichern und ermöglichen die Entscheidungsfindung für alle am Netzwerk beteiltigten Organisationen. Gemäß der Governance bleibt die Privatsphäre erhalten und jeder Teilnehmer sieht nur die Informationen, die seine Berechtigung erlauben. Papierhafte, manuelle Eingriffe sollen mit der Blockchain-Technologie im Bereich Handel der Vergangenheit angehören.

Die Technologie kann dem starken Wandel in der Gesellschaft dienlich sein, denn sie ermöglicht transparente Lieferketten und Logistikprozesse. Zusammen mit der Gestaltung von digitalen Identitäten für Werte erhält jedes Produkt eine eindeutige Zuweisung und kann vom Endverbraucher bis zu seinem Ursprung zurückverfolgt werden.

IOTA-Tangle und Daten-Marktplatz für Smart Cities

IT-Infrastruktur
Hier geht es um das Thema der Sicherheit und den Ausbau des Glasfasernetzes. Ein öffentliches, kostenfreies W-Lan soll Bürgern eine Beteiligung auf digitalem Wege am öffentlichen Verwaltungsapparat ermöglichen. Als demokratisch legitimierte Vertreter der Bevölkerung bestehen in einer Smart City für öffentliche Verwaltungen die Möglichkeiten, Probleme vor Ort zu definieren, zu priorisieren und technische Lösungansätze abzuleiten.

Als zentrales Element einer aktiven Bürgerschaft gelten Plattformen, offene Daten und transparente Prozesse sowie Informationen. Zum Bereich der IT-Infrastrukturen gehört im Rahmen von Smart-City-Projekten ebenso ein regionales Netzwerk, um Geräte wie beispielsweise batteriebetriebene Sensoren für ein Internet der Dinge, anzuschließen.

Mit Sensoren lassen sich eine Vielzahl an Aktivitäten überwachen, die für die smarte Stadt der Zukunft von Wichtigkeit sind. Mögliche Szenarien wären die Überwachung von Mülleimern, die Kontrolle von Halteverbotszonen oder anderen kommunale Dienstleistungen. Über die Einspeisung regionaler Daten in einen Daten-Marktplatz, wie der industrielle Daten-Marktplatz von IOTA, ergibt sich zudem die Möglichkeit der Gewinnoptimierung. Denn Daten sind das Gold des Internets und lassen sich auf digitalen Marktplätzen gegen Gebühr zum Download anbieten.

Denkbar wäre für diese Umsetzung das Framework einer flächendeckenden Kontrolle in Echtzeit der Luftverschmutzung. Das Netzwerk besteht dabei aus Sensoren, der Upload erfolgt automatisch und in Echtzeit und die Daten stehen anschließend anderen Netzwerk-Teilnehmern zur Verfügung. Völlige Anonymität wäre dabei durch die Struktur des P2P-Netzwerkes jederzeit gewährleistet.

IOTA Smart Cities
IOTA Smart Cities

Nachhaltig leben in der Smart City

Energie & Umwelt

Der Straßenverkehr stellt Planer und Entwickler der öffentlichen Verwaltung vor große Herausforderungen und der begrenzte Platz in den Innenstädten zugleich vor enorme Hürden. Die intelligente (smarte) Steuerung von Lichtsignalanlagen würde in einer Smart City auf Echtzeitdaten basieren und durch mathematische Algorithmen zu direkten Handlungsempfehlungen führen bzw. direkte Ausführungen ermöglichen.

Ohne menschliches Eingriffen sind in der Smart City der Zukunft Einflussnahmen auf den Verkehr möglich, die nicht nur Innenstände “entstauen”, sondern auch zu mehr Lebensqualität der Bürger führen. Das widerum steigert folglich die Attraktivität von Standorten für Pendler und ortsansässige Unternehmen. Infrastrukturkonzepte für Wärme, Strom und Elektromobilität sind außerdem zukünftig in sektorübergreifende Versorgungsnetze integriert.

Ein Beschaffungsmanagement auf Blockchain-Basis ist in vielen Bereichen denkbar. Als zentrale Schnittstelle zu internen und externen Partnern gehört das Beschaffungsmanagement häufig zu kostenkritischen Abteilungen. Im Bereich der Energie kann es mit dagegen Blockchains gelingen, den Strommarkt für Verbraucher zu öffnen und das Wechseln von Anbietern mit Blick auf eine Liberalisierung zu erleichtern.

Lokale Energiegenossenschaften sind realiserbar und digitale Serviceplattformen stellen urbane Daten, Dienste und Applikationen zur Verfügung. Mit ihnen können Bürger regenerative Energien einkaufen/nutzen. Für Stromnetz-Betreiber stehen Lösungen für ein virtuelles Kraftwerk (VPP) zur Verfügung, bei dem eine dezentrale Ledger-Technologie die Energie kontrolliert, protokolliert und steuert. Die Fortschritte bei der Entwicklung der dezentralen Energie bestätigen diesen Trend.

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