MoRaU - Monitoring und Modellierung der Urbanisierung in Subsahara-Afrika

Die Verstädterung in Subsahara-Afrika nimmt mit einer außergewöhnlichen Dynamik immer weiter zu, besonders in die Hauptstädte ziehen jeden Tag tausende Menschen vom Land – auf der Suche nach Arbeit, Bildung und einer besseren Zukunft. Doch der rasante Zustrom stellt Stadtverwaltungen, Energieversorger und Verkehrsplaner vor enorme Herausforderungen: Straßen verstopfen, Stromnetze geraten an ihre Grenzen und vielerorts fehlt es an bezahlbarem Wohnraum. Wie kann diese Dynamik so gestaltet werden, dass lebenswerte und nachhaltige Städte entstehen? Mit dieser Frage beschäftigt sich das von der Daimler Benz Stiftung geförderte Forschungsprojekt „Monitoring und Modellierung der Urbanisierung in Subsahara-Afrika“, das im Juni 2025 unter Leitung von Prof. Dr. Wilhelm Stork vom Institut für Technik der Informationsverarbeitung des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) gestartet ist.

Das Problem rasanter Verstädterung ist in fast allen Hauptstädten Subsahara-Afrikas zu beobachten. Für das Projekt wurde als Beispiel die äthiopische Hauptstadt Addis Abeba ausgewählt, die zu den am schnellsten wachsenden Städten der Welt zählt. Aktuell beträgt das Wachstum 4,4 Prozent pro Jahr. Die aktuelle Bevölkerung liegt bei knapp 6 Millionen und wird bis 2050 auf 13 Millionen projiziert. Das Wachstum basiert auf dem weitgehend ungesteuerten Zustrom vom Land.

Digitale Zwillinge als Werkzeuge für nachhaltige Stadtentwicklung

Für die Stadtplanung besteht in Entwicklungsländern wie auch in Addis Abeba keine ausreichende Datengrundlage zur Planung von Infrastrukturen. Daher wird im ersten Schritt des Projekts ein Sensornetz in einem Stadtteil von Addis Abeba installiert, um den Stromverbrauch und den Verkehrsfluss (Menschen, Fahrzeuge) zu messen. Im zweiten Teil des Projekts werden diese Daten mit Stadtplänen und der historischen Stadtentwicklung verknüpft, um einen digitalen Zwilling des Modellbezirks zu erschaffen.

Zentrales Ziel ist der Aufbau eines sogenannten Digital Twin – eines digitalen Zwillings des gesamten Stadtgebiets von Addis Abeba. Dieses virtuelle Abbild verknüpft Messdaten aus verschiedenen Quellen, etwa aus dem Stromnetz, dem Verkehr und der Stadtplanung. Durch die Kombination dieser Informationen entsteht ein dynamisches Modell, dass das Wachstum der Stadt sichtbar und analysierbar macht. So können künftig Fragen beantwortet werden wie: In welchen Vierteln steigt der Energiebedarf besonders stark? Wo verlagert sich der Verkehr? Welche Gebiete werden als Nächstes stark wachsen? Der digitale Zwilling soll Stadtverwaltungen helfen, Investitionen gezielt zu steuern – zum Beispiel in neue Stromverteiler, Buslinien oder Wohngebiete.

Eine besondere Schwierigkeit vieler afrikanischer Städte ist der Mangel an verlässlichen Daten. Um diese Lücke zu schließen, entwickelt das KIT gemeinsam mit dem College of Technology and Built Environment der Addis Ababa University und dem staatlichen Energieversorger der Ethiopian Electric Utility (EEU) ein Netzwerk aus intelligenten Sensoren. Diese kleinen Geräte erfassen einerseits den Energieverbrauch an Verteiltransformatoren, andererseits den Verkehrsfluss an wichtigen Straßenabschnitten. Zur Datenübertragung nutzen sie als zuverlässige und kostengünstige Lösung das Mobilfunknetz (GSM/LTE), das auch in dicht bebauten Stadtgebieten stabile Verbindungen gewährleistet. Die gewonnenen Informationen werden in einer Cloud-Plattform gespeichert und dienen als Grundlage für die Simulationen des digitalen Zwillings.

Urbanisierung verstehen und gestalten

Auf Basis der Messdaten und vorhandener Stadtpläne werden mithilfe moderner Geoinformationssysteme und künstlicher Intelligenz Modelle erstellt, die zeigen, wie sich Addis Abeba bislang entwickelt hat und wie es sich künftig verändern könnte. Anschließend werden verschiedene Szenarien durchgespielt: Was passiert, wenn der Anteil von Elektrofahrzeugen stark zunimmt? Welche Folgen hätte der Ausbau des öffentlichen Nahverkehrs? Wie wirken sich unterschiedliche Bebauungsstrategien auf Energieverbrauch und Verkehrsfluss aus? Durch solche Simulationen können Stadtplaner frühzeitig erkennen, wo Engpässe entstehen und welche Maßnahmen am wirksamsten sind, um die Lebensqualität zu verbessern.

Neben der technischen Entwicklung legt das Projekt großen Wert auf Capacity Building – also den Aufbau von Wissen und Kompetenzen vor Ort. In Workshops werden Ingenieure der EEU im Umgang mit den Modellen geschult. Ebenso erhalten Mitarbeiter des Verkehrs- und Stadtplanungsamts Trainings, um die digitalen Werkzeuge in ihre tägliche Arbeit zu integrieren. Langfristig sollen die äthiopischen Partner das System selbstständig betreiben und weiterentwickeln können. Damit trägt das Projekt nicht nur zu einer nachhaltigen Stadtentwicklung, sondern auch zur Stärkung lokaler Fachkompetenz bei.

Nächste Schritte

Das Projekt befindet sich gerade in der ersten Phase, in welcher ein Modellbezirk ausgewählt wird. Die im Vorgängerprojekt „Smart-e-Meter“ entwickelten IoT Sensoren werden verbessert und um die Verkehrsüberwachung erweitert. Diese Sensoren werden dann im Modellbezirk von Technikern der EEU installiert. Alle Daten werden auf Servern in Äthiopien verwaltet, um lokale Datenschutzrichtlinien einzuhalten und keine Abhängigkeiten von Deutschland aufzubauen. Der aktuelle Sensor ist in Bild (D) als 3D Rendering dargestellt. Im Dezember werden Prof. Stork und sein Team wieder nach Addis Abeba fliegen und hoffentlich erste Tests mit der neuen Hardware durchführen.