Digitale Transformation in der maritimen Logistik. Anwendung von intelligenten Technologien am Hamburger Hafen

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

1 Einleitung
1.1 Problemdarstellung
1.2 Ziel der Arbeit
1.3 Aufbau und Methodik der Arbeit

2 Überblick Containerumschlag
2.1 Umschlagsprozesse im Containerterminal
2.2 Herausforderungen im Containerumschlag
2.3 Anwendungsbezug Hamburger Hafen

3 Digitalisierung in der Hafenlogistik
3.1 Digitale T ransformation von Häfen
3.2 Evolution eines Hafens zum Smart Port
3.3 Anwendungsbezug Hamburger Hafen
3.4 Digitalisierungsstrategien von Häfen

4 Konzepte der Digitalisierung
4.1 Cloud Computing und Internet of Things
4.2 Künstliche Intelligenz und Robotik
4.3 Cyber-Physische Systeme
4.4 Big Data
4.5 Blockchain

5 Anwendung der Konzepte der Digitalisierung
5.1 Referenzarchitektur Smart Port
5.2 Cloud Computing und Internet of Things
5.2.1 Einsatzpotential
5.2.2 Bewertung
5.3 Künstliche Intelligenz und Robotik
5.3.1 Einsatzpotential
5.3.2 Bewertung
5.4 Cyber-Physische Systeme
5.4.1 Einsatzpotential
5.4.2 Bewertung
5.5 Big Data
5.5.1 Einsatzpotential
5.5.2 Bewertung
5.6 Blockchain
5.6.1 Einsatzpotential
5.6.2 Bewertung

6 Zusammenführung der Ergebnisse
6.1 Abschließende Bewertung der Einsatzpotentiale
6.2 Handlungsempfehlungen
6.3 Ausblick und zukünftige Entwicklung

7 Fazit

Literaturverzeichnis

Anhang

Abbildungsverzeichnis

Abb. 1: Transportkette in der Containerschifffahrt

Abb. 2: Layout Containerterminal

Abb. 3: Containertransportmenge in der weltweiten Seeschifffahrt

Abb. 4: Spitzenbelastungen durch Rekordumschläge an Großschiffen

Abb. 5: Hinterlandanbindung des Hamburger Hafens

Abb. 6: Layout und Abläufe CTA

Abb. 7: Evolution eines Hafens zum Smart Port

Abb. 8: Organisationsebenen in der maritimen Logistik

Abb. 9: Von der Datenerhebung bis zum Unternehmensnutzen

Abb. 10: DHL Logistik Trendradar 2018/2019

Abb. 11: Layout eines automatisierten Containerterminals

Abb. 12: Merkmale eines Roboters

Abb. 13: CPS als zentrales Element von Hafen 4.0

Abb. 14: Big Data Charakteristiken

Abb. 15: Entwicklungsstufen der Ledger-Theorie

Abb. 16: Referenzarchitektur Smart Port

Abb. 17: Erweiterung Referenzarchitektur zum globalen Hafennetzwerk

Abb. 18: Datenfluss von Schiff- und Navigationsdaten

Abb. 19: Beispiel für einen Smart Contract mit Überwachung von Temperatur und Feuchtigkeit in einem Container

Tabellenverzeichnis

Tab. 1: Legende Bewertung

Tab. 2: Bewertung Cloud Computing und loT

Tab. 3: Bewertung Künstliche Intelligenz und Robotik

Tab. 4: Bewertung Cyber-Physische Systeme

Tab. 5: Bewertung Big Data

Tab. 6: Bewertung Blockchain

Tab. 7: Abschließende Bewertung der Einsatzpotentiale

Tab. 8: Aktuelle Forschungs- und Innovationsprojekte IHATEC xiii

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einleitung

Die Containerschifffahrt ist aus dem globalen Handel nicht mehr wegzudenken. Un­gefähr 90% des Welthandels werden über den Schiffsverkehr abgewickelt.¹ So ist es nicht verwunderlich, dass immer mehr und immer größere Containerschiffe für den T ransport auf dem Seeweg eingesetzt werden. Doch vor allem für die Häfen wird die rasante Entwicklung mehr und mehr zu einer Herausforderung.

Die Kernaufgabe eines jeden Containerhafen ist die Funktion des Umschlags. In der Seehafenlogistik kann ein Container verschiedene Umschlagsprozesse durchlaufen. So können beispielsweise nach der Entladung des Containers vom Schiff innerbe­trieblich Umschlagsprozesse stattfinden, bevor der Umschlag für die Hinterlandan­bindung erfolgt. Die verschiedenen Umschlagsprozesse bestimmen maßgeblich die Leistungsfähigkeit eines Hafens.² Allgemein handelt es sich bei dem Begriff Um­schlag um einen der drei Hauptprozesse der Logistik (Transport, Umschlag, Lage­rung). Er beschreibt den Prozessabschnitt in der Transportkette, indem die Ware von einem auf ein anderes Transportmittel verladen wird.³ Die Leistungsfähigkeit des Umschlagprozesses eines Hafens wird durch die drei Faktoren Infrastruktur, Waren- und Verkehrsfluss bestimmt.

Aufgrund der großen Bedeutung der Containerschifffahrt für den Welthandel ist es naheliegend, dass auch in dem Bereich der Seehafenlogistik die Digitalisierung ihren Einzug findet. Schon heute wird mit Hilfe verschiedener Konzepte der Digitalisierung versucht ungenutztes Potential in den verschiedenen Prozessen in den Seehäfen zu heben. Ein Beispiel hierfür ist das Projekt STRADegy, welches den Einsatz von au­tomatisierten Portalhubwagen (Straddle Carriern) zur Effizienzsteigerung und Auto­matisierung der Hafenumschlagsprozesse untersucht.⁴

1.1 Problemdarstellung

Unabhängig der digitalen Transformation stellen die Umschlagsprozesse von Con­tainern häufig eine der letzten nicht automatisierten Aktivitäten in einer hochtechni­sierten T ransportkette dar. Weiterhin nimmt der Faktor Mensch in der Planung, Steu­erung und Überwachung der Umschlagsprozesse eine entscheidende Rolle ein.

Aufgrund der stetig wachsenden Anzahl an Containertransporten⁵, wird eine digitale Unterstützung für die reibungslose Abwicklung aller physischen Prozesse mehr und mehr unabdingbar. Bisher existierende automatische und halbautomatische Sys­teme sind zumeist ungenügend und verfügen somit über einen geringen Verbrei­tungsgrad. Aufgrund der hohen Investitionskosten, langfristigen Inbetriebnahme-Zei­ten sowie notwendigen Anpassungen an der Infrastruktur werden die Anforderungen der Hafenbetreiber nicht erfüllt.⁶ Diese Gegebenheiten führen dazu, dass die Um­schlagsprozesse in den Häfen weiterhin ein hohes Optimierungspotential aufweisen.

1.2 Ziel der Arbeit

Das Ziel der Projektarbeit ist die Erforschung der Einsatzpotentiale ausgewählter Konzepte der Digitalisierung im Containerumschlag. Es soll bewertet werden, mit welchen digitalen Technologien die Häfen von heute auf die Herausforderungen von morgen bewältigen können.

Der Hamburger Hafen als größter Containerhafen Deutschlands bzw. drittgrößter Containerhafen Europas ist von der fortschreitenden Digitalisierung besonders be­troffen. Das Containerterminal Altenwerder (CTA) zählt als eines der modernsten Umschlagsstationen der Welt.⁷ Es ist somit eine naheliegende Entscheidung den Einsatz der Digitalisierung am Beispiel des Hamburger Hafens, als Referenz-Hafen, zu erforschen.

1.3 Aufbau und Methodik der Arbeit

Zur Bearbeitung der Zielsetzung wird zunächst ein Überblick über die Prozesse und Akutere im Containerumschlag gegeben. Dazu werden die Umschlagsprozesse in der Seehafenlogistik näher beschrieben und auf die damit verbundenen Herausfor­derungen eingegangen. Auch der Hamburger Hafen wird in diesem Kontext erstma­lig beschrieben.

Anschließend wird die fortschreitende Digitalisierung in der Seehafenlogistik be­leuchtet. Dabei steht die Evolution eines Hafens zu einem Smart Port im Fokus. Auch der Hamburger Hafen wird in diesem Evolutionsprozess eingeordnet und auf Defizite im Entwicklungstand untersucht.

Im weiteren Verlauf der Projektarbeit werden ausgewählte Konzepte der Digitalisie­rung vorgestellt und auf ihr Einsatzpotential im Containerumschlag untersucht. Dazu werden die einzelnen Konzepte methodisch anhand von definierten Kriterien bewer­tet. Anschließend werden die Ergebnisse zusammengetragen und Handlungsemp­fehlungen für den Einsatz der Konzepte formuliert.

Im Fazit werden die wesentlichen Inhalte der Arbeit zusammengefasst und reflek­tiert.

2 Überblick Containerumschlag

Die Funktion des Umschlags ist nur ein Teilprozess der Transportkette in der Con­tainerschifffahrt. Wie bereits erwähnt kann im Verlauf der gesamten T ransportkette die Funktion des Umschlags mehrfach stattfinden. Immer wenn die Ware von einem auf ein anderes Transportmittel verladen wird, spricht man von einem Umschlag. Die verschiedenen Umschlagsprozesse können somit in den Prozessabschnitten Vor­lauf, Hauptlauf sowie Nachlauf stattfinden (siehe Abbildung 1).

Im Folgenden wird die Funktion des Umschlags in den Containerterminals näher be­leuchtet und auf die verschiedenen Arten sowie Herausforderungen näher eingegan­gen. Zur Reduzierung der Komplexität wird sich im weiteren Verlauf der Projektarbeit auf die Umschlagsprozesse im Nachlauf konzentriert (roter Kasten in Abbildung 1). Also von dem Anlegen des Containerschiffes an der Kaikante bis zur Verladung der einzelnen Container auf die verschiedenen Transportmittel des Hinterlandverkehres.

Abb. 1: Transportkette in der Containerschifffahrt

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: Eigene Darstellung, in Anlehnung an Jahn, C., Perspektiven für Logistik und Hinterlandanbindung, 2017, S. 6f.

2.1 Umschlagsprozesse im Containerterminal

Ein Containerterminal ist der Ort, an dem ein Container zwischen mindestens zwei Transportmitteln umgeschlagen wird. Dies kann z.B. der Umschlag von der Schiene auf den Lkw sein (beispielsweise Containerterminal in Calais, Eurotunnel) oder auch der Umschlag vom Containerschiff auf den Lkw, die Schiene oder das Feederschiff sein. Da sich Containerterminals mit dem Transportmittel Containerschiff in Seehä­fen befinden, handelt es sich auch um so genannte Seeschiff-Terminals.⁸ Im folgen­den Verlauf der Projektarbeit stehen Seeschiff-Terminals im Vordergrund. In diesem Kapitel wird ein kurzer Überblick über mögliche Layouts von Containerterminals so­wie über gängige Umschlagsgerätschaften und -Prozesse gegeben.

Sobald ein Containerschiff am Kai anlegt, beginnen die Kräne damit die Ladung zu löschen. Je nach Anzahl der Krankatzen sowie nach dem Automatisierungsgrad kön­nen unterschiedliche Arten von Kaikränen unterschieden werden. Die Kaikräne ha­ben die Aufgabe, die Ladung vom Schiff zu löschen und diese auf die unten am Kai fahrenden T ransportmittel zu verladen. Um diese Aufgabe im höchsten Maße flexibel zu bewältigen, können sich die Kräne parallel zum Kai auf- und ab bewegen.

Die mit der Ladung bestückten Transportmittel, i.d.R. Portalhubwagen, transportie­ren den Container zum Lagerplatz. Die meisten Häfen haben eine der beiden typi­schen Aufteilungen der Lagerplätze: parallel zum Kai verlaufendes Blocklager (in der Abbildung links), senkrecht zum Kai verlaufendes Blocklager (in der Abbildung rechts). Die Einlagerung in das Blocklagersystem erfolgt durch schienengebundene Portalkräne. Auch hier können je nach Anzahl an Schienen sowie der Höhe der Kran­konstruktion unterschiedliche Arten von schienengebundenen Portalkränen unter­schieden werden.⁹

Abb. 2: Layout Containerterminal

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: Vos, A., Scheduling Automated Guided Vehicles in Container Terminals Us­ing Max-plus-linear Systems, 2015, S.6.

Am Lagerplatz angekommen, wird der Container bis zur Abholung gepuffert. Die Ab­holung erfolgt i.d.R. durch einen Lkw, der ebenso wie bei der Einlagerung durch die schienengebundenen Portalkräne beladen wird.

Je nachdem, ob der nachgelagerte Hinterlandverkehr (Nachlauf) durch den Lkw er­folgt, endet an dieser Stelle der Umschlagsprozess. Ansonsten transportiert der Lkw den Container zu einer weiteren Umschlagsstation, an der mit Hilfe von Kränen die Ladung auf die Schiene, das Feederschiff oder andere T ransportmittel verladen wird. Die Koordination der gesamten Verkehrsflüsse stellt eine weitere zentrale Aufgabe des Umschlagsprozesses dar. Mit der Verladung auf den für die Ware bestimmten Verkehrsträger endet auch in diesem Fall der Umschlagsprozess.¹⁰

2.2 Herausforderungen im Containerumschlag

Nachdem der Containerumschlag näher beschrieben worden ist, werden in diesem Abschnitt die aktuellen Herausforderungen auf Infrastruktur, Waren- und Verkehrs­fluss der Häfen beleuchtet. In der Literatur werden vier Herausforderung als beson­ders beschränkend herausgestellt¹¹:

- Wachsende Containertransportmenge
- Zunehmende Spitzenauslastungen
- Stärkere Umweltsensibilisierung
- Begrenzte Flächen und Infrastruktur

Eine der wesentlichen Herausforderung in der Seehafenlogistik ist die stetig zuneh­mende Containertransportmenge (siehe Abbildung). Die Containerterminals müssen sich Jahr für Jahr auf mehr Container einstellen. Da aufgrund von begrenzten Flä­chen und Infrastruktur ein physischer Ausbau der Häfen nur selten möglich ist, wer­den die Containerterminals mehr und mehr zu einem Engpass in der T ransportkette. Die Hafenbetreiber sind aus diesem Grund stets bemüht die Produktivität der Con­tainerterminals zu steigern. In diesem Kontext nehmen die Konzepte der Digitalisie­rung zunehmend an Bedeutung zu.¹²

Abb. 3: Containertransportmenge in der weltweiten Seeschifffahrt

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: Statista, Prognose zur weltweiten Containertransportmenge bis 2023, 2019, Zugriff am: 2019-08-07.

Darüber hinaus werden aufgrund der stetig wachsenden Containertransportmenge auch die Containerschiffe immer größer. Dieser Umstand führt dazu, dass die Häfen zunehmend mit einer Erhöhung der Spitzenbelastung zu kämpfen haben. Mittler­weile werden Schiffe mit mehr als 20.000 Standardcontainern (TEU) eingesetzt.¹³

Welche Auswirkung alleine ein 12.000 TEU Containerschiff auf den Waren- und Ver­kehrsfluss Hamburger Hafen hat, wird in der folgenden Abbildung veranschaulicht.

Abb. 4: Spitzenbelastungen durch Rekordumschläge an Großschiffen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: Jahn, C., Hafen der Zukunft- Perspektiven für Logistik und Hinterlandanbin­dung, 2017, S. 12.

Die Entladung der 12.000 TEU führt zu einer extremen Belastung der Lagerkapazi­täten im Hafen. Am Beispiel des CTA, eines der vier Containerterminals im Hambur­ger Hafen, entspricht diese Menge an Containern einer Auslastung von 40% der La­gerkapazität. Doch auch an die Verkehre werden hohe logistische Anforderungen gestellt. Neben dem hohen Verkehrsaufkommen im Hafengebiet selbst, werden auch den Hinterlandverkehren viel abverlangt. Entsprechend einer typischen Vertei­lung der Ladung auf die verschiedenen Verkehrsträger werden schätzungsweise 12 Feederschiffe, 60 Züge sowie ca. 3.000 Lkw für den weiteren Transport der Ladung ins Hinterland benötigt.¹⁴

Darüber hinaus werden die wachsenden Schiffsgrößen vor allem für die Binnenhäfen zur großen Herausforderung. Fahrrinnen müssen ausgebaut werden, damit die gro­ßen Containerschiffe weiterhin die Häfen anfahren können und die Häfen im inter­nationalen Wettbewerb nicht den Anschluss verlieren. Umweltverbände kritisieren diese Ausbaumaßnahmen, da durch die Vertiefung der Lebensraum vieler Arten zer­stört werden würde. Die verstärkte Umweltsensibilisierung führt zu langfristigen Ver­handlungen der verschiedenen Interessensgruppen und birgt ein großes Risiko für die Entwicklung vieler Häfen.¹⁵

1.3 Anwendungsbezug Hamburger Hafen

Für Deutschland wird der Hamburger Hafen umgangssprachlich auch „das Tor zur Welt“ genannt. Alleine im Jahr 2018 sind 8,7 Millionen TEU umgeschlagen worden. Damit belegt der Hamburger Hafen aktuell Platz 19 der weltgrößten Containerhä­fen.¹⁶ Bis zum Jahr 2030 wird das jährliche Umschlagsvolumen auf über 18 Millionen TEU prognostiziert.¹⁷ Aufgrund der Eigenschaft, dass es sich bei dem Hamburger Hafen um einen Binnenhafen handelt, ist ein proportionaler Aufbau der Infrastruktur zum Umschlagsvolumen nicht möglich. Schon heute stößt der Hafen, mit dem Stand­ort in Mitten einer deutschen Großstadt, an Begrenzungen der Flächenverfügbarkeit. Damit der Hamburger Hafen nicht zum Engpass in der Transportkette wird, muss durch Prozessoptimierung der Durchsatz erhöht werden. In diesem Kontext nehmen aktuelle und künftige Konzepte der Digitalisierung an Bedeutung zu.

Schon heute nimmt der Hamburger Hafen in Bezug auf die Digitalisierung Vorreiter­rolle im internationalen Wettbewerb ein. Bei dem CTA handelt es sich um eines der modernsten Umschlagsstationen der Welt handelt.¹⁸ Die Initiative smartPORT for­ciert mit intelligenten, digitalen Lösungen für den Verkehrsfluss, den Warenfluss so­wie für die Infrastruktur eine Effizienzsteigerung aller Prozesse im Hamburger Ha­fen.¹⁹ Geleitet wird das Programm smartPORT durch die Hamburger Port Authority (HPA) und ist unterteilt in die beiden Bereiche smartPORT energy und smartPORT logistics. Beide Bereiche sind wiederum in zahlreiche Teilprojekte unterteilt.²⁰ Als ei­nes der Ergebnisse dieser Initiative werden schon heute durch den Einsatz der Cloud-Technologie alle verkehrs- und infrastrukturrelevanten Informationen den ver­schiedenen Akteuren in Echtzeit bereitgestellt. Dies ermöglicht eine proaktive Steu­erung aller Prozesse.²¹

Bei dem hohen Verkehrsaufkommen ist eine derartige Verknüpfung der verkehrs­und infrastrukturrelevanten Informationen eine weitreichende Optimierung. An einem normalen Werktag verkehren im Hamburger Hafen rund 40.000 Lkw und 200 Züge mit über 5.000 Wagen.²² Das hafeninterne Verkehrsnetz besteht aus ca. 130km Straße, fast 300km Schiene und insgesamt 145 Brücken.²³ Durch die Optimierung der Verkehrsflüsse haben die Container durchschnittlich eine geringere Aufenthalts­zeit im Hafen und der Hinterlandverkehr kann früher beginnen.²⁴ Der Hamburger Hafen verfügt über eine gute Hinterlandanbindung. Der weitere Transport der Container erfolgt per Lkw, Schiene oder Feederschiff. Die Nutzung verschiedener Verkehrsträger wird auch modal split genannt. Die Container-Hinter­landverkehre verteilen sich wie folgt auf die einzelnen Verkehrsträger: 59,4% Lkw, 38,6% Schiene, 2,0% Feederschiff. In der folgenden Abbildung sind die Hinterland­verkehre des Hamburger Hafens dargestellt.²⁵

Abb. 5: Hinterlandanbindung des Hamburger Hafens

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: Härtel, J., Digital Transformation of Ports: A Status of the Port of Hamburg and the Port of Singapore, 2016, S. 71.

Für eine möglichst reibungslose Abwicklung am Hamburger Hafen werden die Um­schlagsprozesse kontinuierlich optimiert. Insbesondere das CTA verfügt im weltwei­ten Vergleich über fortschrittliche Umschlagsprozesse. Die einlaufenden Schiffe wer­den mit halbautomatischen Kaikränen mit je zwei Krankatzen entladen. Die Haupt­krankatze wird von dem Kranführer gesteuert. Er nimmt einen Container hoch und setzt ihn auf eine höher gelegene Plattform ab. Hier entfernen Hafenmitarbeiter (La­scher) die Verriegelung (Twistlocks) der Container. Anschließend hebt die andere Krankatze den Container an und verlädt ihn vollautomatisch auf ein fahrerloses Transportfahrzeug unten am Kai (engl. Automated Guided Vehicle, AGV).²⁶ Das AGV fährt vollkommen autonom zum vorgesehenen Lagerplatz. Jedoch werden nicht alle Container mit den AGV transportiert. Auch im CTA werden noch zusätzlich Portalhubwagen eingesetzt. Diese arbeiten nicht autonom, sondern werden durch Mitarbeiter gesteuert.²⁷

Am Lagerplatz angekommen werden die Container durch schienengebundene Por­talkräne vollautomatisch in das Blocklagersystem eingelagert. Jeder der insgesamt 26 Lagerblöcke verfügt über zwei schienengebundene Portalkräne. Durch die unter­schiedlichen Höhen der Krankonstruktionen ist eine parallele Arbeit der Kräne mög­lich.²⁸

Die Abholung erfolgt durch Lkw oder durch terminaleigene Ansatzdienste. Mitarbei­ter im Kontrollzentrum nutzen Kameras, um die Container, aus der Ferne gesteuert, auf die Fahrzeuge zu verladen.²⁹ In dem Fall, dass der Container durch einen Lkw abgeholt worden ist, endet der Umschlagsprozess und der Hinterlandverkehr be­ginnt. Wird der Container mit der Bahn oder dem Feederschiff weiter transportiert, bringt der Ansatzdienst den Container zu der entsprechenden Umschlagsstation, wo durch bemannte Kräne die Verladung auf den anderen Verkehrsträger erfolgt. Auch hier ist neben der Steuerung der Warenflüsse die Steuerung der Verkehrsflüsse eine entscheidende Aufgabe.

In der folgenden Abbildung werden die bereits beschriebenen Abläufe in dem CTA visualisiert. Der Abbildung ist zudem zu entnehmen, dass das CTA über ein senk­recht angeordnetes Layout verfügt.

Abb. 6: Layout und Abläufe CTA

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: HHLA, So funktioniert CTA, Zugriff am: 2019-07-21.

3 Digitalisierung in der Hafenlogistik

Das Anwendungsfeld der maritimen Logistik bietet bis heute ein weiterhin nicht kom­plett ausgeschöpftes Potential der Steigerung der Prozesseffizienz durch Technolo­gien der Digitalisierung. In der deutschen Seehafenlogistik werden verschiedene In­formations- und Kommunikationstechniken (IKT) bereits eingesetzt. Beispiele hierfür sind Systeme zur Koordination von Verkehrsabläufen, zur Identifikation von Schiffen, Hafen-Telematik-Systeme, Port Community Systeme oder Tracking & Tracing-Lö- sungen für Container. Im Vergleich zur Luftfahrtbranche, in der europaweite Kom­munikationsstandards bereits etabliert sind, werden in der Seefahrtlogistik von den verschiedenen Akteuren in der maritimen Transportkette größtenteils keine gemein­samen und standardisierten Kommunikationsplattformen genutzt. Gründe hierfür sind hauptsächlich:³⁰

- bis heute nicht verfügbare Echtzeitinformationen von hafenübergreifenden Pro­zessen
- funktionierende Geschäftsprozesse, die sich über mehrere Jahre bewährt haben
- Sorge der Dienstleister um den Verlust von Wettbewerbsvorteilen bei Weitergabe von sensitiven Geschäftsinformationen

3.1 Digitale Transformation von Häfen

Die digitale Transformation der Seehafenlogistik kann bis zur heutigen Zeit durch vier signifikante Entwicklungsstufen umschrieben werden. Unter dem Terminus Ha­fen 1.0 werden in einer ersten Evolutionsstufe sämtliche Betriebsmodelle zusam­mengefasst, in denen Hafenarbeiter einzelne Maschinen ohne eine zentrale koordi­nierende Instanz bedient haben.

Mit der Installation eines zentralen Terminal-Betriebssystem zur Steuerung der un­terschiedlichen Prozesse in der Hafenlogistik wurde erstmals ein prozessorientierter Ansatz verfolgt. Dieser wird mit dem Begriff Hafen 2.0 umschrieben. Mithilfe des Ein­satzes von Informationstechniken (IT) konnten bis heute etablierte Prozessabfolgen weiterentwickelt und optimiert werden.

Unter dem Terminus Hafen 3.0 liegt der Fokus der IT-gestützten Hafenlogistik wei­testgehend auf dem reinen Hafengebiet. Das zukünftige Betriebsmodell Hafen 4.0 geht über die Grenzen der Intralogistik des Hafengebietes hinaus und orchestriert sämtliche Waren- und Informationsflüsse innerhalb und außerhalb des Hafen-Öko­systems. In solchen komplexen logistischen Netzwerken tragen innovative techno­logische Entwicklungen in den Bereichen Robotik, Künstliche Intelligenz (KI) oder Big Data erheblich zur Steigerung der Automatisierung von Prozessen bei.³¹ Mit der Automatisierung in der maritimen Logistik gehen laut einer Bloomberg-Ana­lyse folgende Chancen einher:³²

- Senkung von operativen Kosten
- Steigerung der Effizienz durch einen 24/7-Betrieb
- Harmonisierung von Umschlagsprozessen
- Optimierung Akteur-übergreifender Logistikprozesse

3.2 Evolution eines Hafens zum Smart Port

Die Entwicklung zu einem sogenannten Smart Port (Level 4 der Entwicklungsstufe und nicht zu verwechseln mit der Initiative smartPORT im Hamburger Hafen) ist ein komplexer und zeitaufwändiger Prozess. Laut der Studie PortForward des Hafens Rotterdam kann diese Evolution nur in mehreren Schritten vollzogen werden.³³ Die folgende Abbildung stellt diese Schritte grafisch dar.

Quelle: Eigene Darstellung, in Anlehnung an Gardeitchik, J., Buck, W., van der Deijl, A., Move Forward: Step by step towards a digital port, 2019, S. 2f.

Ca. 97% der Prozesse der Häfen weltweit sind heutzutage nur zu einem geringen Anteil automatisiert. Lediglich 2% weisen eine Teilautomatisierung der Prozesse auf. Bei schlussendlich nur 1% der Häfen liegt eine Vollautomatisierung der Prozesse vor. Vollautomatisierte Häfen zeichnen sich durch einen autonomen Entladungs- und Umschlagsprozess aus. Das Ziel eines Smart Ports ist die Orchestrierung aller Ak­teure in einem gemeinsamen Netzwerk. Hierzu gehört ebenfalls die Koordination al­ler Waren- und Informationsflüsse im Seehafenhinterland.³⁴ Forschungsfragen zu den Evolutionsstufen Level 2 bis zum Smart Port sind Gegenstand aktueller For­schungsfelder.

3.3 Anwendungsbezug Hamburger Hafen

Der Hamburger Hafen befindet sich gerade in Mitten des Evolutionsprozesses zu einem Smart Port. Viele der Prozesse sind bereits teilautomatisiert, einige Prozesse funktionieren sogar vollautomatisiert. Damit gehört der Hamburger Hafen zu einen der wenigen Vorreitern in Bezug auf die Digitalisierung. Dennoch weist auch der Hamburger Hafen noch Entwicklungspotential auf. In diesem Abschnitt wird der di­gitale Entwicklungstand des Hamburger Hafens beschrieben, auf die weitere Ent­wicklung eingegangen sowie auch Defizite im Evolutionsprozess zu einem Smart Port beleuchtet.

Seit dem Jahr 2013 verfolgt die HPA das Ziel mit der gleichnamigen Initiative smart­PORT einen der fortschrittlichsten Häfen der Welt zu schaffen. Dabei spielen Kon­zepte der Digitalisierung, wie z.B. Cloud Computing, Internet of Things (IoT), KI, Big Data etc., eine entscheidende Rolle. Ziel ist die Effizienz des Hafens, der einen sehr wichtigen Teil der Lieferkette darstellt, unter Berücksichtigung der ökonomischen und ökologischen Aspekte zu steigern. Dieses Vorgehen ist essentiell, um auch künf­tig die Wettbewerbsfähigkeit zu gewährleisten.³⁵

Der auf das Jahr 2025 ausgerichtete Hafenentwicklungsplan sowie die Digitalisie­rungsstrategie des Hamburger Hafens entwickeln Konzepte die Waren-, Verkehrs­und Infrastrukturinformationen zu vernetzen. Es sollen Dienste und Services für ei­nen reibungslosen Verkehrs- und Warenfluss entwickelt werden, die eine übergrei­fende Koordination und Steuerung aller Akteure im Hafen ermöglicht. Gemeinsam mit diesen Akteuren entwickelt die HPA unter anderem eine Kommunikationsplatt­form mit Schnittstellen zu allen wichtigen Systemen. Anstelle von jeweils einer Leit­standszentrale pro Verkehrsträger ist das übergeordnete Ziel ist die Gründung einer intermodale Leitzentrale (Port Traffic Center), die alle Verkehrsinformationen für die Schiffs-, Bahn- und Straßenverkehre miteinander verknüpft und eine Koordination dieser ermöglicht.³⁶ Im Zielbild ist eine Steuerung des Verkehrsflusses Just in Time zum Warenfluss orchestriert.³⁷

Die digitale Transformation bietet neue Möglichkeiten damit der Hamburger Hafen auch künftig zu den Top-Häfen weltweit gehört. Mit der smartPORT-Initiative werden anhand Konzepten der Digitalisierung Effizienzsteigerungen für die Infrastruktur so­wie die Verkehrs- und Warenflüsse innerhalb des Hafens vorangetrieben. Darüber hinaus vernetzt sich der Hafen Hamburg mit anderen Häfen weltweit und bildet so ein Netzwerk intelligenter und digitaler Häfen. Die so genannte cha/nPORT-Initiative führen die beiden Häfen in Hamburg und Los Angeles an. Weitere Partnerhäfen sind: Antwerpen, Barcelona, Busan, Felixstowe, Indonesia, Montreal, Panama, Rotter­dam, Shanghai, Shenzhen und Singapore sowie das Global Institute of Logistics.³⁸ Insgesamt ist der Hamburger Hafen bereits mit 900 Häfen in 170 Ländern vernetzt.³⁹ Die Projektteilnehmer tauschen sich über Wissen, Innovationen und die Entwicklun­gen strategisch relevanter Themen aus. Ziel ist es voneinander zu lernen sowie neue Innovationen zu schaffen und zu teilen. Durch den stetigen Kontakt der Häfen und den Austausch über die Innovationen wird eine schnellere Entwicklung der einzelnen Häfen angestrebt und unnötige Investitionen in bereits vorhandene Forschungser­gebnisse unterbunden. So muss nicht mehr jeder Hafen für sich alleine alle Erfah­rungen selber sammeln.⁴⁰

Darüber hinaus verfolgt der Hamburger Hafen mit den gleichnamigen Projekten smart- und chainPORT das strategische Zielbild: die Entwicklung von einem Main Port, über einen Smart Port, hin zu einem Chain Port.⁴¹

Abschließend ist festzuhalten, dass der Hamburger Hafen unter Berücksichtigung des aktuellen Entwicklungsstands lediglich auf Level 2 in der Evolution zum Smart Port eingestuft werden kann. Innerhalb der Abwicklung im Hafenbetrieb sind die Pro­zesse bereits aus der Perspektive der Digitalisierung betrachtet sehr fortschrittlich. Andere Faktoren und Anforderungen, die an einen Smart Port gestellt werden, wer­den jedoch noch nicht erfüllt. Diese Defizite beziehen sich in erster Linie auf das Themengebiet der Vernetzung. Sowohl in der Vernetzung der Verkehrsströme im Hinterland, als auch mit anderen Häfen, weist der Hamburger Hafen noch Entwick­lungspotential auf.

Durch die beschriebenen Entwicklungen, insbesondere bezogen auf die Vernetzung und den Informationsaustausch aller Verkehre in der Lieferkette, strebt der Hambur­ger Hafen bis 2025 die Erreichung des dritten Levels an. Durch weitere Projekte, wie chainPORT, ist auch die Erreichung des vierten und letzten Levels nicht mehr weit. Um alle Anforderung eines Smart Ports, in Form von globalen Hafen- und Supply Chain Netzwerken zu erfüllen, besteht ein Abhängigkeitsverhältnis zu den anderen großen Häfen weltweit. Nur in Zusammenarbeit ist es für die Häfen möglich das höchste Level in der Evolution zum Smart Port zu erreichen und so von der digitalen Transformation vollumfänglich zu partizipieren.

3.4 Digitalisierungsstrategien von Häfen

Viele der im Folgenden vorgestellten Konzepte der Digitalisierung haben bereits nachweislich Einzug in die unternehmerische Praxis gefunden. Als teilweise isolierte Lösungen tragen sie zu einer Effizienzsteigerung der maritimen Logistikprozesse bei. Die digitale Transformation zu einem Smart Port erfordert als Grundlage ein Di­gitalisierungskonzept, das die Besonderheiten eines spezifischen Seehafens in allen Dimensionen und notwendige Konzepte der Digitalisierung individuell berücksichtigt. Wie in Abschnitt 3.3 vorgestellt hat sich der Hamburger Hafen das strategische Ziel gesetzt, sich zu einem der intelligentesten Häfen der Welt zu entwickeln. Damit po­sitioniert sich der Hamburger Hafen mit seiner Vision klar auf normativer Ebene der Unternehmensführung und zeichnet das Leitbild für die nächsten Jahre und Jahr­zehnte.

[...]

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¹ Vgl. Zerrle, M., Der Welthandel auf dem Seeweg, 2018, o.S.

² Vgl. Projektträgerschaft Innovative Hafentechnologien, Innovative Hafentechnologien - Umschlag, o.S.

³ Vgl. proLogistik GmbH + Co KG, Logistik-Lexikon: Umschlag, o.S.

⁴ Vgl. Projektträgerschaft Innovative Hafentechnologien, Innovative Hafentechnologien - Umschlag, o.S.

⁵ Vgl. Statista, Prognose zur weltweiten Containertransportmenge bis 2023, 2019, o.S.

⁶ Vgl. Hamburger Abendblatt, Smarte Schiffe, digitaler Wandel: Die Zukunft des Hafens, 2018, o.S

⁷ Vgl. Schlip, T., Hamburger Hafen: So funktioniert das modernste Container-Terminal der Welt, 2016, o.S.

⁸ Vgl. Speer, U., Optimierung von automatischen Lagerkransystemen auf Containerterminals, 2016, S. 9.

⁹ Vgl. Vos, A., Scheduling Automated Guided Vehicles in Container Terminals Using Max-plus-linear Sys­tems, 2015, S. 5f.

¹⁰ Vgl. Vos, A., Scheduling Automated Guided Vehicles in Container Terminals Using Max-plus-linear Sys­tems, 2015, S. 5f.

¹¹ Vgl. Jahn, C., Hafen der Zukunft- Perspektiven für Logistik und Hinterlandanbindung, 2017, S. 5ff.

¹² Vgl. Kaldenhoff, M., Der Hamburger Hafen im Zeitalter der Digitalisierung, 2015, o.S.

¹³ Vgl. Hafen Hamburg Marketing e.V., Megafrachter erstmals im Hamburger Hafen, o.S.

¹⁴ Vgl. BT-Drucks. 20/12500: Drucksache des Deutschen Bundestages 20/12500 vom 21.07.2014: Bericht des Ausschusses für Wirtschaft, Innovation und Medien über die Drucksache Hamburger Hafen und Lo­gistik AG (HHLA) 2014, S. 20.

¹⁵ Vgl. Hafen Hamburg Marketing e.V., Fahrrinnenanpassung der Unter- und Außenelbe: Umwelt, o.S.

¹⁶ Vgl. Hafen Hamburg Marketing e.V., HAFEN HAMBURG: Willkommen auf der offiziellen Webseite des größten deutschen Seehafens, o.S.

¹⁷ Vgl. T-Systems International GmbH, Telematik aus der Cloud, o.S.

¹⁸ Vgl. Schlip, T., Hamburger Hafen: So funktioniert das modernste Container-Terminal der Welt, 2016, o.S.

¹⁹ Vgl. Hamburg Port Authority, SmartPort - Der intelligente Hafen, o.S.

²⁰ Vgl. Härtel, J., Digital Transformation of Ports: A Status of the Port of Hamburg and the Port of Singapore, 2016, S. 27.

²¹ Vgl. T-Systems International GmbH, Telematik aus der Cloud, o.S.

²² Vgl. Hamburg Port Authority, HPA goes smartPORT, 2015, S. 11.

²³ Vgl. Hamburg Port Authority, Hamburg ist fit für die Zukunft, 2018, S. 2.

²⁴ Vgl. Kaldenhoff, M., Der Hamburger Hafen im Zeitalter der Digitalisierung, 2015, o.S.

²⁵ Vgl. Härtel, J., Digital Transformation of Ports: A Status of the Port of Hamburg and the Port of Singapore, 2016, S. 24ff.

²⁶ Vgl. Härtel, J., Digital Transformation of Ports: A Status of the Port of Hamburg and the Port of Singapore, 2016, S. 24ff.

²⁷ Vgl. Hamburger Hafen und Logistik AG, so funktioniert CTA, o.S.

²⁸ Vgl. Hamburger Hafen und Logistik AG, so funktioniert CTA, o.S.

²⁹ Vgl. Härtel, J., Digital Transformation of Ports: A Status of the Port of Hamburg and the Port of Singapore, 2016, S. 24ff.

³⁰ Vgl. Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur, Chancen der Digitalisierung für die deut­schen Seehäfen nutzen und Investitionen in die Infrastrukturen optimieren, 2018, S. 17ff.

³¹ Vgl. Chu, F., Gailus, S., Liu, L., Ni, L., The future of automated ports, 2018, o.S.

³² Vgl. Varghese, R., In Middle of Trade War, America's Busiest Port Gets Ready for Robots, 2019, o.S.

³³ Vgl. Port of Rotterdam, WHAT CAN PORTS LEARN FROM DIGITISATION IN SECTORS LIKE FOOD, RETAIL AND TRAVEL?, o.S.

³⁴ Vgl. UNCTAD, Review of Maritime Transport, 2018, S. 65.

³⁵ Vgl. Hamburg Port Authority, Digitalisierungsstrategie, 2017, S. 2ff.

³⁶ Vgl. Hamburg Port Authority, Der Hafenentwicklungsplan bis 2025, 2012, S. 6ff.

³⁷ Vgl. Kaldenhoff, M., Der Hamburger Hafen im Zeitalter der Digitalisierung, 2015, o.S.

³⁸ Vgl. Hamburg Port Authority, DIE VERNETZUNG VON INTERNATIONALEN HÄFEN, o.S.

³⁹ Vgl. Kaldenhoff, M., Der Hamburger Hafen im Zeitalter der Digitalisierung, 2015, o.S.

⁴⁰ Vgl. Hamburg Port Authority, DIE VERNETZUNG VON INTERNATIONALEN HÄFEN, o.S.

⁴¹ Vgl. Hamburg Port Authority, Vom smartPORT zur Arbeitswelt 4.0, 2017, S. 5ff.