Aus unserem BLOG • Von M. Ovcharenko, FELLERyachting / Dr. J. Oberhagemann, DST e. V. • Oktober 2022

Automatisierte und vernetzte (Binnen-)Schifffahrt – Chancen, Hindernisse, Potentiale

Automobilkonzerne und Forschungsinstitute arbeiten mit Hochdruck an der Entwicklung autonomer bzw. hochautomatisierter Fahrzeuge. Dabei ist das Thema „autonomes Fahren“ aber nicht nur auf Straße und Schiene aktuell und relevant. Autonomes Fahren bietet auch in der (Binnen-)Schifffahrt großes Potential.

Binnenschiffe sind vielseitig einsetzbar, leistungsfähig, klimafreundlich und sicher – und für den Güterverkehr unentbehrlich. Die Binnenschifffahrt trägt in NRW zu gut einem Viertel der gesamten Gütertransportleistung bei.

Große Binnenschiffe können allerdings nicht alle Wasserstraßen befahren. Sie können auch nur Ziele anlaufen, die über entsprechende Verladevorrichtungen und Containerterminals verfügen. Der Binnenverkehr mit kleineren, flexibleren Schiffen lohnt sich hingegen oft nicht. Viele Kostenanteile reduzieren sich nicht proportional mit der Schiffsgröße, insbesondere die Personalkosten für die Besatzung.

Doch auch bei großen Binnenschiffen nimmt das Thema Besatzung für die Reeder an Bedeutung zu – schlicht und ergreifend, weil es zunehmend an Fachpersonal mangelt.

Chancen und Hindernisse der Automatisierung

Die Automatisierung kann diesem Fachkräftemangel entgegenwirken, die Branche attraktiver und kleinere Schiffe wettbewerbsfähig machen. Durch den Einsatz von intelligenten Assistenzsystemen sowie eine clevere Wahl von Route und Geschwindigkeit können Energie eingespart und Unfälle vermieden werden.

Woran hapert es also bei der Automatisierung im Binnenschiffsverkehr? Im Automobilsektor wird die Entwicklung des Autonomen Fahrens von den Fahrzeugherstellern vorangetrieben. Technische Innovationen können mit jeder neuen Generation von Fahrzeugen weiterentwickelt und in den Markt eingeführt werden. Dagegen haben Schiffe eine vergleichsweise hohe Lebenszeit von mehreren Jahrzehnten und somit einen deutlich längeren Entwicklungszyklus. Schiffe werden außerdem nicht in Großserien hergestellt, sondern sind in der Regel Unikate oder werden in kleinen Serien gebaut. Entsprechend gering müssen die Entwicklungskosten ausfallen. Daher werden externe Impulse benötigt, um Innovationen voranzutreiben.

Bedingt durch die im Vergleich zur offenen See komplexe Verkehrssituation auf Binnenwasserstraßen (u.a. durch enge Wasserstraßen, viele Schleusen, hohe Verkehrsdichte mit vielen Schiffsbegegnungen) sind die Anforderungen an Assistenzsysteme auf Binnenschiffen weitaus anspruchsvoller, und der Technologietransfer von der investitionsstärkeren Seeschifffahrt zur Binnenschifffahrt erfordert Anpassungen und Funktionserweiterungen.

Der aktuelle Stand

Intelligente Assistenzsysteme zur automatisierten Streckenfahrt auch auf kurvigen Fließgewässern haben bereits seit einigen Jahren eine hohe technische Reife erreicht und sind im kommerziellen Einsatz. Hierbei ist allerdings nach wie vor der menschliche Schiffsführer für das kontinuierliche Beobachten und Bewerten der Verkehrssituation verantwortlich.

Die große Herausforderung für die Entwicklung einer weiter automatisierten Navigation ist also der Umgang mit den komplexen Verkehrsszenarien. Überlegungen und Lösungsansätze hierzu gibt es allerdings seit ein paar Jahren. Erste Projekte laufen an, unter anderem am DST – Entwicklungszentrum für Schiffstechnik und Transportsysteme e. V. in Duisburg. Zu dessen Schwerpunkten gehört die Erschließung neuer Technologien für die Binnenschifffahrt, und seit drei Jahren zählt hierzu auch das Automatisierte Fahren. Hierbei arbeitet das DST eng mit der Universität Duisburg-Essen zusammen.

Bis dato nutzten solche Projekte vorwiegend prototypische Installationen an Bord von kommerziell eingesetzten Güterschiffen, die naturgemäß nur in begrenztem Umfang für Forschungszwecke zur Verfügung stehen. Forschungsvorhaben wie HaFoLa und ELLA sollen das ändern.

VeLABi und HaFoLa – Neue Versuchszentren für Innovationen in Navigation, Hafentechnologie und Güterumschlag

Dabei wurde in Duisburg eine realitätsnahe Hafenumgebung im Maßstab 1:6 mitsamt einer Kran- und Umgebungsinfrastruktur für Versuchsdurchführungen geschaffen. Interdisziplinäre Entwicklerteams können dort nun mithilfe von Prototypen skalierbare Forschungen zur Automatisierung und Digitalisierung im Hafenumfeld durchführen. HaFoLa ist somit ein wichtiger Innovationsmotor für die landseitigen Technologien.

Bereits 2020 wurde das VeLABi – Versuchs- und Leitungszentrum Autonome Binnenschiffe eingeweiht. Kernstück des VeLABi ist ein konfigurierbarer Schiffsführungssimulator. Dieser kann für eine breites Spektrum von Anwendungen genutzt werden, sei es die simulative Erprobung von Assistenzfunktionen, das Trainieren KI-basierter Algorithmen oder sogar die Fernüberwachung und Fernsteuerung realer Binnenschiffe. Ermöglicht wird dies durch einen frei konfigurierbaren Nachbau eines Schiffssteuerstands, der sich in einem großen 360°-Projektionssystem befindet und mit umfangreicher Rechenleistung

ELLA – das Binnenschiff der Zukunft

ELLA ist eine Entwicklungsplattform im Modellmaßstab für Manöver-Automatisierung, oder anders ausgedrückt ein batterieelektrisch betriebenes, fast 15 Meter langes Binnenschiffsmodell im Maßstab 1:6 zur Erforschung des hochautomatisierten Fahrens. ELLA soll selbstständig An- und Ablegemanöver und Schleusendurchfahrten planen und durchführen können. ELLA ist geeignet für den Einsatz auf Kanälen und Seen und mit genügend Reichweite für einen achtstündigen Versuchsbetrieb ausgestattet. Die Rumpfform und auch insgesamt die Fahreigenschaften entsprechen einem typischen Binnenschiff und erlauben so die direkte Übertragung aller Untersuchungsergebnisse auf den Großmaßstab realer Schiffe. Damit würde es sich um das weltweit erste Binnenschiffsmodell handeln, welches vollständig autonom fahren kann und Erfahrungswerte in Bezug auf Parameter wie Umwelterkennung, Bahnplanung und Bahnverfolgung liefert, die 1:1 auf „richtige“ Binnenschiffe übertragbar sind.

Aktuell befinden wir uns mitten in der Bauphase, die Konstruktionsarbeiten liegen dabei in den Händen des erfahrenen Bootsbauunternehmens FELLERyachting aus dem nordrhein-westfälischen Wetter. Ziel ist es, ELLA zum Jahreswechsel an ihren zukünftigen Einsatzort zu bringen und in Betrieb zu nehmen. Um weitergehende Versuchsaufbauten zu ermöglichen, ist ELLA modular gebaut und verfügt über alle für Binnenschiffe notwendigen Steuerorgane und Bedienelemente. Vorder- und Hinterschiff von ELLA sind jeweils aus Glasfaserkunststoff (GFK) und ergänzen ein Mittelschiff aus Stahl. Das Mittelschiff ist außerdem mit 18 Ballasttanks ausgestattet. Das Fahrzeug kann hierüber mit mehreren Tonnen Wasser „beladen“ werden, um den Einfluss des Beladungszustands auf das Manövrierverhalten zu berücksichtigen. Außerdem können Bug und Heck ausgetauscht werden, so dass künftig verschiedenste weitere Schiffstypen untersucht werden können.

ELLAs „Heimathafen wird voraussichtlich der Schleusenpark Waltrop sein, der mit dem alten Schiffshebewerk Henrichenburg – heute LWL-Industriemuseum – demnächst nicht nur die Geschichte und die Gegenwart der Binnenschifffahrt repräsentiert, sondern mit ELLA auch die Brücke in die Zukunft geschlagen wird.

ELLA ist in vielerlei Hinsicht eine Herausforderung. Aber: nicht nur auf der Straße, auch auf und unter dem Wasser ist die Zukunft elektrisch, autonom und modular.

UPDATE: Eindrücke von der offiziellen Taufzeremonie im Duisburger Freihafen

Im Zuge der auf Hochtouren laufenden Arbeiten an der innovativen Forschungsplattform darf sie nicht fehlen: die feierliche Taufzeremonie! Am 3. März 2023 war es soweit, ELLA wurde getauft und dafür erstmals testweise zu Wasser gelassen. Taufpatin Staatssekretärin Susanne Henckel (BMDV), Staatssekretär Viktor Haase (MUNV.NRW) und zahlreiche Partner aus Wirtschaft, Wissenschaft und Verwaltung waren beim feierlichen Akt im Duisburger Hafen vor Ort dabei und wünschten „Allzeit gute Fahrt und eine Handbreit Wasser unterm Kiel!“