Forschungs- und Innovationsprojekt
Digitalisierung in der Landwirtschaft

Acker im Hintergrund mit Screens im Vordergrund
Digitalisierung ist einer der Megatrends in der Landwirtschaft und im Agribusiness und betrifft alle Akteure landwirtschaftlicher Wertschöpfungsketten - vom vorgelagerten Bereich über Produktion, Handel, Verarbeitung und Lebensmitteleinzelhandel (LEH) bis zum Konsumenten. Neben diesen Akteuren sind aber auch die Bereiche Forschung, Bildung, Beratung und die Verwaltung von den rasanten Entwicklungen im Bereich der Digitalisierung sowie Landwirtschaft 4.0 maßgeblich tangiert. Zur Illustration zeigt die folgende Abbildung aktuelle Fragestellungen bzw. Herausforderungen für die verschiedenen Akteure in landwirtschaftlichen Wertschöpfungsketten exemplarisch auf.

Fließdiagramm landwirtschaftliche Wertschöpfungskette mit Einfluss der Digitalisierung

Einfluss der Digitalisierung und Landwirtschaft 4.0 auf die Akteure landwirtschaftlicher Wertschöpfungsketten
(Wertschöpfungskette verändert nach Burose 2014)

Hintergrund

Was aber bedeutet eigentlich Landwirtschaft 4.0?
Ein zentrales Kernelement von Landwirtschaft 4.0 ist die intelligente Vernetzung von Produktionsprozessen nicht nur auf dem landwirtschaftlichen Betrieb, sondern über die gesamte Wertschöpfungskette - also auch im vor- und nachgelagerten Bereich. Die Lenkung dieser vernetzten Produktionsprozesse soll zudem vom Konsumenten- bzw. Gesellschaftsinteresse aus erfolgen (vgl. Positionspapier des Leibniz-Forschungsverbunds Nachhaltige Lebensmittelproduktion & gesunde Ernährung).
Rasante Entwicklungen über die gesamte Wertschöpfungskette hinweg
Landwirtschaft 4.0 bestimmt bereits jetzt die Entwicklung der Branche maßgeblich und es ist davon auszugehen, dass sich diese Entwicklung verstärkt fortsetzen wird. Für die einzelnen Akteure werden sich dabei vielfältige Chancen bieten, es bestehen aber auch Risiken und Herausforderungen. Klassischerweise werden an dieser Stelle Aspekte der Datensicherheit und Datenhoheit aufgeführt. Und natürlich sind ein leistungsfähiger Internetzugang und ein schnelles Mobilnetz im ländlichen Raum von herausragender Bedeutung. Für die landwirtschaftlichen Betriebe besteht aktuell jedoch die große Herausforderung eher darin, den Überblick über die verschiedenen technologischen Entwicklungen zu behalten und sinnvolle Investitionsentscheidungen zu treffen. Dazu benötigen sie belastbare Informationen zu den ökonomischen, ökologischen wie auch zu den sozialen Effekten dieser Technologien - also eine moderne Nachhaltigkeitsbewertung. Für alle Akteure der Wertschöpfungskette stellt sich zudem die Frage ihrer zukünftigen Stellung sowie Macht in der Kette. Die jüngere Entwicklung zeigt, dass die Digitalisierung einerseits die Möglichkeiten schafft, dass Start-ups mit begrenztem Kapitalbedarf neu in den Markt eintreten und andererseits branchenfremde Player die Landwirtschaft für sich entdecken. Beide Entwicklungen stellen die etablierten Größen wie z.B. Agrarhandelsunternehmen oder landwirtschaftliche Softwareentwickler vor große Herausforderungen.
Trotz aller Digitalisierungseuphorie sollte nicht vergessen werden, dass die gesellschaftliche Akzeptanz für Landwirtschaft 4.0 von großer Bedeutung ist. Dieser Aspekt steht jedoch auf so gut wie keiner Agenda der aktuell so zahlreich stattfindenden Veranstaltungen zu Digitalisierung und Landwirtschaft 4.0. Politik, Interessensvertreter und Branche erhoffen sich teilweise viel von den technologischen Entwicklungen, wie z.B. mehr Tierwohl oder die Entschärfung der Nährstoffproblematik und damit letztlich auch eine höhere gesellschaftliche Akzeptanz der landwirtschaftlichen Produktion. Es stellt sich jedoch aktuell die Frage, wie Konsumenten bzw. die Gesellschaft diese Innovationen wahrnehmen und bewerten. Die Herausforderung besteht schließlich darin, die Vorteile von Landwirtschaft 4.0 in einer Weise zu kommunizieren, sodass Konsumenten und die gesamte Gesellschaft diese Innovationen auch positiv wahrnehmen und bewerten. Darüber hinaus muss auf negative Effekte aufmerksam gemacht und entsprechende Lösungsansätze müssen entwickelt werden.

Zielsetzung

Die Projektgruppe Digitale Landwirtschaft wird sich vielen der aufgeworfenen Fragestellungen widmen und dazu beitragen, dass gerade auch die bayerischen Betriebe an den Vorteilen der Landwirtschaft 4.0 partizipieren können. So beinhaltet das Arbeitsprogramm eine detaillierte Marktanalyse und Bewertung der verfügbaren Technologien vor dem Hintergrund der in Bayern vorherrschenden Strukturen. Besonders vielversprechende Ansätze werden auf den Lehr-, Versuchs- und Fachzentren der LfL sowie auf Pilotbetrieben erprobt und bewertet. Dies gilt auch für Technologien, für die das verfügbare Wissen nicht ausreichend bzw. nicht belastbar ist.

Aktuelle Projekte

  • Bewertung von Sensorik zur Tierüberwachung/Monitoring (Rind)
    • Ökonomie automatischer Brunsterkennung in der Milchviehhaltung
    • Anwendung und Vergleich von digitalen Abkalbemeldesystemen
  • Systematisierung und Bewertung von Farm-Management-Informationssystemen
  • Pilotprojekt zum überbetrieblichen Einsatz von Sensortechnik zur teilflächen-spezifischen Stickstoffdüngung
  • Erprobung und Bewertung automatisierter mechanischer Unkrautregulierung
  • Erprobung und Bewertung von Satellitendaten
    • Bewertung von satellitengestützten Ertragsprognosen (Getreide)
    • Erprobung von talkingfields-Basiskarten (Firma Vista)
  • Fallstudie zur Einführung eines automatischen Lenksystems
  • Analyse der Akzeptanzhemmnisse auf Seiten der Landwirte
  • Analyse der gesellschaftlichen Akzeptanz der Digitalisierung in der
    Landwirtschaft
Miniroboter beim Unkraut hacken

Agrarroboter für Unkraut

Leistungsdaten einer Kuh im Laufstall auf Diagramm im Handy

Abruf von Tierdaten über digitale Medien

Kuh mit Abkalbemelder  im Stall

Kuh mit Abkalbemelder

Schlepper mit Sensor zur Stickstoffdüngung im Feldeinsatz

Sensor zur Stickstoffdüngung

Video: Automatische Hacktechnik, Feldtag der LfL in Unterfranken

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Die Videosequenz zeigt den Einsatz verschiedenster digitaler Technologien zur Beikrautregulierung für den konventionellen und ökologischen Landbau im Rahmen eines von der LfL durchgeführten Feldtages am 19.06.2018 in der Nähe von Schweinfurt. Die Bandbreite der gezeigten Maschinen reicht dabei von kamera-, GPS- und ultraschallgesteuerten Verschieberahmen über ein automatisches Hackgerät für den Einsatz innerhalb der Pflanzenreihen bis hin zu autonomen Hackrobotern, die alle in den Kulturen Mais, Rüben und Soja eingesetzt werden.
Die Verschieberahmen (Anbieter geo-konzept, Reichhardt, Einböck, Garford) sind in der Front oder am Heck zwischen Traktor und Hackgerät angebaut und ermöglichen so eine aktive Steuerung des Hackgeräts nach beiden Seiten. Der Robovator von Poulsen kann als automatisches Hackgerät innerhalb der Reihe Einzelpflanzen von Unkraut unterscheiden und letzteres zielgerichtet entfernen. K.U.L.T. Kress präsentiert im Bereich der autonom fahrenden Technik des Herstellers Naїo sowohl den kleinen Roboter Oz als auch seinen großen Bruder Dino. Außerdem wurde von der Hochschule Osnabrück als autonome Hacktechnik der BoniRob vorgeführt, welcher aktuell noch für Forschungszwecke genutzt wird. Zusätzlich ist der speziell für den Hackfruchteinsatz ausgerüstete Geräteträger Fobro-Mobil vor Ort, der ebenfalls mittels RTK-GPS bzw. Ultraschall gesteuert werden kann.
Der Feldtag zum Thema automatisches Hacken wurde von der Projektgruppe Digitalisierung (LfL-Institut für Landtechnik und Tierhaltung) mit Unterstützung des Landwirtschaftsamts Schweinfurt organisiert. Maximilian Kavena, ein Mitarbeiter der Projektgruppe, kommentiert im Video die verschiedenen digitalen Hacktechnologien.

Erste Ergebnisse

Landwirtschaft 4.0 – Digitalisierung und ihre Herausforderungen

Systematisierung Digitalisierung im Pflanzenbau
Aufgrund der vielfältigen Entwicklungen ist eine Systematisierung digitaler Technologien im Pflanzenbau schwierig. Ein möglicher Ansatzpunkt zur Systematisierung besteht darin, Smart Farming als Überkategorie für die beiden Bereiche digitale Entscheidungsunterstützung/Management sowie Precision Farming zu verstehen. Digitale Entscheidungsunterstützung/Management subsummiert dann die drei Gruppen Farm-Management-Informationssysteme, Agrar-Apps sowie digitale Marktplätze. Automatisierung, Agrarrobotik und Teilflächenbewirtschaftung hingegen sind eher zum Bereich Precision Farming zu zählen. Digitale Datenplattformen könnten zukünftig das Bindeglied zwischen den einzelnen Technologiegruppen darstellen und damit zu einer vernetzten Landwirtschaft 4.0 führen. Zu Landwirtschaft 4.0 zählt weiterhin eine Anknüpfung und Vernetzung zu Precision Livestock Farming.
Einsatz digitaler Technologien in Deutschland und Bayern
Trotz der enormen Medienpräsenz des Themas Digitalisierung in der Landwirtschaft zeigen aktuelle Befragungsergebnisse, dass die Verbreitung digitaler Technologien in Bayern, von wenigen Ausnahmen abgesehen, noch sehr begrenzt ist. Wissenschaftlich belastbare Informationen zum Einsatzumfang digitaler Technologien sind für die deutsche bzw. bayerische Landwirtschaft nur sehr eingeschränkt verfügbar beziehungsweise meist nicht aktuell. Ein wesentlicher Punkt ist, dass zwar einige Landwirte Technologien einsetzen, die gewonnenen Informationen aber nur sehr begrenzt umsetzen und weiter verwenden. Wie sich das Verhältnis zwischen „Datensammeln“ und „Datennutzung“ zur verbesserten Entscheidungsfindung aktuell darstellt, ist empirisch nicht belegbar und stellt daher ein wichtiges Forschungsfeld dar.
Ausblick: Ansatzpunkte zur Steigerung des Einsatzes von Sensortechnik zur teilflächenspezifischen Stickstoffdüngung
In welcher Geschwindigkeit und in welchem Umfang digitale Innovationen in der landwirtschaftlichen Praxis eingesetzt werden, wird von vielen Faktoren und Wirkungszusammenhängen determiniert. Die Anwendung von ADOPT (Adoption and Diffusion Outcome Prediction Tool) zeigt am Fallbeispiel teilflächenspezifische Stickstoffdüngung mit Sensortechnik, dass insbesondere die Bereiche Bedienerfreundlichkeit und Investitionsbedarf Schlüsselbereiche darstellen, um die Verbreitung dieser Technologie in der Praxis potentiell zu erhöhen.

Veröffentlichung: Landwirtschaft 4.0 - Digitalisierung und ihre Herausforderungen pdf 977 KB

Ökonomie automatischer Brunsterkennung

Ökonomische Bewertung automatischer Brunsterkennungssysteme in der Milchviehhaltung
Gute Reproduktionsleistungen von Kühen sind das Fundament einer nachhaltigen Milchviehhaltung, weshalb eine möglichst präzise Erkennung von Brünsten wesentlich ist. Deshalb werden seit den 1980ern Sensoren zur Brunsterkennung entwickelt (Mottram 2015), für die das ökonomische Potential ermittelt wurde. Der jährliche Gewinnbeitrag je Kuh ist definiert als der finanzielle Vor- oder Nachteil, den ein Milchviehbetrieb bei der Anschaffung eines automatischen Brunsterkennungssystems für seine Herde hat. Die Variationsbreite von Brunsterkennungsraten (visuell/automatisch) und dem Zeitaufwand zur Brunstkontrolle (visuell/automatisch) wurde in der stochastischen Simulation berücksichtigt. Die Ergebnisse zeigen, dass:
  • die jährlichen Kosten der Investition in automatische Brunsterkennung (Beispiel Heatime® Pro) ab einer Stückzahl von ca. 45 Sensoren unter 40 Euro je Tier betragen
  • die ermittelten Gewinnbeiträge für verschiedene Szenarien zwischen -33 Euro und +111 Euro je Tier und Jahr liegen
  • sich der Gewinnbeitrag für die beiden Milchleistungsniveaus 7.000 kg und 9.000 kg im Mittel nicht unterscheidet
  • der Gewinnbeitrag bei größeren Herden größer ist, aufgrund einer Degression der Fixkosten
  • sich eine zusätzliche Ausstattung des Jungviehs besonders positiv auswirkt, was in einer Senkung des Erstkalbealters begründet ist

Automatisierte mechanische Unkrautregulierung

Automatisierte mechanische Unkrautregulierung - Überblick und erste Bewertung
In der jüngeren Vergangenheit gewinnt die mechanische Unkrautregulierung aufgrund verschiedener Entwicklungen (u.a. Resistenzbildung, wachsender Markt für Bioprodukte) an Bedeutung.
  • konventionelle Hackgeräte mit automatischer Reihenführung (zwischen den Reihen)
    • Lenksystem mit RTK
    • Querverschiebung der Unterlenker
    • Verschieberahmen
  • automatische Hackgeräte (zwischen und innerhalb der Reihen) und
  • Feldroboter (autonome Hacktechnik)
Ökonomische Effekte
Da automatische Hacktechnik mit bis zu 180.000 € Investitionsbedarf sehr kapitalintensiv ist, sind ökonomische Vorteile für diese Technologien insbesondere dort zu erwarten, wo aufwendige und damit kostenintensive Handarbeit substituiert werden kann (ökologischer Landbau). Im Fall der Robotik ist hervorzuheben, dass diese Systeme eine gewisse Skalierbarkeit aufweisen und damit unabhängig von der Betriebsgröße einsetzbar sind. Somit sind solche Systeme möglicherweise langfristig auch in kleinstrukturierten Agrarregionen wirtschaftlichen darstellbar.
Ökologische Effekte
Die ökologischen Effekte durch automatisierte mechanische Unkrautregulierung sind wesentlich durch das Referenzsystem determiniert. Ist das Referenzsystem ein konventionelles Anbausystem, so ist an dieser Stelle im Wesentlichen die Reduzierung bzw. der Verzicht von Herbiziden zu nennen. Im ökologischen Anbau sind insbesondere positive ökologische Effekte zu erzielen, wenn energieintensive thermische Verfahren ersetzt werden können.
Arbeitswirtschaftliche Effekte
Vorteile ergeben sich im Wesentlichen durch die Entlastung des Fahrers. So ist eine intensivierte Kontrolle und Steuerung der Maschineneinstellung möglich.

Veröffentlichung: Automatisierte mechanische Unkrautregulierung - Überblick und erste Bewertung (externe PDF-Datei) Externer Link

Digitalisierung in der Landwirtschaft

Eine Analyse der Akzeptanzhemmnisse
Die Problematik der nur zögerlichen Implementierung landwirtschaftlicher Technologien stellt vor allem die Hersteller vor große Herausforderungen. Um die Akzeptanzhemmnisse seitens der Landwirte zu identifizieren, wurden entsprechende Artikel aus Fachzeitschriften analysiert und die Bedeutung der relevanten Faktoren dargestellt. Die am häufigsten genannten Hemmnisse waren:

Zeitraum 2009-2012

  • Hoher Investitionsbedarf
  • Fehlendes IT-Know-how
  • Fragliche Wirtschaftlichkeit

Zeitraum 2013-2016

  • Sorge um Datenschutz und Datenhoheit
  • Inkompatibilität zwischen den Systemen
Die Problematik des hohen Investitionsbedarfes verliert aufgrund der Kostendegression des technischen Fortschritts zusehends an Bedeutung. Die Sorge um sensible Betriebsdaten nimmt stark zu und sollte in Zukunft durch einen entsprechenden rechtlichen Rahmen eingedämmt werden. Aufgrund der steigenden Inkompatibilität zwischen Systemen durch eine zunehmende Anzahl an Herstellern und Schnittstellen für den Datenaustausch wäre eine herstellerübergreifende Zusammenarbeit zur Erhöhung der Benutzerfreundlichkeit zielführend.

Veröffentlichung: Eine Analyse der Akzeptanzhemmnisse (externe PDF-Datei) Externer Link

Projektinformation
Projektleitung: Dr. Markus Gandorfer
Projektbearbeitung: Johanna Pfeiffer, Beat Vinzent, Maximilian Kavena, Dr. Andreas Gabriel
Laufzeit: 01.06.2017 – 31.05.2020
Finanzierung: Bayerisches Staatsministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Forsten
Förderkennzeichen: D/17/01

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