Hitze.Wasser.Management

Hannover befindet sich noch in der Umsetzung seiner innovativen Wasser- und Hitzemanagementlösung, hat aber bereits erste Erfahrungen aus der bisherigen Umsetzung gesammelt. 

Urban Heat Island Effekt messen 

Hannover hat die innerstädtische Hitze bereits in der Stadtklimaanalyse 2022 geodatenbasiert berechnet und modelliert. Jetzt geht die Stadt einen Schritt weiter: Mit dem neuen Klima-Messnetz lassen sich die Hitzeentwicklung präzise messen und die Modellierungsdaten verlässlich validieren. Die hochprofessionelle Messstation des Deutschen Wetterdienstes (DWD), die ebenfalls im innerstädtischen Raum platziert ist, dient dabei als Referenz für die Sensordaten.

Gefühlte Temperatur und Verhalten bei Hitze berücksichtigen

Das Klima-Messnetz erfasst nicht nur die tatsächliche Temperatur, sondern stellt auch die subjektiv empfundene Hitze fest. So lässt sich die Belastung für die Menschen in verschiedenen Stadtteilen besser bewerten. Durch die reale Datenerhebung lassen sich die ortsgebundenen Modellierungen des Klima-Agentenmodells, das die Belastung verschiedener Bevölkerungsgruppen unter Hitze simuliert, gezielt überprüfen und optimieren. Gleichzeitig können besonders hitzebelastete Orte identifiziert werden, um dort die Agenten-Modellierung einzusetzen und die spezifische Belastungssituation der Menschen zu ermitteln. 

Effektivität und Effizienz des Messnetzes schrittweise evaluieren

Hannover überprüft und verbessert die Effektivität und Effizienz des Messnetzes kontinuierlich. Dazu erfolgt eine regelmäßige Auswertung der Messfrequenz, der Wahl der Messstandorte sowie der Datenübertragung via LoRaWAN. Diese kontinuierliche Evaluation gewährleistet einen effizienten Ressourceneinsatz und die Orientierung am optimalen Kosten-Nutzen-Verhältnis. 

Erprobtes Konzept für das Klima-Messnetz 

Hannover sammelt wertvolle Erfahrungen mit seinem Klima-Messnetz, die anderen Kommunen zugutekommen können. Von der Installation über die Auswahl der Sensoren und Messgrößen bis hin zur Datenübertragung bietet das Projekt umfassende Einblicke. Hervorzuheben ist die Nutzung von LoRaWAN als standardisiertes System, sodass die Übertragung auf andere Städte problemlos möglich ist.

Replizierbare Pilot-Zisterne 

Die in Planung befindliche Zisterne in der Prinzenstraße soll als innovatives Pilotprojekt dienen, das zeigt, wie Wasserressourcen effizient gesteuert werden können. Die Entleerung erfolgt automatisch anhand von Regenradardaten des DWD, während Bodenfeuchtesensoren die Bewässerung der Bäume regulieren. Dieses Konzept nutzt Open-Source-Steuerungsalgorithmen und ist vollständig auf andere Kommunen übertragbar. Neben der Wassermenge wird auch die Qualität des Regenwassers berücksichtigt, sodass nur qualitativ hochwertiges Wasser in die Zisterne gelangt. Das zugrundeliegende Vorhersagemodell zur Qualität des Niederschlagswassers der Universität Hannover stellt dies sicher. Die umfassende Dokumentation des Zisternenbaus wird anderen Städten zur Verfügung gestellt, um den Nachbau zu erleichtern. 

Investitionen in Klima-Messnetz, Zisterne, Bewässerungssystem und Coolspots

Das Sensoren-Netz, die innovative Zisterne mit ihrem automatisierten Bewässerungssystem und potenziell einzurichtende Coolspots stellen für Hannover wertvolle infrastrukturelle Investitionen dar, die langfristig Bestand haben. Während für das Klima-Messnetz noch ein funktionierendes Betriebsmodell entwickelt wird, insbesondere in Bezug auf Messfrequenz, Datenübertragung und Sensor-Wartung, ist für die Zisterne bereits ein nachhaltiger Betrieb durch die Stadtentwässerung Hannover vorgesehen.

Datenintegration in die Urban Data Platform von Hannover

Die Messdaten aus dem Sensorik-Netz sowie Regenwasserqualitätsdaten, Füllstände der Zisterne, Modellierungen aus dem Klima-Agentenmodell und die Standorte und Wirkungen der Coolspots fließen nahtlos in die Urban Data Platform der Stadt. Diese Plattform dient als zentrale Datenquelle und steht in Zukunft sowohl der Stadtverwaltung als auch der Bevölkerung dauerhaft zur Verfügung. 

Lokale Herausforderungen

Hannover steht vor der dringenden Herausforderung, seine hochverdichteten, innerstädtischen Gebiete an die Auswirkungen des Klimawandels anzupassen. Besonders in der Innenstadt, wie etwa entlang der Prinzenstraße, ist die Hitzebelastung laut der Stadtklimaanalyse 2022 im Sommer extrem hoch. Im Rahmen des Beteiligungsprozesses zur Erstellung der Smart-City-Strategie wurde der Bedarf nach mehr Grünflächen und kühlen Orten untermauert. Grüne Elemente, die das Stadtklima durch Schatten und Kühlung verbessern können, sind jedoch nur dann wirksam, wenn sie in Trockenperioden ausreichend bewässert werden – ein Unterfangen, das bisher personalintensiv und mit erheblichem Wasserverbrauch verbunden ist. 

Regenwasser wird bislang ungenutzt in die Kanalisation geleitet, anstatt es für die Bewässerung zu speichern. Bei Starkregenereignissen hingegen muss die Kanalisation entlastet werden. Die Balance zwischen Wasserspeicherung und Entlastung der Kanalisation ist eine zentrale Herausforderung, die durch klimatische Veränderungen an Bedeutung gewinnt.

Darüber hinaus unterschätzen viele Menschen die Hitzebelastung, der sie in der Innenstadt ausgesetzt sind. Die Stadtklimaanalyse modelliert bereits diese Belastung; es braucht jedoch genaue Messungen zur Validierung, um Handlungsempfehlungen an die Bevölkerung zu geben und die Planung und Pflege blau-grüner Infrastruktur datenbasiert anzupassen.

Planungsziele

Hannover verfolgt angesichts der aktuellen Herausforderungen vier zentrale Ziele: 

(1) eine klimagerechte Stadtplanung und Hitzevorsorge, 

(2) die wassersensible Stadtentwicklung und Starkregenvorsorge nach dem Schwammstadt-Prinzip, 

(3) eine ressourcenschonende und 

(4) eine datenbasierte Stadtentwicklung. 

Diese Ziele sind Teil der Smart-City-Strategie im Bereich Lebensraum und eng verknüpft mit den Themen „Daten & Technologie“ sowie „Gesundheit“. Sie sind auch in die Klimaanpassungsstrategie, das Freiraumentwicklungskonzept „Stadtgrün 2030“ und das Innenstadtkonzept „Mitte neu denken 2035“ integriert.

Die entwickelten Lösungen für das Management von Hitzebelastung und Wassernutzung unterstützen diese Ziele. Coolspots reduzieren gezielt die Hitzebelastung und verbessern die Aufenthaltsqualität. Die smart gesteuerte Zisterne speichert Regenwasser, entlastet das Kanalnetz bei Starkregen und trägt so zu einer wassersensiblen Stadtentwicklung bei. Durch smarte Bewässerung wird eine effiziente, wassersparende Pflege des Stadtgrüns erreicht. Die datenbasierte Stadtentwicklung wird durch die Erhebung und Nutzung von Klimadaten gestärkt, die zur Steuerung und Validierung der implementierten Lösungen dienen.

Ansatz zur Wirkungsmessung

Hannover hat Wirkungsindikatoren entwickelt, die Aufschluss über die Wirkung verschiedener Bestandteile des Hitze- und Wassermanagements geben sollen. Diese beziehen sich vor allem auf die Bewässerungsleistung über die Zisterne und die mögliche zusätzliche Kühlwirkung von Coolspots. 

• Indikator 1: Anzahl der Tage mit 100% Deckung des Bewässerungsbedarfs für die in Zisternennähe befindlichen Bäume im Praxisbetrieb im Verhältnis zum gemäß Wasserbilanzmodell theoretisch erreichbaren Anteil der Tage.
• Indikator 2: Genutztes Regenwasser aus der Zisterne für Bewässerungszwecke als Durchflussmenge in Litern; der Erfolg der Maßnahme steigt mit jedem Liter eingespartem Trinkwasser. 
• Indikator 3: Einsparung an Wasser für die Bewässerung der automatisch bewässerten Bäume im Vergleich zu händisch bewässerten Bäumen in Prozent.
• Indikator 4: Qualität des Zisternenwassers hinsichtlich Bewässerungszwecke. Die Parameter werden in Zusammenarbeit mit der Begleitforschung festgelegt. 
• Indikator 5: Kühleffekte blau-grüner Infrastrukturmaßnahmen in Grad Kelvin können in Abhängigkeit von der Wasserversorgung ebenfalls in Zusammenarbeit mit der Begleitforschung modelliert werden.

Hannover erwartet darüber hinaus positive Wirkungen in der Bildung und Gesundheitsförderung, so vor allem über ein gesteigertes Bewusstsein der Menschen durch die Kommunikation von Messergebnissen und Verhaltenstipps bezüglich Hitzebelastung und Wasserverbrauch. 

Prozessschritte

1. Klima-Agentenmodell:
   1. Modellraum definieren
   2. Datengrundlagen zusammentragen
   3. Eingangsparameter definieren
   4. Modell programmieren
   5. Fragestellungen hinsichtlich Auswertung der Modellergebnisse definieren
   6. Anforderungen an Benutzeroberfläche definieren
   7. Benutzeroberfläche (Dashboard) entwickeln
   8. Integration in Urbane Datenplattform und Urbanen Digitalen Zwilling umsetzen
2. Messnetz: 
   1. Sensoren-Typen bestimmen und Sensoren-Standorte identifizieren
   2. Datenübertragung bestimmen (hier: LoRaWAN)
   3. Messstationen (Sensoren-Bundle) aufbauen, Datenübertragungsrate festlegen 
   4. laufende Evaluation der Messergebnisse und Nutzen dieser sicherstellen
   5. Integration in Urbane Datenplattform und Urbanen Digitalen Zwilling umsetzen
3. Zisterne und Bewässerungsanlage:
   1. relevanten Parameter für die Zisterne festlegen (Lage, Volumen, Ausführung, angeschlossene Flächen)
   2. Steuerungselemente für den smart gesteuerten Abfluss und die Sensorik für Wasserstand und -qualität bestimmen 
   3. Steuerungssystem für Zu- und Ablauf entwickeln 
   4. Bau/Installation der Zisterne umsetzen
   5. Bodenfeuchtesensoren einsetzen  
   6. Integration des Untersuchungsraums Prinzenstraße in das Klima-Agentenmodell gewährleisten (Modellierung der Kühlwirkung der unterschiedlich bewässerten Bäume)
   7. Inbetriebnahme terminieren
   8. begleitende Kommunikation umsetzen (z.B. Kunstinstallationen zum Füllstand der Zisterne) 
   9. Evaluation durchführen

Governance

Das Smart-City-Kernteam der Stadt Hannover koordiniert den Gesamtprozess der Umsetzung in Abstimmung mit den anderen Smart-City-Aktivitäten. Für richtungsgebende Entscheidungen wird die Lenkungsgruppe hinzugezogen. Die Umsetzung liegt beim Fachbereich Umwelt und Stadtgrün, in dem die Koordinationsstelle Klimafolgenanpassung eng mit der Grünflächenpflege (v.°a. für Bodenfeuchtesensorik und Baumbewässerung) zusammenarbeitet. 

Für die Planung und Umsetzung der Zisterne besteht eine enge Zusammenarbeit mit der Stadtentwässerung Hannover, welche sich auch finanziell an der Umsetzung beteiligt und den Betrieb übernehmen wird. Das Tiefbauamt setzt den Bau der Zisterne um. Das Institut für Siedlungswasser und Abwassertechnik (ISAH) entwickelt das Regelungssystem für die Steuerung von Zu- und Ablauf der Zisterne. 

Das Klima-Agentenmodell wurde mit der GEO-NET Umweltconsulting GmbH entwickelt. Das Institut für Meteorologie und Klimatologie (IMUK) der Leibniz Universität Hannover (LUH) setzt die Modellierung der Kühleffekte von blau-grüner Infrastruktur um. Für die Validierung der modellierten Hitzebelastung erhebt das Institut für Physische Geographie und Landschaftsökologie der LUH Bewegungsmuster und Nutzungsprofile für die Innenstadt Hannovers. 

Der Bereich Geoinformation der Stadt setzt perspektivisch die Integration der Messdaten und Modellierungen in die urbane Datenplattform und den digitalen Zwilling um. 

Kosten bei Beschaffung und Betrieb

exklusive Klima-Agentenmodell; hier lagen die Kosten bei 100.000 €. 

Partizipation und Kommunikation

Um eine Smart-City-Strategie für Hannover zu entwickeln, setzte die Stadt einen umfassenden Dialog- und Beteiligungsprozess um. Dieser Prozess umfasste verschiedene Formate: unter anderem eine repräsentative Befragung, die Gründung eines Beirats mit Bürgerinnen und Bürgern, die Durchführung zweier Reallabore, eine Design-Thinking-Werkstatt. Fokuspunkt für die Strategie war die Innenstadt. Die Ergebnisse offenbarten die dringende Notwendigkeit, auf die steigende Hitzebelastung zu reagieren. Gleichzeitig zeigte sich, dass viele Menschen noch kein ausreichendes Bewusstsein für diese steigende Belastung haben und sie unterschätzen. Somit wurde deutlich, dass die Kommunikation im Kontext von Wasser- und Hitzemanagement für die Umsetzung zentral ist. 

Technische Infrastruktur

Für das Klima-Messnetz werden die Sensoren Dragino LHT65N und Dragino LSN50v2-D22 eingesetzt, welche Lufttemperatur, relative Luftfeuchte, Globe-Temperatur und Helligkeit messen. 

Das in Zusammenarbeit mit dem IMUK von der GEO-NET Umweltconsulting GmbH entwickelte Klima-Agentensystem nutzt unterschiedliche mikroskalige meteorologische Modelle wie FITNAH (Strömungsmodell für Windfeldsimulation), ASMUS (Ausbreitungs- und Strömungsmodell für urbane Stadtstrukturen), die das Temperaturempfinden einer Person simulieren können. Das hochauflösende PALM-Modell modelliert die Kühleffekte blau-grüner Infrastruktur.

Die technischen Instrumente für die Zisterne inklusive ihres Bewässerungssystems können nach Abschluss der Installation weitergegeben werden. 

Datengrundlagen

Die Sensorendaten des Klima-Messnetzes (s.o.) werden neu erhoben und aktuell durch die GEO-NET Umweltconsulting GmbH gesammelt und ausgewertet. Perspektivisch sollen der Fachbereich Umwelt und Stadtgrün und der Bereich Geoinformation die Messdaten empfangen und verwerten. Mit der Inbetriebnahme der Zisterne und dem verbundenen Bewässerungssystem werden Wasserqualität, Wasserstand und Wasserverbrauch zur Baumbewässerung gemessen. 

Bereits vor dem Projekt gab es Modellierungen und Hochrechnungen aus der Stadtklimaanalyse, aus Messdaten zur Temperatur des DWD sowie aus Daten zum Wasserverbrauch zur Baumbewässerung.