Doris Bohnet

Effiziente Kommunikation 

Den größten Umwelteinfluss von IoT-Geräten im Betrieb hat ihr Stromverbrauch, der wiederum maßgeblich von der Größe und Frequenz der gesendeten Daten abhängt. Zu einer IoT-Lösung gehört auch die Speicherung und Verarbeitung von Daten. Die Anzahl der zu speichernden Daten und der Speicherort beeinflussen direkt die Umweltbilanz einer IoT-Lösung. An der Fachhochschule OST, der Fachhochschule Vorarlberg, der ZHAW und der HTWG wurden diese unterschiedlichen Aspekte der IoT-Kommunikation in Experimenten und Fallstudien untersucht: 

• In Towards Sustainable IoT: Space Efficiency and Serialization Speed of Data Exchange Formats wurden 27 Datenformate untersucht und daraus Anforderungen an offene Kommunikationsstandards für einen effizienten Datenaustausch abgeleitet.
• Unter Laborbedingungen wurde der Stromverbrauch einer einfachen IoT-Lösung bestehend aus einem bzw. zwei Temperatursensoren und einem Controller untersucht. Der gemessene Verbrauch war um einen Faktor 10 höher als der von Hersteller angegebene. Insbesondere sendeten die Sensoren konstant Daten.
• Im Achieving Interoperability of IoT Devices in Lighting von Carigiet, Hellwig und Pawlitzek wird am Beispiel von intelligenten Beleuchtungssystemen gemeinsam mit dem Praxispartner Zumtobel untersucht, wie Interoperabilität verschiedener IoT-Lösungen erreicht werden kann.
• An der Fachhochschule OST sowie der ZHAW wurde untersucht, welche Art der Datenspeicherung aus Umweltgesichtspunkten am effizientesten ist und die Umweltbilanz von Cloud-Computing untersucht.
• An der ZHAW wird ein Internetmodell für die Ökobilanzierung entwickelt, wobei unterschiedliche Netzwerktechnologien wie 3G/LoRaWAN/WLAN/LAN berücksichtigt werden.

Effiziente Datenverarbeitung

An der Fachhochschule OST wurde eine Vorlesung zur Entwicklung von Green Software entworfen und bereits an einigen Hochschulen des Labs erfolgreich gehalten. 

Reduktion umweltkritischer Materialien

IoT-Geräte sind eine sehr heterogene Gruppe elektronischer Geräte, die sowohl kleine Sensoren oder RFID-Tags mit einem Gewicht von wenigen Gramm bis hin zu intelligenten Kühlgeräten mit einem Tonnengewicht umfassen.

Eine quantative Analyse von 234 Umweltproduktpässen von IoT-Geräten ergab folgende, am häufigsten vorkommende Materialien:  

Quelle: Bachelorarbeit Automatisierte Extraktion und Modellierung von Umweltindikatoren aus Umweltproduktprofilen von Jonas Mayer. 

Das folgende Bild zeigt die Einzelteile eines Printed Circuit Board (PCB) eines Aktuators, der an der Fachhochschule OST analysiert wurde. Dabei steht C für Kondensator, T für Transistoren, D für Dioden, R für Widerstände, SW für Schaltungen und C(Elk) für elektronische Steckverbindungen. 

In den meisten von uns analysierten LCA-Studien und eigenen Untersuchungen von IoT-Lösungen stellt die Produktion von elektronischen Komponenten den Hotspot für viele Umweltindikatoren dar. Weitere Details finden sich in dem Artikel Assessing the Environmental Impact of IoT Devices - Hotspots and Guidelines for a Better Understanding.

Wie sieht eine nachhaltige IoT-Lösung aus?

Im Zentrum des Labs stehen IoT-Lösungen im Gebäude, deren Einsatz einen nachhaltigeren Gebäudebetrieb versprechen. Klassische Beispiele sind smarte Thermostate oder Beleuchtungssysteme. Damit der negative Umwelteinfluss der IoT-Lösung möglichst klein und der negative möglichst groß ist, wird im Lab die optimale Konfiguration und Einsatzszenarien für IoT-Lösungen und die optimale Anzahl von IoT-Komponenten wie z.B. Sensoren gesucht.

In der Webapplikation GreenIoT (Arbeitstitel) kann jede und jeder die Ökobilanz der eigenen IoT-Lösung unter den spezifischen Nutzungsbedingungen berechnen und sich die Hotspots anzeigen lassen. Zudem wird der Break Even Point berechnet, d.h. wie lange die IoT-Lösung genutzt werden muss, damit ihre Umweltbilanz im Vergleich zu einer herkömmlichen Lösung positiv ist. Die Untersuchungen im Lab haben gezeigt, dass sowohl das Einsatzszenario (Gebäudehülle, Gebäudenutzung, Energiemix und Wetter), das Nutzerverhalten als auch die Konfiguration der IoT einen großen Einfluss auf die Ökobilanz der IoT-Lösung haben. Genau diese Einflüsse lassen sich in der App transparent machen. 

In einem Gebäude der HTWG (Baujahr 1900 mit schlechten Energieverbrauchswerten) wird als Reallabor im 1. Halbjahr 2026 eine smarte Heizungsinstallation unter Realbedingungen getestet. Kooperationspartner ist die junge Firma GreenAutarky, die dafür eine datenschutzkonforme, innovative Lösung anbietet. 

Am Campus Rapperswil der Fachhochschule OST wurde untersucht, inwieweit sich die Treibhausgasemission von Bestandsgebäuden durch den Einsatz von IoT senken lassen. Insbesondere der Einsatz von intelligenten Beleuchtungssystemen wurde im Detail modelliert. Da der Strombedarf für die Beleuchtung aber insgesamt klein ist und auf dem Campus bereits auf LED-Leuchten umgestellt wurde, konnte trotz zu erwartenden Stromeinsparungen von ca. 20% durch smarte Leuchten erst nach 10-15 Jahren Nutzungsdauer mit einer Nettoreduktion der Treibhausemissionen gerechnet werden. 

Campus Rapperswil-Jona der Ostschweizer Fachhochschule OST. Das untersuchte Gebäude 6, Baujahr 2002, ist
grün markiert. Die als Kulturgut geschützten Gebäude sind Gelb markiert. Quelle: Sanchen / Hagmann / Frank.

Auf Grundlage der Ergebnisse wurden folgende Handlungsempfehlungen für den IoT-Einsatz in Bestandsgebäuden abgeleitet: 

• IoT sollte nicht als Ersatz, sondern als Ergänzung konventioneller Betriebsoptimierungen eingesetzt werden.
• Sinnvoll ist IoT insbesondere, wenn umfassende Sanierungen nicht umsetzbar sind oder wenn herkömmliche Optimierungsmethoden bereits ausgeschöpft wurden.
• Darüber hinaus kann IoT als Übergangstechnologie dienen, um Energieverbrauch, Kosten und Emissionen zu reduzieren, bis eine Sanierung erfolgt.
• Zusätzliche Einsatzgründe können im Bereich Komfortsteigerung oder Nutzerfreundlichkeit liegen, die mit konventionellen Methoden nicht erreichbar sind 

Im Forschungshaus Ecolar werden verschiedene Aspekte von IoT-Lösungen zur smarten Heizungssteuerung untersucht:

• Umso weniger Sensoren benötigt werden, umso besser ist dies aus Umweltsicht. Gleichzeitig sind Temperatursensoren häufig nicht optimal positioniert, so dass sie nicht unbedingt die vom Raumnutzer gefühlte Temperatur messen. Mittels einer 3D-Temperaturmessung wurden verschiedene Temperaturzonen identifiziert und die optimale Anzahl und Positionierung der Temperatursensoren bestimmt.  
• Der Einfluss des Nutzers auf die Umweltbilanz der IoT-Lösung wird in Umweltproduktpässen und in vielen LCA-Studien typischerweise vernachlässigt. Dabei beeinflusst dieser den Stromverbrauch durch die Anzahl seiner Interaktionen mit der IoT-Lösung bzw. mit der zur IoT-Lösung bereit gestellten App. Die persönliche Komforttemperatur des Nutzers sowie seine Anwesenheit im Raum hat außerdem maßgeblichen Einfluss darauf, ob und in welchem Maß mittels einer smarten Heizungssteuerung im Vergleich zu einer herkömmlichen Steuerung Energie eingespart wird. Die Ergebnisse wurden im Artikel Dynamic Use-Phase Variability In IoT-Enabled Systems: A Simulation-Based Case Study Of Smart Thermostats veröffentlicht.
• IoT-Geräte unterschiedlicher Hersteller mit derselben Funktion werden unter Realbedingungen untersucht und die optimale Konfiguration einer einfachen IoT-Lösung abgeleitet. 

Eine Delphi-Studie an der Zeppelin-Universität hat ergeben, dass 

• IoT-Lösungen wirtschaftlich tragfähig sind, wenn Nutzen, Image und ökologische Faktoren berücksichtigt werden;
• Risiken wie Rebound-Effekte oder zusätzlicher Ressourcenverbrauch bestehen, sie sich aber durch Standards, Schulung und nachhaltiges Design eindämmen lassen;
• erfolgreiche IoT-Entwicklung gemeinsame Standards, transparente Regulierung und vertrauensvolle Zusammenarbeit zwischen Stakeholdern braucht und
• gemeinsame Werte und langfristige Partnerschaften gesellschaftlich akzeptierte Innovationen fördern. 

Durch die Entwicklung von Geschäftsmodellen auf Basis von und für IoT-Lösungen, sollen ökologische mit wirtschaftlicher Wertschöpfung in Einklang gebracht werden. Bis 2027 werden hierfür Frameworks für Product-Service-Systems (PSS)-Geschäftsmodelle entwickelt. In folgenden Fallstudien wurde bereits der Grundstein gelegt: 

In Kooperation mit dem Praxispartner Anta Swiss wurde an der ZHAW in der Studie Development of a Smart Connected Product-Service-System (PSS) for the Waste Management Ecosystem ein smartes Product-Service-System für Abfallmanagement entwickelt. Während einer zehnwöchigen Testphase mit einer Vorgängerversion dieses Systems konnten durch die optimierten Leerrouten die Arbeitszeit um 14 % und die Gesamtkosten um 16 % gesenkt werden. Darüber hinaus wurden durch die Einsparungen an Kraftstoff und Müllsäcken CO2-Einsparungen von 17 % erzielt. 

Ein mit Füllstandssensoren ausgestatteter Abfalleimer von Anta Swiss, der in der Gemeinde Wettlingen im Einsatz ist. Quelle: Nico Meier.

In dem Artikel Quantitative Models for Sustainable Smart Services in the Building Industry werden auf Grundlage einer empirischen Studie, die in Zusammenarbeit mit dem großen Schweizer Immobilienunternehmen Implenia durchgeführt wurde, die Perspektiven von Immobilienbesitzern, Immobilienverwaltern und Mietern hinsichtlich intelligenter Gebäudedienstleistungen (d. h. Mieterplattformen) untersucht. Quantitative Bewertungen zeigen den potenziellen wirtschaftlichen Wert, der durch die Integration intelligenter Technologien geschaffen wird, und belegen höhere Einnahmen für Immobilienbesitzer unter Berücksichtigung der anfänglichen Ausrüstungskosten und zusätzlicher Mieteinnahmen. Die in CO2-Äquivalenten gemessenen Umweltvorteile fallen jedoch geringer aus als ursprünglich angenommen. 

In der Studie Unveiling the synergy: economic and environmental value of building management systems in the era of digital service innovation wird das Potential der Digitalisierung von Gebäudemanagementsystemen für die ökonomische und ökologische Wertschöpfung untersucht. 

Drivers & Barriers

Im Artikel tba werden 125 Artikel untersucht und die Drivers & Barriers für IoT im B2B abgeleitet. 

Stakeholder-Netzwerk IoT

In 2026 wird ein Stakeholder-Netzwerk IoT fertig gestellt. 

Was mit IoT-Lösungen passiert, wenn sie ausgemustert werden, ist bislang wenig untersucht. Es lässt sich nur vermuten, dass die End-of-Life-Szenarien, die in Umweltproduktpässen der Hersteller zu finden sind, in vielen Fällen zu optimistisch sind, da sie meist auf pauschalen EU-weiten Recyclingraten für bestimmte Rohstoffe oder Produktkategorien beruhen, und sich nicht mit den empirischen Daten decken, laut denen nur ca. 22% aller Kleinelektronik dem Recycling zugeführt werden. 

Folgende Tabelle zeigt die Recyclingraten in Schweiz/Liechtenstein, Österreich sowie Deutschland. Leider existieren keine Daten spezifisch zu IoT-Geräten, da diese von Recyclern nicht als eigene Kategorie erfasst, sondern der Kategorie Elektronik zugeordnet werden. 

Quelle: Corinna Baumgartner

Im Lab soll im 2. Quartal 2026 im Austausch mit Swico Recycling eine Liste von Anforderungen an IoT-Geräte entwickelt werden, deren Berücksichtigung bei der Entwicklung von IoT-Hardware eine gute Rückgewinnung von wertvollen Rohstoffen erleichtern würde.