Moos als natürlicher Luftfilter im urbanen Raum
Moos besitzt die natürliche Fähigkeit, Schadstoffe zu binden und abzubauen sowie große Mengen Feuchtigkeit zu verdunsten. Diese Eigenschaften nutzt die Green City Solutions GmbH, um die Belastung der Luft mit Feinstaub, CO₂ und weiteren Schadstoffen lokal zu reduzieren, den Sauerstoffgehalt zu erhöhen und sommerliche Hitzeeffekte zu mindern. Seit der Gründung im Jahr 2014 bepflanzt das Unternehmen vertikale Flächen seiner neuartigen Stadtmöbel – den sogenannten CityTrees – mit Moos als natürlichem Filtermedium.
Die ersten CityTrees arbeiteten mit passiven Moosfiltern. In der Praxis zeigten sich jedoch schnell die Grenzen dieses Ansatzes: Ohne kontinuierliche Zustandserfassung und aktive Steuerung konnte die klimaaktive Biomasse nicht optimal versorgt werden. Die Folge waren Ausfälle, eine reduzierte Umweltwirkung sowie Skepsis bei kommunalen Anwendern. Zusätzlich wurde der hohe Energiebedarf der Systeme und ihr CO₂-Äquivalent kritisch bewertet.
Vom passiven Vertikalgarten zum aktiven IoT-Luftfiltersystem
Vor diesem Hintergrund suchte GCS-Geschäftsführer Peter Sänger im Jahr 2018 einen Elektronik- und IoT-Spezialisten, der eine kontinuierliche, energieoptimierte Fernüberwachung und eine bedarfsgerechte Versorgung der Moosfilter sicherstellen konnte. Diese Kompetenz brachte die auf kundenspezifische Entwicklungsvorhaben spezialisierte KD Elektroniksysteme aus Zerbst (Sachsen-Anhalt) in das Projekt ein.
Innerhalb kurzer Zeit entwickelte KD ein vollständig neues System komplexer Schalt- und Steuereinrichtungen. Durch die Vernetzung verschiedener Systemkomponenten wurden die Vertikalgärten von passiven zu aktiven Luftfiltern weiterentwickelt. Herzstück ist eine eigens entwickelte Platine im Schaltschrank jedes CityTrees, die als Head Unit sämtliche Abläufe in den einzelnen Filtermodulen überwacht und steuert.
Sie regelt unter anderem den Füllstand des Wassertanks, misst in Verbindung mit elektronischen Controller Units Temperatur und Feuchtigkeit der Moosfelder, steuert Bewässerungsventile und optimiert die Luftführung über integrierte Lüfter. Gleichzeitig erfassen Sensoren die Feinstaubbelastung und die Partikelgrößen, um die Filterleistung dynamisch anzupassen.
Vernetzung, Cloud-Anbindung und Edge Computing
Die in den einzelnen Modulen erhobenen Daten werden über ein Bussystem an die Head Unit übermittelt. Ein ebenfalls von KD entwickeltes Gateway ermöglicht über eine API-Schnittstelle die bidirektionale Kommunikation mit dem zentralen Server von Green City Solutions. So können Zustandsdaten einzelner CityTrees weltweit nahezu in Echtzeit abgerufen und Steuerbefehle ebenso schnell zurückgespielt werden.
„Klingt einfach, war für uns aber eine komplexe Herausforderung“, bilanziert KD-Geschäftsführer Ralf Kleinodt die Anfang 2019 gestarteten Entwicklungsarbeiten. Ziel sei es gewesen, klassisches IoT in ein „Internet of living things“ zu überführen. Besonders anspruchsvoll war die präzise Erfassung der organischen Filtereigenschaften und deren Verknüpfung mit moderner Sensorik, Bewässerungs- und Ventilationstechnik. Der Entwicklungsprozess verlief agil und mit stetigen Optimierungsschritten.
Im Zuge dieser Weiterentwicklungen konnte auch die Energiebilanz deutlich verbessert werden: Der Strombedarf der Lüfter sank gegenüber der vorherigen Lösung um den Faktor fünf.
Effiziente Datenverarbeitung und hohe Systemsicherheit
Ein zentrales Element der Lösung ist der Edge-Computing-Ansatz. Statt alle Rohdaten permanent an den Server zu senden, werden sie bereits lokal analysiert, gemittelt und bewertet. Ist alles im Sollbereich, wird lediglich dieser Status in Intervallen in die Cloud übertragen. Nur bei Abweichungen sendet das System detaillierte Messwerte und ermöglicht so gezielte Sofortmaßnahmen.
Dieser Ansatz reduziert das Datenvolumen erheblich, senkt Traffic- und Energiekosten und sorgt gleichzeitig für hohe Ausfallsicherheit. Selbst bei einer temporären Unterbrechung der Datenverbindung arbeitet das System autark im Notbetrieb weiter.
Partnernetzwerk und industrielle Umsetzung
Wissenschaftlich begleitet wurde das Projekt vom Leibniz-Institut für Troposphärenforschung in Leipzig und dem Dresdner Institut für Luft- und Kältetechnik. Zudem trug die enge Zusammenarbeit mit der HEB industrie-elektronik aus dem regionalen Umfeld zum Erfolg bei. Der EMS-Dienstleister übernahm unter hohem Zeitdruck unter anderem die Bestückung der Controller Units.
Die KD Elektroniksysteme brachten ihr über zwei Jahrzehnte gewachsenes Know-how in die Projektierung und Fertigung der gesamten Elektronik ein – von der Leiterplattenentwicklung und Programmierung über Sensorik und Netzwerkanbindung bis hin zur Montage der Schaltschränke.
Anwendung, Nutzen und Perspektiven
Die Ergebnisse überzeugten den Auftraggeber nachhaltig. Peter Sänger bezeichnet KD als starken und verlässlichen Partner mit umfassender Expertise in IoT-, Vernetzungs- und Smart-City- Anwendungen. Hauptnutzer der CityTrees sind bislang Kommunen, darunter Metropolen wie London, Paris, Brüssel oder Amsterdam sowie zahlreiche deutsche Großstädte.
Darüber hinaus eignen sich die Systeme für Unternehmen, Bildungseinrichtungen, Behörden, Eventflächen oder andere Standorte mit besonderem Bedarf an lokaler Luftreinhaltung. Die neueste Generation der CityTrees bietet zusätzliche Refinanzierungsmöglichkeiten, etwa über digitale Informations- und Werbeflächen. Zudem können die in Echtzeit erfassten Umweltdaten von Drittkunden genutzt werden.
Künftig wird KD die im Projekt gewonnenen Erkenntnisse auch in anderen Anwendungsfeldern einsetzen, etwa in der Gebäudeleittechnik oder bei komplexen schaltschrankbasierten Steuer- und Regelsystemen. „Gern auch wieder gemeinsam mit innovativen Start-ups“, so Kleinodt, denn solche Kooperationen böten großes Entwicklungspotenzial für beide Seiten.