In der Milchviehhaltung setzt sich die Automatisierung immer weiter durch, beispielsweise beim Melken, Füttern, der Reinigung des Stalls oder dem Herdenmanagement. Gleichzeitig erzeugen landwirtschaftliche Betriebe immer öfter grünen Strom über Photovoltaik-, Biogas- oder Windkraftanlagen. Durch eine intelligente Steuerung des Stromverbrauchs kann der Strombedarf möglichst über den selbst erzeugten Strom gedeckt werden. Wie das umgesetzt werden kann, untersuchten die Projekte Stall 4.0 – Integrated Dairy Farming und Cow Energy. Sie wollten die Stallautomatisierung mit dezentraler Energieerzeugung und intelligenter Netzanbindung optimal verknüpfen.

Maximierung des Eigenstromverbrauchs

„Wir sehen ein enormes Potenzial für die Eigenversorgung von Betrieben und auch zur Bedarfsdeckung eines regionalen Energieversorgungsnetzes“, so Prof. Jörn Stumpenhausen von der Hochschule Weihenstephan-Triesdorf (HSWT), der das Projekt leitete. Für die Landwirte ist ein hoher Eigenstromverbrauch lukrativ und eine Flexibilisierung der Einspeisung kann auch für regionale Energieversorger interessant sein.

Ziel der Projekte war die Entwicklung eines autonomen Energie Management Systems (EMS). Es soll den Energieverbrauch auf dem Betrieb an die aktuell erzeugte Energiemenge anpassen. Strom, der nicht direkt verbraucht wird, kann beispielsweise in Batteriespeichern zwischengespeichert oder in regionale Energieversorgungsnetze einspeist werden.

Neben der HSWT war die Technische Universität München-Weihenstephan (TUM) federführend an den Projekten beteiligt, die von 2016 bis 2021 liefen. Cow Energy wurde dabei im Rahmen der Innovationsförderung des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft gefördert.

Bei der Entwicklung des autonomen EMS für den Stall mussten verschiedene Rahmenbedingungen erfüllt werden. Zum einen muss das Tierwohl zu jeder Zeit geschützt werden: Die Kühe benötigen zu bestimmten Zeiten Futter und die Melkroboter müssen immer einsatzbereit sein. Zum anderen muss die Qualität der Milch gewährleistet werden, die Kühlung darf beispielsweise nicht ausfallen. Die technischen Grenzen geben also die elektrischen Verbraucher vor, die bestimmte Laufzeiten haben.

„Trotz dieser Rahmenbedingungen war die Anforderung, das System flexibel zu gestalten“, erklärte Martin Höhendinger von der Hochschule Triesdorf, der im Rahmen seiner Doktorarbeit an der Entwicklung des EMS arbeitete. Das gelang, indem die Wissenschaftler eine zusätzliche Ebene zwischen den Stromerzeugern und den Stromverbrauchern integrierten: sogenannte Aktoren. Über diese Aktoren wird die Stromverfügbarkeit für die Prozesse im Stall geregelt. Gleichzeitig wird gewährleistet, dass zwingend erforderliche Prozesse immer laufen können.

Im ersten Schritt wurden differenzierte Lastganganalysen aller Verbraucher gemacht und definiert, welche Versorgungspriorität sie haben und wie flexibel sie einzusetzen sind. „Alles, was einen Leistungsbedarf hat, wurde mit Messtechnik versehen und es wurde ermittelt, was wieviel Strom zu welchem Zeitpunkt verbraucht“, so Höhendinger.

Auf diese Weise wurden die wichtigsten Verbraucher definiert. Beispielsweise hat das automatische Melksystem immer Vorrang. Die Fütterung läuft zu bestimmten Zeiten, darauf zeitlich abgestimmt der Spaltenreiniger. Diese zeitliche Hierarchie ist wichtig, damit die Kühe beim Fressen nicht gestört werden.

Die Hierarchie der Energieverwendung festzulegen, war das zweite große Thema. „Das Tierwohl muss mit der Automatisierung konform gehen“, so der Wissenschaftler. Deshalb drehte sich bei der Entwicklung des EMS ein großer Teil des Forschungsvorhabens um das Verhalten der Kühe.

Über ein Ortungssystem sowie über Videokameras wurde das Verhalten der Kühe beobachtet. Eine Prognose darüber, wie sich Kühe in den nächsten 15 Minuten verhalten werden, war wichtig für die Prozessoptimierung.

Über die Aktoren wurden die Verbraucher im Stall nach bestimmten Algorithmen gesperrt oder freigegeben. In diese Aktoren wurden intelligente Stromzähler (Smart Meter) integriert, die jederzeit den aktuellen Verbrauch erfassten und ein intelligentes Lastmanagement ermöglichten.

Stromverbrauch im Stall und Stromerzeugung auf dem Dach sollten gut aufeinander abgestimmt werden, um einen hohen Eigenstromverbrauch zu ermöglichen. Ein Batteriespeicher kann den gespeicherten Strom dann bereitstellen, wenn die aktuelle Stromerzeugung für den Verbrauch nicht ausreicht, beispielsweise nachts.

Im Pilotbetrieb wurden in einen stationären Batteriespeicher mit einer Kapazität von 138 kWh vorübergehend nicht benötigte Strommengen zwischengespeichert, die die Photovoltaikanlagen auf den Dächern des Pilotbetriebes mit einer Gesamtleistung von 215 kWp erzeugten. Als weitere mobile Stromspeicher standen auf dem Betrieb ein elektrischer Futtermischwagen sowie weitere E‑Fahrzeuge zur Verfügung.

Vernetzung mit regionalen Energienetzen

Das Energie-Management-System auf dem Pilotprojekt soll die Vernetzung in regionale Energienetze ermöglichen. Denn häufig ist das Energieerzeugungspotenzial deutlich größer als der aktuelle Strombedarf des Stalls oder des landwirtschaftlichen Betriebes. Über einen Batteriespeicher könnten landwirtschaftliche Betriebe den selbst erzeugten Strom außerdem nicht nur für betriebseigene Lastspitzen speichern, sondern auch zur Netzstabilität insgesamt beitragen.

Letzte Aktualisierung 12.04.2024