Klimaneutraler Rheinhafen 2035

Wie kann ein Hafen seine Treibhausgasemissionen drastisch reduzieren und gleichzeitig seine Energieversorgung wirtschaftlich und resilient gestalten? Dieser Frage gehen die Institute IET und WERZ der Ostschweizer Fachhochschule in einem Projekt mit den Schweizer Rheinhäfen am Rheinhafen Basel-Kleinhüningen nach. Die bisherigen Ergebnisse zeigen: Mit einem integrierten Energiesystem, das auf lokal erzeugte, erneuerbare Energien setzt, lassen sich die Treibhausgasemissionen bis 2035 um bis zu 97 Prozent reduzieren.

Die Projektidee

Prof. Elimar Frank (OST, WERZ)

 «Ein Hafen ist ein komplexes Energiesystem in einem überschaubaren Perimeter. Hier kommen Strom, Wärme und Mobilität auf engem Raum und mit unterschiedlichen Akteuren zusammen. Genau das macht den Hafen zum idealen Umfeld für ein integriertes Energiesystem, mit dem Klimaschutz und Wirtschaftlichkeit erreicht werden können.»

Dieses Projekt betrachtet die Energieversorgung deshalb ganzheitlich. Strom, Wärme und Mobilität werden durch Sektorkopplung miteinander verbunden. Lokal erzeugter Solarstrom soll möglichst direkt auf dem Hafenareal genutzt, gespeichert und für Krananlagen, Elektromobilität und die Wärmeversorgung mit Wärmepumpen eingesetzt werden. Ergänzend wird untersucht, wie ein lokales Verteilnetz für Strom in ein solches Energiesystem integriert werden müsste, um einen effizienten Energieaustausch zwischen den Hafenunternehmen zu ermöglichen.

Der Betrachtungszeitraum reicht bis ins Jahr 2035. In die Analyse fliesst auch die geplante Erweiterung des Hafens um ein drittes Hafenbecken mit trimodalem Containerterminal ein.

Gemeinsam für die Energiewende

Das Projekt verbindet wissenschaftliche, technische und betriebliche Kompetenzen. Von der OST wirken Prof. Elimar Frank und Felix Rost vom Institut für Wissen, Energie und Rohstoffe Zug (WERZ) und Thomas Franz vom Institut für Energietechnik (IET) aus dem Team von Prof. Michael Schueller mit. Weitere Projektbeteiligte sind Andrew Bollinger von der Urban Sympheny AG, Laura Jakobeit von SuCo Sustainability Consulting und Martina Heer von den Schweizer Rheinhäfen.

Standortspezifische Messdaten und Angaben der im Hafen ansässigen Unternehmen und des lokalen Energieversorgers IWB bilden die notwendige Grundlage der Untersuchung.

Ziel: weniger Emissionen und Energieimporte

Das Projekt soll einen technisch realisierbaren und wirtschaftlich tragfähigen Transformationspfad für den Hafen aufzeigen. Bis 2035 sollen die Treibhausgasemissionen möglichst weit sinken, erneuerbare Energien ausgebaut und dadurch und die Abhängigkeit von externen Energieimporten reduziert werden.

Heute beträgt der jährliche Energiebedarf des untersuchten Hafenareals rund 10 Gigawattstunden. Die direkten und energiebezogenen Emissionen belaufen sich auf etwa 1’600 Tonnen CO₂-Äquivalente pro Jahr. Rund 55 Prozent dieser Emissionen entstehen durch fossile Treibstoffe für landseitige Fahrzeuge und Lokomotiven. Weitere 17 Prozent gehen auf die Wärmeversorgung mit Erdgas und Heizöl, sowie weitere 11 Prozent auf die Wärmeversorgung durch Fernwärme aus einer KVA zurück.

Die grössten Reduktionspotenziale liegen daher in der Elektrifizierung von Mobilität und Wärme. Der aktuell auf dem Areal bezogene Strom verursacht bereits heute vergleichsweise geringe Emissionen, da er überwiegend aus Wasserkraft und weiteren erneuerbaren Quellen stammt.

Ein digitales Modell des Hafens

Um geeignete Lösungen zu identifizieren, wurde die Energieversorgung des Hafens einschliesslich aller wesentlichen Verbraucher digital modelliert. Dafür kam die Software Sympheny zum Einsatz. Sie kann Gebäude, technische Anlagen und weitere zugehörige Infrastrukturen wie Photovoltaikanlagen oder Batteriespeicher als miteinander verbundene Energie-Hubs abbilden.

Das resultierende Modell des Energiesystems im Hafen berücksichtigt unter anderem Photovoltaikanlagen, Wärmepumpen, Fernwärmeanschlüsse, fossile Heizsysteme, Batteriespeicher, Ladeinfrastruktur und bestehende elektrische Verbindungen innerhalb des Areals. Mit mathematischen Optimierungsverfahren wurden verschiedene Energiesysteme für 2035 erstellt. Bewertet wurden sowohl die Lebenszyklus- und Investitionskosten als auch die resultierenden Treibhausgasemissionen.

Deutliche Emissionsreduktion ist möglich

Bereits heute produzieren die Photovoltaikanlagen im Hafen rund 3,8 Gigawattstunden Strom pro Jahr, von denen jedoch ein Grossteil ins Netz eingespeist und nicht lokal verbraucht wird. Durch die Nutzung weiterer geeigneter Dach- und Fassadenflächen könnte die jährliche Produktion von Strom aus Photovoltaik auf bis zu 7,7 Gigawattstunden steigen. Besonders die Fassaden hoher Silogebäude bieten Potenzial, da sie auch im Winter Solarstrom erzeugen können.

Für 2035 wurden verschiedene Umsetzungsvarianten entwickelt. Sie bilden jeweils einzigartige Energiesysteme ab und unterschieden sich hinsichtlich der Gewichtung zwischen Kosten und Klimawirkung. Allen relevanten Varianten gemeinsam sind der Ausbau der Photovoltaik, die weitgehende Elektrifizierung der landseitigen Mobilität, der Ersatz fossiler Heizungen sowie Investitionen in ein umfassendes Arealnetz zur effizienten Verteilung des lokal erzeugten Stroms aus Photovoltaikanlagen, die Installation adäquat dimensionierter Batteriespeicher und eine optimierte Verteilung von Ladeinfrastruktur.

Die wichtigsten Ergebnisse:

• Die Treibhausgasemissionen können um 65 bis 84 Prozent reduziert werden.
• Die Kosten für Energieimporte sinken um bis zu 48 Prozent.
• Der bilanzielle Autarkiegrad kann auf bis zu 60 Prozent gesteigert werden.
• Die realistischen Investitionen liegen je nach Variante zwischen 10 und 16 Millionen Franken.
• Trotz der Investitionen könnten die jährlichen Gesamtkosten ungefähr auf dem heutigen Niveau oder sogar darunter bleiben.

Die Variante mit der höchsten Emissionsreduktion setzt besonders stark auf zusätzliche Photovoltaik, Batteriespeicher, Wärmepumpen und Elektrifizierung. Innerhalb der untersuchten Systemgrenze kommt sie ohne fossile Energieträger aus. Eine vollständige Unabhängigkeit vom öffentlichen Stromnetz ist jedoch auch in dieser Variante nicht vorgesehen.

Technik allein reicht nicht

Die Studie zeigt, dass integrierte Energiesysteme einen realistischen Weg zur Dekarbonisierung komplexer Industrie- und Logistikstandorte eröffnen. Besonders wirksam ist das Zusammenspiel von Photovoltaik, Elektrifizierung von Mobilität, Batteriespeicher und eine Dekarbonisierung der Wärmeversorgung durch strombetriebene Wärmepumpen und einer intelligenten lokalen Energieverteilung.

Für die Umsetzung braucht es jedoch mehr als technische Lösungen. Die beteiligten Unternehmen müssen sich auf gemeinsame Betriebs- und Finanzierungsmodelle verständigen. Wichtig sind zudem eine faire Verteilung von Kosten und Nutzen sowie klare Regeln für den Austausch lokal erzeugter Energie.

Die aktuellen Ergebnisse sind noch vorläufig. Thermische Speicher, die Kosten neuer Elektrofahrzeuge und bestimmte betriebliche Anpassungen sind im Modell nicht vollständig berücksichtigt. Auch zukünftige Energiepreise, Emissionsfaktoren und die tatsächlichen Kosten der elektrischen Vernetzung wurden zwar geschätzt, können sich zukünftig aber anders als erwartet entwickeln und die optimale Umsetzungsvariante beeinflussen. Diesen Eventualitäten wurde durch mehrere Sensitivitätsanalysen Rechnung getragen, die untersuchen, wie robust die Ergebnisse gegenüber Veränderungen bei Energiepreisen, Emissionsfaktoren oder den Investitionskosten für bestimmte Technologien sind.

Vom Zielbild zur Roadmap

Zum Abschluss des Projektes wurden Zwischenetappen der Arealtransformation für die Jahre 2029 und 2032 modelliert. Dieser Transformationsplan soll zeigen, wann, wo und in welcher Dimension Photovoltaikanlagen, Batteriespeicher, Wärmepumpen, Ladeinfrastruktur und Stromvernetzungen auf dem Hafenareal idealerweise ausgebaut oder ersetzt werden sollten. Damit schafft das Projekt eine fundierte Grundlage für kurz-, mittel- und langfristige Investitionsentscheidungen im Hafen.