.. TREMOD documentation master file, created by
   sphinx-quickstart on Tue Mar 28 15:38:34 2023.
   You can adapt this file completely to your liking, but it should at least
   contain the root `toctree` directive.

Binnenschifffahrt (1A3d)
=========


.. note::
   This project and docupage is under active development!

Für die Binnenschifffahrt in TREMOD werden die Fahr- und Verkehrsleistungen, sowie der Energiebedarf und die Emissionen aller
Güterschiffverkehre auf deutschen Wasserstraßen jährlich erfasst.
Die Ergebnisse liegen für den Zeitraum ab 1960 bis 2050 für Deutschland insgesamt (bzw. bis 1993 unterteilt für Ost- und
Westdeutschland) vor. TREMOD bildet das Inlandsprinzip (Verkehre auf deutschen Wasserstraßen) und das Energiebilanzprinzip
(in Deutschland an die Binnenschifffahrt abgesetzte Kraftstoff-/Energiemengen) ab.

**Hinweis:** Die nachfolgende Dokumentation fokussiert auf die Modelllogik von TREMOD. Weitere Informationen zu
den Datenquellen, Annahmen und Ergebnissen und Berechnungsmethoden werden in den veröffentlichen TREMOD-Berichten für
das UBA dokumentiert.

Detaillierte Informationen zur Methodik für die Binnenschifffahrt sind in folgenden Publikationen dokumentiert:

   * Knörr, W.; Heidt, C.; Schmied, M.; Notter, B. (2013): Aktualisierung der Emissionsberechnung für die Binnenschifffahrt und Übertragung der Daten in TREMOD, auf Anfrage bei ifeu erhältlich.
   * Heidt, C.; Knörr, W.; Biemann, K.; Notter, B. (2016): Weiterentwicklung des TREMOD-Binnenschiffmoduls (Teilbericht des Forschungsprojekts „Ermittlung von Emissionsfaktoren von Kraftfahrzeugen unter Berücksichtigung zukünftiger Antriebskonzepte und der Vorkette von Kraftstoffen“ FKZ  3713 47 100). Erhältlich als Druckversion in UBA-Bibliothek, Nr 002617.

**Aktuelle Version:** 7.01 (Arbeitsversion)

.. toctree::
   :maxdepth: 3
   :caption: Contents:

1. Methodik
-----------------------
Der Energieverbrauch und die Emissionen für das Realszenario (Inventar) werden bisher mit TREMOD-NA (navigation) bottom-up berechnet
und anschließend in TREMOD übernommen.
In TREMOD selbst werden folgende Berechnungen durchgeführt:

   * Emissionen für das Trendszenario bis 2050
   * Aufteilung in bio- und fossile Kraftstoffe (aktuell werden jedoch keine Biokraftstoffe für die Binnenschifffahrt eingesetzt)
   * Vom Energieverbrauch abgeleitete Emissionen (CO2, SO2, CO2e, BC)
   * Vorkettenemissionen
   * ZSE-Schnittstelle

Die Datenstruktur der Binnenschifffahrt unterscheidet verschiedene Merkmale, welche in der folgenden Tabelle aufgeführt sind:

.. list-table:: **Differenzierungsmerkmale Binnenschifffahrt in TREMOD**
   :widths: 30 20 30
   :header-rows: 1

   * - Parameter
     - Abkürzung
     - Beispiel
   * - Schiffstyp
     - Ship type
     - Gütermotorschiff
   * - Tragfähigkeitsklasse
     - size class
     - 1500-3000 t
   * - Ladungstyp
     - freight type
     - festes Massengut
   * - Verkehrsbeziehung
     - traffic relation
     - Durchgangsverkehr
   * - Emissionsstandard
     - Emission Standard
     - ZKRII/EUIIIA
   * - Energieart
     - Energy
     - Diesel

In TREMOD-NA werden zusätzlich die Wasserstraßen, z.B. Rhein, und Wasserstraßenabschnitte, z.B. Rhein Mannheim bis Bingen, unterschieden und für den Rhein die Fahrtrichtung.

In den folgenden Abschnitten zur Berechnung wird auf die jeweiligen Eingangsdaten vertieft eingegangen.

1.1 Realdaten aus TREMOD-NA
~~~~~~~~~~~~~~~~~~
TREMOD-NA berechnet den Energieverbrauch und die Emissionen auf Basis eines detaillierten Vekehrsmengengerüsts (Schiffs- und Tonnenkilometer) und spezifischen Energieverbrauchs- und Emissionsfaktoren.


.. raw:: html

   <div style="border: 1px solid black; padding: 10px; margin: 10px;">
      Energiebedarf (kg) = Schiffskilometer (km) x Spez. Energiebedarf (kg/km)
   </div>

Das **Verkehrsmengengerüst** basiert auf einer Sonderauswertung der Güterverkehrsstatistik für die Binnenschifffahrt des
statistischen Bundesamtes (destatis). Die Anfrage zu den Daten kann an schifffahrt@destatis.de gestellt werden.

Die Daten müssen für TREMOD-NA wie folgt aufbereitet werden:

   * Da es sich um eine Güterstatistik handelt, müssen die Gütertransporte zu Schiffstransporten zusammengefasst werden. Es wird angenommen, dass die meisten Binnenschiffe nur eine Güterart pro Fahrt transportieren. Lediglich für Containertransporte werden alle Fahrten mit derselben Schiffs- und- Ladungsart pro Abschnitt gebündelt.
   * Fahrten mit Leichtern (Schiffe ohne eigenen Antrieb) werden zu Fahrten mit Schubverbänden (Kombination Schubboot und Leichter) gebündelt
   * Zusätzliche Leerfahrten werden aufgeschlagen

Anschließend wird jeder Fahrt (bzw. jedem Datensatz) ein **spezifischer Energiebedarf** zugeteilt. Der spezifische Energiebedarf hängt von folgenden Größen ab:

   * Schiffstyp
   * Fahrtrichtung (zu Berg, zu Tal)
   * Tragfähigkeitsklasse
   * Beladung
   * Bezugsjahr (aufgrund angenommener Effizienzentwicklung)

Die spezifischen Energiebedarfe wurden auf Basis einer Literaturrecherche ermittelt, welche in den TREMOD-Berichten näher beschrieben ist.

Die **Emissionen** werden mithilfe von spezifischen Emissionsfaktoren in g pro kWh Motorleistung berechnet, welche auf Auswertungen von Messdaten und Literatur basierten. Sie werden nach Baujahr bzw. Emissionsstandard unterschieden.
Um diese den Energiebedarf zuordnen zu können, wird jeder Fahrt anhand des Bezugsjahrs, der Flagge und der Größenklasse der Schiffe eine Altersverteilung, d.h. Anteil pro Emissionsstandard zugewiesen. Zusätzlich muss zunächst eine Umrechnung von kg Diesel auf kWh Motorleistung erfolgen.

.. raw:: html

   <div style="border: 1px solid black; padding: 10px; margin: 10px;">
      Emissionen (g) = Energiebedarf (kg) * Antriebseffizienz (kWh/kg) x Emissionsfaktor (g/kWh)
   </div>


1.2 Fortschreibung des Trendszenarios
~~~~~~~~~~~~~~~~~~
Die Emissionen des Trendszenarios für die Binnenschifffahrt in TREMOD wird nach derselben Logik wie in TREMOD-NA berechnet.
Die Wesentliche Ausgangsgröße für die Schiffskilometer ist jedoch die Verkehrsleistung der Binnenschifffahrt insgesamt, welche auf weitere Parameter aufgeteilt wird.

Berechnung der Verkehrsleistung für die Binnenschifffahrt im Trendszenario

.. image:: images/Ablaufdiagramm_Ship_VL.png
   :width: 30%

Anschließend wird die Verkehrsleistung (tkm) in die Schiffskilometer umgerechnet, indem pro Schiffstyp, Ladungstyp und Tragfähigkeitsklasse
eine mittlere Kapazität und ein durchschnittlicher Beladungsgrad verwendet wird.

.. raw:: html

   <div style="border: 1px solid black; padding: 10px; margin: 10px;">
      Schiffskilometer (km) = Tonnenkilometer (tkm) / ( Kapazität (t) X Beladungsgrad (%) )
   </div>


Der spezifische Energiebedarf wird aus dem spezifischen Energiebedarf je Schiffstyp, Ladungsart, Größenklasse aus TREMOD-NA im Jahr 2010 berechnet, welcher um die Korrekturfaktoren (CF) für Auslastung (load), technische Effizienzentwicklung (tech) und operative Effizienzentwicklung (op) korrigiert wird.

.. raw:: html

   <div style="border: 1px solid black; padding: 10px; margin: 10px;">
      Spez. Energiebedarf (MJ) = Spez. Energiebedarf_2010 (MJ) x CF_load (-) X CF_tech (-) x CF_op (-)
   </div>


Die Emissionen werden analog zu TREMOD-NA berechnet, indem die Motorleistung mit dem spezifischen Emissionsfaktor je Emissionsstandard multipliziert wird , siehe oben.

1.3 Weitere Berechnungen
~~~~~~~~~~~~~~~~~~
Zusätzlich finden folgende Schritte für **abgeleitete Emissionen** statt:

   * die Aufteilung aller Emissionen nach fossilen und Biokraftstoffen
   * die Berechnung der kraftstoffverbrauchsabhängigen Emissionen (CO2, SO2, Pb)
   * Berechnung von CO2-Äquivalenten

Die **Aufteilung in fossile und Biokraftstoffe** erfolgt über die Anteilsfaktoren je Energieart und Bezugsjahr. Sie wird
für alle Größen (Fahrleistungen, Energieverbrauch, Emissionen) durchgeführt.
Die Eingangsdaten für die Biokraftstoffanteile stammen aus der amtlichen Mineralölstatistik (AMS) des BAFA. Im Trendszenario
werden Annahmen zum Biokraftstoffeinsatz, z.B. zur Einhaltung gesetzlicher Quoten, getroffen.

.. raw:: html

   <div style="border: 1px solid black; padding: 10px; margin: 10px;">
      Emissionen_Energie (g) = Emissionen_Energie_Bezug (g) x Anteil_Energie/Energie_Bezug (%)
   </div>

*Differenzierung:  Bezugsjahr, Energieart, Verkehrsträger*

Die **CO2-Emissionen** werden mithilfe des Energieverbrauchs und spezifischer CO2-Emissionsfaktoren (kg/TJ) je
Energieart berechnet.
Die Emissionsfaktoren werden jährlich vom Umweltbundesamt aktualisiert und für TREMOD zur Verfügung gestellt.
Die Werte für SO2 und Pb sind in den TREMOD-Berichten beschrieben. Die folgende Formel veranschaulicht die Berechnung
am Beispiel CO2.

.. raw:: html

   <div style="border: 1px solid black; padding: 10px; margin: 10px;">
      CO2-Emissionen (kg) = Energieverbrauch (TJ) x Emissionsfaktor (kg/TJ)
   </div>

*Differenzierung:  Bezugsjahr, Energieart, Verkehrsträger*


1.4 Energiebilanzkorrektur und ZSE-Ausgabe
~~~~~~~~~~~~~~~~~~
TREMOD berechnet die Energieverbräuche des Verkehrs bottom-up auf Grundlage von Fahr- und Verkehrsleistungen und spezifischen
Emissionsfaktoren. Für die Berichterstattung des Umweltbundesamtes sind jedoch die offiziell gemeldeten Kraftstoffabsätze
im Verkehr relevant, welche jährlich von der Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen (AGEB) erstellt werden.
Daher wird in TREMOD eine Energiebilanzkorrektur durchgeführt. Diese erfolgt in Form von Korrekturfaktoren, welche auf
den Energieverbrauch und die Emissionen angewendet werden. Verkehrsleistungen und Schiffskilometer werden nicht korrigiert.
Folgende Formel veranschaulicht die Berechnung am Beispiel des Dieselverbrauchs.

.. raw:: html

   <div style="border: 1px solid black; padding: 10px; margin: 10px;">
      Dieselverbrauch_korrigiert (MJ) = Dieselverbrauch (MJ) x Korrekturfaktor (-)
   </div>

*Differenzierung:  Verkehrsträger, Fahrzeugkategorie, Energieart, Bezugsjahr*

Der Korrekturfaktor wird direkt aus dem Verhältnis des Dieselabsatzes laut Energiebilanz (Zeile 64 "Küsten- und Binnenschifffahrt")
zum berechneten Dieselverbrauch der Binnenschifffahrt in TREMOD berechnet. Eine Aufteilung der Absätze in Küsten- und Binnenschifffahrt
findet nicht statt. Der gesamte Absatz wird der Binnenschifffahrt zugewiesen.

Die hierbei berechneten Korrekturfaktoren werden auch für die Emissionen angewendet.

Die korrigierten Energieverbrauchsdaten bilden auch die Grundlage für die nationale Berichterstattung im
**zentralen System Emissionen (ZSE)**. TREMOD verfügt hierzu über eine eigene ZSE-Schnittstelle für den Verkehr.

Das ZSE unterscheidet in der Binnenschifffahrt nach Kraftstoffart und Bezugsjahr. Dabei wird eine eigene Nomenklatur
verwendet, welche in entsprechenden Zuordnungstabellen hinterlegt ist.
Auch wird nur ein Teil der in TREMOD verfügbaren Schadstoffe für das ZSE berichtet.

Das ZSE beinhaltet folgende Kenngrößen:
   * Aktivitätsrate: für direkte Emissionen in Terajoule (TJ)
   * Emissionsfaktoren: für direkte Emissionen in kg/TJ

Die Emissionsfaktoren berechnen sich aus dem Quotient aus den Emissionen und dem Endenergieverbrauch je Bezugsjahr und
ZSE-Kategorie.


2. Implementierung
-----------------
Der Quellcode für sämtliche Abfragen und Berechnungen von TREMOD erfolgt in Python und die Datenhaltung in mehreren
PostgreSQL-Datenbanken. Im folgenden werden die Datenschnittstellen, Eingangsdatenformate und Berechnungsschritte
skizziert.


2.1 Datenschnittstellen
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
Alle Eingangsdaten und Definitionen sind als Tabellen in der SQL-Datenbank gespeichert und können dort verändert werden,
z.B. für jährliche Updates. Sie werden über das Modul tableoperations aufgerufen und in die Berechnungen für TREMOD
integriert. Der Name der Datenbank setzt sich aus "tremod_na" + "Versionsnummer" zusammen.

Alle verwendeten Tabellen werden im Modul **tableoperations.py** und der Klasse **PersistanceLayer** aufgelistet.
Sie beinhaltet folgende Methoden, welche im folgenden genauer beschrieben werden:

**get_common**

**get_definitions**

**et_fleet_data**

**get_scenario_data**

Die Methoden **get_results** und **write_to_db** dienen dem Lesen und Schreiben der Ergebnisse
in die Datenbank.

2.2 Eingangsdaten
~~~~~~~~~~~~~~~~~~
Die aktuellen Datenquellen sind in den UBA-Berichten zur TREMODD-Aktualisierung dokumentiert. Daher wird nur auf
die wichtigsten Tabellen eingegangen, welche im Rahmen der jährlichen Updates angepasst werden.

**Common data**

Tabellen:

.. include:: tables/common.rst

**Defintions**

Tabellen:

.. include:: tables/definitions.rst


**Results_TREMOD_NA**

Tabellen:

.. include:: tables/results_na.rst

**Scenario Data**

Tabellen:

.. include:: tables/scenario_data.rst


2.3 Berechnungen
~~~~~~~~~~~~~~~~~~
Im folgenden werden die Berechnungsschritte im Modul **emissions** vereinfacht dargestellt.

Das Modul verfügt über verschiedene Klassen (class), welche wiederum verschiedene Methoden beinhalten.
Jede Klasse und Methode verfügt über eine Kurzbeschreibung sowie ein Liste der Variablen und Ausgabeparameter.

**emissions**

Code-Beschreibung:

.. automodule:: navigation.src.emissions
   :no-index:
   :members:
   :undoc-members:
   :inherited-members:
   :show-inheritance:



