Integrated Dairy Farming

Ein Forschungsansatz für den Stall 4.0

Ein Beitrag von Prof. Dr. Jörn Stumpenhausen, Hochschule Weihenstephan-Triesdorf, Fakultät Nachhaltige Agrar- und Energiesysteme und  Prof. Dr. Heinz Bernhardt, Technische Universität München, Wissenschaftszentrum Weihenstephan, Lehrstuhl für Agrarsystemtechnik

Die Anforderungen im ökologischen und ökonomischen Bereich in der Milchwirtschaft steigen, der Einsatz automatisierter Systeme wächst. Aus diesem Grund arbeiten Wissenschaftler daran, ein Konzept für zukunftsgerechte Milchviehställe zu entwickeln. Im folgenden Beitrag wird das Integrated Dairy Farming vorgestellt, ein von der Hochschule Weihenstephan-Triesdorf und TU München entwickeltes Konzept für den Stall 4.0.

Zukunftsgerechte Milchviehställe

Seit mehreren Jahren arbeiten Wissenschaftler der Hochschule Weihenstephan-Triesdorf und der TU München am „Grünen Campus“ in Weihenstephan am Konzept für den Stall 4.0. In Kooperation mit innovativen Unternehmen vorwiegend der Melktechnikindustrie und der Hofinnenwirschaftsbranche werden im Rahmen von Verbundforschungsvorhaben Grundlagen zur technologischen Systemoptimierung zukunftsgerechter Milchviehställe erarbeitet. Beim „Integrated Dairy Farming“ werden Erkenntnisse und Technologien des Smart Farming und der Smart Energy für ein optimales Stallmanagement zusammengeführt.

Milchproduktion …

In keinem Land Europas wird so viel Milch erzeugt wie in Deutschland mit seinen über 4 Millionen Milchkühen. Aber die Milchviehhaltung unterliegt – insbesondere in Süddeutschland – einem beschleunigten Strukturwandel. Ein wesentlicher Grund hierfür ist die stetige Erweiterung der Erlös-Kosten-Schere, die eine Milcherzeugung außerhalb von Produktionsnischen in kleineren Beständen zunehmend unrentabel macht.

Wachsende Betriebe müssen andererseits große Investitionen für die Erweiterung und Modernisierung ihrer Haltungssysteme aufwenden. Dabei müssen neue Ställe gestiegenen Anforderungen hinsichtlich Arbeitswirtschaft, Ethologie, Ökologie und Ökonomie gerecht werden. Dieses führt in der Praxis zu einem hohen Maß an Automatisierung.

Bei Stallneubauten oder -modernisierungen werden inzwischen weit mehr Melkroboter als konventionelle Melkstände eingebaut. Auch Fütterungsroboter, automatisierte Entsorgungstechnik sowie tiergerechte Beleuchtungs- und Klimaregelung sind in der landwirtschaftlichen Praxis sehr verbreitet.

Daraus entwickelt sich die zunehmende Forderung nach einer Kommunikation und Vernetzung der Systemelemente untereinander, analog zu industriellen cyber-physischen Produktionssystemen („Industrie 4.0“). Ein sogenanntes „Isobussystem“, wie es in der Außenwirtschaft zur Kopplung von Schlepper und Gerät eingesetzt wird und u. a. die physikalische Verbindung wie auch Datenformate und Schnittstellen definiert, gibt es für die Innenwirtschaft nicht. Es müssen daher andere Wege gefunden werden, die im Milchviehstall eingesetzten Techniken von teilweise unterschiedlichen Herstellern miteinander zu verknüpfen.

… und Energieproduktion

Gleichzeitig ist die landwirtschaftliche Tierhaltung wie kein zweiter Wirtschaftsbereich prädestiniert für die Erzeugung erneuerbarer Energien. Allein durch die konsequente Nutzung der Dachflächen von Milchviehställen kann drei- bis viermal mehr elektrische Energie erzeugt werden, als für die Milchproduktion nötig ist. Hinzu kommen die Nutzung der tierischen Exkremente sowie der Futterreststoffe zur Produktion von Biogas und eventuelle Einsatzmöglichkeiten von Kleinwindkraftanlagen, vor allem in windgängigen Einzelhoflagen. Um diese Optionen sinnvoll nutzen zu können, sind aber in weiten Bereichen Anpassungen der rechtlichen Vorgaben notwendig.

Um die auf den Betrieben gewonnene Energie bei einem hohen Eigenverbrauchsanteil optimal zu nutzen, ist die Einbindung von Stromerzeugern und -verbrauchern in ein intelligentes On-Farm Smart Grid notwendig. Zudem gilt es verschiedene Energiespeichersysteme bestmöglich zu integrieren. Dieses können stationäre Batteriespeicher sein oder solche, die in mobilen Arbeitsgeräten und Fahrzeugen verbaut sind. Das kann aber auch die Eisspeicherkühlung der Melkanlage sein, mit der die elektrische Energie in Form von Eis für die Abkühlung der Milch für ein bis drei Tage gespeichert werden kann.

Entwicklung eines On-Farm Energie Management Systems

Die Konzeption und Realisierung des dafür notwendigen Energie Management System (EMS) ist eine der entscheidenden Herausforderungen der Forschungs- und Entwicklungsvorhaben in Weihenstephan. Anhand von Energieverbrauchswerten und Lastgängen der im Milchviehstall eingesetzten technischen Anlagen werden Datenblätter erstellt. Diese werden in digitaler Form von der Software des EMS eingelesen, in einer Datenbank verwaltet und dienen dem zentralen Steuerungsmodul als Basis. Das Steuerungsmodul regelt auf der Grundlage der Information in den Datenblättern, der Anforderungen und Vorgaben der intelligenten Netzanbindung sowie der aktuellen bzw. Prognosewerte der Energieerzeugungsanlagen selbstständig die Energieverteilung nach definierten Algorithmen innerhalb des Milchviehstalles.

Die Besonderheiten der Milchproduktion bedingen sehr spezifische technische Anforderungen an ein derart umfassendes Energie Management System. Zur Weiterentwicklung tierverhaltensgerechter Stallsysteme mit hohem Automatisierungsgrad sind spezielle Tier-Technik-Interaktionen zu erkennen und in der Folge beim Systemdesign zu berücksichtigen.

Weitere wesentliche Aspekte sind die Qualitätssicherung der Milch als hochwertiges Lebensmittel und die Gesunderhaltung der Milchkühe. Hier gilt es weitere Sensoren in die Melktechnik und die Tierumwelt zu integrieren, um das Bewegungsmuster für die Tierverhaltensanalytik zu erfassen sowie die Datengrundlage für eine intensive Tiergesundheits- und -fruchtbarkeitsüberwachung zu vergrößern. Damit werden die Milchproduktion und die Milchkuhhaltung transparenter, und es können Tierwohlaspekte und -kriterien objektiver erfasst und ausgewertet werden.

Stall mit intelligentem Netzanschluss

Ein weiterer Forschungsansatz ist die Einbindung des Gesamtsystems in ein landwirtschaftlich-spezifisches Demand Side Management. So bezeichnet man die Steuerung der Nachfrage nach netzgebundenen Dienstleistungen mit dem Ziel, die Nachfrage ohne Angebotserhöhung zu verringern. Als Maßnahmen der Energieversorger kommen dabei spezielle Tarife mit Anreizfunktionen (Schwachlasttarif), besondere PR-Maßnahmen, punktuelle und zeitlich begrenzte Benutzungsverbote oder temporäre Abschaltungen (Laststeuerung) in Frage.

Smart Grids ermöglichen ein solches intelligentes und netzdienliches Lastmanagement. Der landwirtschaftliche Betrieb kann als Stromerzeuger in das regionale Versorgungsnetz integriert werden, trägt zur Versorgungssicherheit und Netzstabilität bei und unterstützt damit die Entwicklung einer dezentralen rekommunalisierten Stromerzeugung.

Dieser umfassende verfahrenstechnische Ansatz ermöglicht im Ergebnis eine strukturierte Definition des Zukunftsprojektes „Stall 4.0“, differenzierte Wirtschaftlichkeitsanalysen der Teilsysteme, ethologische Bewertungen zunehmender Automatisierung mit autonomen Steuerungsvorgängen und konkrete Ansätze für eine tier- und produktspezifische Weiterentwicklung der Gewinnung, Lagerung und Kühlung der Milch auf den Erzeugerbetrieben. Mit der intelligenten und netzdienlichen Einbindung in die regionale Stromversorgung ergeben sich gerade für die mittelgroßen Milcherzeugerbetriebe in Süddeutschland nicht nur erweiterte Einkommensmöglichkeiten sondern auch gesellschaftlich hoch akzeptierte Funktionen bei der sicheren Versorgung des ländlichen Raums mit regenerativer Energie.

Dieser umfassende verfahrenstechnische Ansatz ermöglicht im Ergebnis eine strukturierte Definition des Zukunftsprojektes „Stall 4.0“, differenzierte Wirtschaftlichkeitsanalysen der Teilsysteme, ethologische Bewertungen zunehmender Automatisierung mit autonomen Steuerungsvorgängen und konkrete Ansätze für eine tier- und produktspezifische Weiterentwicklung der Gewinnung, Lagerung und Kühlung der Milch auf den Erzeugerbetrieben.

Mit der intelligenten und netzdienlichen Einbindung in die regionale Stromversorgung ergeben sich gerade für die mittelgroßen Milcherzeugerbetriebe in Süddeutschland nicht nur erweiterte Einkommensmöglichkeiten sondern auch gesellschaftlich hoch akzeptierte Funktionen bei der sicheren Versorgung des ländlichen Raums mit regenerativer Energie.

Weiterführende Literatur zur Milchviehhaltung der Zukunft

  • Höld, M. et al. (2015): Grundlagenerarbeitung zur Implementierung eines On-Farm Energie Management Systems im Milchviehstall, 35. GIL-Jahrestagung: Komplexität versus Bedienbarkeit/Mensch-Maschine-Schnittstellen, 23.-24. Februar 2015, S. 73-76, Geisenheim, ISBN 978-3-88579-632-9.
  • Gräff, A. M. Höld, J. Stumpenhausen, H. Bernhardt (2015): Animal behavior in a fully automatically controlled dairy farm, Journal of Agricultural Science and Technology A & B Vol.5, No.1A, p5, ISSN 2161-6256.