Die Landwirtschaft ist ein Bereich, der technisch und vom Aufgabenspektrum her einem starken Wandel unterworfen ist. Springer Professional sprach mit Ludger Frerichs von der TU Braunschweig darüber, was in naher Zukunft zu erwarten ist.
Prof. Dr. Ludger Frerichs ist Institutsleiter für Mobile Maschinen und Nutzfahrzeuge an der Technischen Universität Braunschweig.
Frerichs
Lesen Sie Teil 1 des Interviews "Mehr als die Hälfte der Landmaschinen ist potenziell elektrifizierbar" mit Ludger Frerichs in der ATZheavyduty 2-2023!
springerprofessional.de: Eines der Argumente, das für eine weitgehende Elektrifizierung mobiler Arbeitsmaschinen angeführt wird, ist eine Steigerung ihrer Produktivität: höhere Energieeffizienz, reduzierte Emissionen und gesteigerte Arbeitsleistung. Wie beurteilen Sie dies?
Frerichs: Diese Argumente kann man durchaus anführen. An den gerade genannten Anwendungsbeispielen sieht man aber schon, dass die Wirkungen sehr unterschiedlich sind. Batterieelektrische Antriebsstränge sind, wenn man nachhaltig erzeugten Strom verwendet, signifikant besser im Wirkungsgrad und bei den Emissionen. Die 70 % Verluste des Dieselmotors sind einfach weg, ebenso die Abgase und ein Großteil der Geräuschemissionen. Auch wenn wir das nicht in allen Anwendungen nachgemessen haben, lässt es sich gut begründen, dass auch die Produktivität zunimmt. Gut parametrierte elektrische Fahrzeuge sind einfach dynamischer, fragen Sie mal Tesla- oder ID4-Fahrer. Dynamisches Fahrverhalten in Verbindung mit guter Bedienbarkeit führt zu höherer Produktivität. Das ist eines der ziehenden Verkaufsargumente in der Intralogistik, wie ich aus meiner Zeit bei Still noch gut in Erinnerung habe.
Eine Elektrifizierung auch von Landmaschinen wird als das Nonplusultra auf dem Weg in eine emissionsfreie Zukunft angepriesen. Ist eine vollständige Elektrifizierung angesichts der langen Einsatzdauern überhaupt denkbar?
Ein ganz wichtiger Punkt, gut, dass Sie hier nachhaken. Ich hatte das vorhin nur kurz angedeutet, es wird bei den Antriebssystemen der mobilen Maschinen keine One-fits-all-Lösungen geben. Maschinen hoher Leistung, die im Dauerbetrieb und fernab einer Versorgungs-, Lade- oder Batteriewechselinfrastruktur eingesetzt werden, sind Stand heute für rein batterie- oder auch brennstoffzellenelektrische Antriebsstränge nicht geeignet. Das will nicht jeder hören, aber wir werden bei diesen Maschinen, das sind große Traktoren, Mähdrescher oder auch große Bagger und Radlader, auch längerfristig an den Verbrennungsmotoren festhalten müssen. Aber Sie erkennen an den oben gemachten Einlassungen schon, dass das nicht immer so bleiben muss. Das Thema ist sehr vielschichtig.
Wir haben im Markt erstens einen sehr großen Bestand dieser großen verbrennungsmotorisch betriebenen Maschinen. Zweitens besitzen diese Maschinen eine an sich sinnvolle lange Nutzungs- und Lebensdauer. Drittens haben wir hier lange Produktentwicklungsdauern, wir sprechen bei diesen Maschinen ja nicht von ungefähr von Fabriken auf Rädern. Und nicht zuletzt, wir haben für diese Maschinenklasse kaum echte Antriebsalternativen in der Schublade. Wohlgemerkt ich rede nicht von den kleinen, sondern von den großen Maschinen, die in den Verfahrensketten oft die produktivitätsbestimmenden Schlüsselmaschinen sind. Aus den besagten Gründen werden wir diese Maschinen bis weit in und über die 2030er Jahre im Markt sehen. Es ist daher offensichtlich, dass wir zügig alternative Kraftstoffe benötigen, wenn wir bei den genannten großen mobilen Arbeitsmaschinen in der Treibhausgasbilanzierung schnell und mittelfristig besser werden wollen.
Es muss aber trotzdem versucht werden, für diese Maschinen neue Lösungen zu finden, oder?
Absolut richtig, wir brauchen die Untersuchungen von alternativen Antriebssystemen. Das ist aktuelle Aufgabe der Forschung. Wir in Braunschweig schließen gerade das Projekt Energy4Agri ab und bereiten die nächste umsetzungsnähere Stufe vor. In einem größeren Konsortium gehen wir in fachlicher Breite genau dieser Fragestellung nach, wie Landwirtschaft ohne Verbrennungsmotor aussehen kann. Allen entwickelten Lösungsansätzen gemeinsam ist, dass es keinen einfachen Austausch des Verbrennungsmotors geben kann. Wir kommen nur zu guten nachhaltigen Lösungen, auch wirtschaftlich, wenn wir die landwirtschaftliche Produktion systemisch ganzheitlich betrachten und weiterentwickeln. So sind wir zu elektrischen Systemlösungen mit feldnahen Batteriewechsel- und Ladelösungen oder auch mit Direktversorgungsansätzen über Stromkabel gekommen. In Ergänzung mit weiteren Projekten und Ansätzen wie der Automatisierung, der IT- und KI-Nutzung entwickeln wir neue Konzepte für Maschinen, Verfahren und ganze Pflanzenproduktionssysteme. Mag sein, dass einiges zu visionär ist, aber woher wollen wir das wissen, wenn wir das die Forschung nicht untersuchen lassen?
Und was ist mit Wasserstoff und Brennstoffzelle?
Das ist eine weitere Alternativlösung aktuell eher noch für die mittleren, längerfristig vielleicht auch größeren Maschinen. Wir arbeiten daran in einem Projekt H2Agrar, zusammen mit den Firmen AGCO Fendt und Röchling sowie dem Windparkbetreiber CEC in Haren/Ems und anderen Hochschulen. Die größten Herausforderungen für eine breite Anwendung dieser Technologie liegen in den Speichern für mobile Maschinen und in die Wasserstoffverfügbarkeit - obwohl in dem Projekt auch Elektrolyseure nahe am Windpark aufgebaut werden. Mein Eindruck ist, dass im kommenden Jahrzehnt der Wettbewerb um den Wasserstoff zum kritischen Punkt werden könnte, vor allem auch für die Landwirtschaft, wenn davor die Stahlindustrie oder die Kraftwerke oder die Luftfahrt oder andere Bereiche versorgt werden müssten.
Thema Security: Wie ernst nehmen die Hersteller und Anwender von Landmaschinen die Absicherung der teuren Geräte, die ja aufgrund ihrer intelligenten Erweiterungen von verschiedenen Herstellern wie Dünge-/Saatautomaten zusätzliche Einfallstore für Cyberkriminelle bieten?
Ich muss gestehen, da bin ich mir auch nicht so ganz sicher, ob alle Beteiligten erkannt haben, was hier passiert und was auf uns zu kommt. Die düsteren Szenarien sind ja schnell aufgemalt, die Erntemaschine wird während der Kampagne blockiert und nur gegen Lösegeldzahlung wieder freigeschaltet, die Dosierung der Feldspritze wird von außen manipuliert oder noch schlimmer, der Roboterschwarm wird vom Acker auf die Autobahn gelenkt. Wirklich düster. Von der Herstellerseite ist man hier zwangsläufig weiter als von der Anwenderseite. Zwangsläufig, weil wie gerade schon gesagt die bisherige Maschinenrichtlinie von der Maschinenverordnung abgelöst wird und hierin jetzt auch dieser Aspekt der erforderlichen Vorkehrungen für die Cybersicherheit Eingang gefunden hat.
Gibt es einen Interessenskonflikt durch das Software-defined-Vehicle? Auch Landmaschinenhersteller werden ja künftig versuchen, Funktionen als lizenzierte Option zu integrieren, um Upgrades zu verkaufen statt "nur" neue Geräte/Fahrzeuge. Ist das in diesem Sektor künftig auch ein Ansatz?
Nichts ist so beständig wie der Wandel. Wir sehen mit den sich verändernden Möglichkeiten nicht nur neue Produkte, sondern auch neue Geschäftsmodelle. Es ist ja auch in der Landtechnik schon angekommen, dass beispielsweise beim Feldhäcksler von Krone für eine bestimmte Dauer zusätzliche Motorleistung on demand online freigeschaltet werden kann. Aber auch GNSS-Korrektursignale können schon lange für eine bestimmte Zeit gekauft werden. Aber was ist dagegen zu sagen? Wir haben und wollen eine freie Marktwirtschaft und dort darf man versuchen, mit neuen Geschäftsideen wirtschaftlichen Erfolg zu haben. Es ist durchaus davon auszugehen, dass es dabei auch zu Verschlimmbesserungen kommt, aber solche Dinge werden erfahrungsgemäß durch evolutionäre Entwicklungen auch wieder ausschleißen.
Landmaschinen müssen Alleskönner sein. Wird der Traktor weiterhin das zentrale Arbeitsgerät sein, mit verschiedensten Anbaugeräten für Aussaat und Ernte bestückt, die über die Zapfwelle angetrieben werden? Oder kommt es zu einem Umdenken in Richtung mehr Spezialfahrzeuge?
Wir werden sicherlich weiterhin sogenannte selbstfahrende Arbeitsmaschinen wie Mähdrescher, Feldhäcksler, Rüben- und Kartoffelroder haben und genauso die universellen mobilen Antriebseinheiten, wie die Traktoren, die je nach den vorliegenden Aufgaben unterschiedliche gekoppelte Arbeitsmaschinen antreiben. Selbstfahrer, im Sinne von selbst angetrieben und nicht zu verwechseln mit Robotern, sind durch ihren speziellen Aufbau besonders für vorbestimmte Aufgaben geeignet. In der Entwicklung sind sie auch häufig entstanden, weil die verfügbaren Traktoren nicht ausreichend leistungsfähig für die angestrebte Produktivität waren. Die universellen mobilen Antriebseinheiten gab es praktisch von Beginn an in unterschiedlichen Bauformen, so den Standardtraktor oder die Systemtraktoren, die Raupentraktoren und eben auch die Gantrys. Hinzu kommen in nächster Zeit sicherlich die fahrerlosen Roboter, die neue Bauformen ermöglichen.
Die Maschinenkonzepte in Brückenbauweise werden meist als Gantrys oder auch als Wide Span bezeichnet. Diese Konzepte gab es schon zu ganz frühen Zeiten der Mechanisierung, es finden sich Unterlagen von Dampfmaschinen-betriebenen Gantrys aus der Mitte des 19. Jahrhunderts. Es gab somit auch schon immer den Wettbewerb zwischen den genannten Bauformen der Maschinen. Die Besonderheiten des von Klemens und Felix Kalverkamp in Gantry-Bauform vorgestellten Nexat sind vor allem die Baugröße, die Leistungsfähigkeit und das Mobilitätskonzept. Dadurch sind nicht nur weniger Kompromisse gegenüber Selbstfahrern zu machen, sondern das System generiert darüber hinaus eigene Vorteile. Durch die Brückenbauweise und den damit weit auseinanderliegenden Fahrwerken ist das Befahrkonzept des sogenannten Controlled Traffic Farming (CTF) möglich. Das heißt, es wird auf den Feldern immer in der gleichen Fahrspur gefahren. In der Spur wächst dann auch nichts mehr, aber die anderen Bereiche werden gar nicht befahren. Für die Straßenfahrt werden die Räder oder Raupen in Brückenrichtung geschwenkt und man hat eine relativ schmale straßentaugliche Bauform. Mit dem Anbau der Geräte, anstatt sie zu ziehen, erhöht sich die Effizienz. Nicht zuletzt, durch die großen Arbeitsbreiten können auch bei angemessenen Fahrgeschwindigkeiten sehr hohe Flächenleistungen und in Verbindung mit einer hochleistungsfähigen Prozesstechnik extrem hohe Durchsatzleistungen erreicht werden, die bislang nicht bekannt waren. Damit wird auch schon deutlich, dass dieses Maschinenkonzept vor allem seine Vorteile auf großen Flächen ausspielen kann, wie wir sie vielleicht nicht so sehr verbreitet bei uns aber in vielen Teilen der Welt finden.
Wo liegt der größte Stellhebel im Wirkungsnetzwerk von Prozess, Antrieb und Maschine, um bessere Ernten zu erzielen?
Um wirklich Aussagen zu "besseren" Ernten treffen zu können, wäre eine systemisch noch deutlich umfangreichere Betrachtung als angedeutet erforderlich. Dann kämen nämlich die ganzen landwirtschaftlichen Aspekte wie neue Züchtungen, geänderte Fruchtfolgen oder Anbauverfahren hinzu. Aber Sie haben ja insofern Recht, als dass die Arbeits- und Fahrfunktionen der Maschinen für sich schon ein komplexes Subsystem und Wirkungsnetzwerk darstellen. Bessere Ernten im Sinne von nachhaltig generierten Erträgen lassen sich technisch vor allem durch eine hohe Präzision des Arbeitens erzielen. Dabei geht es beim "besser" meistens um höhere Erträge, aber nicht minder um den optimalen Mitteleinsatz, geringe Verluste sowie das Bewahren der Ressourcen wie den Boden und die Vielfalt von Flora und Fauna. Ein Ansatz ist beispielsweise, von der Flächen- auf die Einzelpflanzenbetrachtung überzugehen. Wir müssen dabei die Pflanzen schon bei der Saat exakt platzieren und lokalisieren und dann bei der Pflege sie selbst und die Umgebung, zum Beispiel Unkräuter erkennen. Wir stellen fest, dass wir das gut nur mit einem multisensorischen Ansatz können mit sehr intelligenter, nicht zuletzt KI basierter Datenauswertung, die in der Cloud und in der Maschine oder maschinennah stattfindet. Hier können wir technisch schon sehr viel, haben aber noch viel mehr Forschungsbedarf. Aber das Beispiel betrifft nur die Pflanze auf dem Feld.
Ein zweites Beispiel ist die Maschinenführung, vor allem die Prozessführung. Damit meine ich die Regelung der Arbeitsfunktion und der Prozessaggregate in der Maschine. Erntemaschinen wie der Mähdrescher sind komplexe Maschinen mit vielen verschiedenen Aggregaten und können über 50 Einstellmöglichkeiten besitzen. Diese benötigt man, um präzise den Durchsatz an die Fruchtart und den veränderlichen Zustand anzupassen, dabei aber die Körnerverluste und -beschädigungen so gering wie möglich zu halten und am Ende ein sauberes Korn ohne Verunreinigungen abzuliefern. Dazu braucht es eine Vielzahl sehr unterschiedlicher Sensoren und Aktoren mit intelligenter Auswerte- und Regelungstechnik. Im Prinzip beherrschen viele Maschinenbediener diese hochkomplexen Systeme. Das ist schon beeindruckend. Nur, wer kann von morgens bis abends und über eine ganze Saison eine solche Höchstleitung erbringen? Da kommen dann sogenannte elektronische Expertensysteme zum Einsatz. Ich durfte bei Claas mit meinem Vorentwicklungsteam die Anfänge für das später als Cemos bezeichnete System für den Mähdrescher legen. Zudem haben wir in den letzten Jahren bei uns am IMN in Braunschweig mit Partnern zusammen ein Expertensystem für den Rübenroder entwickelt. Diese Systeme basieren gleichermaßen auf Einstellregeln, die mit den erfahrenen Bedienern und weiteren Experten entwickelt werden und gleichermäßen auf eine trainierte Erfassung der Eingangsgrößen und Regelung der Ausgangsgrößen. Ich bin mir ziemlich sicher, dass wir solche Systeme mehr und mehr in allen Landmaschinen finden werden.
Sowohl Ackermaschinen als auch Holzvollernter verdichten den Boden enorm und für eine lange Zeit. Pflanzen können nicht mehr darauf wachsen. Wie kann dem entgegengewirkt werden?
Entschuldigung, die implizierten Aussagen in Ihrer Fragestellung sind so nicht richtig. Vor allem müssen Sie zwischen Belastung und Beanspruchung unterscheiden. Ob ein Boden durch eine hohe Belastung zu hoch beansprucht und damit geschädigt wird und zudem, ob das überhaupt eine Auswirkung auf das Pflanzenwachstum hat, hängt von ganz vielen Faktoren ab. Entscheidend sind die Bodenart und -zusammensetzung, dann der aktuelle Bodenzustand, ganz besonders die Feuchtigkeit im Boden, und am Ende auch noch die Pflanze, die hier wachsen soll. Deshalb gibt es in der Fachwelt den Begriff, der guten fachlichen Praxis, die unter anderem aussagt, unter Beachtung der lokal vorherrschenden Bedingungen nur zur angemessenen Zeit und mit der richtigen Maschine einen Acker zu befahren.
Um Boden- und Wachstumsschäden zu vermeiden, gibt es eine Reihe technologischer Ansätze. Einmal gibt es das sogenannte Controlled Traffic Farming, wo es ein abgestimmtes Arbeitsbreitensystem der Maschinen in der Verfahrenskette gibt und man möglichst immer nur in den gleichen Spuren fährt. Der größte Teil der Fläche bleibt dann unbefahren. Das ist mit den bekannten Landmaschinen zu realisieren, besonders gut kann das bauartbedingt der oben erwähnte Nexat, der Gantry mit den wechselbaren Anbaugeräten. Am weitesten verbreitet ist aber die Bodenschonung über das Ausrüsten schwerer Maschinen mit großen breiten Rädern und Raupenfahrwerken. Damit wird die spezifische Bodenbelastung reduziert und gegebenenfalls eine pflanzenbaulich erforderliche frühere oder längere Befahrbarkeit des Ackers ermöglicht. Zudem bewahren große Maschinen durch Raupenfahrwerke ihre Straßentauglichkeit, weil sie in den zugelassenen Maschinenbreiten bleiben.
Ein wichtiger zukunftsgerichteter Ansatz ist die Verwendung kleiner leichter Maschinen. Da mag der Unbedarfte sagen, dass ginge doch auch heute schon. Das ist durchaus richtig und wird im Zuge der fachlichen Praxis anteilig auch gemacht, aber bei den saisonal entscheidenden Vorgängen in Pflanzenproduktion wird eine hohe Schlagkraft benötigt, dass also in sehr kurzer Zeit, pflanzenbaulich oder auch durch das Wetter bedingt, eine sehr hohe Produktivität möglich ist. Diese Leistungsfähigkeit kann heute wirtschaftlich oft nur mit großen Maschinen, die von Fachleuten gefahren werden müssen, erreicht werden. Alternativen für die Zukunft haben wir in einem Forschungsprojekt ALPS gemeinsam mit dem Thünen-Institut und den Julius Kühn-Institut in Braunschweig aufgezeigt. Kommen wir nämlich dahin, dass wir die Landmaschinen roboterisieren, also das Fahren und das Arbeiten automatisch darstellen können, entfällt als wichtiger Kostenfaktor der Fahrer. Damit liegt eine andere Betrachtung der Wirtschaftlichkeit, vor allem auch in Hinsicht auf die Größe der Maschinen, vor. Dann können wir mit leichteren hochautomatisierten Verbünden mehrerer Maschinen die gleiche oder sogar eine höhere Produktivität erreichen. Und das bei geringer Bodenbelastung. Wenn man hier noch tiefer eintaucht, kommt man dahin, dass mit solchen Lösungen ganz neue nachhaltigere Pflanzenbausysteme dargestellt werden können, wie das von den genannten Projektbeteiligten entwickelte Spot Farming. Und man kommt dahin, wie an andere Stelle schon ausgeführt, dass man kleinere Maschinen leichter elektrifiziert darstellen kann und eher ohne Verbrennungsmotoren auskommt. Was hier deutlich wird ist, dass wir in der Landwirtschaft noch viel systemischer und transdisziplinärer an die Generierung neuer Lösungen, zum Beispiel neuer nachhaltiger Pflanzenbausysteme herangehen müssen.
Lesen Sie Teil 1 des Interviews "Mehr als die Hälfte der Landmaschinen ist potenziell elektrifizierbar" mit Ludger Frerichs in der ATZheavyduty 2-2023!