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Autonom fahrende Binnenschiffe?

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 Potenzial.

Binnenschiffe sind vielseitig einsetzbar, leistungsfähig, klimafreundlich und sicher — und für den Güterverkehr unentbehrlich. Ein modernes Gütermotorschiff kann zwischen 90 und 150 LKW ersetzen.

Entsprechend 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 — auch, weil es an Fachpersonal mangelt.

Chancen und Hindernisse der Automatisierung

Die Automatisierung kann diesem Fachkräftemangel entgegen wirken, die Branche attraktiver und kleinere Schiffe wettbewerbsfähig machen. Durch eine verbesserte Sensorik sowie eine intelligente Wahl von Route und Geschwindigkeit, können Energie eingespart und Unfälle vermieden werden.

Woran hapert es also bei der Automatisierung im Binnenschiffsverkehr? Während im Straßenverkehr die Entwicklung des autonomen Fahrens von den Fahrzeugherstellern voran getrieben wird, haben Schiffsmotor und -raum eine vergleichsweise hohe Lebenszeit und damit einen deutlich längeren Entwicklungszyklus. Hier bedarf es externer Impulse, um die Innovation voran zu treiben.

Bedingt durch die im Vergleich zur offenen See komplexe Verkehrssituation (verzweigte Wasserstraßen, Schleusen, hohes Verkehrsaufkommen, etc.) im Binnenschiffsverkehr finden bis dato Assistenzsysteme, wie sie auf Seeschiffen gang und gäbe sind, auf Binnenschiffen kaum bis keine Verwendung.

Autonom vs. automatisiert

Obwohl die beiden Begriffe gerne gleichgestellt genutzt werden, bedeuten sie nicht das Selbe:

Autonom — Ein „autonom“ fahrendes Binnenschiff würde im Idealfall selbstbestimmt, mindestens aber eigenständig und ohne menschliches Eingreifen in der Lage sein, Fahrten durchzuführen. Es würde dabei vollumfänglich am Verkehrsgeschehen teilnehmen können, d.h. die Verkehrsvorschriften befolgen, Überholungs- und Schleusenvorgänge durchführen, seine Route den Gegebenheiten anpassen und sich an einen Zeitplan halten.

Automatisch/automatisiert — Hier lässt sich zwischen mehreren Automatisierungsstufen unterscheiden, aber in der Regel bezieht sich das automatisierte Fahren auf das reine Fahren bzw. die Propulsions- und Manövriervorgänge. Die Interaktion mit anderen Verkehrsteilnehmern wird von Menschen übernommen, ebenso die Steuerung bei Ausfall oder Störung der automatischen Steuerung.

Ferngesteuert — Ein Schiffsführer kann das Schiff von jedem beliebigen Ort aus steuern, hat aber die Gewalt über alle Vorgänge, die zur Steuerung notwendig sind. Hier bedarf es einer zuverlässigen Datenverbindung.

Es wird deutlich, dass „autonom“ oder „automatisiert“ nicht gleichbedeutend ist mit „unbemannt“. An Bord eines Schiffes fallen mehr Aufgaben an als nur die Steuerung. Da wären z.B. die Inspektion, die Wartung sowie anfallende Reparaturen. Fährt ein Schiff unbemannt, müssten solche Aufgaben entweder maschinell oder nach Anlegen von Landpersonal erledigt werden.

Der aktuelle Stand

Die größte Herausforderung bei der autonomen und automatisierten Schifffahrt ist die Interpretation hochkomplexer Verkehrsszenarien und der daraus resultierenden Handlungsoptionen. Das gilt besonders im Binnenschiffsverkehr. Überlegungen und Lösungsansätze hierzu gibt es seit ein paar Jahren. Erste Projekte laufen an, unter anderem am Entwicklungszentrum für Schiffstechnik und Transportsysteme e. V. (DST) in Duisburg, zu dessen Schwerpunkten die Erschließung neuer Potenziale für die Binnenschifffahrt gehört und mit dem wir seit Jahren eng zusammen arbeiten.

Bis dato finden solche Projekte vorwiegend auf Versuchsträgern statt, welche für die Generierung von Daten in realen Umgebungen nur mit Einschränkungen geeignet sind. Forschungsvorhaben wie ELLA und Smart & Green sollen das ändern.

Das Binnenschiff der Zukunft

ELLA ist „eine Entwicklungsplattform im Modellmaßstab für Manöver-Automatisierung“ (DST), in anderen Worten also ein batterieelektrisch betriebenes, fast 15 Meter langes Binnenschiffsmodell im Maßstab 1:6 zur Erforschung des hochautomatisierten Fahrens. Es ist geeignet für den Einsatz auf Kanälen und Seen, auf denen es für x Stunden/Tage autonom unterwegs sein kann. Durch seine Fahreigenschaften und Rumpfform sollen Beobachtungen und Untersuchungsergebnisse anders als bisher auch auf industriell genutzte Binnenschiffe übertragen werden können.

ELLA soll selbstständig An- und Ablegemanöver, Schleusendurchfahrten und Brückenpassagen planen und durchführen können. 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 auf „richtige“ Binnenschiffe übertragbar sind.

Aktuell befinden wir uns mitten in der Bauphase mit dem Ziel, ELLA im Herbst diesen Jahres an ihren zukünftigen Einsatzort auszuliefern und einsatzbereit an das DST zu übergeben. Um weitergehende Versuchsaufbauten zu ermöglichen ist ELLA modular gebaut und verfügt über alle für Binnenschiffe notwendigen Steuerorgane und Bedienelemente. Diese werden parallel zum Modellbau an der Universität Duisburg-Essen vom Fachbereich Mechatronik entwickelt. Vorder- und Hinterschiff von ELLA sind jeweils aus Glasfaserkunststoff (GFK) und ergänzen ein Mittelschiff aus Stahl. Durch einzeln entnehmbare Ballasttanks wird das mitgenommene Gewicht angepasst.

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 schlagen wird.

Autonomes Fahren auch unter Wasser

Dabei ist ELLA für uns nicht das erste Projekt dieser Art, wenn auch das bisher größte. Schon seit 2009 arbeiten wir neben eigenen Entwicklungen zusammen mit Forschungseinrichtungen an innovativen Projekten im Zusammenhang mit Spezialwasserfahrzeugen. Erst im März diesen Jahres wurde der von uns für das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) in Bremen gebaute autonome Wasserroboter DeepLeng im Abisko Nationalpark, Schweden, erfolgreich getestet. Ziel des Projektes Eurex-Luna ist auf lange Sicht die Erforschung des Jupitermondes Europa, wo unter einer meilendicken Eisschicht Wasser vermutet wird. Fasziniert konnten wir per Livestream beobachten, wie DeepLeng seine Probefahrt meisterte.

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.

Lohnen sich naturfaserverstärkte Kunststoffe?

Nachdem wir im Oktober 2021 den von uns im Auftrag eines privaten Investors entwickelten AquaSpeeder präsentiert hatten, war für uns lange nicht Schluss. Bereits bei Beginn der Entwicklungsphase keimte die Idee, den ohnehin durch seinen elektrischen Propellerantrieb umweltfreundlichen AquaSpeeder noch weiter in dieser Hinsicht zu optimieren.

Der Rumpf des AquaSpeeders ist im Leichtbauverfahren aus Glasfaserverbundwerkstoff gebaut — ein Verfahren, bei dem Glasfasern in einer Matrix aus Epoxidharz eingebettet werden. Sie sorgen dann dafür, dass einwirkende Kräfte gezielt ins Bauteil eingeleitet werden. Das Ergebnis ist ein hochstabiler und dabei leichter Rumpf.

Allerdings haben Glasfasern den Nachteil, dass sie weder nachwachsend noch biologisch abbaubar sind — im Gegensatz zu Naturfasern.

Sind Naturfasern also die Lösung?

Sie sind in jedem Fall eine Alternative, die näher betrachtet werden kann und sollte.
Wie der Name schon sagt sind Naturfasern sowohl tierischen als auch pflanzlichen Ursprungs, wobei im Faserverbund überwiegend pflanzliche Fasern von Pflanzen wie Flachs, Hanf, Jute, Kenaf, Sisal und Abaca Verwendung finden.

Naturfaserverstärkte Kunststoffe, kurz NFK, werden bisher vor allem in der Automobilindustrie verwendet, z.B. zur Innenverkleidung von Türen. Sie weisen hohe Steifigkeiten bei geringer Dichte auf. Kurz: sie sind stark belastbar und gleichzeitig leicht.

Hier ein kleiner Dichte-Vergleich:

Stahl — 7,9 g/ccm
Glasfaser — 2,7 g/ccm
Carbonfaser — 1,8 g/ccm
Flachsfaser — 1,4 g/ccm

Da es sich bei Hanf, Flachs und Co. um nachwachsende Rohstoffe handelt, die — je nach Pflanze — auf fast allen Kontinenten angebaut werden können, kann eine stetige Versorgung garantiert werden. Sie verursachen bei der Produktion weniger CO2 und binden zudem während des Wachstums der Pflanze CO2 aus der Atmosphäre. Naturfaserverstärkte Kunststoffe bieten eine gute Thermo- und Schallisolierung. Im Verarbeitungsprozess anfallende Schnittabfälle können bis zu 100% weiterverwendet werden.

Darüber hinaus sind mittlerweile Harze verfügbar, deren Kohlenstoffanteil zu 50% aus Pflanzen gewonnen wird, wodurch wiederum 50% CO2 gegenüber herkömmlichen Harzen eingespart werden kann.

Selbst wenn man die nach der Produktion noch hinzukommenden Verarbeitungsschritte mit einbezieht, haben Naturfaserverbundwerkstoffe einen um etwa 50% geringeren CO2-Fußabdruck als Glasfaserverbundwerkstoffe.

Wo ist der Haken?

Vereinfach gesagt: da zum Beispiel Flachsfasern nur ein Fünftel der Zugkraft (Kraft, die benötigt wird, um ein Gewicht entgegen der Schwerkraft zu halten) von z.B. Carbonfasern und die halbe Zugraft von Glasfasern haben, müsste ein Bauteil, das Flachsfasern verwendet, ca. das Vierfache des sonst baugleichen Bauteils aus Carbonfasern wiegen, um gleich effektiv zu sein. Ähnlich verhält es sich mit Flachsfasern zu Glasfasern. Da Fasern und Harz im Faserverbund in einem Verhältnis von 50/50 verwendet werden, bedeutet ein Vielfaches von Fasern auch ein Vielfaches an Harz. Das verschlechtert nicht nur die Ökobilanz, sondern kehrt sie ggf. sogar um.

Während die reine Naturfaser auch bei der Entsorgung CO2-neutral bleibt, müssen Bauteile aus Faserverbund unabhängig von der verwendeten Faser bedingt durch ihren Kunststoffanteil grundsätzlich als Sondermüll entsorgt werden. In der Regel geschieht dies thermisch.

Flachsfasern kosten (noch) mehr als das Fünffache von Glasfasern. Ihre Eigenschaften reichen grundsätzlich an die der Glasfasern heran, können diese aber nicht eins zu eins ersetzen. Hinzu kommt, dass es sich um ein standortabhängiges Naturprodukt handelt, das ein besonders gezieltes Qualitätsmanagement erfordert, um witterungsbedingte Schwankungen abzufedern.

Wie bei so vielen Dingen, spielen die Kosten eine Rolle. Das Know-how, das für den Anbau von Hanf, Flachs und Co. benötigt wird, kommt primär in der Textilindustrie zum Einsatz und nur wenige Hersteller produzieren Naturfasern für den Einsatz im Faserverbund. Entsprechend fällt die Preisgestaltung aus.

Ein vorläufiges Fazit

Auf unser Beispiel angewendet bedeuten die zur Zeit gängigen Preise für Carbon-, Glas- und Naturfasern, dass ein sonst baugleiches Bauteil mit Flachsfaser im Vergleich zu Glasfaser sechsmal so viel kosten würde und 20% teurer wäre als Carbonfaser.

Wir alle sind uns bewusst, dass umweltfreundliche Materialien mehr kosten. Als Produktentwickler sehen wir uns aber mit der Frage konfrontiert, ab wann in diesem Fall Naturfasern sich aus ökologischen und ökonomischen Aspekten (schon) lohnen.

Das Gewicht spielt beim Bau von Wasserfahrzeugen eine wichtige Rolle, weshalb der Einsatz von Naturfasern bei strukturell wichtigen Bauteilen aktuell für uns nicht in Frage kommt. Aber: immer mehr Harze mit Bioanteil werden verfügbar. Es ist denkbar, bei strukturell nicht belasteten Bauteilen wie Verkleidung, Oberschale und Deckel Bioharze in Kombination mit Naturfasern zu nutzen.

Wir würden uns über eine Diskussion diesbezüglich freuen. Ebenso über Input bezüglich unserer These, dass unter Berücksichtigung von sich gegenseitig beeinflussenden Faktoren wie Dichte, Gewicht, Harzanteil und Zugkraft sich der Einsatz von Naturfaserwerkstoffen ökologisch und ökonomisch zum jetzigen Zeitpunkt nicht lohnt. Fallen euch Einsatzmöglichkeiten ein, die wir übersehen haben?

Ein Jahr Innovationswerkstatt: Herausforderungen und Erkenntnisse

Vor genau einem Jahr, im November 2020, wagten wir uns mit der Innovationswerkstatt an die Öffentlichkeit. Der Zeitpunkt schien wie eine große Herausforderung, insbesondere wegen der anhaltenden Coronakrise. Jetzt ist es an der Zeit, ein Resümee zu ziehen.

Unser Interesse und unser Schwerpunkt in Sachen Innovation galt von Anfang an den greifbaren Produkten und dem Optimieren von Entwicklungs- und Produktionsprozessen. Dank unseres Backgrounds im Design und der Produktentwicklung lag es auf der Hand, dass wir dieses Know-how nutzen, um auch insbesondere Gründer und mittelständische Unternehmen dabei zu unterstützen, das Beste aus ihren Ideen heraus zu holen.

Dahinter stand zum einen die Motivation, unser Wissen an die jungen, motivierten Menschen weiter zu geben, die wir in den vergangenen Jahren immer wieder im Rahmen von Semesterpraktika kennen lernen durften. Zum anderen sehen wir vor allem bei den mittelständischen Unternehmen um uns herum die Herausforderung, dass Innovation und innovative Produkte so gefragt sind wie nie. Diese Unternehmen sehen sich aber in der Zwickmühle, dass innovative Produktentwicklung ein Kostenfaktor ist, der insbesondere in der jetzigen schwierigen Zeit ein finanzielles Risiko ohne Garantie auf Erfolg darstellt.

Gründen liegt im Trend

Und das ist auch gut so. Wir brauchen Gründer mit neuen, frischen Ideen. Gründer mit guten Ideen brauchen aber auch Unterstützung dabei, diese Ideen umzusetzen und serientauglich zu machen. Heutzutage gibt es viele Aspekte, z.B. der Nachhaltigkeit und Kommunikation, die in der Produktentwicklung berücksichtigt und optimiert werden müssen.

Dank unserer langjährigen Erfahrung in unseren Werkstätten mit Design- und Entwicklungsschwerpunkt und unserer Zusammenarbeit mit Forschungseinrichtungen, sind wir in der Lage, ein Produkt effizient zu analysieren und an den richtigen Stellen in Sachen Optimierung anzusetzen. Wir bringen die Herangehensweise der Industrie und die Flexibilität eines kleinen Betriebes in den Prozess mit ein.

Gründer, Start-ups und Erwartungen

Im Laufe des Jahres 2021 hatten wir die Gelegenheit, unseren Ansatz als Innovationswerkstatt zu testen. Unsere Erwartungen an die Start-up Szene haben sich nicht so entwickelt, wie wir uns das vorgestellt hatten. Es wird viel über Vertrieb und Kapital geredet und weniger über das, was man letztlich vertreiben will. Und das, obwohl nach dem Deutschen Startup Monitor 2021 die Produktentwicklung unter den von Start-ups gelisteten Herausforderung auf Platz zwei kommt — nach der Kundengewinnung und vor der Kapitalbeschaffung.

Eine klare Identität ist wichtig

Unser Fazit aus diesen Erfahrungen ist, dass wir in Zukunft unsere Partner aus der Industrie stärker in den Fokus rücken wollen. Wir haben gute Erfahrungen gemacht mit Investoren, die mit einer Produktidee an uns heran treten und so Ausgründung aus bereits bestehenden Unternehmen vorantreiben.

Hinzu kommt, dass wir einen Bedarf sehen, uns von den „Maker Spaces“ zu differenzieren, in die Welle derer wir zeitlich geraten sind. Wir sind kein Maker Space und auch keine Coaches für Produktfindung, sondern ein Wirtschaftsunternehmen mit Tagesgeschäft, das bereits vorhandene Produktideen in Sachen Machbarkeit und Fertigung berät und unterstützt bzw. Prototypen anfertigt. Wir unterstützen Gründer und Investoren dabei, Produkte und entwickeln, zu designen und zu optimieren — vorhandenen Ideen und Konzepte vorausgesetzt. Wir werden nicht von einer anderen Einrichtung getragen, sondern organisieren uns selbst, sind für unsere Projekte verantwortlich und nicht involviert im Ringen um Fördergelder. Für gemeinsame Projekte bieten wir den Raum, vor Ort an diesen zu arbeiten.

Diese klare Positionierung ist etwas, das wir aus dem ersten Jahr der Innovationswerkstatt mitnehmen werden. Sie zu finden und nach außen hin zu formulieren war vielleicht die größte Herausforderung für uns und etwas, woran wir auch im kommenden Jahr arbeiten werden.

Wir freuen uns schon drauf.