Die weltweite Digitalisierung nimmt rasant zu. Schätzungen zufolge sollen 2020 weltweit bereits 50 Milliarden Gegenstände, Sensoren und Maschinen vernetzt sein. Die globale Datenmenge könnte sich in den nächsten fünf Jahren bis auf 163 Zetabyte (163 mit 21 Nullen) gegenüber heute verzehnfachen. Einen wesentlichen Anteil am kommenden Digitalboom hat der Mobilfunkstandard 5G, der den vorherrschenden LTE (Long Term Evolution)-Standard ablösen soll. Die radikalen Veränderungen durch 5G beruhen auf einem ganzheitlichen Kommunikationsnetz, das die bisherigen Mobilfunkstandards, WLAN sowie Satelliten- und Festnetze zusammenführt.
Erwartet werden Datenkapazitäten von bis zu 20 Gbit im Download und bis zu 10 Gbit im Upload, das ist etwa hundertmal schneller als die LTE-Übertragung. Der eigentliche Vorteil liegt jedoch in den extrem niedrigen Reaktionszeiten (Latenz). Die Echtzeitübertragung von Daten mit Antwortzeiten unter einer Millisekunde spielt insbesondere beim autonomen Fahren, der Automatisierung von Produktionsprozessen, der Kommunikation zwischen Roboterstraßen und vernetzten Maschinen sowie dem Internet of Things (IoT) eine Rolle.
Inwieweit vorhandene Systeme, beispielsweise die häufig schon etwas betagten Gebäudeautomationssysteme (GA-Systeme), in ein 5G-Netz einbezogen werden können, wird die Praxis zeigen, sobald entsprechende Schnittstellen verfügbar sind. Von der Industrie-Automation ist bekannt, dass mehr als 60 Prozent der Bestandsanlagen noch Betriebssysteme wie Microsoft Windows 7 und älter verwenden und damit – mangels fehlender Sicherheits-Updates – mit der Anbindung an ein 5G-Netz ein hohes Risiko eingehen.
Aktuell bemüht sich die GA-Branche, bestehende Nutzer von GA-Systemen von den Vorzügen einer digitalen Vernetzung nach dem Prinzip „IoT“ zu überzeugen. Erste Anwendungen für 5G in der Gebäudetechnik werden im Bereich Service und Fernüberwachung erwartet.
Internationale Marktforschungsinstitute wie das weltweit tätige Forschungs- und Beratungsunternehmen Gartner warnen indessen vor übertriebenen Erwartungen hinsichtlich einer zeitnahen, breiten Marktabdeckung und damit einer Nutzung des 5G-Netzes. Dem von Gartner-Mitarbeitern entwickelten Management-Tool „Hype-Zyklus“ zufolge befindet sich 5G aktuell auf dem „Gipfel der überzogenen Erwartungen“, dem das „Tal der Enttäuschungen“ folgt. Experten rechnen damit, dass es mindestens noch fünf Jahre dauern wird, bis sich ein realistischer Markt ausbildet. Inzwischen formiert sich ein bundesweiter Widerstand gegen den 5G-Ausbau insbesondere wegen der Unklarheiten hinsichtlich der Strahlenbelastung. Einzelne Städte wie Genf, Brüssel und Freiburg haben aufgrund von Bürgerinitiativen und Petitionen den 5G-Ausbau bereits gestoppt. Unabhängig davon ist davon auszugehen, dass privat betriebene 5G-Campusnetze zügig ausgebaut werden, beispielsweise in Industrieparks oder Forschungseinrichtungen.
Bild: Wolfgang Schmid
Mehr Flexibilität in der Nutzung von Gebäuden
Wenn es nach der Immobilienwirtschaft geht, dann eröffnen der Breitbandausbau und 5G völlig neue digitale Geschäftsmodelle, die, Zitat www.finanzen.net „ganze Branchen im Eiltempo umkrempeln“. Dabei sei das Sammeln von Daten nichts Neues. Vielmehr gehe es darum, aus den nun noch üppigeren Datenströmen rund um eine Immobilie die richtigen Schlüsse zu ziehen und mithilfe Künstlicher Intelligenz (KI) passgenaue Lösungen für die Nutzer abzuleiten.
Wichtig sei, den Wandel zur „Sharing Economy“ mit in die Strategie einzubeziehen, beispielsweise Co-Working-Spaces (Miet-Arbeitsplätze), Serviced Apartments (Apartments mit Hotelservice) oder eine intelligente Parkraumbewirtschaftung. Eine wichtige Rolle spiele dabei die Nutzung von KI, um beispielsweise alle GA-Systeme und auch die eingesetzten Technologien miteinander zu vernetzen. Künstlicher Intelligenz komme die Aufgabe zu, Vorschläge über zusätzliche Nutzungsmöglichkeiten zu unterbreiten und bestehende Prozesse fortwährend zu optimieren. Dabei gehe es nicht nur um die Optimierung der gebäudetechnischen Anlagen, sondern auch um Strategien für den Gebäudebetrieb inklusive Vertragsmanagement, Bewertungen und Belegungen, die in einem digitalen Modell abgebildet werden.
Bild: Foud OF
Auf dem Weg zum großen Ganzen
Während die Gebäudeautomationsbranche aufgrund der Migration von Bestandsanlagen zu IoT-tauglichen Systemen im Moment eher auf Sicherheit vor Hackerangriffen bei bestehenden GA-Systemen fokussiert ist, arbeiten Projektentwickler bereits am intelligenten Zusammenspiel der Systeme weit über die Gebäudegrenzen hinaus.
Vorzeigeobjekte hierfür sind sogenannte Customized Smart Buildings wie das Start-up-Bürogebäude „The Ship“ in Köln, der digitale Zukunftscampus „Hammerbrooklyn“ in Hamburg oder die Büroimmobilie „Cube Berlin“. Laut Drees & Sommer, international tätiges Beratungsunternehmen für den Bau- und Immobiliensektor, Stuttgart, handelt es sich dabei um, Zitat, „intelligente Gebäude, die mithilfe von IoT-Technologien und künstlicher Intelligenz selbsttätig auf die Bedürfnisse ihrer Nutzer und deren Verhalten reagieren“. Sollte das Konzept funktionieren, dann lernt die KI aus den Daten des Betriebs, des Nutzers und der Umwelt, macht Vorschläge, wie das Gebäude in Zukunft betrieben werden soll und optimiert es fortwährend. Drees & Sommer nennt folgende Beispiele:
Entscheidend sei, so Drees & Sommer, längst genutzte Einzellösungen intelligent miteinander zu verknüpfen und mithilfe von KI zu optimieren.
Durch den Breitbandausbau gemeinsam mit der Einführung des Mobilfunkstandards 5G ließe sich das Konzept der Vernetzung auf Quartiere, Stadtviertel oder die ganze Stadt übertragen. Wichtig sind solche Daten für die Energie- und Wasserversorgung, den ÖPNV und bei Massenveranstaltungen wie Sport- oder Kulturevents auch für die Ordnungsbehörden. Als Beispiele für übergeordnete Vernetzungen nennt Drees & Sommer das Square Mannheim und das Quartier Heidestraße in Berlin.
Bild: BWVI Hamburg
VdZ unterstützt National 5G Energy Hub
Während erste 5G-Vernetzungen bereits im Entstehen sind bzw. in Betrieb gehen, läuft parallel dazu das deutsche Forschungsvorhaben „National 5G Energy Hub“. Dabei geht es darum, den 5G-Mobilfunkstandard für Anwendungen in der Energietechnik mit speziellem Bezug zur Gebäudeenergietechnik nutzbar zu machen. Beteiligt daran sind die TU Dresden, die RWTH Aachen, Deutsche Telekom, E.ON, Techem und Ericsson. Assoziierte Partner sind die Landeshauptstadt Dresden sowie der Fachverband VdZ, Spitzenverband der Gebäudetechnik.
Im ersten Schritt des Forschungsvorhabens wird Software und Hardware entwickelt, welche die 5G-Kommunikation von energetischen Anwendungen hin zu übergeordneten Systemkomponenten ermöglichen. Mit den Tools sollen künftig Anwender dieser Technik einen gesicherten Kommunikationszugang zu energetischen Anlagen und Anwendungen erhalten. Öffentliche Einrichtungen und Unternehmen würden in die Lage versetzt, direkt nach der geplanten Einführung des 5G-Standards im Jahr 2020 neue Produkte und Services im Energiebereich anzubieten.
Die 5G-Gateways ersetzen in erster Linie bisher kabelgebundene und starre Kommunikationswege durch eine funkbasierende und offene Kommunikationsplattform. Dadurch wird es möglich, dezentrale und regenerativ dominierte Versorgungsstrukturen zu einem funktionierenden System zu verbinden, so die Projektbeschreibung. Die erste Projektphase läuft bis Anfang 2020. Im zweiten Projektabschnitt (bis 2024) steht der Transfer der Ergebnisse zu Produkten und Serviceleistungen im Mittelpunkt. Feldtests sollen ab 2025 beginnen. Möglicherweise wirkt die Einführung der 5G-Standards in der Gebäudetechnik disruptiv auf die klassischen Anbieter von GA- und Automationssystemen, so der Eindruck des Autors nach Gesprächen mit klassischen GA-Anbietern.
Bild: Gartner Inc. 2019
Kritik in punkto Sicherheit, Gesundheit und Energieverbrauch
Wegen der hohen Komplexität von 5G-Netzen ist bei der Umsetzung mit einer hohen Rate an Software-Aktualisierungen zu rechnen, melden einschlägige Foren. Und weiter: Die Prüfung der Hardware auf Schwachstellen reiche nicht aus, sich vor Cyber-Spionage zu schützen. Bekannt sind die Bedenken weiter Kreise der Industrie gegenüber der 5G-Technik des chinesischen Herstellers Huawei. Aktuell sei es nicht möglich, die oft wöchentlichen Software-Aktualisierungen für 5G-Netze vollständig zu überprüfen und alle Sicherheitsaspekte zu überwachen.
Außerdem seien funkbasierende Systeme leicht manipulierbar. Auf der Handelsblatt-Cybersecurity-Tagung im November 2019 wurde etwa von einem noch im Verkauf befindlichen Verkehrsampelsystem berichtet, das sich mithilfe eines Notebooks manipulieren lässt, beispielsweise durch den Befehl „alle Ampeln auf Grün“. Insgesamt habe das Thema IT-Sicherheit in Deutschland einen zu niedrigen Stellenwert, mahnt das Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI).
Eine besonders hohe Bedrohungslage sieht auch der russische Hersteller von Sicherheitssoftware, Kaspersky Lab, für sogenannte Smart Buildings. Nahezu vier von zehn Computern, die zur Steuerung intelligenter GA-Systeme in der ersten Jahreshälfte 2019 eingesetzt waren, seien Hackerangriffen ausgesetzt gewesen. Schwachpunkte seien mit dem Internet verbundene Arbeitsstationen für Aufzüge, Lüftungs- und Klimaanlagen, Brandmeldeanlagen, Zugangskontrollsysteme, Videoüberwachung sowie für Strom- und Wasserversorgungen.
Eine Telemetrie-Analyse von 40 000 zufällig ausgewählten weltweit in intelligenten Gebäuden im Einsatz befindlichen Kaspersky-Sicherheitslösungen habe gezeigt, dass Cyberangriffe ein reales und jederzeit mögliches Szenario sind. Besonders begehrt bei Hackern sind Kontoinformationen und Technik Know-how.
BfS: „5G noch nicht so gut erforscht“
In Bezug auf die gesundheitlichen Auswirkungen des 5G-Standards reichen die Einschätzungen von „harmlos“ bis zu „fataler Ablehnung“. Realität ist, dass mit wissenschaftlichen Methoden weder eine generelle Unschädlichkeit der 5G-Stahlung noch das Gegenteil bewiesen werden kann. Das Bundesamt für Strahlenschutz (BfS) empfiehlt deshalb einen „umsichtigen 5G-Ausbau, da die Wirkungen höherer 5G-Frequenzen noch nicht so gut erforscht sind.“ Bei den jeweiligen Ausbauschritten von 5G müsse untersucht werden, ob die Menschen einer höheren Strahlungsmenge ausgesetzt sind. Außerdem werde das BfS mögliche Wirkungen der neuen Frequenzbereiche noch genauer untersuchen. Grundsätzlich sei davon auszugehen, dass auch bei 5G das Handy die größte Quelle von Mobilfunkstrahlung im Alltag sei. BfS-Empfehlung: Wer sich davor schützen will, sollte ein Headset verwenden oder über das Festnetz telefonieren.
Als Reaktion auf den breiten Widerstand in der Bevölkerung gegenüber 5G und Stromtrassen hat das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit das „Kompetenzzentrum Elektromagnetische Felder“ in Cottbus gegründet. Es soll, Zitat, auf lebensnahe Fragen der Bevölkerung rund um die Energiewende und eine mögliche Strahlenbelastung durch 5G wissenschaftlich fundierte Antworten finden (www.bfs.de , www.bit.ly/geb1672 ).
Auch energetisch betrachtet scheint 5G noch ein hohes Potenzial zur Einsparung aufzuweisen. Obwohl der Stromverbrauch einer 5G-Antenne gegenüber einer LTE-Antenne um 80 Prozent niedriger sein soll (Angabe Huawei) würde ein 5G-Netzwerk dreimal so viele Basisstationen benötigen wie ein 4G/LTE-Netz. Der Energiebedarf des 5G Netzes sei mindestens dreimal höher als der eines 4G/LTE-Netzes, berichtet China Mobile, größter Mobilfunkbetreiber der Welt. Dabei sind die 5G-Router für den Einsatz im privaten Bereich noch nicht berücksichtigt. Während eine Fritz-Box 6890 LTE von AMV auf einen durchschnittlichen Leistungsbedarf von 9,5 Watt kommt, liegt die Leistung eines drahtlosen 5G-Routers von Huawei (Air Fiber) mit einer Übertragungsgeschwindigkeit von bis zu 2 Gbit bei rund 120 Watt. Benötigt man wegen dicker Wände und metallbeschichtetem Wärmeschutzglas zusätzlich ein 5G-Außenmodul, dann summiert sich die Leistung auf 149 Watt, so der Informationsdienst www.computerbase.de.
Digitalisierung als Energiefresser
Auch wenn ein 5G-Netz aufgrund bedarfsorientierter Antennenleistung weniger Eigenstrom verbraucht als ein LTE-Netz (4G) werde aufgrund der mit 5G-Technologie zusätzlich möglichen Anwendungen der Stromverbrauch bei den Rechenzentren sowie der wachsenden Anzahl der Dienstleister rund um das 5G-Netz signifikant steigen. Einer Studie der RWTH Aachen im Auftrag des Stromversorgers E.ON zufolge nimmt der Strombedarf bis zum Jahr 2025 um bis zu 3,8 TWh zu. Das entspricht dem Jahresstromverbrauch von rund 2,5 Mio. Menschen, vergleichbar mit dem Jahresstromverbrauch von Köln, Düsseldorf und Dortmund. Explizit stellt die RWTH-Studie „C15 – Mehrverbrauch in Rechenzentren bei Einführung des 5G-Standards“, unter der Autorenschaft von Tim Höfer, Sebastian Bierwirth und Reinhard Madlener, heraus, dass nicht der Verbrauch der Mobilfunkmasten den Stromverbrauch hochtreibt, sondern die vielen kleinen, vernetzten Rechenzentren, die von Firmen eingerichtet werden, um die neuen technischen Möglichkeiten für betriebsinterne Anwendungen zu nutzen.
Aktuell werden rund 13 Mrd. kWh Strom in deutschen Rechenzentren in Wärme umgewandelt und größtenteils ungenutzt an die Umgebung abgegeben, so die RWTH-Studie. Allenfalls werde die Abwärme im Gebäude des Rechenzentrums für Heizung und Trinkwassererwärmung genutzt. Als Gründe für die Verschwendung von Energie in Rechenzentren werden angegeben:
Mit der Einführung des 5G-Mobilfunkstandards muss mit weiter rasant steigenden Datenmengen in allen IKT-Anwendungsbereichen (IKT, Informations- und Kommunikationstechniken) gerechnet werden. Nach einer Analyse der Wissenschaftlichen Dienste des Deutschen Bundestags aus dem Jahr 2019 mit dem Titel „Energieverbrauch von Rechenzentren“ sind es vor allem Streaming Dienste (Video on Demand) bei gleichzeitig steigenden Auflösungen zu Full HD und Ultra HD, die den Datenverkehr ansteigen lassen. Weitere Treiber sind Musik-Streaming-Dienste, Internetradio und Push-Dienste mit Aktualisierungen in kurzen Zeiteinheiten. Auch Cloud-Dienste, Video-Telefonie und Social-Media-Dienste produzieren ein immer größeres Datenaufkommen.
Im Hauptgutachten des Wissenschaftlichen Beirats der Bundesregierung (WBGU) mit dem Titel „Unsere gemeinsame digitale Zukunft“ warnen die Autoren bereits vor einem ungebremsten digitalen Wachstum. Es gelte, die digitalen Umbrüche in Richtung Nachhaltigkeit auszurichten. Ansonsten drohe die Digitalisierung als Brandbeschleuniger zu wirken. Betroffen davon wären nicht nur die natürlichen Ressourcen im Sinne einer Übernutzung, sondern sie führe auch zu einer Verschärfung sozialer Ungleichgewichte in vielen Ländern.
Fazit
Der Ausbau des 5G-Netzes wird, zumindest in den Großstädten, massiv vorangetrieben. Projektentwickler wie Drees & Sommer können bereits mit ersten Erfahrungen mit 5G in Gebäuden aufwarten. Für die Migration bestehender Gebäudeautomations- und Managementsysteme fehlt es noch an geeigneter Hard- und Software. Sicherheitsfirmen warnen davor, das Thema Cyber-Sicherheit beim Anschluss bestehender GA-Anlagen an das Internet und damit auch an 5G-Netze zu unterschätzen. Wegen möglicher gesundheitlicher Auswirkungen des 5G-Standards empfiehlt das Bundesamt für Strahlenschutz einen „umsichtigen 5G-Ausbau“. Rein energetisch betrachtet führt die breite Einführung der 5G-Technik durch die dann ansteigenden Datenmengen und das engere Netz an Basisstationen zu einem Mehrverbrauch an Energie, der um den Faktor drei über dem eines LTE-Netzes liegen kann. Indessen warnt der Wissenschaftliche Beirat der Bundesregierung vor einer ungebremsten, nicht an Nachhaltigkeitskriterien ausgerichteten Digitalisierung.
Bild: Margot Dertinger-Schmid
Was ist 5G und wie ist dessen Wirkung in Gebäuden?
5G steht für die fünfte Generation eines Mobilfunk-Standards. Er baut auf dem bereits bestehenden Mobilfunkstandard Long Term Evolution (LTE) auf, nutzt jedoch Frequenzen oberhalb von 6 GHz. Im Vergleich zum 4G-Standard (LTE) hat die 5G-Technik folgende Eigenschaften:
Von Nachteil ist, dass höhere Frequenzen eine geringere Durchdringung von Gebäudehüllen erreichen, sodass für die Inhouse-Nutzung mehrere 5G-Kleinzellenmasten im Umkreis von Gebäuden notwendig sind. Bei größeren Liegenschaften werden gebäudeinterne Kleinzellenstationen benötigt, insbesondere wenn das 5G-Netz auch Gebäudemanagement-Aufgaben und Fernwartungsfunktionen übernehmen soll.
Obwohl der Energieverbrauch pro übertragenem Bit im Idealfall nur ein Hundertstel dessen beträgt, was bei LTE verbraucht wird, führen die hohen Datenraten zu einem Mehrverbrauch an Energie, auch weil mehr Basisstationen gebraucht werden. Nach aktuellem Stand muss mit einem zwei- bis dreifach höheren Energieverbrauch gerechnet werden (Quelle: Huawei, China Mobile). Erfahrungsberichte aus den USA deuten darauf hin, dass sich 5G-Handys stärker erhitzen als 4G-Geräte, mehr Strom verbrauchen und früher ausfallen.
5G und die Gesundheit
Ende 2019 lebten in der Schweiz bereits rund 90 Prozent der Bevölkerung im Sendegebiet einer 5G-Antenne. Parallel zum Ausbau des 5G-Netzes sind auch der Widerstand der Bevölkerung sowie die Skepsis gegenüber der Digitalisierung bei unseren südlichen Nachbarn gewachsen. Unter der Überschrift „Aufstand der Elektrosensiblen“ bricht die Neue Züricher Zeitung (NZZ) eine Lanze für die wachsende Zahl an elektrosensiblen Menschen, die unter Schlafstörungen, Konzentrationsschwäche und anderen unspezifischen Symptomen leiden und diese dem Ausbau des 5G-Netzes zuschreiben. Trotz, Zitat NZZ, „tausender seriöser wissenschaftlicher Studien“ über die Ungefährlichkeit der Mobilfunkstrahlung – auch der neuesten Spielart 5G – baut sich in der Schweiz eine Widerstandsbewegung ähnlich der AKW-Bewegung auf.
Das deutsche Bundesamt für Strahlenschutz (BfS) sieht ebenfalls noch offene Fragen im Zusammenhang mit dem 5G-Ausbau, auch wenn die Behörde bei Einhaltung der aktuellen Grenzwerte keine Gefahr für die Bevölkerung sieht.
Eine wesentliche Schwierigkeit für eine seriöse Einschätzung der 5G-Strahlung scheint der Umstand zu sein, dass es für epidemiologische Untersuchungen keine unbelastete Kontrollgruppe mehr gibt. Der Grund: Fast die gesamte Bevölkerung ist inzwischen durch den LTE-Standard, WLAN-Nutzung und Dect-Telefonie hochfrequenten elektromagnetischen Feldern ausgesetzt. Oft wird unterschätzt, dass bei einem 5G-Smartphone die Datenflut gegenüber einem LTE-Gerät um das Tausendfache ansteigen kann und damit eine ganz neue Strahlungsexposition auf das menschliche System wirksam wird.
Um mehr über den Einfluss von 5G-Netzen auf die menschliche Leistungsfähigkeit zu erfahren, hat das Institut für physikalische Raumharmonisierung (IPR), Berlin, in einem Smart Building auf dem Campus der RWTH Aachen mit Messungen an Probanden begonnen. Ziel ist es herauszufinden, welche Wirkung 5G auf die Gehirnströme der dort Beschäftigten hat. Schon jetzt ist erkennbar, dass durch die Dauerbestrahlung im Smart Building mit einer extremen Einschränkung der Gehirnfrequenzen bei den dort arbeitenden Menschen zu rechnen ist. Wie sich diese Einschränkung mittel- oder langfristig auswirken wird, kann allerdings aufgrund der Messungen noch nicht geklärt werden. Als Maßnahme zum Schutz elektrosensibler Menschen bietet das IPR ein Verfahren für den Aufbau einer Gegenschwingung zur 5G-Strahlung an. Damit lasse sich erreichen, dass die negativen Einflüsse aus der 5G-Übertragungstechnik bei einer Gehirnstrommessung nicht mehr erkennbar sind, so Dr. Peter Backwinkel, Geschäftsführer IPR. Das Verfahren werde bereits erfolgreich in Hotels, Gewerbebetrieben mit starken elektrischen Feldern, Schulen, Banken und Privathäusern eingesetzt.
Bild: Margot Dertinger-Schmid
