Internationales Verkehrswesen (74) 4 | 2022 42 Auswirkungen von Innovationen auf Planungsmethoden im intermodalen Transport Klimaziele erfordern veränderten Modal Split Innovation, Intermodaler Transport, Güterwagen, Schienengüterverkehr Innovationen im Schienengüterverkehr können die Wettbewerbsfähigkeit des intermodalen Transports verbessern, allerdings müssen diese Potenziale im Betrieb ausgeschöpft werden. Für modulare Güterwagen, wie der m²-Güterwagen von DB Cargo, werden die Auswirkungen von Innovationen auf die Planungsmethoden und die Notwendigkeit für angepasste Planungsmethoden aufgezeigt. Die Forschung kann dabei helfen, diese angepassten Planungsmethoden zu entwickeln. Ralf Elbert, Raphael Hackober F ür das Erreichen der gesetzten Klimaziele in Deutschland sollen die Treibhausgasemissionen im gesamten Verkehrssektor bis zum Jahr 2030 um 48 % sinken (ggü. 2019) [1]. Um dieses ambitionierte Ziel zu erreichen, muss auch der Güterverkehr dazu beitragen und seine Treibhausgasemissionen trotz der hohen und weiter steigenden Transportleistungen reduzieren. So werden die Transportleistungen in Deutschland voraussichtlich von heute ca. 700 Mio. tkm jährlich bis zum Jahr 2030 auf 840 Mio. tkm steigen [2]. Um die gesetzten Emissionsziele dennoch zu erreichen, reicht es daher nicht aus, nur die spezifischen Treibhausgasemissionen der einzelnen Transportmodi zu verringern, sondern es muss eine nachhaltige Veränderung im Modal Split erfolgen, um eine nennenswerte Veränderung der Treibhausgasemission im Transportsektor zu erreichen. Durch seine vorteilhafte Klimabilanz und die geringen externen Kosten soll daher der Schienengüterverkehr eine verstärkte Rolle im Transportsektor einnehmen. Im Vergleich zum Straßengüterverkehr können so bei gleicher Transportleistung 85 % an Treibhausgasemission eingespart werden [3]. Deshalb setzte auch schon die Bundesregierung im Jahr 2019 das Ziel, den Anteil des Schienengüterverkehrs am Modal Split in Deutschland von 19 % im Jahr 2019 auf 25 % im Jahr 2030 zu erhöhen [4]. Unter Berücksichtigung der Transportmengenprognosen müsste damit der Schienengüterverkehr insgesamt 63 % tkm mehr leisten als im Jahr 2019. Um dieses Ziel zu erreichen und generell mehr Güter auf die Schiene zu bringen, muss die Kapazität und die Attraktivität des Schienengüterverkehrs gesteigert Foto: George Manas / Pexels LOGISTIK Transportplanung Internationales Verkehrswesen (74) 4 | 2022 43 Transportplanung LOGISTIK werden. Verschiedene Studien zeigen auf, dass die geplanten staatlichen Investitionen in das Schienennetz und die Infrastruktur nicht ausreichen, um die gesetzten Ziele zu erreichen [5]. Ein wichtiger Punkt hierbei ist, dass die benötigten Transportmengen aufgrund von Kapazitätsengpässen bisher nicht über das Schienennetz transportiert werden können. Hierfür sind vor allem Investitionen in das Schienennetz notwendig, um die erforderliche Kapazität der Infrastruktur bereitzustellen und somit die nachhaltige Verlagerung der Transportgüter auf die Schiene zu ermöglichen. Für die Veränderung des Modal Splits reicht es allerdings nicht aus, nur die notwendigen Voraussetzungen zur Verlagerung zu schaffen, sondern es müssen tatsächlich mehr Gütertransporte auf die Schiene verlagert werden. Hierzu müssen die Attraktivität und die Wettbewerbsfähigkeit des Schienengüterverkehrs gegenüber dem Straßengüterverkehrs verbessert werden. Hierfür werden unter anderem Investitionen und daraus resultierende Innovationen der Eisenbahnunternehmen und der Privatwirtschaft benötigt, um den Schienengüterverkehr effizienter und flexibler zu gestalten. Vor allem im Bereich des intermodalen Verkehrs bzw. des Kombinierten Verkehrs besteht dabei ein großes Verlagerungspotenzial, das bisher nicht ausgeschöpft wurde. Ein Großteil der Unternehmen besitzt keinen Gleisanschluss, weshalb sie auf den intermodalen Transport angewiesen sind, wenn sie den Schienengüterverkehr für ihre Güter nutzen wollen. Innovationen können hier helfen, die Unternehmen leichter in die intermodale Transportkette einzubinden und so die Zugangsbarrieren in den Schienengüterverkehr zu verringern. Innovationen können die Wettbewerbsfähigkeit des SGV erhöhen Ein Beispiel für Innovationen im Bereich des Schienengüterverkehrs und des intermodalen Transports ist der neue m 2 -Güterwagen der DB Cargo AG. Das m 2 -Güterwagenkonzept (modular × multifunktional) zeichnet sich durch die Trennbarkeit von modularem Tragwagen und multifunktionalen Behältern aus. Die Modularität des Tragwagens ergibt sich u. a. durch einen hohen Standardisierungsgrad, wodurch die Wagenlänge über den Lebenszyklus des Güterwagens flexibel konfigurierbar ist. Dadurch können die Güterwagen flexibel an längerfristige Kundenbedürfnisse angepasst und verschiedene Behälterarten auf dem gleichen Tragwagen transportiert werden-[6]. Durch die Trennbarkeit der Behälter und Tragwagen können die m 2 -Güterwagen einfacher in intermodale Transportketten eingebunden werden, indem die Behälter auch per LKW transportiert werden können. Somit können verschiedene Behälterarten über die gesamte intermodale Transportkette eingesetzt werden, was zu einem effizienteren Transportprozess führt. Anders als Container müssen die Behälter keine geschlossenen, standardisierten Behälter sein, sondern können güterspezifische Konfigurationen (z. B. Coil Behälter) aufweisen. Durch die Trennbarkeit und die Transportfähigkeit der Behälter per LKW können auch Verlader ohne eigenen Gleisanschluss in die intermodalen Transportketten integriert werden. Hierbei kommt wieder das Verlagerungspotenzial des Kombinierten Verkehrs zum Tragen, wodurch große Teile der Transportkette auf die Schiene verlagert werden können. Damit werden durch den trennbaren und modularen Güterwagen die Zugangsbarrieren zur intermodalen Transportkette verringert und gleichzeitig wird die Flexibilität des Schienengüterverkehrs verbessert. Innovationen beeinflussen verschiedene Akteure im intermodalen Transport Die beispielhafte Innovation des m 2 -Güterwagen von DB Cargo zeigt, dass Innovationen das Potenzial besitzen, die Wettbewerbsfähigkeit des Schienengüterverkehrs zu verbessern und bei der Verlagerung der Gütertransporte auf die Schiene helfen können, allerdings müssen diese Potenziale auch dementsprechend im Betrieb eingeplant und genutzt werden. So können etwa durch eine reine Substituierung der konventionellen Güterwagen durch modulare Güterwagen diese Potenziale nicht ausgeschöpft werden. Intermodale Transportketten haben viele verschiedene Akteure (z. B. Verlader, Terminalbetreiber, Operateure), die alle zu einem effizienten Transport beitragen [7]. Aufgrund der hohen Vernetzung in intermodalen Transportketten beeinflusst daher der Einsatz von Innovationen viele verschiedene Akteure. Gerade im Bereich der Planung von intermodalen Transportketten lassen sich diese Auswirkungen aufzeigen. Im intermodalen Transport ist eine Zusammenarbeit zwischen den Akteuren bei der Planung von Vorteil, da so die Verfügbarkeit und Flexibilität verbessert werden kann [8, 9]. Aufgrund dieser notwendigen Zusammenarbeit und durch die damit resultierenden wechselseitigen Abhängigkeiten können sich die Auswirkungen von Innovation auf verschiedene Akteure in der Transportkette auswirken. So können auf den ersten Blick technische Innovationen aus dem Schienengüterverkehr ebenfalls Auswirkungen auf die Planungsverfahren von Akteuren außerhalb des Schienengüterverkehrs haben. Daher müssen für einen effizienten Einsatz der Innovationen auch die Planungen und Planungsmethoden in den intermodalen Transportketten angepasst werden. Dabei müssen die Auswirkungen und Spezifikationen der Innovationen auf verschiedenen betrieblichen Ebenen und Planungsebenen adäquat berücksichtigt werden, andernfalls können die Transporte nicht optimal betrieben werden, und die Potenziale der Innovationen werden nicht vollständig ausgenutzt. Um bei der beispielhaften Innovation des m 2 -Güterwagens zu bleiben, haben sowohl die Spezifikation der Trennbarkeit als auch die Modularität des Tragwagens einen Einfluss auf verschiedene Planungsebenen und -methoden unterschiedlicher Akteure. Die Trennbarkeit der Tragwagen und Behälter hat unter anderem einen Einfluss Bild 1: Umlaufplanung für konventionelle und trennbare Güterwagen Eigene Darstellungen Internationales Verkehrswesen (74) 4 | 2022 44 LOGISTIK Transportplanung auf die Umlaufplanung der Güterwagen. Bei einem klassischen, nicht-trennbaren Güterwagen muss die Umlaufplanung nur für den Güterwagen selbst geplant werden. Dieses Planungsproblem wurde für klassische Güterwagen umfassend erforscht [10, 11], jedoch können die bisherigen Modelle nicht bei trennbaren Güterwagen ohne Anpassung angewendet werden. Durch die Trennbarkeit der neuen Güterwagen können die Güterwagen in der Umlaufplanung nicht mehr als ein einzelnes Fahrzeug betrachtet werden, sondern müssen als trennbare Behälter und Tragwagen berücksichtigt werden, da diese an unterschiedlichen Standorten positioniert werden können. Dabei ist nicht nur zu bestimmen, wo der Tragwagen hinfahren soll, sondern gleichzeitig auch, wo welcher Behälter benötigt wird (siehe- Bild 1). Gleichzeitig muss das Planungsmodell berücksichtigen, dass die Behälter nicht ohne Tragwagen transportiert werden können, wodurch die Umlaufplanungen von Tragwagen und Behälter synchronisiert und abgestimmt werden müssen. Dies führt zu einer erhöhten Komplexität in der Planung und Steuerung in der gesamten intermodalen Transportkette. Die Anpassung der Umlaufplanung wirkt sich dabei auch auf Akteure außerhalb des Schienengüterverkehrs aus, da diese durch die Verfügbarkeit und Umlaufplanung der Behälter, die über die gesamte intermodale Transportkette eingesetzt werden können, beeinflusst werden. Die Modularität der Tragwagen wirkt sich durch die Umrüstbarkeit des Tragwagens auf den Betrieb der Güterwagen aus. Durch die Umrüstbarkeit der Tragwagen können verschiedene Behälterarten aufgenommen und transportiert werden, womit unterschiedliche Güterwagenarten durch ein Güterwagenkonzept ersetzt werden können. Damit erhöht sich der Anteil der Gleichteile für die Güterwagen, was bei steigenden Stückzahlen der modularen Güterwagen durch Skaleneffekte zu geringeren Bestandskosten führen kann. Durch die sinkenden Kosten wird wiederum die Wettbewerbsfähigkeit des Schienengüterverkehrs verbessert. Gleichzeitig können durch die Umrüstbarkeit und das Tauschen der Behälterarten die Auswirkungen von Nachfrageschwankungen abgeschwächt werden, was bei einer mittelbis langfristigen Änderung der Nachfrage die Anzahl der notwendigen Güterwagen reduziert. Integration der Innovationen in Planungsmethoden Für die Erläuterung der Auswirkungen auf die Planungsmethoden wird die Umrüstung des m 2 -Güterwagens im nachfolgenden Teil vereinfacht dargestellt. Die Modularität der Tragwagen erlaubt, dass Behälterarten mithilfe einer Umrüstung getauscht werden können. Hierfür wird der Tragwagen je nach Behälterart in einer Werkstatt umgerüstet, um anschließend andere Behälterarten aufzunehmen, womit unterschiedliche Güterarten mit dem gleichen Tragwagen transportiert werden können. Dies ermöglicht bei einer mittelbis langfristigen Änderungen der Kundennachfragen, bspw. durch saisonale oder konjunkturelle Schwankungen, die Auswirkungen der Nachfrageschwankungen auszugleichen, was zu einer verringerten Anzahl an notwendigen Güterwagen bei gleichbleibender Transportleistung führt. Damit dies erreicht werden kann, muss allerdings das Umrüsten möglichst optimal geplant werden. In Bild 2 ist eine beispielhafte saisonale Schwankung der Nachfrage und die Anzahl der notwendigen Güterwagen, um die Nachfragen in der jeweiligen Saison bedienen zu können, abgebildet. Für die nicht-umrüstbaren Güterwagen gibt es eine Anzahl an ungenutzten Güterwagen (grau gestrichelt) aufgrund der Nachfrageschwankungen. Für die Behälterart A muss in der Saison A eine bestimmte Menge an Güterwagen bereitgestellt werden, um die Nachfrage zu decken. In der Saison B sinkt jedoch die Nachfrage nach Behälterart A, und es werden nicht mehr alle bereitgestellten Güterwagen benötigt. Dies führt zu einem Anteil ungenutzter Güterwagen, die keine Transportleistung erbringen, jedoch Bestandskosten verursachen. Mit den modularen, umrüstbaren Güterwagen kann dieser Anteil an nicht genutzten Güterwagen reduziert werden, was zu geringeren Kosten führt. So können nicht genutzte Tragwagen des Typs A in Saison B umgerüstet werden und somit die Behälterart B transportieren. Dadurch sinkt der Anteil der nicht genutzten Tragwagen, und die Gesamtanzahl an Tragwagen kann reduziert werden, was zu einer Effizienzsteigerung im Transportsystem führt. Hier ist klarzustellen, dass nur die Anzahl der Tragwagen reduziert werden kann und nicht die Anzahl der Behälter, da die Behälter nicht modular aufgebaut sind und nicht umgerüstet werden können. Dem Umrüsten der Tragwagen stehen allerdings auch Kosten gegenüber, die bei jeder Umrüstung entstehen. Dadurch entsteht ein Trade-Off zwischen Anzahl der Umrüstungen und damit Reduzierung der notwendigen Anzahl an Güterwagen und den Kosten für die Umrüstungen. Schienenverkehrsunternehmen müssen daher taktisch entscheiden, wann eine Umrüstung eines Güterwagens erfolgen soll, damit kostenminimale Transporte durchgeführt werden können. Ein optimales Umrüstverhalten führt zu verringerten Kosten und damit zu geringeren Produktionskosten. Die modularen Güterwagen eröffnen somit eine zusätzliche taktische Fragestellung, die mit Hilfe von Planungsmethoden beantwortet werden kann. Die Beantwortung der Frage nach dem optimalen Umrüstverhalten kann durch Optimierungsmodelle beantwortet werden. Ein beispielhaftes Optimierungs- und Planungsmodell, um die Anzahl der notwendigen Güterwagen zu bestimmen, ist das Service Network Design with Asset Management [12, 13]. Hierbei wird anhand der Kundennachfrage ein optimaler Fahrplan der Züge generiert und gleichzeitig die optimale Anzahl der Güterwagen im Transportnetz bestimmt. Durch die optimale Anzahl der Güterwagen kann somit das optimale Umrüstverhalten bestimmt werden. Allerdings gibt es in der Forschungsliteratur bisher Bild 2: Anzahl notwendiger Güterwagen bei mittelbis langfristigen Nachfrageschwankungen durch umrüstbare, modulare Güterwagen kein Planungsmodell, das modulare Güterwagen oder modulare Transportfahrzeuge berücksichtigt. Es sollte daher auch in der Forschungsliteratur verstärkt der Fokus auf die Auswirkungen von Innovationen auf Planungsmethoden gelegt werden und wie die Spezifikationen von Innovationen in bestehende Planungsmodelle integriert werden können. Forschung kann dazu beitragen, angepasste Planungsmethoden zu entwickeln Wie die beispielhafte Innovation des m 2 - Güterwagens zeigt, wirken sich die Einführung und die Nutzung von Innovationen im intermodalen Transport auf verschiedene Bereiche und Akteure in der Transportkette aus. Um die Potenziale der Innovationen in der gesamten intermodalen Transportkette ausnutzen zu können, sollten daher alle Akteure in der Transportkette die Auswirkungen der Innovationen berücksichtigen. Die Auswirkungen sollten dabei zudem interdisziplinär und über verschiedene Planungs- und Betriebsbereiche analysiert werden, da auch vermeintlich technische Innovationen Einfluss auf die Planung und den Betrieb in der intermodalen Transportkette haben können. Vor allem im Hinblick auf Innovationen angepasste Planungsmethoden sollte hier ein verstärkter Fokus gesetzt werden, damit die Innovation effizient eingesetzt werden können. Bisher gibt es allerdings nur wenige Veröffentlichungen in der Forschungsliteratur, in denen die Einflüsse von Innovationen im intermodalen Transport auf die Planungsmethoden und wie diese berücksichtigt werden können, untersucht werden. Durch die vernetzten intermodalen Transportketten wirken sich diese Einflüsse eben nicht nur auf die Planungsmethoden einzelner Akteure aus, sondern es kommt zu Einflüssen auf der gesamten Transportkette. Diese weitreichenden Einflüsse und die damit verstärkte Komplexität in der Planung sollte durch angepasste, akteursübergreifende Planungsmethoden aufgegriffen werden. Die Forschung kann dabei helfen, diese angepassten Planungsmethoden zu entwickeln, um die Komplexität der Einflüsse adäquat abbilden zu können. Vor allem durch datengetriebene Planungs-und Optimierungsmethoden können die Auswirkungen in intermodalen Transportketten analysiert werden. So können bspw. historische Nachfragedaten genutzt werden, um ein optimales Umrüstverhalten der modularen Güterwagen zu bestimmen und damit die Anzahl der notwendigen Güterwagen so gering wie möglich zu halten. ■ Wie Innovationen im Schienengüterverkehr, speziell der m 2 - Güterwagen, sinnvoll in Planungsmethoden und -modellen berücksichtigt werden können, wird in verschiedenen Forschungsprojekten des Fachgebiets Unternehmensführung & Logistik an der TU Darmstadt untersucht. Hierbei werden die Auswirkungen der Innovationen im Schienengüterverkehr auf den Betrieb und die Planung und durch Simulations- und Optimierungsmodelle analysiert, um strategische und taktische Fragestellung im intermodalen Transport zu beantworten. QUELLEN [1] Bundesministerium der Justiz (2019): Klimaschutzgesetz. [2] Schubert, M.; Kluth, T.; Nebauer, G.; Ratzenberger, R. (2014): Im Auftrag des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur: Verkehrsverflechtungsprognose 2030. [3] Umweltbundesamt (2021): Aktualisierung der Modelle TREMOD/ TREMOD-MM für die Emissionsberichterstattung 2020. [4] Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur: Masterplan Schienenverkehr, 2019. [5] Roland Berger im Auftrag des VDV (2021): Schienengüterverkehr als Garant des Klimaschutzes im Verkehr - Qualität, Innovation und Kunden im Fokus. Gutachten zum Schienengüterverkehr in Deutschland bis 2030. [6] DB Cargo AG: Der Güterwagen der Zukunft: multifunktional und modular. www.dbcargo.com/ rail-de-de/ leistungen/ innovationen/ m2-wagen# (Zugriff: 10.10.2022). [7] Di Febbraro, A.; Sacco, N.; Saeednia, M. (2016): An Agent-Based Framework for Cooperative Planning of Intermodal Freight Transport Chains, Transportation Research Part C: In: Emerging Technologies, Vol. 64, pp. 72-85. [8] Saeed, N. (2013): Cooperation Among Freight Forwarders: Mode Choice and Intermodal Freight Transport. In: Research in Transportation Economics, Vol. 42, No. 1, pp. 77-86. [9] Agamez-Arias, A.-M.; Moyano-Fuentes, J. (2017): Intermodal Transport in Freight Distribution: A Literature Review. In: Transport Reviews, Vol. 37, No. 6, pp. 782-807. [10] Zhu, E.; Crainic, T.; Gendreau, M. (2014): Scheduled Service Network Design for Freight Rail Transportation. In: Operations Research, Vol. 62, No. 2, pp. 383-400. [11] Elbert, R.; Rentschler, J.; Schwarz, J. (2022): . Combined Hub Location and Service Network Design Problem: A Case Study for an Intermodal Rail Operator and Structural Analysis. In: Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board. [12] Andersen, J.; Crainic, T. G.; Christiansen, M. (2009): Service Network Design with Asset Management: Formulations and Comparative Analyses. Transportation Research Part C: In: Emerging Technologies, Vol. 17, No. 2, pp. 197-207. [13] Wang, Z.; Qi, M.; Cheng, C.; Zhang, C. (2019): A Hybrid Algorithm for Large-Scale Service Network Design Considering a Heterogeneous Fleet. In: European Journal of Operational Research, Vol. 276, No. 2, pp. 483-494. Ralf Elbert, Prof. Dr. Fachgebiet Unternehmensführung und Logistik, TU Darmstadt elbert@log.tu-darmstadt.de Raphael Hackober, M.Sc. Wissenschaftlicher Mitarbeiter, Fachgebiet Unternehmensführung & Logistik, TU Darmstadt hackober@log.tu-darmstadt.de Ausgabe 1 | Februar 2023 Digital, automatisch - und sicher? Verkehrsinfrastruktur Öffentlicher Verkehr Cloud-Technologie Cybersicherheit Ausgabe 2 | Mai 2023 Transport und Verkehr Versorgungswege Luftverkehr | Seeverkehr Kombinierter Verkehr Instandhaltung Ausgabe 3 | September 2023 Strategie und Technik Digitaler Wandel Antriebstechnologie Rohstoffe | Ressourcen Multimodalität Ausgabe 4 | November 2023 Infrastruktur im Fokus Kommunikationswege Stadt- und Verkehrsplanung Sicherheitstechnik Energieversorgung www.internationales-verkehrswesen.de Blick voraus Themen-Schwerpunkte des Jahres 2023 IV Themen 2023.indd 1 IV Themen 2023.indd 1 02. Nov. 2022 17: 45: 14 02. 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