WEAM4i

Im internationalen Projekt „Water and Energy Advanced Management for Irrigation“ (WEAM4i) wurden neue Ansätze zu Verringerung der Energiekosten untersucht. Einerseits wurden Möglichkeiten der Teilnahme am Strommarkt zu Nutzung von Niedriglastpreisen geprüft. Andererseits wurden Maßnahmen zur Erhöhung der Effizienz der in der Beregnung eingesetzten Energie erforscht.

„Verbessertes Management von Wasser- und Energie in der Beregnung“ (Water and Energy Advanced Management for Irrigation) waren gleichzeitig Titel und Ziel des aus EU-Mitteln geförderten Projekts im 7. Forschungsrahmenplan unter spanischer Leitung, an dem verschiedene norddeutsche Partner beteiligt waren. Neben der Landwirtschaftskammer Niedersachsen (Sachgebiet Beregnung und Bezirksstelle Uelzen) bearbeiteten der Beregnungstechnikplaner und –ausrüster LGRain (Wrestedt, Landkreis Uelzen), der Beregnungsinfrastrukturplaner Schulz + von der Ohe (Uelzen), die Firma Yara (hier: Hennigsdorf bei Berlin) sowie der Energiemarktanalyst Eclareon (Berlin) unterschiedliche Forschungsansätze zur Verringerung des Energiebedarfs. Weitere Partner kamen aus Portugal, Spanien, Frankreich und den Niederlanden.

Zwei verschiedene Ansätze wurden verfolgt. Einerseits sollte der Stromverbrauch gesenkt werden. Andererseits sollten Phasen mit niedrigen Strompreisen genutzt werden.

Erster Ansatz: Teilnahme an der Strombörse?

Ziel der spanischen und portugiesischen Projektteilnehmer war, den Stromverbrauch an die täglichen und wöchentlichen Schwankungen der Strombörsenpreise anzupassen. Phasen niedriger Preise sollten gezielt für die Wasserförderung und die Bewässerung eingeplant werden. Denn in Südeuropa verfügen die meisten Höfe oder Beregnungsverbände über Speicherbecken. Außerdem sind viele Beregnungsanlagen stationär und deshalb ein Betrieb zu ausgewählten preisgünstigen Zeiten möglich.

Da jedoch nur erhebliche Stromnachfragemengen an der Börse berücksichtigt werden könnten, ist eine fortlaufende Bündelung der jeweils zu erwartenden Beregnungsstromnachfrage zwingend erforderlich. Die spanisch und portugiesischen Projektpartner versuchten, diese Prognose durch eine automatisierte Meldung des voraussichtlichen Beregnungsbedarfs (4 Tage, 6 Tage) aller beteiligten Felder auf Basis von lokalen Wettervorhersagen und automatisierter Bodenfeuchtemessungen zu erreichen.

Untersuchung von Aktionsmöglichkeiten am deutschen Strommarkt
Für die deutsche Feldberegnung erscheint dieser Bündelungsansatz nicht umsetzbar. Die für Spanien und Portugal beschriebenen Spielräume für den zeitlichen Einsatz der Beregnungspumpen fehlen hier weitgehend. Eine aktive Anpassung an Niedrigpreisphasen ist praktisch noch weitgehend ausgeschlossen angesichts fehlender Speicher- oder Beregnungskapazitäten. Darüber hinaus können die lokalen Witterungsunterschiede oftmals nicht ausreichend prognostiziert werden. Schließlich ist das Zuordnen eines Stromverbrauchers (Elektropumpe) zu den demnächst zu bewässernden Feldern in der Praxis nicht automatisierbar.

Fazit: die Nachfrage der deutschen Beregner kann weder ausreichend gebündelt noch hinreichend prognostiziert werden, um direkt am Strommarkt teilzunehmen. Letztendlich verringert auch die übliche Abrechnung von Stromkosten auf Gemeinschaftsbasis (Beregnungsverband) die Anpassungsanreize für Einzelne.

In Fällen lokaler Wasserknappheit während der Beregnungssaison kann die Zwischenspeicherung von Winterniederschlägen jedoch in Zukunft Bedeutung gewinnen. Steht während des Winterhalbjahrs Oberflächenwasser vor Ort zur Verfügung, wären Speicherbecken in die Beregnungsnetze zu integrieren oder Flächen für eine künstliche Versickerung in den Grundwasserkörper an dafür geeigneten Standorten einzurichten. Solche Vorhaben bedürften jedoch ganz erheblicher finanzieller und auch administrativer öffentlicher Unterstützung.

 

Zweiter Ansatz: die Effizienz des Stromverbrauchs verbessern

Diese Strategie wurde überwiegend von den deutschen Partnern auf folgenden Ebenen verfolgt:

1. Senkung des Energieverbrauchs im Beregnungsnetz durch laufende  Berücksichtigung der Wasserdrücke an den eingesetzten Düsen (Regnerwagen);
2. Erleichterung des Einstiegs in Niedrigenergie – Beregnungssysteme,
   hier: Kreis- oder Linearberegnung;
3. Testen von Systemen zur feldindividuellen Vorhersage des Beregnungsbedarfs.

Verbesserung der Energieeffizienz vorhandener Pumpen durch Düsendruck abhängige Programmierung von Steuerungsmustern

Die Umsetzung dieses in WEAM4i entwickelten neuen Verfahrens in drei verschiedenen Beregnungsnetzen (ein Netz mit 7 Brunnen, zwei Netze mit je einem Brunnen und Drehzahl regelbarer Pumpe) brachte in der Praxis Energieeinsparungen in der Größenordnung von 10 Prozent. Voraussetzung ist, dass alle in einem Leitungsnetz eingesetzten Regenmaschinen am Regnerwagen mit einem Druckmesser, einer Datentransfereinheit (GPS-Modul), einer Solarenergieversorgung und Batterie ausgestattet werden. Ferner müssen aller Felder im Beregnungsnetz mindestens Empfang eines Mobilfunkanbieters haben. (Im Projekt wurde hierfür Technik des Marktführers Raindancer eingesetzt.) Schließlich müssen alle Brunnen mit Fernsteuerung ausgestattet werden.

Als erster Arbeitsschritt wurden die drei Beregnungsnetze hinsichtlich ihrer hydraulischen Güte (Leitungsquerschnitte, Höhenlagen der Felder und Brunnen, Pumpenkapazitäten, -verbräuche und –ausstattungen) aufgenommen und in einem Modell nachempfunden. Im zweiten Schritt wurden alle im Netz üblichen Kombinationen der Aufstellung der beteiligten Regenmaschinen erfasst. Unter der Annahme, dass an allen Düsen ein Mindestdruck von etwa 4,5 bar erreicht werden muss, wurden mittels des Modells dann die sparsamsten Brunnenkombinationen bzw. Pumpeneinstellungen ermittelt und zu einem Steuerungsprogramm weiterentwickelt.

Im echten Betrieb werden Druck und Position der Regner laufend an einen zentralen Rechner gesendet, welcher mit diesen Informationen den Betrieb der Förderpumpen (Pumpenkombination, Pumpenfrequenz) entsprechend steuert bzw. gegebenenfalls automatisch anpasst. Zwei Sommer lang wurde die Steuerung täglich überprüft und die Programmierung schrittweise verfeinert.

Senkung der Gesamtinvestitionskosten von stationären Kreis- und Linearberegnungen durch alternative Antriebe
Die reinen Maschinenkosten dieser Großflächenberegnung sind auch für Schläge von ca. 20 Hektar bei Kreisberegnungsanlagen durchaus konkurrenzfähig, wenn Neuanschaffungen anstehen. Allerdings müssen zusätzlich die Kosten für die Stromversorgung der Fahrwerke kalkuliert werden. Entwicklungsziel in WEAM4i waren deshalb alternative Antriebsformen, um das oftmals teure Verlegen von Stromleitungen in der Feldmark zu vermeiden.

Der entwickelte Solarantrieb mit Batterie erscheint für sonnenreiche Regionen sehr vielversprechend und wird nach dem Ende von WEAM4i in diesem Sinne weiter verfeinert werden. Der entwickelte Hydraulikantrieb ist für Situationen geeignet, in denen eine stationäre Beregnungsanlage - aus arbeitswirtschaftlichen und pflanzenbaulichen Gründen -  innerhalb eines vorhandenen Hochdrucknetzes integriert werden soll. Musste in solchen Fällen der im Leitungsnetz vorhandene hohe Wasserdruck bisher wirkungslos abgeführt werden, wird dieser Druck nun über Hydraulikmotoren zum Antrieb der Fahrwerke genutzt.

Außerdem wurde ein Programm weiterentwickelt, mit dem auf der Basis von Satellitenfotos schnell und anschaulich Kreis- bzw. Linearberegnungen individuell für konkrete Felder skizziert werden können.

Testen von zwei neuartigen feldspezifischen Bedarfsvorhersagesystemen
Auf dem Versuchsfeld Hamerstorf der Landwirtschaftskammer Niedersachsen im Landkreis Uelzen wurden mit Datenfernübertragung ausgestattete Sonden zur Messung des Wasserdrucks im Pflanzenblatt (Turgor) an Kartoffeln und Mais erprobt. Statt über die Wasserspannung im Boden sollte direkt an der Pflanze der Wasserbedarf ermittelt werden. Anders als im Mais erforderte die schnelle Blattentwicklung in Kartoffeln und die Empfindlichkeit von deren Einzelblättern einen nicht praxisgerechten Aufwand für das Umstecken der Sonden. Die Aussagekraft der gemessenen Daten zur Vorhersage des Beregnungsbedarfs im blattrobusten Mais genügte einer praktischen Anwendung noch nicht.

Daneben testete die Landwirtschaftskammer auf Praxisschlägen ein feldspezifisches Wasserbilanzierungssystem zur Bedarfsvorhersage (Niederschlag – Verdunstung), welches durch regelmäßige Satellitenfotografie unterstützt wird. Die Eingabe der feldspezifischen Beregnungsmengen erfolgte durch die teilnehmenden Betriebe via Smartphone-App. Die Beregnungsempfehlungen kamen online, zu Projektende waren sie dann auch direkt per Smartphone abrufbar. Eine weitere Anpassung der getesteten Bedarfsvorhersage an Praxisbedingungen, wie z. B. begrenzte Wasserverfügbarkeit und Berücksichtigung der variablen Beregnungskosten ist erforderlich.

Über diese auf norddeutsche Fragestellungen zugeschnittenen Untersuchungen zur Vermeidung von Energiekosten hinaus profitierten die beteiligten Firmen und die Landwirtschaftskammer bei den Treffen an den verschiedenen europäischen Beregnungsstandorten allgemein vom Kennenlernen anderer Herangehens- und Sichtweisen.

Fazit:

• Senkung der Energiekosten in der Beregnung bleibt im Fokus, hier besonders durch Senkung des Stromverbrauchs.
• Durch die Landwirtschaftskammer getestete Verfahren zur Vorhersage des feldspezifischen Beregnungsbedarfs (auf Basis von Satellitenfotos oder von Messungen des Wasserdrucks im Blatt) sind unter norddeutschen Bedingungen bisher nicht praxisgeeignet.
• Die Speicherung von Winterniederschlägen – in gedichteten Becken oder im Grundwasserkörper - ist nur in Einzelfällen möglich und sinnvoll. Sie bedarf dann erheblicher externer finanzieller Unterstützung sowie der Bereitschaft der betroffenen Behörden.
• Bei der Einbindung in vorhandene Hochdrucknetze können die Einrichtungskosten für stationäre Kreisberegnungsanlagen fallweise gesenkt werden durch neu entwickelte Technik zum Verzicht auf Stromanschluss.
• Automatisierte intelligente Pumpensteuerung in Beregnungsbrunnen bzw. -netzen mit Abruf der Drücke an den Regnerwagen reduzierte den Energieverbrauch um rund 10 Prozent.

(Dieser Artikel wurde bereits in ähnlicher Form in der Land- und Forstwirtschaftlichen Zeitung für Niedersachsen, Ausgabe 26/2017 veröffentlicht.)