Intelligente Strassenbeleuchtung – eine unbekannte Software-Revolution für die intelligente Stadt von morgen

1. Einführung

Lichtplaner verfügen heute über einen grossen Erfahrungsschatz in Bezug auf die LED-Technologie in der öffentlichen Beleuchtung. Die seit etwa zehn Jahren eingesetzte LED erobert unsere Städte noch immer marginal, aber sie ist heute die einzige ernsthafte Alternative für die Renovierung jedes öffentlichen Beleuchtungsparks.

Die Einführung von LED-Beleuchtung bietet drei wesentliche Vorteile: Sie ist im Vergleich zu früheren Lösungen unvergleichlich effizient im Betrieb, bietet einen völlig neuen Sehkomfort und ist zudem aussergewöhnlich robust und langlebig.

Abgesehen von diesen drei Vorteilen muss man gleich zu Beginn sagen, dass die LED-Technologie eine digitale Technologie ist, die in die Strassenbeleuchtung vordringt. Diese Technologie wurde durch eine koordinierte Anstrengung der Industrie standardisiert, welche sich auf digitale und mechanische Normen geeinigt hat. Diese neuen Normen haben einen grossen Einfluss auf die Einfachheit der Installation, führen zu einem gesünderen Wettbewerb zwischen den Herstellern und senken die Preise für die Hardware. Diese digitale Entwicklung bringt die Strassenbeleuchtung in ein neues Zeitalter, welches erhebliche betriebliche Verbesserungen (Energie, Wartung) ermöglicht.

Aus Sicht der Dekarbonisierung ist die Möglichkeit, den Energieverbrauch durch die Einführung von LEDs um mindestens 50 % zu senken, hervorzuheben. Die sehr lange Lebensdauer der Geräte (100.000 Stunden) senkt die Wartungskosten und die Umweltverschmutzung.

Hinter diesen bekannten Vorteilen verbergen sich jedoch noch andere Aspekte. In einer Zeit, in der die Probleme der Energieeinsparung immer akuter werden, möchten wir auf die relativ unbekannten Auswirkungen einer Revolution aufmerksam machen, die derzeit in der Strassenbeleuchtung stattfindet.

Die öffentliche Beleuchtung ist eine der wenigen Infrastrukturen, die dank der Digitalisierung und neuer Technologien zu 70 % bis 80 % dekarbonisiert werden kann. Diese Revolution betrifft weit mehr als nur die Strassenbeleuchtung. Sie betrifft eine ganze Reihe von Dienstleistungen, die von den Industriellen Dienstleistungen von morgen angeboten werden und bei denen die Software für das Management der Strassenbeleuchtung eine verbindende Rolle spielen wird.

Erklärungen!

2. Von LEDs zu intelligenten LEDs

2.1. Verbesserung der Leistung

Die LED-Beleuchtung bietet eine erste Lösung, um die Strassenbeleuchtung zu 50 % zu dekarbonisieren. Die digitale Technik der Vorschaltgeräte, welche die Leistung der LED-Beleuchtung steuern, ermöglicht es, noch viel weiter zu gehen und die Beleuchtungsstärke an den jeweiligen Kontext anzupassen. Durch eine bidirektionale Netzwerkverbindung jeder Leuchte mit einem Server kann die Lichtleistung entsprechend dem tatsächlichen und momentanen Bedarf optimiert werden, z.B. je nach Ort, Datum, Uhrzeit, Verkehrsaufkommen, Anwesenheit von Fahrzeugen oder Fussgängern. Um Verbindungen zu einem Server herzustellen, wird die Infrastruktur der LED-Leuchten mit Controllern ausgestattet, deren Aufgabe es ist, ein drahtloses Netzwerk vom Typ Internet der Dinge (IoT) zu schaffen, welches sich flächendeckend an alle Strassen und das Dach der Stadt anpasst.

Dieses Kommunikationsnetz, welches sein Netz über die Stadt spannt, ermöglicht es, jeder Leuchte spezifische Befehle zu erteilen. Diese Befehle können darin bestehen, nach Leistungsprofilen zu beleuchten, die von der Tageszeit und dem Wochentag abhängen.

Man unterscheidet zwei Lösungsarten. Die erste Lösung eignet sich für Strassen bei welchen die stündlichen Verkehrsdichten in der Regel im Voraus bekannt sind. So kann man die Leistung in bestimmten Nachtstunden, in denen das Verkehrsaufkommen sehr gering ist, beispielsweise auf 20 % der Nennleistung absenken. Diese erste Art der Absenkungsstrategie nach Zeitprofilen ermöglicht es, die durchschnittliche Leistung der LED-Beleuchtung in der Regel um 30 bis 40 % zu senken. Bei kumulierter Leistung kann diese intelligente LED-Lösung durchschnittlich 70 % der Energie einsparen, wenn sie eine Beleuchtung mit Natriumdampfentladungslampen ersetzt.

In einer zweiten Lösungsart, welche sich eher für Quartierstrassen eignet, wird eine dynamische Absenkungsstrategie verwendet. Hier wird standardmässig sehr wenig beleuchtet, nur etwa 10 % der Nennleistung. Die Steuergeräte sind mit Bewegungsmeldern ausgestattet, diese steuern eine Erhöhung der Lichtleistung, je nachdem, ob ein Fussgänger oder ein Fahrzeug in den Erfassungsbereich eintritt. Da die Leuchten über ein Kommunikationsnetzwerk verbunden sind, können benachbarte Leuchten benachrichtigt werden, um Lichtpfade zu schaffen, die eine sichere Führung von Fussgängern gewährleisten. In den meisten Städten, in denen wir diese Strategie eingesetzt haben, ermöglicht die intelligente LED eine erhebliche Energieeinsparung von bis zu 80 %.

Schliesslich gibt es noch eine Hybridstrategie aus diesen beiden Lösungen, die manchmal auch als verkehrsvolumenabhängige Absenkung bezeichnet wird und darin besteht, Verkehrszählgeräte auf Strassenabschnitten einzusetzen. Die Beleuchtung kann so abgesenkt werden, ohne das Verkehrsaufkommen im Voraus zu kennen, sondern nach Algorithmen, die sich an das durchschnittliche Verkehrsaufkommen der letzten Zeit anpassen.

Die Feinabstimmung der Lichtleistung durch intelligente LED-Beleuchtung ermöglicht eine Dekarbonisierung von 70 bis 80 % der herkömmlichen Beleuchtung mit Natriumdampfentladungslampen. Bei älteren Teilen der Infrastruktur, die noch Quecksilberdampflampen enthalten, führt der Austausch dieser Lampen zu noch deutlich höheren Einsparungen.

2.2 Die betriebliche Effizienz von intelligenten LEDs

Über diese sehr bedeutenden Einsparungen hinaus ist es möglich, den Zustand der Infrastruktur, der Controller und der Vorschaltgeräte in Echtzeit zu kennen und eine genaue Bestandsaufnahme und Benachrichtigungen über Ausfälle zu erhalten.

Dieser ständig bekannte Zustand der Infrastruktur und des Inventars bietet den Beleuchtungstechnikern völlig neue Möglichkeiten zur Rationalisierung der Wartung. Viele Arbeitsschritte, die früher den Einsatz von Fahrzeugen mit Hebebühne und die Anforderung eines Fahrers und eines Beleuchtungstechnikers erforderten, werden auf Mausklicks auf einer Anwendungsschnittstelle reduziert, die über die Kartografie des öffentlichen Beleuchtungsnetzes verfügt. Die Langlebigkeit der LED-Leuchten, die 15 bis 20 Jahre lang nicht ausgetauscht werden müssen und somit weitaus weniger Auswechslungen erfordern als die alten Entladungslampen, führt zu erheblichen Einsparungen bei der betrieblichen Wartung.

Die intelligente LED ermöglicht es also, auf zwei Ebenen zu spielen: Energieeinsparungen in der Grössenordnung von 70 % und betriebliche Einsparungen, die etwas schwieriger zu beziffern sind, da sie vom Inhalt der vorherigen Wartungsverträge abhängen. In der Praxis ist es nicht ungewöhnlich, dass mit Wartungseinsparungen von 20 bis 50 % zu rechnen ist.

Während noch vor zwei Jahren viele Projekte in der Schweiz auf einfache LED-Technologie setzten, weil sie leicht zu installieren ist, stellt sich heute kaum noch die Frage, ob intelligente LEDs eingesetzt werden sollen oder nicht. Angesichts der zusätzlichen Energieeinsparungen durch intelligente LEDs, der Einsparungen bei der Wartung und der zusätzlichen Dienstleistungen, die die Software mit sich bringt, sind intelligente LEDs heute ein Muss.

3. Die Software-Revolution in der Verwaltung der Infrastruktur für die öffentliche Beleuchtung

Die Strassenbeleuchtungsinfrastrukturen verändern sich mit dem zunehmenden Einzug von IT, Netzwerken und dem Internet der Dinge in eine Welt, in der bisher mit Hilfe von Steuerungen, die durch Uhren und Dämmerungssensoren ausgelöst wurden, ganze Segmente von Leuchten in undifferenzierter Alles-oder-Nichts-Manier beleuchtet wurden. Heute kann jede Leuchte differenziert behandelt werden, so dass sie genau dort leuchtet, wo und wann sie gebraucht wird. Ebenso liefert jede Leuchte einem Server Informationen über ihren Energieverbrauch und eventuelle Störungen. Diese wichtige Entwicklung stellt Lichtplaner vor die Herausforderung, IT-Know-how in ihre Praxis zu integrieren.

Dieses IT-Know-how hilft ihnen nun bei der Verwaltung ihres Beleuchtungsbestands, indem es ihnen nicht nur ermöglicht, die Beleuchtung so genau und sparsam wie möglich einzustellen, sondern auch die Wartungskosten zu rationalisieren. Schliesslich ermöglicht die Software eine genaue, flächendeckende und in Echtzeit verfügbare Kenntnis der Energieleistung der installierten Infrastruktur. Dies ist sehr wichtig für Industriedienstleister oder Energiespezialisten, die den Städten über die Effizienz der neuen Lösungen Bericht erstatten müssen.

Die Software kann heute als Schaltzentrale aller Dienstleistungen angesehen werden, welche allen Beteiligten der öffentlichen Beleuchtung angeboten werden können. Von den ursprünglichen Planern, die ihre Kosten zunehmend optimieren müssen, über die Installateure, die die Systeme in Betrieb nehmen, bis hin zu den Beleuchtungsingenieuren, die ihre Arbeitsvorgänge und den Energieverbrauch optimieren müssen, und zu den Projektinhabern, die den Städten über die erzielten Leistungen Bericht erstatten müssen; alle diese Akteure können dieselbe Software verwenden, welche die Installations- und Wartungskosten optimiert.

Diese Abhängigkeit vom Infrastrukturmanagement über effiziente Software und Dienstleistungen für jedes der Strassenbeleuchtungsunternehmen wird zunehmen, wenn davon ausgegangen wird, dass das Energie Performance Contracting (EPC) das A und O für die schnelle Umsetzung neuer Infrastrukturen sein wird. Wenn den Städten klar ist, dass die Umstellung auf eine kohlenstoffarme Strassenbeleuchtung durch eine leistungsabhängige Finanzierung der Infrastruktur machbar ist, werden Entscheidungen viel schneller getroffen werden. Die Optimierung der Leistung jedes Beteiligten wird wichtig sein und die Software und die Digitalisierung der Beleuchtungsprozesse werden dies erleichtern. Dies wird einen riesigen Markt und eine massive Dekarbonisierung der Strassenbeleuchtung schaffen.

4. Der Übergang zu vernetzten industriellen Dienstleistungen

Hinter der zunehmenden Bedeutung von Software in der öffentlichen Beleuchtung stehen weitere sehr wichtige strategische Aspekte. Die Industrie der Strassenbeleuchtung gehörte zu den ersten, die den Bedarf der intelligenten Städte vorausgesehen hat. Da sich die Strassenbeleuchtung schnell als eine der ersten Smart-City-Anwendungen herausstellte, die Energieeinsparungen mit sich bringen, war die Beleuchtungsbranche die erste, die sich auf Interoperabilitätsstandards für die Verbindung von Smart-City-Objekten ausserhalb der Strassenbeleuchtung einigte. So hat sich das TALQ-Konsortium, das ursprünglich 2012 von Anbietern intelligenter Aussenbeleuchtung gegründet wurde, zu einem offenen Industriekonsortium entwickelt, welches sich mit der gesamten Smart-City-Umgebung befasst. Das TALQ-Konsortium hat einen weltweit akzeptierten Schnittstellenstandard für Smart-City-Hardwarenetzwerke definiert. Diese Erweiterung der intelligenten Strassenbeleuchtungssoftware zur intelligenten Stadtverwaltungssoftware wird zur Realität. Dadurch steigt das Interesse der Städte an der Einrichtung intelligenter LED-Netzwerke und an der Anschaffung oder Nutzung von Smart-City-orientierter Beleuchtungsmanagementsoftware erheblich.

Der drastische Anstieg der Energiepreise und die Notwendigkeit, die Energieabhängigkeit aus klimatischen und geopolitischen Gründen unter Kontrolle zu halten, verändern die wirtschaftliche Landschaft jetzt radikal. Einige Pionierunternehmen aus der Industrie beginnen damit, die Finanzierung der Strassenbeleuchtungsinfrastruktur über die Energieleistung anzubieten. Die Leasingfinanzierung der Strassenbeleuchtungsinfrastruktur wird für Städte, die ihren alten Beleuchtungsbestand erneuern können, ohne ihr Betriebsbudget zu belasten, sehr attraktiv. Diese neuen Finanzierungsmöglichkeiten werden die industriellen Versorgungsunternehmen als Dienstleister für die intelligenten Städte von morgen positionieren. Intelligente Software für die Strassenbeleuchtung wird also eine wichtige strategische Rolle bei den Dienstleistungen für die Städte spielen, welche damit viele der Dienstleistungen für ihre Bürger modernisieren können. Diese Software wird zu einem grundlegenden Instrument für neue intelligente und vernetzte industrielle Dienstleistungen.