CargoCap – automatischer, unterirdischer Gütertransport im Ballungsraum

Ballungsräume, wie das Ruhrgebiet, haben auf den ersten Blick alle Vorteile vereinigt, wie z.B. einen großen Nachfragermarkt, ein dichtes Verkehrsnetz, Standorte des intermodalen Verkehrs, große Unternehmen des Handels, vielfältige Produktionsstätten und eine gute Erreichbarkeit anderer großer Zentren in Deutschland und in der Europäischen Union. Diese zentrale Lage ist aber in diesem speziellen Fall auch als Nachteil zu interpretieren, da die Verfügbarkeit der Verkehrswege in der Region für die interne Verkehrsanbindung abnimmt. Eine Steigerung der innereuropäischen Transporte und damit der Nutzung dieser Verkehrswege für solche Transitverkehre führt zwangsläufig zu Standortnachteilen der Gebiete innerhalb der Region. Deshalb sind neue Lösungsansätze gefragt, die eine möglichst schnelle Entlastung bestehender Verkehrswege erlauben, umweltentlastender Natur sind und zugleich eine nachhaltige Verbesserung der Verkehrssituation bieten (Stein et al. 2009).

Eine solche Lösung stellt das innovative CargoCap-System dar. Es wurde in den Jahren 1998 bis 2002 im Rahmen eines interdisziplinären Forschungsverbundes unter der Leitung des Autors an der Ruhr-Universität Bochum mit Unterstützung des Ministeriums für Schule, Wissenschaft und Forschung des Landes Nordrhein-Westfalen konzipiert und aus technischer, ökonomischer, ökologischer und juristischer Sicht bewertet (Stein et al. 2002a, b; 2006). Seitdem erfolgte mit Unterstützung der Industrie die technische Weiterentwicklung durch die CargoCap GmbH, Bochum, den Lehrstuhl für Maschinenelemente und Fördertechnik der Ruhr-Universität Bochum sowie die S&P Consult GmbH, Bochum bis zur inzwischen erreichten Einsatzreife.

2 Konzept CargoCap

Das CargoCap-System ist die 5. ergänzende Transportalternative zu Straße, Schiene, Wasser und Luft (Abb. 1), um Güter in Ballungsräumen automatisiert durch unterirdische Fahrrohrleitungen schnell, wirtschaftlich, zuverlässig und umweltfreundlich zu transportieren. Es ist als eigenständiges, leistungsfähiges und problemlos erweiterbares System konzipiert, das betriebliche Rentabilitätsanforderungen erfüllt und sich einfach in traditionelle Verkehrssysteme und Logistikkonzepte implementieren lässt.

 Der unterirdische Gütertransport erfolgt autonom und vollautomatisch durch individuell elektrisch angetriebene, computergesteuerte Transporteinheiten, den so genannten Caps. Der Laderaum eines Caps ermöglicht die Aufnahme von je zwei Euro-Paletten nach CCG 1 (B x T x H = 80 x 120 x 105 cm), die ein gemeinsames Maximalgewicht von 1500 kg aufweisen dürfen (Abb. 2).

Die Euro-Palette ist ein genormter und in der Praxis bewährter Lastträger. Ihr Einsatz garantiert die leichte Implementierung von CargoCap in bestehende Logistikketten. Durch die Beladung mit nur zwei Euro- Paletten pro Cap ist eine hohe Ladungs- und Verteilungsflexibilität der Waren gewährleistet. Da der Fahrrohrleitungsdurchmesser von 2,0 m eine über das Normmaß hinausgehende Palettenbeladungshöhe von 1,25 m erlaubt, kann bei geeigneten Waren der Transportraum in der Anschlusslogistik durch Aufeinandersetzen zweier beladener Paletten optimal ausgenutzt werden.

Zu den von CargoCap zu transportierenden Gütern zählen Konsum- und Investitionsgüter, Sammel- und Stückgüter, Produktionsbauteile, Baustoffe, Paket- und Expressfracht sowie Nahrungs- und Genussmittel. Etwa zwei Drittel aller in der Bundesrepublik Deutschland transportierten Waren dieser Art passen ohne weiteres Aufbrechen der Ladung in den CargoCap-Frachtraum.

Die Ladung der Caps wird an den Stationen bei Direktanschluss unmittelbar dem Empfänger zur Verfügung gestellt oder durch eine Anschlusslogistik mit Lieferfahrzeugen in nächster Umgebung der Stationen verteilt. Nur an den Stationen gibt es eine Verbindung zur Oberfläche. Sie können sowohl mitten in Innenstädten an der Rampe von Warenhäusern liegen, als auch punktgenau am Fließband einer Fabrik. Dies liefert vor allem in Ballungsräumen einen Beitrag zur Entlastung der Straßen vom immer stärker wachsenden Güterverkehr und zur Reduzierung der damit verbundenen umweltrelevanten Probleme, und dies ohne Landschaftsinanspruchnahme.

3 Technische Beschreibung
3.1 Fahrrohrleitungen

Der Fahrweg des CargoCap-Systems besteht aus Rohrleitungen DN 2000, wie sie für die Sammlung und Ableitung von Abwasser (Kanalisation) verwendet werden. Die Fahrrohrleitungen werden soweit wie möglich unter öffentlichem Straßenraum neben, unter oder über vorhandenen Ver- und Entsorgungsleitungen, Strom- und Telekommunikationskabeln, U-Bahn- oder Straßentunnel und anderen Tiefbauwerken verlegt. In der Regel wird die Tiefenlage 6 bis 8 m betragen (Abb. 3).

Die Verlegung der Fahrrohrleitungen erfolgt grabenlos (unterirdisch) nach dem Prinzip des Rohrvortriebs (Stein 2003). Dabei werden von einem Startschacht aus mit Hilfe einer Hauptpressstation und im Rohrstrang positionierter Zwischenpressstationen vorgefertigte Vortriebsrohre durch den Baugrund bis in einen Zielschacht vorgetrieben. Der anstehende Boden oder Fels wird an der Ortsbrust mechanisch abgebaut und durch den vorgetriebenen Rohrstrang nach über Tage abgefördert. Eine steuerbare Schildmaschine, die dem ersten Rohr vorgeschaltet ist, ermöglicht den genauen Vortrieb in gerader oder gekrümmter Linienführung (Abb. 4).

Durch die unterirdische Streckenführung kann CargoCap uneingeschränkt erweitert werden und damit die Transportkapazität steigern.

 3.2 Transportfahrzeuge (Caps)

Die aerodynamisch geformten Caps fahren auf Schienen autonom und vollautomatisch durch das unterirdische Fahrrohrleitungsnetz. Der Antrieb erfolgt durch Elektromotoren, welche die Fahrzeuge mit einer Geschwindigkeit von 36 km/h antreiben. Diese Transportgeschwindigkeit wird konstant eingehalten und führt zu einer erheblichen Verkürzung der Transportzeit gegenüber dem LKW im Ballungsraum mit einer Durchschnittsgeschwindigkeit von ca. 16 km/h.

In stärker belasteten Abschnitten des CargoCap-Streckennetzes bilden mehrere Fahrzeuge Fahrverbände, die abstandsgeregelt dicht hintereinander fahren. Auf diese Weise können die aerodynamischen Vorteile der Verbandsfahrt ausgenutzt und somit der Energieverbrauch weiter gesenkt werden (Knüpfer 2009; Scholten et al. 2010).

Eine wesentliche Voraussetzung für die Verbandsbildung und –auflösung sind ein neuartiges Weichenkonzept und die spezielle Gestaltung der Verzweigungen. Der Fahrweg ist passiv ausgeführt, im Bereich einer Weiche befinden sich streckenseitig keine bewegten Elemente. Das Fahrzeug übernimmt den aktiven Teil der Verzweigung und besitzt hierfür zwei Weichenmodule. Diese schwenken im Vorfeld einer Verzweigung je nach Fahrtrichtung die Weichenarme, die im Verzweigungsbereich in seitlich des Fahrwegs montierte Führungsschienen eingreifen. Auf diese Weise kann das Fahrzeug ohne Reduktion seiner Geschwindigkeit in die gewünschte Richtung ausscheren und nachfolgende Fahrzeuge können die Verzweigung ohne Wartezeiten in jede gewünschte Richtung befahren. Dies ermöglicht eine dichtere Folge von Fahrzeugen, die für einen ausreichenden Durchsatz und für die Energieeffizienz des Systems erforderlich ist, verringert den Wartungsaufwand für die unterirdische Infrastruktur erheblich und verhilft den Caps dazu, den Rohrleitungsquerschnitt besser auszunutzen, da sich Fahrzeugkomponenten unterhalb der Schienenoberkante befinden können (Hohaus 2009).

Die Positionsermittlung der Fahrzeuge erfolgt unter Verwendung von RFID-Komponenten, wobei streckenseitig montierte Transponder als Wegmarken dienen. Die Fahrzeuge lesen die Informationen der Transponder während der Überfahrt aus und referenzieren ihre Position. Auf Basis der eigenen Position und der Position der umgebenden Fahrzeuge regelt jedes Transportfahrzeug den Abstand zum vorausfahrenden Fahrzeug selbst. Laufrollen übernehmen die Tragfunktion der Fahrzeuge auf der Schiene, seitliche Spurführungsrollen stellen ihre Führung im Fahrweg sicher. Jede der Laufrollen wird durch einen Synchronmotor angetrieben. Diese Elektromotoren sind in großer Vielfalt am Markt verfügbar und technisch ausgereift. Die robuste Konstruktion des Antriebs zeichnet sich durch eine hohe Zuverlässigkeit, einen geringen Energieverbrauch, niedrige Anschaffungskosten sowie eine lange Lebensdauer bei geringem Wartungsaufwand aus. Zusätzlich gewährleistet das gewählte Antriebskonzept mit auf alle Räder verteilten Motoren eine optimale Traktion bei hoher Betriebssicherheit.

Die Energieversorgung der Fahrzeuge erfolgt berührungslos und ist damit wartungsfrei. Zwischen den Schienen ist eine Leiterschleife verlegt, in die eine hochfrequente Wechselspannung eingespeist wird. Durch das sich um die Leiter ausbildende elektromagnetische Feld wird nach dem Prinzip der induktiven Kopplung eine Spannung in die fahrzeugseitigen Übertragerköpfe induziert. Aus diesem Kreis speisen Frequenzumrichter die stufenlos regelbaren Antriebe.

Die Fahrzeuge verfügen über Energiespeichermodule, die die beim generatorischen Bremsen von kinetischer in elektrische umgewandelte Energie speichern. Somit kann diese entweder beim anschließenden Beschleunigungsvorgang wieder abgerufen werden oder an einer Umschlagsstation die Antriebe der fahrzeugseitigen Be- und Entladeeinrichtungen speisen (Scholten et al. 2010).

Alle Funktionen des CargoCap-Systems sowie die systemspezifischen und fahrdynamischen Eigenschaften der Caps werden mit Unterstützung der Industrie, wie z. B. der SWE EURODRIVE GmbH & Co. KG, Bruchsal, der RWE Power AG, Essen, der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU), Osnabrück u. a. seit 2007 auf einer Modellstrecke im Maßstab 1:2 technisch erprobt und optimiert (Abb. 5).

Tabelle 1: Baukostenvergleich

1 km Fahrrohrleitung
Streckenabschnitt mit 1 Fahrrohrleitung DN 2000 mit Innenausbau	3.3 Mio. Euro
Streckenabschnitt mit 2 Fahrrohrleitungen DN 2000 mit Innenausbau	6,4 Mio. Euro
1 km Autobahnerweiterung 2-spurig (abhängig von Bauwerken und Bebauung)	10 bis 30 Mio. Euro*
1 km Tunnel im städtischen Bereich	> 100 Mio. Euro *

*Angaben Landesbetrieb Straßenbau NRW (2009)

Demnach müsste das System in etwa 15% der systemaffinen Stückgüter des Jahres 2007 entlang der betrachteten Strecke übernehmen, um wirtschaftlich zu arbeiten (Abb. 7). Bei dieser Transportmenge ist das Fahrrohrleitungsnetzwerk erst zu 10 % ausgelastet und in der Lage, weitere Güter zu akquirieren, wodurch die Wirtschaftlichkeit ebenso steigt wie bei einer zunehmenden Netzwerkbildung der Fahrrohrleitungen.

Die der Untersuchung zugrunde gelegten entfernungsabhängigen Frachtsätze basieren auf Befragungsergebnissen großer Logistikunternehmen und Unternehmen der verladenden Wirtschafte, die durch Fragebögen und persönliche Interviews gewonnen wurden.

Betriebswirtschaftlich unberücksichtigt blieben in der vorliegenden Marktpotentialanalyse (Stein et al. 2009) sämtliche externen Kosten, bei denen CargoCap gegenüber dem Straßenverkehr in jeder Hinsicht viel günstiger abschneidet. Folgekosten wie von z.B. Staus, Unfällen, Lärm, Luftverschmutzung, Klimaveränderung, Natur- und Landschaftsverbrauch, die typisch sind für den oberirdischen Straßengüterverkehr, fallen bei diesem Transport-System nicht an.

Wenn das Maßnahmenpaket „Greening the Transport“ der EU teilweise oder vollständig in Deutschland umgesetzt wird und die externen Kosten „gerecht“ internalisiert werden, wird sich die betriebswirtschaftliche Bewertung signifikant zugunsten der umweltfreundlichen Verkehrsträger verschieben. Besonders drastisch wird sich die Internalisierung der externen Kosten auf den betriebswirtschaftlichen Vergleich des Güterverkehrs auf der Straße mit dem CargoCap-System auswirken. Während sich die Transportkosten auf der Straße in Zukunft erheblich erhöhen werden, bleiben sie bei CargoCap weitgehend unverändert.

5 Juristische Bewertung

Die Durchsetzung guter Ideen scheitert zumal in Deutschland sehr häufig aus rechtlichen Gründen. Bei CargoCap handelt es sich um ein Infrastrukturprojekt mit vergleichsweise geringem juristischen Konfliktpotential. Da es sich weder um ein Straßen-, noch um ein Eisenbahnprojekt oder eine Energieleitung und auch nicht um eine Pipeline handelt, greift keines der bestehenden fachgesetzlichen Planfeststellungserfordernisse ein. Das bedeutet, dass weder die aufwändigen Verfahrensfolgen noch die anspruchsvollen materiellen Kriterien des Fachplanungsrechts zu beachten sind. Vielmehr ist „lediglich“ der allgemeine raum- bzw. bauplanungs- und bauordnungs- sowie umweltrechtliche Rahmen einzuhalten und müssen Nutzungsvereinbarungen mit den Grundstückseigentümern bzw. den zuständigen Straßenbaulastträgern getroffen werden. Das Infrastrukturprojekt besticht aus juristischer Sicht damit nicht nur als Idee, sondern auch durch seine Durchsetzbarkeit (Pielow 2009; Stein et al. 2009).

CargoCap setzt zudem die Zielvorgaben der Landesplanung in Nordrhein-Westfalen um, wenn im Landesentwicklungsplan NRW in punkto Güterverkehr u.a. die verstärkte Verlagerung auf schienengebundene Verkehrssysteme sowie „eine spürbare Entlastung der Straße und der Innenstadtgebiete durch City-Logistik-Konzepte“ gefordert werden. Darüber hinaus unterstützt CargoCap das Klimaschutz- und Energieeffizienzrecht auf allen Ebenen, d. h. global (Post-Kyoto-Prozesse), europaweit in den Ebenen der Klimaschutzstrategie 20-20-20 bis 2020 sowie im Bund, den Ländern und Kommunen. Damit kann unter der gegebenen Rechtslage davon ausgegangen werden, dass einerseits der Verwirklichung des Vorhabens keine unüberwindbaren rechtlichen Hindernisse im Wege stehen und andererseits schon jetzt hinreichende rechtliche Gestaltungsoptionen zur Verfügung stehen, die einen den Interessen aller Beteiligten/Investoren gerecht werdenden Bau und Betrieb der CargoCap Pilotstrecke („Ruhrgebietstrasse“) gestatten.

6 Zusammenfassung

Vor gerade einmal 150 Jahren waren unsere Vorfahren aus Gründen der Gesundheit der Bevölkerung und der hygienischen Verbesserung der Lebensqualität dazu gezwungen, in den Städten ein flächendeckendes unterirdisches Rohrleitungssystem zur Sammlung und Ableitung der Abwässer zu bauen.

Vor einer ähnlichen, lebenswichtigen Weichenstellung stehen wir heute wieder. Auch diesmal ist die Gesundheit der Bevölkerung gefährdet. An die Stelle der Cholera auslösenden Krankheitserreger aus dem oberirdischen abfließenden Abwasser sind die von den Straßenfahrzeugen emittierten gesundheitsgefährdenden Abgase (u. a. CO2 ...), Feinstäube und Lärmemissionen in unseren Städten getreten. Durch den ständig zunehmenden LKW-Verkehr sinkt unsere Lebensqualität stetig, sei es durch die abnehmende Mobilität infolge der Überlastung der Straßen, sei es durch das nicht mehr zu befriedigende Bedürfnis nach Gesundheit, Ruhe und Erholung in den Städten.

Ohne leistungsfähige Transport- und Logistikdienstleistungen kann jedoch unsere moderne, arbeitsteilige Wirtschaft nicht funktionieren. Unser hoher Lebensstandard und unsere Arbeitsplätze sind abhängig von einer guten Erreichbarkeit der Produktionsstandorte und von leistungsfähigen Transport- und Logistikleistungen. Insbesondere in den urbanen Ballungsgebieten, wie z. B. dem Ruhrgebiet, kann die traditionell gewachsene Verkehrsinfrastruktur zukünftig den steigenden und veränderten Anforderungen an die Verkehrsleistung nicht gerecht werden. Neue Lösungen sind deshalb dringend erforderlich.

Eine solche Lösung ist das im Beitrag vorgestellte und entwickelte CargoCap-System, die 5., ergänzende Transportalternative zu Straße, Schiene, Wasser und Luft, um Güter in Ballungsräumen automatisiert durch unterirdische Fahrrohrleitungen mit einem Durchmesser von nur 2,0 m schnell, wirtschaftlich, zuverlässig und umweltfreundliche zu transportieren.

Mit Hilfe dieses innovativen Transportsystems können die Verkehrsprobleme von Ballungsräumen, wie z. B. dem Ruhrgebiet und die verkehrsbedingten Umweltbelastungen für die Wohnbevölkerung reduziert werden.

Darüber hinaus lassen sich gegenüber anderen Regionen die regionale Wettbewerbsfähigkeit und im Gefolge die regionale Beschäftigung durch weitere positive Effekte steigern:

• Verbesserung der Erreichbarkeit bisher schwer zugänglicher Industriestandorte;

• Logistische Verbindung dezentraler Betriebsstandorte zur Steigerung der Flächenverfügbarkeit;

• Anschluss ungünstig gelegener Brachflächen an CargoCap, um deren Vermarktungschancen zu erhöhen;

• Verringerung des Flächenverbrauchs (Natur- und Landschaftsverbrauch) für Verkehrswege.

Zur Zeit sucht die Forschergruppe nach einer Pilotstrecke in der Industrie oder in Logistikzentren zum Nachweis der Machbarkeit sowie zur Bestätigung der getroffenen Annahmen und der auf einer Modellstrecke des Lehrstuhls für Maschinenelemente und Fördertechnik der Ruhr-Universität Bochum im Maßstab 1:2 in einer Kraftwerkshalle der RWE Power AG gewonnenen Versuchsergebnisse. Mit Hilfe dieser CargoCap-Pilotstrecke soll darüber hinaus eine konkrete Logistikaufgabe wirtschaftlich gelöst werden, wobei, abweichend von der Regionallösung des CargoCap-Systems, der Durchmesser der Fahrrohrleitungen praktisch beliebig an die jeweils erforderliche Transportbehältergröße angepasst werden kann.

Literaturverzeichnis:

Stein, D. et al. (2009): CargoCap – Automatischer Gütertransport im Untergrund – Marktpotentialanalyse am Beispiel einer Ruhrgebietstrecke, Bochum

Stein, D. et al. (2002a): Transport- und Versorgungssysteme unter der Erde, Abschlussbericht des interdisziplinären Verbundprojektes IV A 5 – 201 001 98 des Ministeriums für Schule, Wissenschaft und Forschung des Landes NRW

Stein; D. Schößer, B. (2002b): CargoCap – eine Vision wird Realität; Tunnel, H. 03; 03/2002; S. 14-20

Stein, D. (2006): CargoCap – Unterirdischer Gütertransport im Ballungsraum, Geotechnik (29) Nr. 2

Stein, D. (2003): Grabenloser Leitungsbau, Ernst & Sohn, Berlin

Stein, D. et al. (2002); Wirtschaftlicher Vergleich zwischen CargoCap und dem LKW. Ruhr-Universität Bochum, 2002

Knüpfer, P. (2009): CargoCap – Optimale Fahrbewegungen autonomer Fahrzeuge,Dissertation; in: Schriftenreihe Institute Product and Service Engineering, Fakultät für Maschinenbau, Ruhr-Universität Bochum, Heft 09.4

Scholten, J. et al. (2010): CargoCap – Gütertransport unter der Erde; Tagungsband 39; Großseminar des VDBUM, Braunlage, 23.-27. Februar 2010

Hohaus, L. (2009): Entwicklung einer Verzweigungsvorrichtung für das System CargoCap,simulationsgestützte Ermittlung von Betriebslasten, Dissertation; in: Schriftenreihe Institute Product and Service Engineering, Fakultät für Maschinenbau, Ruhr-Universität Bochum, Heft 09.3

Kersting, M. (2002): Subterrestrische Gütertransporte in Ballungsgebieten. Ökonomische Rahmenbedingungen und Potentiale, (RUFIS-Studien Nr. 4/2002), Hagen, ISL-Verlag

Kersting, M.; Klemmer, P; Stein, D. (2004): CargoCap - wirtschaftliche Transportalternative im Ballungsraum; Internationales Verkehrswesen (56), Nr. 11

Kersting, M.; Werbeck, N. (2008): Subterrestrische Transportalternativen in Ballungsräumen; Forschungsbericht von RUFIS im Auftrag des Ministeriums für Bauen und Verkehr des Landes NRW, Dezember 2008

BDO (2008): Bericht über die betriebswirtschaftliche Beratung im Projekt CargoCap, Essen, Dezember 2008

Pielow, Joh.-Christian (2009): CargoCap-Marktpotentialanalyse – Juristische Bewertung der anvisierten Pilotstrecke ("Ruhrgebietstrasse")

 

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