Hoe urban digital twins kunnen bijdragen aan duurzaamheid van steden

Door data over de stad goed te benutten, zou de energietransitie efficiënter kunnen worden ingericht en kunnen steden zich beter voorbereiden op klimaatverandering. Digital twins, digitale replica’s van de stad, kunnen een knooppunt vormen waar al deze data bij elkaar komt. Hoe maken de digital twins de belofte werkelijkheid en welke obstakels zijn er om te overwinnen?

Gebouwen, lantarenpalen, bankjes, wegen, bomen, kabels en leidingen; alle elementen van steden worden gedigitaliseerd. Veel Nederlandse steden zijn bezig met de ontwikkeling van een urban digital twin en de ambities voor verduurzaming zijn groot. Een urban digital twin is een digitale replica van een hele stad, waaraan allerlei databronnen worden gekoppeld. “Het idee van de urban digital twin is dat je data over de leefomgeving uit allerlei sectoren in één model zet. En dat je real-time bijhoudt in dat virtuele model wat er in de werkelijkheid gebeurt,” vertelt Jantien Stoter, hoogleraar 3D Geoinformatie en sectieleider Urban Data Science aan de TU Delft.

Over het 3D model van de stad kunnen virtuele lagen gelegd worden, die bestaan uit data over bijvoorbeeld fijnstof, temperatuur, NAP-niveau en hitte-risico’s. “Daarmee kun je dan simulaties, oftewel scenario studies, uitvoeren. Als je iets wijzigt in de digital twin of er gebeurt iets in de werkelijkheid, bijvoorbeeld een heftige regenbui, dan kun je dat meteen doorrekenen en zien wat de impact is,” zegt Stoter. “Daar kun je natuurlijk heel veel mee voor klimaatadaptatie, omdat je allerlei factoren die daar een rol in spelen met elkaar kan verbinden. En dat geldt ook voor de energietransitie.”

“Als er iets gebeurt in de werkelijkheid, dan kun je dat meteen doorrekenen en zien wat de impact is”

Participatie in de energietransitie

Eén van de voordelen van digital twins is dat ze de veelheid aan data over een stad heel visueel maken. Dat maakt burgerparticipatie laagdrempeliger en dat kan voordelen hebben voor de energietransitie, stelt Wietse Balster, product owner van Netherlands 3D bij de Gemeente Amsterdam. “In Amsterdam hebben we veel monumentale panden, waarvan een bewoner vaak denkt dat ze er geen zonnepanelen mogen neerleggen. Dat mag wel, mits je ze niet ziet vanaf de straat. Maar hoe weet je dat? Dat kan een bewoner dan zien in het 3D model: waar hij zijn zonnepaneel het best kan neerleggen, welk rendement het oplevert en of het zichtbaar is vanaf de straat. Zo wordt het vergunningstraject een stuk sneller en simpeler.”

Een ander voorbeeld is de plaatsing van windmolens, vertelt Stoter van de TU Delft. “Als je windmolens ergens neerzet in de digital twin, dan kun je doorrekenen hoeveel vrije wind ze vangen bij verschillende windrichtingen. Maar je kunt ook laten uitrekenen wat een windmolen voor geluid produceert en tot hoe ver dat reikt. En je kunt laten zien vanaf welke afstand je de windmolen nog ziet staan.” Deze berekeningen en visualisaties kunnen helpen om de windmolens zo efficiënt mogelijk te plaatsen, maar kunnen ook van belang zijn om het draagvlak onder buurtbewoners te vergroten.

Voorbereiden op klimaatverandering

Ook voor klimaatadaptatie is de digital twin van belang. “Een paar weken geleden werden de klimaatscenario’s van Nederland door het KNMI bekend gemaakt. Je wil dan bekijken wat de impact is op stedelijke schaal en wat de impact van klimaatmaatregelen kan zijn,” vertelt Wibold Jongsma, strategisch business analist data bij de Gemeente Amsterdam. “Wat gebeurt er als je meer groen aanlegt, zoals groene daken? En wat betekent het voor de piekafvoer van water; waar kun je het water opslaan? Het zijn complexe processen die op elkaar ingrijpen en dat wil je integraal kunnen simuleren.”

Storm Ciarán, die begin november over Nederland raasde, maakte de noodzaak van die integrale aanpak voor Amsterdam goed zichtbaar. “Er was bijna een overstroming in Amsterdam. Het niveau van het water luistert enorm nauw. Als alle data daarover niet bij elkaar komt, dan heb je geen zicht op wat er gebeurt. Je kunt wel een sluis open of dicht zetten, maar je hebt geen idee wat het effect is. Als het heel hard gaat regenen, welke sluizen moeten open en welke niet? Daar heb je een digital twin voor nodig, ook om dat van tevoren te kunnen toetsen,” stelt Jongsma.

Duurzaam bouwen

In het kader van de circulaire economie werkt Jongsma aan een materialenpaspoort van gebouwen. “Als een gebouw of object gesloopt wordt, dan wil je dat materiaal hergebruiken. Dus dan wil je weten wat voor materiaal erin zit en wat de herbruikbaarheid ervan is. Dat begint al bij het ontwerp van een gebouw. Er wordt dan een Building Information Model (BIM) gemaakt, maar die worden bij de gemeente platgeslagen tot PDF.” Op dit moment worden die 3D modellen dus vaak niet benut, terwijl het voor de circulaire sloop juist van belang is. Door die data op te nemen in de digital twin, kan de gemeente hergebruik eenvoudiger maken. 

Ook voor nieuwe duurzame bouwplannen kan de digital twin van waarde zijn. “In Amsterdam Zuid-Oost is in kaart gebracht wat er aan warmte- en koudeopslag diep in de grond zit. Bij het herinrichten van het gebied boven de grond houden we daar rekening mee. Dan kun je misschien de aardwarmte gebruiken, door daar bijvoorbeeld je gebouwen te positioneren. Door met de digital twin zoveel mogelijk bronnen in beeld te brengen, kun je daar het gebied bovengronds ook mee inrichten,” vertelt Jongsma.

Stedenbouw versus geografie

De mogelijkheden voor verduurzaming en klimaatadaptatie met behulp van digital twins zijn eindeloos, maar er zijn ook nog drempels om te overwinnen. Volgens Balster van de Gemeente Amsterdam ligt er een opgave in het koppelen van Building Information Model (BIM) en Geographic Information Systems (GIS). “Tot tien jaar geleden waren dit totaal verschillende domeinen,” bevestigt Stoter. “BIM gaat over het ontwerpen en bouwen van gebouwen, en de modellen ondersteunen dat proces. Elke deurklink wordt als object gemodelleerd, het is heel gedetailleerd. Maar als je een hele stad in 3D modelleert, heb je alleen de begrenzing van een huis als geheel nodig, waarbij de muren gewoon vlakken zijn.”

“De stedenbouwkundige en de planologische wereld moeten daar eigenlijk op standaardniveau meer bij elkaar komen,” stelt Balster. Dat is geen eenvoudige uitdaging. “Er werd eerst gedacht: we voegen alles samen en maken er één grote digital twin van. En daarop kun je dan inzoomen en dan zie je meer detail,” legt Stoter uit. “Maar dat is niet realistisch omdat die domeinen op zo’n verschillende manier naar de werkelijkheid kijken. De oplossing zit veel meer in het converteren van een gedetailleerd model, zoals in een BIM, naar een minder gedetailleerd model in een geo-omgeving.”

Van potentie naar de praktijk

De echte uitdagingen zitten echter niet meer zozeer in de techniek, want we hebben al laten zien wat de digital twin in potentie kan, stelt Stoter. “Als het over digital twins gaat, dan gaat het al snel over technische oplossingen die al onze problemen gaan oplossen. Dat is de potentie, maar in de praktijk gaat het altijd net iets anders,” zegt Stoter. “Het gaat er nu vooral om hoe we het toe passen en wat het betekent als je dat voor heel Nederland wil doen. Want je kunt wel een hele stad 24 uur per dag monitoren op allerlei aspecten, maar hoe en waar sla je al die data op, welk probleem los je ermee op en hoeveel kost het om al die data te beheren?”

In de organisatie van digital twins is het belangrijk om lock-in te voorkomen; de afhankelijkheid van een specifiek systeem, software of bedrijf. Balster onderscheidt drie elementen in de digital twin die daarbij van belang zijn: de data zelf, de toepassing van die data met bijvoorbeeld een algoritme, en het tonen van de data aan de eindgebruiker via een interface. “Die drie elementen zouden onafhankelijk van elkaar moeten werken. Jouw databron moet je in elke toepassing kunnen laden. We moeten niet afhankelijk zijn van één oplossing.”

“Data is altijd een versimpeling van de werkelijkheid”

Een ander mogelijk probleem is de kwaliteit van data en de interpretatie ervan, juist omdat de digital twin het werken met data laagdrempeliger maakt. “Mensen die wel belangrijke beslissingen moeten nemen, maar misschien minder verstand hebben van werken met data, zullen zich minder bewust zijn van wat de nuances zijn als je met data werkt,” legt Stoter uit. “Data is altijd een versimpeling van de werkelijkheid. En simulaties zijn bedoeld om problemen inzichtelijk maken, maar je kunt ze niet gebruiken als voorspellingen.”

Het samenbrengen van data in een digital twin is een organisatorische uitdaging, omdat het zo gefragmenteerd is, vertelt Jongsma. Stoter ziet dat de wereld van geo-informatie vooral gedomineerd wordt door de overheid, terwijl de BIM-wereld meer gedomineerd wordt door de industrie en bedrijven. En dat maakt de samenwerking complex. “Daar moeten we echt nog ervaring mee opdoen; hoe kunnen we data uitwisselen, financieren, en hoe gaan we om met copyright en aansprakelijkheid.” Maar ze ziet ook voordelen: “Dat is ook wel een mooi principe achter de digital twin, dat iedereen min of meer wordt gedwongen om met elkaar samen te werken.”