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Eine Veranstaltung im Rahmen des Cross Innovation Lab Projekts

Stichwort Schwarzfall: Absicherung des landwirtschaftlichen Betriebes durch unterstützendes Datenmanagement

Mitte Mai lud Agrobusiness zusammen mit der pix software GmbH vertreten durch David Bergens zum Event „Aus der Praxis – Sicherung der Energieversorgung (Stichwort Schwarzfall) im landwirtschaftlichen Betrieb“ ein. Zu Gast waren dabei Matthias Funken vom Milchviehbetrieb Funkenhof, so wie Jan Sonntag und Birgitt Mosler aus dem Interreg Projekt Internet of Agriculture.

„Ein Schwarzfall führt zu vorindustriellen beinahe mittelalterlichen Zuständen“, beschreibt Bergens zu Anfangs der Veranstaltung. Ziemlich düstere Aussichten… Dabei belassen es die Referenten zum Glück nicht und machen im Laufe des Events Vorschläge, wie einem solchen Szenario entgegenzuwirken sei.
Konkret angesprochen wurden folgende Themen: Die Notwendigkeit von Notstromaggregaten auf Betrieben und  das Installieren und Planen entsprechender Schaltkreise. Darüber hinaus, was beim Nutzen eigener erneuerbarer Energien zu beachten ist  und wie man Daten auf seinem Hof sammeln und für die Optimierung von energieintensiven Prozessen einsetzen kann.

1.  Auftakt David-Andreas Bergens pixsoftware GmbH

Den Auftakt machte David-Andreas Bergens, der das Szenario eines Schwarzfalls ausführlich beschrieb. Zunächst einmal ein paar Details und Definitionen:
Herr Bergens spricht beim gemeinsam genutzten europäischen Stromnetz von einem „Verbundsnetz“, was als eine zusammenhängende übergeordnete Einheit gesehen werden kann und unterstreicht, dass es wichtig sei dies im Hinterkopf zu behalten. Denn bei einem Schwarzfall ist das übergeordnete Netz betroffen und nicht allein eine Straße oder ein Viertel.
„Wenn also ein Schwarzfall eintritt, gibt es vorher ein anderes Event und zwar den sogenannten Blackout oder geläufig Stromausfall“, erklärt er. Der Stromausfall beschreibt eine allgemeine Netzstörung, an einer oder mehreren Stellen in einem Stromnetz (zum Beispiel in einem Funknetz, Straßennetz oder Mobilfunknetz). Ein Schwarzfall beschreibt ganz konkret den Ausfall eines stromerzeugenden Kraftwerks und damit allgemeinläufig einen überregionalen Stromausfall. Auch Betriebe mit eigenen PV und Windanlagen wären in so einem Fall betroffen, da für den Nutzen deren Stroms zumeist eine Grundspannung im eigenen Netz vorhanden sein muss. Nur wenige dieser Anlagen sind „Schwarzstart“-fähig. Hierzu müsse eine mit dem eigenen Netz und eigenen Energieerzeugern verbundene, autonom agierende Stromquelle Strom für einen „Schwarzstart“ bereitstellen.

„Die Herausforderung an ein Stromnetz ist die, dass die Stromerzeugung zu jedem Zeitpunkt exakt dem Stromverbrauch entsprechen muss.“ sagt Bergens. „Bei zu viel Strom spricht man von einer Frequenzerhöhung, bei zu wenig von einer Frequenzsenkung.“ Wenn von der Standardnetzfrequenz 50Hz (vereinfacht gesagt: Die Standardgeschwindigkeit in der sich die Stromrichtungen bei Wechselstrom abwechseln) abgewichen wird sorge das für eine Ungenauigkeit der Taktungen davon abhängiger Geräte. Darunter fallen auch zumeist jene, die auf dem Betrieb ohne einen Frequenzregler (häufig in der Industrie zu finden) ans Netz angeschlossen sind.      

Gründe, warum er einen Schwarzfall für wahrscheinlich hält, nennt Herr Bergens mehrere. Die „Regelenergie“, die die Grundversorgung des Stromnetzes gewährleistet, wird derzeit hauptsächlich mit fossilen Brennstoffträgern betriebenen Generatoren erzeugt. Die zum jetzigen Zeitpunkt eher schwankenden Energieträger, wie solar- und windkraftbasierte Energien böten diese Stabilität aufgrund fehlender Speicherformen in entsprechender Größenordnung, noch nicht, betont er. Ungenauigkeiten beim Stromhandel, bei dem Energiehändler Strom beim Kraftwerk kaufen, könnten ebenfalls zu nicht gewollten temporären Abschaltungen oder am anderen Ende eine Überversorgung mit Strom verursachen, die dem Netz schaden. Durch den Klimawandel erzeugte extreme Wetterbedingungen kann Teilen des Stromnetzes, wie zum Beispiel den Strommasten, schaden. Sei es wegen direkter Zerstörung oder vorzeitigem Verschleiß, so David Bergens. Auch gezielte Angriffe, seien sie physischer oder digitaler Natur, können Pfeiler der Energieversorgung gefährden, warnt er schließlich.

Was genau der Schwarzfall für die Gesellschaft zu bedeuten hat beschreibt er mit folgender Grafik:

Nach einem Schwarzfall sei eine längere Phase ohne Strom zu erwarten, denn „das Hochfahren eines Kraftwerks ist nicht trivial.“, so Bergens.

Demnach empfiehlt er die Vorbereitung auf einen solchen Fall mit einer geeigneten Notstromversorgung. Was kann man also tun? Vier Punkte nennt Herr Bergens, an denen man sich orientieren könne.

-       Die Feststellung des potenziellen Leistungsbedarfes im Betrieb

-       Das Einsparen von unnötig verbrauchter Energie

-       Das Optimieren von Leistungsspitzen durch das Erstellen von Lastverteilungsplänen (beispielsweise das
        Einschalten von Geräten mit hohem Stromverbrauch im Tandemverfahren minimal zeitversetzt anfahren
        oder lastabwurffähige Geräte (z.B. Kühlaggregate) kurzfristig abstellen)

-       Die Störungsermittlung und –beseitigung innerhalb des Netzes.

Für die Ermittlungen von Leistungsbedarf, –spitzen und Störungen empfiehlt er das Einsetzen von entsprechender Sensorik, um zu definieren: Wo verbrauche ich wann wie viel Strom und warum?
Konkret solle jede/r Landwirt*in für sich klären, ob es eine geeignete „Trennstelle“ vom Straßennetz gibt, ob der Betriebseigene Stromkreis für eine Eigenversorgung ausgelegt ist, ob es PV-Module mit Batteriepufferspeicherung gibt oder ob gar eine Biogasanlage auf dem Betrieb existiert?
Beispiele zu solchen Absicherungen und zu Sensortechnikapplikationen finden sich in den nächsten zwei Abschnitten zum Beitrag von Matthias Funken (Funkenhof) und Jan Sonntag (Internet of Agriculture).

2.  Interview Matthias Funken

Matthias Funken ist Seniorchef auf einem landwirtschaftlichen Milchviehbetrieb. Auf dem Funkenhof befinden sich circa 200 Kühe, die mit Hilfe von drei Melkrobotern täglich gemolken werden. Zudem wird auf dem Hof Energie erzeugt über eine Biogasanlage auf Güllebasis mit einer Leistung von 75 kW und über PV-Module mit einer Gesamtleistung von 180 kW. Doch auf einen Schwarzfall vorbereitet wäre man nicht gewesen, ist sich Herr Funken sicher. Die beiden Energielieferanten alleine reichen nicht aus, um den Stromkreis stabil zu halten. Um die Biogasanlage so umzurüsten, dass sie als Notstromaggregat dienen könnte und abgesehen davon auch konstant die Grundlast des Betriebs aufrecht erhält, hätte man zu tief in die Tasche greifen müssen. 
„Für einen Stromausfall hatten wir damals ein gemeinsames Notstromaggregat mit zwei  anderen Betrieben . Irgendwann nach einigen Gesprächen mit den lokalen Stadtwerken haben wir aber entschlossen uns gegen einen großflächigeren Stromausfall vorzubereiten.“ Um in einem solchen Fall den Betrieb aufrecht erhalten zu können mit unter anderem drei Melkrobotern bräuchte man ein entsprechend leistungsfähiges Aggregat. Glücklicherweise arbeite man schon seit Jahren mit einem Strommesser im Betrieb, um leistungsabhängig zu bezahlen und wusste dadurch genau, wo die Spitzen liegen, sagt Herr Funken. Man konnte sich daraufhin mit einer Firma einigen und das entsprechende Aggregat kaufen. Bei einem Test, bei dem es am Schlepper angeschlossen wurde, konnte mit Hilfe des modernen Schleppers die Drehzahl des stromerzeugenden Generators konstant gehalten werden und dadurch auch die Frequenz im Netz. Auch unter Volllast mit jeder einzelnen Komponente im Betrieb angeschaltet bestand das Aggregat den Test und auch nach einigen Messungen des Elektrikers gab es grünes Licht, berichtet Herr Funken.

3. Sensortechniküberwachung – Einführung durch Jan Sonntag und Birgit Mosler

Gemeinsam mit Birgit Mosler (RheWaTech g UG) arbeitet Jan Sonntag (Hochschule Rhein Waal) im INTERREG VA Projekt „Internet of Agriculture“. In der Zusammenarbeit des deutsch- niederländischen Konsortiums dreht sich dabei alles um die Digitalisierung und Optimierung der Betriebsführung in der Landwirtschaft, durch Sensormessungen und digitale Dokumentation mit Hilfe eines integrierten, intelligenten Farm Monitoring Systems (Farming 4.0). Im Monitoring System werden Daten in Echtzeit dokumentiert, in Datenbanken hinterlegt, für die Einordnung des Nutzers in Dashboards dargestellt und mit Alarmen versehen. Zusammen mit den landwirtschaftlichen Partnerbetrieben wurden erste Automatisierungen bereits umgesetzt. Ziel des Projektes ist es ein zentrales System mit einer Übersicht aller betriebsrelevanten Daten und deren Abhängigkeiten aufzubauen und so das Führen des Betriebes und auch die vorgeschriebenen Dokumentationen zu erleichtern. Aufgrund seines Aufbaus lässt sich das System beliebig ergänzen und individualisieren, so dass auch Parameter wie Stromverbrauch oder Stromerzeugung aus eigenen betrieblichen Komponenten (PV, Wind und Biogas) gemanagt werden können. Durch ein gezieltes Monitoring und Management können der Einsatz von Ressourcen und somit auch Kosten nachhaltig reduziert werden. Neben dem Stromverbrauch werden auch Füllstände von Silos, Gaskonzentrationen in Ställen, Bodenfeuchte und –temperatur, Positionierung von Tieren sowie Wasserqualitäten in Tränken gemessen und dokumentiert. Besonderen Wert legte das Projekt Konsortium dabei auf die Datensicherheit innerhalb des Systems.

Die datenerfassenden Sensoren senden in ein lokales von der Firma IMST entwickeltes „Tiny Network“, welches schwarzfallunabhängig arbeitet. Als weitere Option kann auch ein cloudbasiertes Farm Monitoring System verwendet werden, in welchem die Daten auch eingesehen werden können, wenn der Nutzer sich außerhalb des eigenen Betriebes befindet. Dieses wird vom niederländischen Projektpartner Yookr BV aufgebaut, vermarktet und betreut. Genutzt wird bei beiden Varianten vorrangig das Funksystem LoRaWAN, welches Datenübertragung stromsparend über mehrere Kilometer hinweg ermöglicht.

Vom „Tiny Network“ oder aus der Cloud gelangen die Daten dann an eine Datenschnittstelle (z.B. Node-Red) und von dort an eine „Speicherstelle“ (z.B. InfluxDB: Daten werden hierbei in zeitlicher Reihenfolge in einer Datenbank abgespeichert), beide Komponenten können online oder offline betrieben werden. Weitergeleitet werden die Daten dann an eine „Visualisierungssoftware“ (z.B. Grafana), welche die Messergebnisse darstellt und es schließlich ermöglicht diese in Apps, auf Webseiten oder in anderer Software einzubetten.

So eine visualisierte Darstellung kann z.B. auch die Messwerte aus dem Monitoring einer Tränke darstellen (siehe Abbildung).

Wassertemperatur und automatische Entleerung (gestrichelte Linie = Eventanzeige)
Quelle: Internet of Agriculture Interreg, Jan Sonntag (HSRW)

Schlusswort

Wie geht es nun weiter? Herr Bergens als Geschäftsführer der Pix Software GmbH ist gewillt ein Projekt ins Leben zu rufen, in dem insbesondere das Messen und Digitalisieren von Stromdaten (Frequenzen, Verbräuche, etc.) eine große Rolle spielen soll. Die den Strom steuernden Computer gedenkt er mit kleinen USV Anlagen (Unterbrechungsfreie Stromversorgung) auszustatten. „An welcher Stelle macht welche Technologie Sinn? Das möchten wir wissen und so bestimmen wie man sich am besten auf einen Schwarzfall vorbereiten kann.“ verkündet er. Zum Testen im Feld sind natürlich auch Landwirt*innen von Nöten. Man darf also gespannt sein!