Drehstrom auf dem Feld

22.12.2014

Quelle: Ludger Frerichs, Lars Thielke, VDI-Berichte Nr. 2226, 2014

Das Konzept der zentralen Energieversorgung auf dem Acker mit einem Center Pivot.

Bildergalerie: Drehstrom auf dem Feld

 

Bei der 72. Internationalen Tagung LAND.TECHNIK des VDI vor zwei Wochen in Berlin standen folgende Themen besonders im Fokus:

 

• energieeffiziente und umweltfreundliche Antriebe für Landmaschinen und Traktoren,
• effiziente und umweltverträgliche landwirtschaftliche Produktionsverfahren,
• informationsverarbeitende Systeme zur Erfassung und Regelung von landwirtschaftlichen Prozessen, z. B. bei der teilflächenspezifischen Landbewirtschaftung,
• Automatisierung von handarbeitsintensiven Arbeitsprozessen.

 

Eher zufällig spielt bei der Auswahl der vorgestellten Forschungs- und Denkansätze der Futterbau ein Rolle.


Kreisberegnungsanlagen bzw. Center Pivot-Beregnungsanlagen scheinen Prof. Ludger Frerichs und Lars Thielke vom Institut für mobile Maschinen und Nutzfahrzeuge der TU Braunschweig bei ihren Überlegungen zu neuen Konzepten der Energieversorgung landtechnischer Systeme inspiriert zu haben. Das Szenario „ohne Verbrennungsmotor“ soll die Diskussion zu einem Lösungsansatz anregen, der die Energieversorgung auf dem Acker durch ein Center Pivot-Konzept vorsieht.

 

Nur mit Ökostrom

Bisher wird der Energiebedarf für den Antrieb von Landmaschinen fast ausschließlich durch fossile Energieträger gedeckt. Dass deren Verfügbarkeit endlich ist, ist allgemein bekannt. Alternativen müssen her. Eine davon ist die Elektrizität von Solar, Wind und Biomasseanlagen. Einfach die Intensität der landwirtschaftlichen Produktion zu verringern um damit Energie zu sparen ist keine Option, da der Bedarf an Lebensmitteln und pflanzlichen Rohstoffen mit steigender Weltbevölkerung stark zunimmt. Von daher müssen laut Frerichs für eine produktive und gleichermaßen ressourcenschonende sowie emissionsarme Landwirtschaft neue Konzepte der Energieversorgung mobiler Landmaschinen entwickelt werden.


Diverse Zukunftskonzepte für mobile Maschinen beruhen auf elektrischen Antriebskonzepten wie autonome batterieelektrische Kleinfahrzeuge auf dem Feld. Oft fehlen jedoch Versorgungs-, Leitungs- und Ladekonzepte für die Energieversorgung zum und auf dem Feld. Nach Ansicht von Frerichs kann ein Lösungskonzept darin liegen, die Maschinen bei der Feldbearbeitung über eine oberirdische Leitung an ein elektrisches Versorgungsnetz anzuschließen. Ausgangspunkt seiner Überlegungen sind die bis einen Kilometer durchmessenden kreisförmig arbeitenden Beregnungsanlagen, auch Center Pivot genannt. Dabei rotiert eine  segmentweise aufgebaute Gestängestruktur langsam um einen Mittelpunkt. Von dort aus wird die elektrische Energie für die ganze Versorgungsbrücke zur Verfügung gestellt. Die Landmaschinen können darunter permanent oder temporär andocken. Wie bei Beregnungsanlagen ist das Konzept nicht beschränkt auf kreisrunde Anlagen, sondern wäre auch mit seitlich geführten Linearanlagen möglich. Dieser Lösungsansatz setzt auf eine großflächige Landbewirtschaftung. Er hat aber
darauf hingewiesen, dass diese Lösung nicht überall hinpasst, insbesondere nicht in kleinstrukturierte Regionen.


Ferichs hat mit der Abbildung einige Einzelaspekte des Center Pivot-Systems am Beispiel der Silomaisproduktion praktisch erläutert. Dabei steht der landwirtschaftliche Betrieb mit seinen kreisrunden Feldern im Mittelpunkt. Das Konzept soll so produktiv sein wie das heutige, und aktuelle Entwicklungstrends sollen integriert werden können. So erfolgt z. B. die Bodenbearbeitung mit einem Grubber, er wird jedoch von einem autonomen Fahrzeug gezogen. Damit wird der Umstand berücksichtigt, dass es in Zukunft immer schwieriger sein wird, qualifizierte Fachkräfte zu bekommen. Durch die kontrollierbare Begrenztheit der Anlagen ist eine weitgehende Automatisierung bis hin zur autonomen Feldbewirtschaftung denkbar. Aufgrund des hohen Energiebedarfs bei der Bodenbearbeitung und Saat geht Frerichs von einer ständigen Stromzuführung zum Zugfahrzeug aus. Auch die Pflanzenpflege könnte überwiegend autonom erfolgen. Entweder wird eine mechanische Hacke mit großer Arbeitsbreite von einem autonomen Schlepper gezogen oder es findet eine Einzelpflanzenbehandlung bzw. Bekämpfung von Unkrautnestern mit einem autonomen Kleinfahrzeug statt. Mit Batterien bestückt dockt es sich nach Bedarf zum Laden an die Stromversorgung an. Ist die Center Pivot-Anlage gleichzeitig auch Beregnungsanlage, was sich anbietet, könnte die Düngung oder teilweise auch der Pflanzenschutz kombiniert mit der Beregnung erfolgen. Frerichs sieht ein enormes Potenzial für Automatisierung und Präzisionslandwirtschaft. Pflanzenschutz- und Düngemittel könnten durch exakte Lokalisierung und pflanzennahe Sensorführung sehr präzise appliziert werden. Mit einem solchen Systemansatz könne auch über ganz andere Maschinenkonzepte nachgedacht werden, zum Beispiel über Gantry-Konzepte oder multifunktionale Triebkopflösungen.

 

Walzerfolg messen

Jan Häbler vom Institut für Agrar- und Stadtökologische Projekte an der Humboldt-Universität zu Berlin berichtete über innovative Dichtemesssysteme für neue Siloverdichter. Bisher kann der Verdichtungserfolg beim Füllen eines Flachsilos mit Silage kaum gemessen werden. Wünschenswert wäre ein Messsystem, das auf dem Verdichterfahrzeug dessen Arbeit überprüft und so Korrekturen ermöglicht. Laut Häbler ist die Entwicklung eines Prototypen für ein Fahrerinformationssystem auf Siloverdichtern vielversprechend. Als Hilfsgröße für die Dichtebestimmung des von der Verdichterwalze überfahrenen Häckselgutes wird dabei die Einsinktiefe des Fahrzeugs in das Häckselgut gemessen. Jeweils drei vorne und hinten am Verdichterfahrzeug angebrachte optische CAN-Bus-taugliche Infrarotsensoren messen den Abstand  zum Siliergut im 100-ms-Takt. Als innovatives Verdichterfahrzeug wird in den Versuchen eine mit Zwillingsreifen ausgerüstete selbstfahrende Vibrationswalze mit einer Masse von 12 t eingesetzt.


„Das obige Verfahren bestimmt jedoch nicht die Dichte, sondern nur den Verdichtungseffekt,“ erklärte  Dr. Thomas Hoffmann vom Leibniz-Institut für Agrartechnik Potsdam-Bornim e. V. (ATB). Basis der von ihm vorgestellten Messeinrichtung ist ein Cäsium-Strahler mit einer Aktivität von 37 MBq und ein Natriumjodid-Szintillationsdetektor. Gemessen wird die Rückstreuung. Quelle und Detektor befinden sich dabei in einem Messrad in der Dreipunkthydraulik, das über das Silo geführt wird. Mit dem Messsystem ist sowohl die aktuelle Dichte an einem Ort wie auch die Dichtezunahme bei mehreren Überfahrten erkennbar.


Mit dem Ziel, bereits beim Festfahren die aktuelle Dichte darzustellen, wurden in Vorversuchen verschiedene Möglichkeiten zur kontinuierlichen Dichtemessung wie Penetrometer, Einsinktiefe des Traktors oder eines Messrades, Ultraschalldickenmessung, Georadar oder radiometrische Messsonde bei der Silobefüllung untersucht. Da das Siliergut hinsichtlich Ausgangsstoff, Partikelgrößenverteilung und Gutfeuchte variierte, lieferte nur die radiometrische Messmethode Werte, die mit der Gutdichte korrelierten. Über GPS-Koordinaten konnten die Dichtewerte einer bestimmten Position im Silo zugeordnet werden.

 

Flüssigfolie für das Silo

Nach dem Festfahren kommt das Zudecken des Silos. Das Fahrsilo ist leer, die Silage verfüttert. Was bleibt übrig: ein großer Haufen Silofolie. Ganz ungefährlich ist das Zu- und Abdecken der hohen Silos auch nicht. Deshalb forschen mehrere Einrichtungen an der Entwicklung einer Silageabdeckung auf Basis nachwachsender Rohstoffe, u. a. das Technologie- und Förderzentrum TFZ, Straubing. Deren Ziel ist es, ein aufspritzbares Abdeckmaterial aus nachwachsenden Rohstoffen zu entwickeln. Das Material soll möglichst gasdicht und am besten verfütterbar sein bzw. sich zumindest bei der Fermentation in Biogasanlagen nicht störend auswirken. Es wird an einer Zweikomponentenmischung gearbeitet. Grundbestandteile sind Pflanzenöl und eine wässrige Naturkautschukdispersion, die zusammen ein stabiles Netzwerk bilden. Additive wie zum Beispiel Geliermittel, Füllstoffe, Konservierungsmittel, Emulgatoren und Dispergierhilfen dienen der Optimierung der Rezeptur. Neben der Gasdichtheit soll das umweltfreundliche Material noch eine Vielzahl weiterer Eigenschaften haben und spritzbar, selbsthärtend, selbsthaftend, witterungsbeständig, elastisch, reißfest, säurestabil sowie biologisch abbaubar sein.

 

Autonom füttern

Markus Robert vom Institut für mobile Maschinen und Nutzfahrzeuge der Technischen Universität Braunschweig berichtete von einem gemeinsamen Projekt mit der Bayrischen Landesanstalt für Landwirtschaft und der Firma Hirl mit dem Ziel, einen konventionellen Selbstfahrfuttermischwagen so auszurüsten, dass er autonom fährt, regelmäßig Futter austrägt, zur Parkposition zurückkehrt und auf den nächsten Auftrag wartet. Der Wagen wird personengebunden einmal am Tag befüllt.


Die exakte Lokalisierung des Fahrzeugs auf dem Betriebsgelände stellt laut Robert eine elementare Herausforderung des Projektes dar. GPS-Signale kommen aufgrund von Abschirmungen innerhalb der Gebäude bzw. durch Mehrwegeffekte nicht infrage. Funkbasierte Positionsbestimmungen sind zu ungenau und zu teuer. Auf unbefestigten Böden sind feste Bahnen mittels RFID-Tags, Magnetnägel oder Leitdrähte ungeeignet. Zur Orientierung wurde ein Selbstfahrfuttermischwagen mit einem Laserscanner oberhalb der Kabine ausgerüstet. Basis für die Steuerung des Fahrzeugs ist eine zweidimensionale Karte der Scannerdaten. Die abzufahrende Strecke wird durch einfaches Abfahren programmiert. Zur Navigation werden bei der autonomen Fahrt die aktuellen Laserscannerdaten mit der Karte abgeglichen.


Da viele Betriebe öffentlich zugänglich sind und sich sowohl Personen, Tiere als auch Gegenstände jederzeit auf dem Fahrweg befinden können, wurde das Fahrzeug mit Not-Aus-Knöpfen abgesichert und an den Längsseiten wurden zusätzliche Not-Aus-Reißleinen montiert. Liegende Personen und kleine Objekte sollen mit zwei Laserscannern unterhalb des Fahrzeuges erfasst werden und das Fahrzeug stoppen. Der autonome Futtermischwagen wurde auf verschiedenen Höfen erfolgreich eingesetzt. Es konnten Positionsgenauigkeiten von wenigen Zentimetern erreicht werden. Gefälle, was das Fahrzeug in Neigung versetzte, verschlechterte die Positionsbestimmung. Ein Neigungssensor, damit eine dreidimensionale Karte erstellt werden kann, könnte das Problem lösen. Ständige Veränderungen auf dem Hof stellen durch die Unterschiede zwischen Karte und Messdaten eine wesentlich größere Herausforderung dar. Offene bzw. geschlossene Windschutzwände bei Ställen, andere Fahrzeuge oder nicht feste Strohlager verschlechtern die Positionsbestimmung. Reflektorstreifen an festen Punkten könnten hier Abhilfe schaffen.

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