Untersuchungen zur Prüfung der Funktionstüchtigkeit des entwickelten On-Farm Energie Management Systems zur Optimierung der Stromflüsse in milchviehhaltenden Betrieben (CowEnergySystem)

Hintergrund und Motiviation

Ausgehend von der Diskussion über knapper werdende natürliche Energieressourcen und der Zielsetzung einer nachhaltigen Energiewende treten Energiemanagementsysteme immer mehr in den Vordergrund. Dies zeigt sich z.B. an der DIN EN ISO 50001, die sich auch diesem Thema widmet. Häufig kann die geplante Energieregelung nicht umgesetzt werden, da die Voraussetzungen fehlen. Bei Energiemanagementsystemen bei Neubauten in Privathäusern ist dies etwas einfacher, da die Schnittstellen im Haus häufig schon vorhanden sind. Aktuell regeln diese Systeme aber meist nur intern im Gebäude, während die Regelungsschnittstellen nach außen noch nicht ausreichend definiert sind. Auch in der landwirtschaftlichen Tierhaltung ist der Trend zur automatisierten und sensorgeregelten Produktion zu beobachten.

Durch die Automatisierung ist es nun möglich, die Arbeitszeiten der einzelnen Aggregate zu flexibilisieren und im Tagesverlauf zu verschieben. Ein großes Problem dabei sind die Datenschnittstellen. Teilweise findet auch beim gleichen Hersteller kein Datenaustausch zwischen verschiedenen Aggregaten statt. Bei Energiemanagementsystemen für Kuhställe sind erste Konzepte zu finden, die aber nicht über den Stand einer Konzeptskizze hinausgehen. Meist werden hier nur Einzelaspekte wie z.B. die Energiesteuerung von Biogasanlagen zur internen Energieversorgung, der Ausgleich der tagessaisonalen Schwankungen von Wind- und Sonnenenergie oder einfach mathematische Modelle zur Bedarfsvorhersage dargestellt.

Einzelne Melktechnik-Hersteller bieten Energiekonzepte an, bei denen der über PV­ oder Kleinwindkraftanlagen erzeugte Strom direkt genutzt werden kann. In einem Fall wird darüber hinaus der Eiswasser-Milchkühltank als Energiespeicher in das Konzept einbezogen.

Die Forschungen zum On-Farm Energie Management System basieren auf einem mehrstufigen Forschungsprogramm mit verschiedenen Projektabschnitten. Die Grundlagenerarbeitung erfolgte im Rahmen verschiedener Promotionen zu den Themengebieten

  • detaillierter Energieverbrauch in Milchviehställen und
  • Tier-Technik­ interaktion im Bereich smart dairy farming.

Auf Basis der ersten Versuche in einem Praxisbetrieb konnten mit der Förderung des CowEnergy-Verbundprojektes die Anforderungen an ein On-Farm Energie Management System detailliert definiert und in praxistaugliche Hard- und Softwarelösungen umgesetzt werden. Diese wurden inzwischen weiterentwickelt und als Demonstrator in einem zweiten Praxis­versuchsbetrieb in einem neuerbauten Milchviehstall als Prototyp realisiert.

In der Demonstrator-Umsetzung stellte sich heraus, dass für die optimierte betriebsinterne Netz- und Kommunikationstechnik die Entwicklung neuartiger spezifischer Aktoren notwendig war. Es handelt sich dabei um elektronische Module, die als Bestandteile des technischen Stallsystems zwischen dem EMS und den einzelnen Energieverbrauchern integrieren. Diese als industrielle Prototyen gefertigte Aktoren ermöglichen auch die Integration des On-Farm EMS in zukünftige und bereits bestehende Stallanlagen.

Das CowEnergySystem ist ein innovatives Baukastensystem zum Energiemanagement in landwirtschaftlichen (primär milchviehhaltenden) Betrieben. Ein Einsatz auch in kleineren bis mittleren Gewerbebetrieben ist geplant.

Zielsetzungen

Das Ziel des vom BMEL geförderten und 2021 ausgelaufenen Verbundforschungsvorhabens CowEnergy war die Entwicklung eines autonomen Energie Management Systems (EMS) für Milchviehställe als Demonstrator. Das in Hard- und Software realisierte Zentrale Monitoring- und Steuerungsmodul analysiert Daten vorhandener und neuer Sensoren im Gesamtproduktionssystem Milcherzeugung. Integrierte Entscheidungsalgorithmen auf der Basis von Big Data führen zu optimierten Energieflüssen und einem effektiven Lastmanagement. Auf einem Praxis-Pilotbetrieb mit neu erbautem Milchviehstall konnte der Demonstrator sukzessive installiert und getestet werden.

Weitere Untersuchungen im Rahmen der geplanten Vorserientests sollen nun zeigen, dass dieses On-Farm EMS dauerhaft und zuverlässig läuft. Durch induzierte Störungen soll die korrekte Funktionsweise aller installierten und angeschlossenen technischen Systemelemente analysiert werden. Unter Einbezug des vorhandenen stationären Energiespeichers werden die Notstromfunktion sowie in Absprache mit dem Stromversorgungsunternehmen weitergehende Netzdienstleistungen überprüft. Des Weiteren soll im Rahmen der beantragten Förderung eine Null-Serie auf bis zu 10 weiteren landwirtschaftlichen Betrieben (vorrangig Milchviehbetriebe) installiert werden. Dabei soll die Funktionstüchtigkeit bei unterschiedlicher technischer Ausstattung der Betriebe und besonders der Ställe sowohl bei Neubauten als auch bei bestehenden Anlagen geprüft werden.

Der ländliche Raum wird zukünftig eine noch weit größere Rolle bei der Versorgung mit umweltfreundlich regenerativ erzeugter Energie übernehmen müssen als bisher. Insbesondere die Milchviehhalter können wesentlich dazu beitragen, da die Potenziale der Energieproduktion (Biogas, Photovoltaik, Windkraft) weit größer sind als der innerbetriebliche Verbrauch. Entscheidend ist, dass das Lastmanagement im Stall optimiert, die Eigenverbrauchs- und Autarkiequote erhöht und ein netzdienlicher Anschluss an die regionale Stromversorgungsstruktur realisiert wird. Dieses wird durch das entwickelte EMS ermöglicht, das damit den Zielen der Energiewende dient. Der Landwirt erschließt sich eine weitere Einkommensquelle, verbessert seine Möglichkeiten zur Produktionskontrolle und erfährt eine technologische und gesellschaftliche Aufwertung seiner Tätigkeit.

Durch die Verbesserung der elektronischen Steuerung, Regelung, Überwachung und Automation des Produktionsverfahrens können Ressourcen eingespart werden. Das System fördert dabei durch seine tierindividuelle Ausrichtung das Tierwohl. Da das entwickelte EMS bereits auf dem Praxisbetrieb Demmel in Königsdorf­ Schönrain (Kreis Bad Tölz) in Funktion und daher per Definition ein Demonstrator ist, ist von einem aktuellen Technologiereifegrad von „7" auszugehen. Das System läuft automatisch, alle relevanten Daten zur Energieerzeugung, zur Energiespeicherung und zum Energieverbrauch aller angeschlossener technischer Systemelemente können jederzeit abgerufen, auf einem Monitor angezeigt oder per Internet (zum Beispiel direkt in den Hörsaal) übertragen werden.

Mit den anstehenden Untersuchungen und den hinsichtlich der höchst unterschiedlichen Praxissituationen sehr wahrscheinlich notwendigen Anpassungen und Ergänzungen des Systems soll die generelle Funktionstüchtigkeit sichergestellt und nachgewiesen werden.

Medienbeiträge in Zusammenhang mit dem Projekt

Söder besucht den Hightech-Hof: Tierwohl durch Technik - und ein großes Ziel

Stallein, D.; Medienbeitrag, . (2022)

Münchner Merkur online, 09.11.2022.

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