Allgemeine Entwicklung

Die wirtschaftliche Situation für die Landwirte stellt sich im Vergleich zum Vorjahr erneut leicht verbessert dar. Die fallenden Erzeugerpreise bei tierischen und pflanzlichen Erzeugnissen und die gestiegenen Kosten für Energie und Betriebsmittel sorgen allerdings für einen verhaltenen Blick in die Zukunft [1; 2]. Trotzdem planen laut des Konjunktur- und Investitionsbarometers Agrar von Dezember 2023 26 % der Landwirte bis zum Erntebeginn 2024 neue Maschinen und Geräte anzuschaffen [3; 4].

Nachdem im Jahr 2022 durch die in Deutschland produzierenden Landtechnikhersteller ein Rekordumsatz von über 12 Mrd. € erreicht wurde [5], konnte zur Jahresmitte 2023 ebenfalls ein Spitzenwert vermeldet werden, auch weil sich die lange Zeit angespannte Situation auf den Rohstoff- und Zuliefermärkten seit dem Frühjahr entspannt hat. Es wird vom VDMA für das Gesamtjahr 2023 erneut mit einem Umsatzvolumen von über 12 Mrd. € gerechnet. Die Erwartungen für 2024 sind nach den Spitzenwerten der vergangenen Jahre zurückhaltend, ein deutlicher Negativtrend ist bisher aber nicht absehbar [6; 7].

In den von Trockenheit geprägten letzten Jahren war im Bereich der Bodenbearbeitung ein Trend zum ultraflachen und präzisen Bearbeiten zu erkennen, um eine Austrocknung des Bodens zu vermeiden. Dieser Trend bleibt auch weiterhin erhalten, wie die Erweiterungen der Produktportfolios der Hersteller in diesem Bereich zeigen. Das nasse Wetter im Frühjahr 2023 und die verzögerte Erntesaison stellten wiederum Anforderungen an eine möglichst universelle Bodenbearbeitung [8]. Die Einarbeitung von großen Mengen an Biomasse beim Umbruch von Lagergetreide erfordert tieferes Einarbeiten mit universellen Maschinen. Auch in diesem Bereich wächst das Angebot an Scharformen für verschiedene Arbeitstiefen [9]. Generell wird mit zunehmender Bedeutung der Bodenbearbeitung für Ernterestmanagement und mechanische Beikrautregulierung ein wachsender Markt erwartet.

Mechanische Beikrautregulierung/Ernterestmanagement

Enge Fruchtfolgen und vermehrt auftretende Problemschaderreger führen zu einer Zunahme von Resistenzbildungen gegenüber Pflanzenschutzmitteln. Die abnehmende Verfügbarkeit von wirksamen Pflanzenschutzmitteln fordert Einsatzstrategien, um die Resistenzentwicklung aufzuhalten bzw. zu verlangsamen. Das führt zu einer Auseinandersetzung mit einem Netzwerk von Handlungsoptionen, die unter dem Begriff Feldhygiene zusammengefasst werden können und deren gegenseitige Abhängigkeiten von der Bundesanstalt für Landwirtschaft und Ernährung (BLE) beschrieben wurden [10]. Darunter zählen Beziehungen zwischen Standortfaktoren, Fruchtfolge, Unkrautsamenmanagement, Sortenwahl, Bestandsführung und Bodenbearbeitung. Vor allen Dingen die komplexen Abhängigkeiten und nur bedingt beeinflussbaren Faktoren (Witterung, Marktpreise, …) machen allgemeingültige Handlungsempfehlungen unmöglich, sondern erfordern standortspezifische Entscheidungen [10].

Neueste Entwicklungen von Bodenbearbeitungsgeräten spiegeln diesen Trend wider:

Kraftanpassung am Striegelzinken

Der Einsatzerfolg von Striegeln bei der Beikrautregulierung beruht auf den Effekten Verschütten und Ausreißen von Beikräutern vor dem Auflaufen der Nutzpflanze oder im bestehenden Bestand. Wechselnde Bodenbedingungen erfordern ein feinfühliges justieren der Kraft, die der Striegelzinken auf den Boden ausübt. Stufenlos einstellbare Zinkenkräfte sind notwendig, um Beikräuter effektiv zu bekämpfen und Verluste in der Nutzpflanze niedrig zu halten. Zusätzlich muss für den Einsatz in Dammkulturen die Zinkenkraft möglichst unabhängig vom Federweg des Werkzeuges sein. Die Hersteller begegnen der Aufgabe in unterschiedlichen Konzepten. Neben den etablierten Systemen mit einstellbarer Vorspannung von mechanischen Federn, stellt die Fa. LEMKEN den Thulit mit hydraulisch einstellbarer Zinkenkraft vor. In einem Metallblock integrierte kleine Hydraulikzylinder sind über eine Stange jeweils mit einem Zinken verbunden, siehe Bild 1 links. Die hydraulische Schaltung über Hydrospeicher ermöglich das Aus-/Einfedern einzelner Werkzeuge und über den wählbaren Systemdruck das gleichmäßige Einstellen der Kraft. Zudem können die Werkzeuge aktiv eingefahren werden, was in Transportstellung zu mehr Sicherheit führen soll [11].

Bild 1: Striegel Thulit von LEMKEN mit hydraulischer Zinkendruckanpassung (links) [11] und Striegel Air Flow von Hatzenbichler mit pneumatischer Zinkendruckanpassung (rechts) [12].

Figure 1: Harrow Thulit from LEMKEN with hydraulic tine pressure adjustment (left) [11] and harrow Air-Flow from Hatzenbichler with pneumatic tine pressure adjustment (right) [12].

Die Fa. Hatzenbichler hat ein pneumatisches Federsystem in den Markt gebracht. Hier sind direkt am Zinken Pneumatikzylinder montiert, die über den einstellbaren Luftdruck die Zinkenkraft stufenlos variieren können, siehe Bild 1 rechts. Des Weiteren wird auf der Webseite ein System vorgestellt, dass es erlaubt, zinkenweise den Druck zwischen 2 Stufen zu wechseln. Zusammen mit einer Pflanzreihenerkennung können Nutzpflanzen mit geringerer Kraft bearbeitet werden als die Reihenzwischenräume. Praxisergebnisse sind bisher noch nicht veröffentlicht [12].

Stoppelbearbeitung

Das Gerät Kvickfinn von Lyckegård ist eine Kombination aus passiven und aktiven Werkzeugzonen. In der vorderen Zone wird der Boden über einen ein- oder mehrbalkigen Federzinkengrubber aufgebrochen und ganzflächig geschnitten. Danach folgt ein Zinkenrotor, um Kluten zu zerschlagen und organisches Material vom Boden zu trennen. Durch das offene Heck wird das Material nach hinten geschleudert und verteilt, siehe Bild 2 [13].

Bild 2: Maschinenkonzept Kvickfinn von Lyckegård mit passiven und aktiven Werkzeugen [14].

Figure 2: Kvickfinn machine concept from Lyckegård with passive and active tools [14].

Das GrindStar Konzept der TH Köln zur ultraflachen Bodenbearbeitung wurde bereits im vorhergehenden Jahrbuch beschrieben [15]. Zusammen mit der Fa. Saphir Maschinenbau GmbH und Seed2Soil GmbH & Co. KG wurde das Konzept weiterentwickeln, 2023 beim Innovation Award der Agritechnica mit der Silbermedaille ausgezeichnet und steht vor der Markteinführung [16]. Die passiven drehbaren Werkzeugsterne sind einseitig im Bodeneingriff und werden durch die Vorwärtsbewegung in Rotation versetzt. Die Werkzeuge arbeiten sich dabei nur leicht in den Boden ein (ca. 2 cm) und sollen Stoppeln ganzflächig abschneiden. Für den Prozess wird ein Dieselverbrauch ca. 3 l/ha bei 15 km/h angegeben. Die große Herausforderung bei der ultraflachen Bodenbearbeitung ist generell das Einhalten der Arbeitstiefe unter allen Bedingungen, nach [17] gibt es hier noch weiteres Optimierungspotenzial.

Die Dringlichkeit, effektive und prozesskostengünstige Geräte zur mechanischen Bearbeitung zur Verfügung zu stellen, wird ebenso am ActiCut Konzept der Fa. 4Disc GmbH unterstrichen. Das ähnlich einem Grubber aufgebaute Konzept arbeiten nicht mit passiven Zinken sondern mit aktiv angetriebenen Scheiben, siehe Bild 3. Die Scheiben drehen sich um die Hochachse, sind leicht nach vorn angestellt und schneiden ganzflächig Beikräuter knapp unterhalb der Oberfläche ab. Das geschnittene Material wird anschließend über einen Nachlaufstriegel ausgekämmt [18].

Bild 3: ActiCut von der Fa. 4Disc GmbH mit aktiv rotierenden Scheiben (links) und Nachlaufstriegel (rechts) [18].

Figure 3: ActiCut from 4Disc GmbH with actively rotating discs (left) and following harrow (right) [18].

Grundlagenforschung

Auf dem Gebiet der Simulation von Bodenbearbeitungswerkzeugen und deren Interaktion mit dem Boden wurde ein Kalibrierverfahren für die diskrete Elemente Methode mit konventionellen Kalibriermethoden verglichen. Der Vorteil des sogenannten "Excavator-Test" besteht darin, dass über einfache Messungen im realen Boden Kalibrierparameter für ein Simulationsmodell abgeleitet werden können, ohne aufwändigere Labortests durchzuführen. Die Zwischenergebnisse der laufenden Forschung sind vielversprechend. In der Validierung von Simulationsergebnissen mit realen Werkzeugversuchen konnte gezeigt werde, dass das Verfahren konventionelle Kalibrierungen ersetzen kann [19].

Geräte zur Bodenbearbeitung sind zum überwiegenden Teil passive Geräte, die in Bewegungsrichtung bzw. in Längsrichtung arbeiten und gezogen werden müssen. Da Traktoren die Zugkraft größtenteils über die Aufstandskraft generieren, sind hohe Fahrzeugmassen für den Prozess notwendig und begrenzen die maximale Arbeitsbreiten von Schwergrubbern und Pflügen. Eine Entkoppelung von Prozess und Fahren soll im Konzept "Querzug" zur Diskussion gebracht werden. Die Kernidee besteht darin, die Prozessrichtung quer zur Fahrtrichtung ablaufen zu lassen. Umlaufende Werkzeuge, die in den Boden eintauchen, bearbeiten, auftauchen und zurückgeführt werden, sind auf zwei Halbseiten angeordnet. Aufgrund der gegensinnigen Bewegungsrichtung der Halbseiten stützen sich die Prozesskräfte gegenseitig ab und stehen im Gleichgewicht zueinander. Aus der Überlagerung von Prozessbewegung und Bewegung des Fahrzeuges heraus wird eine Fläche überstrichen und damit Boden bearbeitet, siehe Bild 4. Neben Zugkraftvorteilen aufgrund von u.a. reduzierten Schlupfverlusten ist es denkbar, die Arbeitsbreite in einem gewissen Maß unabhängig von der Maschinenmasse skalieren zu können. Das Arbeitsergebnis, aufgrund der Furchen- und Dammbildung, ist bei diesem Konzept deutlich in Frage zu stellen [20].

Bild 4: Bewegungsüberlagerung von Fahrbewegung und quer zur Fahrrichtung bewegenden Werkzeugen (Quelle: TU Dresden).

Figure 4: Superimposition of machine movement and transverse moving tools (source: TU Dresden).

Hochautomatisierte Systeme in der Bodenbearbeitung

Der gesamtheitliche Trend zu einer Geräteautomatisierung setzt sich auch im Bereich der Bodenbearbeitung ungebrochen fort. So geht die DLG davon aus, dass in Zukunft große Flächen mit autonomen Maschinen bearbeitet werden. Obwohl viele Maschinen und Systeme bereits im Markt angekommen und verfügbar sind, sind grundlegende Fragen zur Sicherheit noch nicht abschließend und rechtssicher geklärt [21].

Dabei erstrecken sich die Lösungen von Assistenzsystemen für konventionelle Maschinen und Geräte [22; 23], über Sensorik für den Arbeitsprozess und das Arbeitsergebnis [24; 25] bis hin zu neu vorgestellten Robotiksystemen und Autonomieansätzen [26; 27]. Darüber hinaus existieren sowohl auf Forschungs- als auch industrieller Ebene wichtige Bestrebungen, aktuelle und künftige Robotik- und Automatisierungslösungen prozessübergreifend in die bestehen-den Strukturen und Technik der Landwirtschaftsbetriebe einzubinden [28; 29].

Die Bodenbearbeitung ist der Bereich der landwirtschaftlichen Feldbearbeitung mit dem höchsten Bedarf an Zugleistung, folglich sind die Bestrebung entsprechend hoch, durch Maschinenkonzepte und Assistenzsysteme die erforderliche Zugkraft und die damit einhergehende Einsparung von Masse und Energie zu reduzieren [30]. Ein Ansatz ist es, die Arbeitstiefe während des Prozesses aktiv zu regeln und somit auf die jeweiligen Gegenebenheiten anzupassen. Die exemplarische Umsetzung bei einer Standard-Traktor-Geräte-Kombinationen zeigt Bild 5. Dazu wird Hardware in Form von Sensoren und ECU's zur Positions- und Lagebestimmung/ -regelung nachgerüstet. Ziel ist es, im untersuchten Anwendungsfall einen Pflug auf einer konstanten Arbeitstiefe zu führen und somit Schwankungen bspw. durch das Gelände auszugleichen und zu kompensieren [22].

Bild 5: Systemkonzept einer aktiven Arbeitstiefenführung mit Standardmaschinen [22].

Figure 5: Design for active working depth adjustment with standard tractors and implements [22].

Die zugehörigen Untersuchungen und Versuche zeigen, dass sich der Kraftstoffverbrauch bei gleichbleibender Arbeitstiefe um mehr als 10 % senken lässt [22]. Der Einsatz eines vergleichbaren Systems wurde bereits in [31] beschrieben, allerdings beschränkte sich hier der Einsatz vorwiegend auf eine hochautomatisierte/ autonome Maschine. Ein weiterer Bestandteil dieser Veröffentlichung war ein System zur Detektion des Zustandes der Arbeitswerkzeuge am Beispiel des Grubbers. Dabei werden kamerabasiert die Einzelwerkzeuge im Prozess am Vorgewende analysiert, um so frühzeitig Verluste, Schäden oder zu großen Verschleiß zu erfassen. Das beschriebene System basiert auf einer reinen Bildanalyse und kommt grundsätzlich ohne den Einsatz von künstlicher Intelligenz aus [31]. Einen anderen Weg geht die Fa. Lemken mit dem "iQblue tool monitoring". Dabei analysiert ein Kamerasystem mit nachgelagerten KI-Algorithmus ebenfalls am Vorgewende den Zustand der jeweiligen Arbeitswerkzeuge eines Standardgerätes. Die entsprechenden Informationen können dem Fahrer auf einem Terminal angezeigt (Bild 6) oder im Falle der Anwendung bei fahrerlosen-autonomen Maschinen zur Benachrichtigung bzw. Maschinensteuerung genutzt werden. Auf dieser Weise können die Prozesssicherheit bei dem Einsatz konventioneller 3-Punkt-Geräte an Feldrobotern erhöht und die Werkzeuge durch eine entsprechende Nachrüstung weiterverwenden werden [24].

Einen vergleichbaren Weg geht auch die Fa. Amazone mit dem System "AutoTill". Exemplarisch wurde dabei ein Seriengrubber mit Sensortechnik ausgestattet, die u.a. Aussagen zu Werkzeugblockade, Scharverlust, Walzendrehzahl und Arbeitstiefe zulassen. Je nach Ausbaustufe und Einsatzfall können die Informationen dem Bediener bspw. in der Maschine als Information angezeigt oder bei einem automatisierten Betrieb zur Benachrichtigung bzw. selbsttätigen Maschineneinstellung genutzt werden. Die Kommunikation auf Maschinenebene soll dabei mittels ISOBUS erfolgen [25; 32].

Bild 6: Anzeige der Zustandserkennung von Grubberwerkzeugen [24].

Figure 6: Visualization of the condition detection system of cultivator tools [24].

Ebenfalls auf ISOBUS setzt Väderstad mit dem "E-Control" bei den Schwergrubbern TopDown und Opus. Diese ermöglicht eine teilflächenspezifische Bodenbearbeitung durch den Einsatz von Applikationskarten und zusätzlicher Sensorik. Dabei werden bis zu vier Karten auf das ISOBUS-Terminal geladen und verarbeitet (Bild 7). Im Arbeitsprozess werden die Scheiben, Zinken, Nivellierer und Packer auf Grundlage der in den Applikationskarten hinterlegten Bodenarten oder Feldcharakteristiken variiert und somit bspw. die Arbeitstiefe und Intensität selbstständig angepasst [23; 33].

Die automatisierte Beurteilung des Arbeitsergebnisses von Bodenbearbeitungsgeräten weißt hingegen nach wie vor ein hohes Forschungspotential auf. Das Augenmerk liegt im Besonderen auf der Entwicklung geeigneter Sensortechnik und Auswertealgorithmen. Dabei stellen die je nach Witterung und Einsatzort stark wechselnden Umgebungs- und Bodenbedingungen eine besondere Herausforderung dar. Für den Einsatz hochautomatisierter und autonomer Maschinen sind die Entwicklung und der Einsatz dieser Systeme allerdings unabdingbar. So beschäftigen sich Forschungseinrichtungen und Hersteller schon seit Jahren mit dieser Problemstellung, ohne dass es zu bekannten Markteinführungen gekommen ist [34 - 38].

Mit dem Automatisierungsverbund "3A – Advanced Automation & Autonomy" wollen die Initiatoren AgXeed, Amazone und Claas eine enge Zusammenarbeit zwischen den Zugmaschinen, egal ob bedienergeführt oder selbstfahrend automatisiert, und Anbaugeräten ermöglichen. Dabei sollen unabhängig vom Automatisierungsgrad des Zugfahrzeuges Soft- und Hardwarelösungen zum Einsatz kommen und so bspw. die Prozessplanung und Werkzeugüberwachung vereinheitlicht werden [28]. Ein grundsätzlich herstelleroffener Ansatz wird bei dem Forschungsprojekt "Feldschwarm®-Ökosystem" verfolgt. Die Ziele sind mit der Initiative "3A" vergleichbar, allerdings wird eine Lösung angestrebt, die die Ertüchtigung von Bestandsmaschinen zum selbstständigen Ausführen von Arbeitsprozessen erlaubt. Somit kann der vorhandene Fuhrpark genutzt und die notwendigen Investitionen reduziert werden. Darüber hinaus nimmt der Gedanke des Maschinenschwarmes hier eine zentrale Rolle ein [29].

Bild 7: Teilflächenspezifische Bodenbearbeitung mit Väderstad "E-Control" [23].

Figure 7: Site specific tillage with Väderstad "E-Control" [23].

Einen guten Überblick über den Markt und die verfügbaren Maschinen gaben sowohl die „World FIRA 2023“ in Toulouse als auch die "Agritechnica 2023" in Hannover [21; 39 - 41]. Die neu vorgestellten automatisierten Maschinen und Konzepte orientieren sich gerade im Bereich der Bodenbearbeitung an den vorhandenen Standardschnittstellen zur Gerätekopplung und zum Datenaustausch. So stellte bspw. Kuhn mit dem KARL eine autonome Maschine mit Gleisbandfahrwerk und klassischen Dreipunkt-Aufnahmen in der Front und im Heck vor (Bild 8 links). Die Einheit selbst verfügt über einen Volvo-Hybridmotor mit einer Leistung von ca. 130 kW, was je nach Arbeitsaufgabe eine Geschwindigkeit von 3 bis 15 km/h ermöglichen soll. Dabei sollen wichtige Arbeitsparameter wie Arbeitstiefe und Zerkleinerung vom Gerät erfasst und an die Maschine übermittelt werden, wo die entsprechende Verarbeitung und Geräteeinstellung erfolgt. Als erster Einsatzbereich wurde die Bodenbearbeitung/ Saatbettbereitung mit einer Kreiselegge gewählt, wobei weitere Prozesse folgen sollen [26; 42].

Ein weiteres Konzept, welches vor allem für die leichtere Bodenbearbeitung und Pflanzenpflege geeignet ist, ist der innoMADE TK 100 (Bild 8 rechts). Die mit einem Radfahrwerk ausgestattete Maschine verfügt sowohl am Triebkopf als auch an der Brücke über je zwei Standardschnittstellen zur mechanischen Kopplung (Dreipunkt-Anbau) und Leistungsübertragung (PTO und Hydraulik). Die Lenkung erfolgt in der dargestellten Konfiguration über ein Knickgelenk, welches einen Lenkeinschlag von bis zu 70 ° ermöglicht. Zusätzlich kann je nach Einsatzfall und Gerätekombination die Brücke auch gegen ein nachlaufendes Gerät ausgetauscht werden. In diesem Fall erfolgt die Abstützung nach hinten über das Radfahrwerk oder die Nachlaufwerkzeuge des Gerätes. Angetrieben wird der TK 100 von einem 75 kW Verbrennungsmotor mit komprimiertem Methangas. Zum Nachtanken können vorhandene Erd-/ Biogastankstellen oder Biogasanlagen genutzt werden [27].

Bild 8: Kuhn KARL im Feldeinsatz mit Kreiselegge (links) [42]; innoMADE TK100 mit Messerwalze (rechts) [27].

Figure 8: Kuhn KRAL in the field with power harrow (left) [42]; innoMADE TK100 with knife roller (right) [27].

Zusammenfassung

Trotz der EU-weiten Wiederzulassung von Glyphosat für 10 Jahre und dem in Deutschland vorerst bis Ende Juni 2024 aufgehobenen Anwendungsverbot sind zukünftige Einschränkungen beim chemischen Pflanzenschutz abzusehen [43; 44]. Zur Agritechnica 2023 wurden von den Herstellern eine Reihe von Gerätekonzepten vorgestellt, die sich größtenteils im Bereich der mechanischen Beikrautregulierung bzw. des Ernterestmanagements ansiedeln. Auch die Erweiterung des Angebotes an hochautomatisierten und teilautonomen Maschinen, sowie die Erweiterung des Geräteangebotes und Sensoriklösungen setzen den Trend der letzten Jahre fort.

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[42]   Freites, J.: Kuhn mostró en acción su nuevo robot Karl. 2023, URL: https://​maquinac.com​/​2023/​11/​kuhn-​mostro-​en-​accion-​su-​nuevo-​robot-​karl/​, Zugriff am: 2024-01-22.

[43]   N.N.: Info zum Zulassungsstand von Glyphosat. URL: https://​www.lfl.bayern.de​/​ips/​unkraut/​138783/​index.php, Zugriff am: 24.01.2024.

[44]   DLG-Mitteilungen: Glyphosat. Wiederzulassung – und was dann? URL: https://​www.dlg-mitteilungen.de​/​dossiers/​glyphosat/​glyphosat-​wiederzulassung-​und-​was-​dann​?​gad_source=​1&​gclid=​EAIaIQobChMI2_2IqpbxgwMVhkhBAh38dAz5EAAYASAAEgLoevD_BwE, Zugriff am: 24.01.2024.

Autorendaten

Prof. Dr.-Ing. habil. Thomas Herlitzius ist Inhaber der Professur für Agrarsystemtechnik und Direktor des Instituts für Naturstofftechnik in der Fakultät Maschinenwesen der Technischen Universität Dresden.

Dipl.-Ing. Martin Hengst, Dipl.-Ing. Sören Geißler und Dipl.-Ing. Stefan Schwede sind wissenschaftliche Mitarbeiter der Professur für Agrarsystemtechnik am Institut für Naturstofftechnik der Fakultät Maschinenwesen der Technischen Universität Dresden.