Automatisierung von Containerterminals - Konzept für den Aufbau einer Pilotanlage für automatisierte Straddle Carrier und emulationsbasierte Untersuchung der Skalierbarkeit

Sebastian Eberlein, Stephan Oelker, Joy Schumacher und Michael Freitag

Deutsche See- und Binnenhäfen sind von herausragender Bedeutung für den Produktions und Logistikstandort Deutschland. Die Hafenbranche durchlief in den vergangenen Jahrzehnten verschiedene strukturelle Veränderungen. Aktuell stellt die erwartete Autonomisierung und Digitalisierung der gesamten Lieferkette die Häfen vor neue Herausforderungen. In diesem Kontext beschreibt der vorliegende Beitrag einen Planungsansatz zur Automatisierung von Portalhubwagen (Straddle Carrier) in den spezifischen Umgebungsbedingungen norddeutscher Seehäfen. Um sowohl die Zuverlässigkeit als auch die Wirtschaftlichkeit eines solchen automatisierten Systems für norddeutsche Megacontainerterminals zu untersuchen, wurde ein prinzipiell aus zwei Schritten bestehender Planungsansatz gewählt: (1) Zunächst soll auf dem Containerterminal Wilhelmshaven (CTW) eine Pilotanlage zur Durchführung prototypischer Experimente unter möglichst realen Umgebungsbedingungen entstehen. Darauf aufbauend wird (2) durch einen simulations bzw. emulationsbasierten Planungsansatz die Eignung des Systems für die operativen Bedingungen eines Megacontainerterminals untersucht.

Die Hafenbranche durchlief in den vergangenen Jahrzehnten verschiedene strukturelle Veränderungen. Im Rahmen des starken Anstiegs des Containerverkehrs zwischen den Jahren 1990 und 2010 standen zunächst Wachstumsstrategien zur Behebung von Kapazitätsengpässen im Vordergrund [1]. Heute ist der Wettbewerb unter europäischen Häfen hoch [2] und der Fokus liegt auf der Effizienzsteigerung bestehender Hafeninfrastrukturen [3]. Die für die nächsten Jahrzehnte prognostizierte Autonomisierung der gesamten Lieferkette [3] wird langfristig dazu führen, dass Planungs und Steuerungsaufgaben immer weiter dezentralisiert werden. Dies hat weitreichende Konsequenzen, auch für die Hafenplanung, die um eine übergeordnete Ebene ergänzt werden muss, auf der die für den automatisierten Prozess notwendigen Entscheidungslogiken entwickelt werden [vgl. 4].
In diesem Kontext beschreibt der vorliegende Beitrag einen Ansatz zur Untersuchung der Umsetzbarkeit einer Automatisierung bestehender Straddle-Carrier-Terminals in norddeutschen Seehäfen. Im Folgenden werden hierfür zunächst grundlegende Begriffe und Zusammenhänge erläutert. Anschließend werden zentrale Herausforderungen des Vorhabens und die gewählte Untersuchungsmethodik näher beschrieben.


Prozesse und Automatisierungspotenziale eines Containerterminals

Ein Containerterminal stellt Standort, Equipment, Fläche und Betriebsabläufe für den Containerumschlag zwischen maritimen und hinterlandseitigen Transportsystemen zur Verfügung [5]. Es besteht grundsätzlich aus mindestens drei Funktionsbereichen [6]: (1) dem Umschlagsbereich zwischen Schiff und Terminal, (2) dem Containerlagerplatz und (3) dem Umschlagsbereich zwischen Terminal und Hinterlandverkehr. Der Aufbau eines typischen Containerterminals mit einem Straddle-Carrier-System ist in Bild 1 dargestellt [7].
Die Effizienz der Terminalprozesse ist dabei ein zentraler Faktor für die Wettbewerbsfähigkeit der Terminalbetreiber [8]. Hier kann prinzipiell zwischen internen systembedingten und externen lieferkettenbedingten Engpässen unterschieden werden [9]. Interne systembedingte Engpässe entstehen durch eine fehlende leistungsbezogene Abstimmung an den Schnittstellen der drei prinzipiellen Funktionsbereiche. Externe lieferkettenbedingte Engpässe entstehen aufgrund einer fehlenden Abstimmung des Terminals mit maritimen und hinterlandseitigen Transportsystemen [9]. Zur Gestaltung effizienter Terminalprozesse ist eine ganzheitliche Gestaltung der interdependenten Subsysteme notwendig [10].
Für die Umschlagsprozesse auf dem Subsystem Containerlagerplatz und dessen Schnittstellen stehen verschiedene technische Lösungen zur Verfügung (z. B. [6]). An vielen Großcontainerterminals an der deutschen Nordseeküste kommen hierzu bemannte Straddle Carrier zum Einsatz. Straddle Carrier sind Flurförderzeuge für den horizontalen und vertikalen Transport von ISOContainern. Sie sind zwischen 10 und 16 Metern hoch, ihr Gewicht kann im beladenen Zustand 100 Tonnen übersteigen und sie erreichen Geschwindigkeiten von ca. 30 km/h. In einem reinen Straddle-Carrier-Terminal übernehmen sie sowohl den horizontalen als auch den vertikalen Transport von Containern auf dem Hafenterminal, d. h. sie transportieren Container zwischen den Funktionsbereichen des Terminals und übernehmen gleichzeitig alle notwendigen Stapelfunktionen auf dem Containerlagerplatz. Ein Straddle-CarrierSystem zeichnet sich unter anderem durch eine hohe Flexibilität, eine hohe Anzahl gleichzeitig möglicher Containerbewegungen und eine hohe Robustheit gegenüber Ausfällen einzelner Carrier aus und ist daher oft die Ideallösung auf mittleren und großen Terminals [11].
Zentrale Nachteile von bemannten Straddle-Carrier-Systemen sind vergleichsweise hohe Kosten, aber auch Sicherheitsrisiken für Personal, Betriebsmittel und Frachtgut. In der Automatisierung von Straddle Carriern liegt daher ein großes Potenzial. So können beispielsweise durch ein optimiertes Fahrverhalten Energie und Instandhaltungskosten reduziert und Verfügbarkeiten und Lebensdauern gesteigert werden [12].
Automatisierte Straddle Carrier gibt es bereits, beispielsweise in Brisbane, Sydney oder Los Angeles. Im vorliegenden Projekt soll jedoch die Umsetzbarkeit für deutlich größere und bereits bestehende Containerterminals untersucht werden. So liegt beispielsweise das Automatisierungspotenzial allein am vergleichsweise kleinen Containerterminal Wilhelmshaven bei 68 Straddle Carriern [13].


Bild 1: Containerterminal mit Straddle-Carrier-Umschlagssystem (in Anlehnung an [7]).


Entwicklung und Aufbau einer Pilotanlage

Die Automatisierung von Straddle Carriern stellt, nicht zuletzt bedingt durch deren Gewicht und Geschwindigkeit, eine große Herausforderung dar. Vor diesem Hintergrund kann die technische Realisierbarkeit und Interaktion von automatisierten Straddle Carriern und der tatsächlichen Umgebung durch mathematisch-analytische oder simulationsbasierte Untersuchungen nicht mit einer den Risiken angemessenen Gewissheit vorhergesagt werden. Idealerweise müssten hierzu alle denkbaren Situationen während des Betriebs eines Straddle Carriers abgebildet und untersucht werden. Dieser Anspruch soll im vorliegenden Projekt durch ein umfangreiches prototypisches Experiment zumindest teilweise erfüllt werden. Hierzu soll auf dem Containerterminal in Wilhelmshaven parallel zum laufenden Betrieb eine Pilotanlage errichtet werden, mit der technologische Eigenschaften, Sicherheitskonzepte, Schnittstellenprozesse und grundlegende Betriebseigenschaften unter realen Bedingungen entwickelt und evaluiert werden können. Durch den modellhaften Charakter des prototypischen Experiments werden sowohl Kosten als auch Komplexität des Untersuchungsgegenstands den notwendigen Bedingungen angepasst, also auf relevante Aspekte beschränkt [14]. Nichtsdestotrotz soll die Pilotanlage dabei mithilfe einer begrenzten Anzahl von Systemkomponenten alle zur Untersuchung des automatisierten Betriebs notwendigen Aspekte abdecken. Die Basis hierfür bilden vier automatisierte Straddle Carrier. Für die Evaluation der wasserseitigen Schnittstelle wird die Pilotanlage auch mit Containerbrücken ausgestattet. Ein weiterer zentraler Aspekt ist die Evaluation in Bezug auf die Hinterlandschnittstelle. Daher werden sowohl LKW-Übergabeplätze als auch Bahnkräne für die Güterverkehrsanbindung in die Pilotanlage integriert. Weitere zu untersuchende Betriebsszenarien sind beispielsweise die Übergabe von manuellem zu automatisiertem Straddle Carrier, die Zugangspunkte zum automatisierten Bereich oder Übergabepunkte zu Instandhaltungsbereichen.

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