Article in yearbook 2018

Livestock Engineering Machinery and Techniques for Cattle Husbandry

Abstract:

Digitization has also taken dairy farming as a megatrend. For farms, it is characterized by automation, sensor technology and data management. Milking technology is a pioneer in automation and now offers different concepts for all types and sizes of farms. In feeding and cleaning technology, a similar development is expected. In the field of sensors, there are a large number of providers with a wide range of systems. Here will show what will establish long term. Data management is still viable in dairy farming. There are hardly any offers, especially over system and company borders. The implementation of the systems in practice is influenced by the strongly fluctuating milk prices after the quota has expired and the unstructured demands of society on dairy cattle husbandry.

Long version

Allgemeine Rahmenbedingungen

Der Strukturwandel in der Milcherzeugung hat sich nach dem Auslaufen der Milchquote beschleunigt. Die starken Preisschwankungen und besonders die extrem niedrigen Preise in 2016 haben diese Entwicklung noch verstärkt. Besonders in kleinstrukturierten Gebieten in West- und Süddeutschland kam es vermehrt zu Betriebsaufgaben. Durch Maßnahmen der Milchmengenregulierung konnte ein weiteres Ansteigen der Milchmenge in 2017 abgebremst werden. Nach deren Auslaufen ist aber 2018 bereits wieder ein leichter Mengenanstieg zu beobachten. [1; 2] Der Milchpreis für konventionelle Milch schwankt 2017/2018 im Bereich von 32 bis 38 €/100 kg Milch. Beim Markt für Milch aus biologischer Erzeugung sind diese Schwankungen nicht zu beobachten. Dieser ist relativ konstant auf 48 €/100 kg Milch. [3] Dies führt zu einer vermehrten Umstellung von Betrieben auf Bio-Milch Produktion, was aber bereits zu ersten Problemen beim Absatz dieser Mehrmenge an Molkereien führt. [4]

Die gesellschaftliche Diskussion um Tierwohl und Nachhaltigkeit bestimmt auch immer mehr die strukturelle und technologische Entwicklung der Milchviehhaltung. Ein Beispiel dafür ist die Volksabstimmung in der Schweiz über Prämien für Landwirte, die ihre Kühe nicht enthornen. Die Volksabstimmung war zwar nicht erfolgreich, dies dürfte aber eher an den zusätzlichen Kosten für die Prämien als an der Enthornungsfrage an sich gelegen haben. [5; 6] Bei den Rahmenbedingungen der Milchproduktion ist zu beobachten, dass diese immer mehr vom Handel und Nichtregierungsorganisationen (NGOs) bestimmt werden. Die gentechnisch veränderte Organismen (GVO)-freie Milchproduktion setzt sich durch Impulse des Handels immer stärker durch. [7; 8] Auch die weitere Zulassung des Pflanzenschutzmittels Glyphosat durch den Gesetzgeber 2018 wird von Handel und Molkereien konterkariert und das Anwendungsverbot von Glyphosat kurzfristig in die Lieferbedingungen aufgenommen. Das Mittel spielt zwar im Futterbau für Milchkühe nur eine untergeordnete Rolle, zeigt aber einen andauernden Trend. [9; 10] Ähnliches könnte sich möglicherweise im Bereich der Anbindehaltung von Milchkühen ergeben, wo mehrere Handelsketten aktuell die Situation abfragen. [11; 12]

Melktechnik

Automatische Melksysteme haben sich nun weitestgehend in allen Betriebstypen und -größen etabliert. [13; 14] Sie laufen von der Einboxenanlage in ökologischen Milchviehbetrieben mit intensiver Weidehaltung [15], bis zu Melkrobotern in Karussellmelkständen in Großanlagen. Der wichtigste Punkt für diese weite Verbreitung ist die Veränderung der Arbeitsorganisation. [16; 17] Bei der anfänglich bestehenden Diskussion über eine Veränderung der Milchstruktur zeigt sich, dass dies mehr vom Management als der Technik abhängt. [18; 19]

Mit dem Batch Milking System steht nun mittleren bis großen Betrieben ein weiteres Verfahren des automatischen Melkens zur Verfügung. [20] Dabei werden Tiergruppen zu festen Zeiten von mehreren Melkrobotern autonom gemolken. Die Tiere werden dabei in einem kreisförmigen Wartebereich auf sternförmig angeordnete Melkroboter aufgeteilt. Das System vereinigt Vorteile des konventionellen gruppenorientierten Melksystems mit festen Melkzeiten, mit der Arbeitskräfteentlastung und Automatisierung von Melkrobotern. [21]

Bild 1: BatchMilking System Lemmer-Fullwood [22]

Figure 1: BatchMilking System Lemmer-Fullwood [22]

 

Die Vorteile, die die Digitalisierung auch in der Melktechnik bietet, zeigen sich an folgenden Beispielen. Im Milchmengenmessgerät SmartFlow von Nedap wird der Milchfluss digital und störungsfrei erfasst und die Daten werden kabellos über UHF-Funkverbindung versendet. Mögliche Störquellen der klassischen Technik sind damit beseitigt. [23; 24] Das System Dairymaster Mission Control steuert die Geschwindigkeit des Melkkarussells auf Basis tier- und prozessindividueller Daten. Dabei wird aufgrund der Melkhistorie jeder einzelnen Kuh die zu erwartende Milchmenge kalkuliert und mit der Restmelkzeit der bereits auf dem Karussell befindlichen Kühe verrechnet. Durch mathematische Modelle der künstlichen Intelligenz wird dabei die Karussellgeschwindigkeit selbstlernend optimiert und die Daten für weitere Auswertungen durch den Landwirt dokumentiert. [23; 25]

Eine Optimierung im Arbeitsmanagement stellt das Melkzeug DeLaval Evanza da. Der regelmäßige Wechsel der Zitzengummis ist aufwendig und nimmt entsprechend Zeit in Anspruch. Der Vorteil des neuen Systems besteht darin, dass die Zitzengummis und Melkbecher zu einem Kartuschensystem zusammengefasst wurden. Der Wechsel ist dadurch einfacher und für das Melkzeug wird ein Kreislauf-Recycling-System angeboten. [23; 26]

Eine sehr interessante Weiterentwicklung in der Produktionskette Milch stellt der Orbiter von Lely da. Es handelt sich dabei um eine Kleinmolkerei, die auf dem Milchviehbetrieb direkt an das automatische Melksystem angekoppelt werden kann. Der Container ist mit Separator, Pasteur und einer vollautomatischen Flaschenabfüllanlage ausgestattet. So kann tier- und gemelkindividuell die Milch erfasst und verarbeitet werden. Auf Seiten der Vermarktung ist somit die Milch einer individuellen Kuh oder nach speziellen natürlichen Inhaltsstoffen wie z.B. viel Eiweiß und wenig Fett möglich. Der aktuelle Prototyp hat eine Tageskapazität von 10 000 Litern. [27; 28]

Bild 2: Lely Orbiter [27]

Figure 2: Lely Orbiter [27]

Fütterungstechnik

Bei der automatischen Fütterungstechnik sind zwei Richtungen zu beobachten: Zum einen die fest gebundenen Systeme, die über Bänder oder Schienen laufen, und die frei navigierenden Systeme. Bei den frei navigierenden Systemen werden Laser, Stereokamera, Infrarot und Radar zur Umgebungserkennung und Einordnung in die Navigationsumgebung eingesetzt. Besonders Radar bietet hier einige Vorteile für die spezielle landwirtschaftliche Umgebung. [29; 30]

Bei der Entwicklung autonomer Fahrzeuge in der Landwirtschaft sind ähnliche Probleme wie bei der allgemeinen Entwicklung von autonomen Fahrzeugen zu beobachten. Für das notwendige Sicherheitssystem sind kaum allgemeine und umsetzbare Regelungen vorhanden. Kleine und mittlere Systeme in Stallanlagen werden meist als unproblematisch gesehen. Das Fahren über Freiflächen wird wegen der größeren Anzahl an externen Einflussfaktoren bereits kritischer gesehen. Für das Arbeiten im Freien sind erste Sicherheitskonzepte vorhanden, hier ist aber noch nicht geklärt, ob diese auch ausreichen. [31 bis 33]

Mit dem Lift von Wasserbauer steht ein solches System zur Verfügung, das die selbstständige Entnahme im Fahrsilo für automatische Fütterungssysteme ermöglicht. Dabei wird nicht wie bei bisherigen Systemen das gesamte Fahrsilo als Gefahrenbereich überwacht und gesperrt, sondern nur der direkte Entnahmebereich. [23; 34]

Elektrische Antriebssysteme für selbstfahrende Futtermischwagen und Futterentnahmesysteme verbreiten sich auch im Markt, besonders in Bezug auf die Eigenstromnutzung oder die Vermeidung von Emissionen in geschlossenen Stallanlagen sind sie für Landwirte interessant. [35; 36]

Sonstige Stalltechnik

Reinigungstechnik

Der MultiRob von Prinzing stellt eine Weiterentwicklung der Stallreinigungstechnik dar. Mit ihm gelingt es, Hochliegeboxen zu reinigen und zu pflegen. Dabei erkennt ein Sensor, ob die Hochbox belegt ist. Ist die Box frei, wird ein Rundbesen ausgeschwenkt, der den hinteren Bereich der Box abkehrt und damit reinigt. Danach kann über ein Dosiersystem neues Einstreumaterial eingebracht werden. [37; 38]

Bild 3: Multi-Rob von Prinzing [38]

Figure 3: Multi-Rob von Prinzing [38]

Energiemanagement

Durch die durchgängige Automatisierung in der Milchviehhaltung spielt das Energiemanagement eine immer entscheidendere Rolle. Bei autonomen Systemen müssen diese immer ausreichend mit Energie versorgt werden. Die Entwicklung führt auch zu einer Veränderung des Energiebedarfes. In klassischen Systemen tritt immer zu Melk- und Fütterungszeiten eine entsprechende Leistungsspitze auf. Diese sind nun über den ganzen Tag verteilt. Dies macht es möglich, auch regenerative Energiesysteme für den Betrieb zu nutzen. [39; 40]

Es zeigt sich dabei, dass die 15 Minuten Lastintervalle deutlich zu grob für die Regelung des Energiebedarfs sind. Spitzenströme beim Anlaufen der Maschinen werden dabei kaum berücksichtigt. Neuere Untersuchungen arbeiten deshalb im Minuten- oder besonders zur Analyse von Anlaufströmen größerer Verbraucher im Sekundentakt. [41 bis 43]

Neben dem Energieverbrauch im Stall spielt auch der Gesamtenergieverbrauch bei der Erzeugung und Verarbeitung von Milch eine immer entscheidendere Rolle. Über den Carbon Footprint ist dies ein entscheidender Faktor in der Diskussion zur Nachhaltigkeit der Milchproduktion. Analysen der Transportlogistik der Milch zur Molkerei zeigen hier durch moderne Simulationstools noch erhebliche Einsparpotentiale. [44 bis 46]

Stalleinrichtungen

Nachdem in den letzten Jahren Fressgitter in Laufställen häufig als unnötig angesehen wurden, verbreiten sie sich nun bei Neubauten als Möglichkeit der Arbeitszeitoptimierung in größeren Beständen wieder mehr. [47]

Mit einem Sensor am Arretierungshebel des Selbstfangfressgitters wird das Fressgitter dabei in das Smart Dairy Farming eingebunden. Der Sensor überwacht die verstrichene Zeit mit geschlossenem Arretierungszustand am Fressgitter und alarmiert nach vorgegebenen Zeitstufen das Stallpersonal durch Zuschaltung einer Warnleuchte, eines akustischen Signals und per Kurznachricht auf das Smartphone des Herdenmanagers. Somit können Tiere nicht mehr vergessen werden und ein unnötiges fixieren wird vermieden. [23; 48]

Auch in Richtung Tierwohl geht ein anderes Fressgitterkonzept, bei dem die Lagerung des Schwenkstabes sowie der Schwenker in seiner horizontalen Lage verschoben wird. Es ergibt sich daraus auf der gesamten Höhe ein deutlich größerer Sicherheitsauslass und eine tiergerechtere Öffnungsweite von 36 cm. Dies erlaubt der Kuh mehr Bewegungsfreiheit beim Fressen und eine leichtere Befreiung von festliegenden Kühen. [23; 49]

Sensorik Milchvieh

Die Sensorik in der Milchviehhaltung ist ein Bereich, der kontinuierlich wächst. Informationen zum Tier werden dabei sowohl für das Betriebsmanagement, als auch zur Dokumentation des Tierwohls und der Produktqualität benötigt. Besonders das Gesundheitsmanagement steht dabei aktuell im Fokus. [50 bis 59]

Bei Gesundheitssensoren wird an verschiedenen Ansätzen am Tier gearbeitet. Eine Einteilung kann nach dem Platzierungsort des Sensors vorgenommen werden. Bei den Pansensensoren (Bollie) zeigt sich, dass hier die Langlebigkeit der entscheidende Faktor ist, da diese nicht ausgetauscht, sondern nur ersetzt werden können. Der smaXtec 360 verzichtet zum Vorgängermodell auf die pH-Wert Messung und ermittelt vergleichbare Gesundheitsaussagen über Beschleunigungs- und Temperatursensoren. Das System ist dadurch stabiler und durch den geringeren Energieverbrauch sicherer über drei Jahre einsatzfähig. [60]

Bei den Ohrmarkensensoren entwickelt sich besonders die Auswertungssoftware weiter. Wenn bisher meist nur einzelne Faktoren, wie Bewegung, Temperatur oder Ortung im Sensor abgefragt wurden, werden nun die einzelnen Faktoren miteinander verrechnet und tiefgreifendere Aussagen wie z.B. Geburtstermine getroffen. [61; 62]

Die Verbreitung von Smart Farming im Gesundheitsmonitoring von Kühen zeigt sich auch im Bereich der Fiebermessung bei Milchkühen und Kälbern. Aktuell werden hier häufig die Werte händisch dokumentiert, was besonders bei größeren Betrieben mit mehreren Mitarbeitern zu Fehlerquellen führt. Hier werden nun mehrere Systeme angeboten, die das Tier über RFID oder Bluetooth identifizieren, die Messungen dokumentieren und in Herdenmanagementsysteme weiterleiten können. [63; 64]

Beim Gesundheitsmonitoring des Euters geht der Trend zur viertelindividuellen Analyse. Der Zellzahlsensor DairyMilk M6850 von GEA zum Beispiel ermöglicht eine wirksame Mastitis-Früherkennung auf Viertelebene während des gesamten Melkprozesses in Echtzeit. Da die Messung mit einem rein physikalischen Messverfahren erfolgt, ist der Sensor besonders wartungsarm und kommt ohne zusätzliche Verbrauchsmaterialien aus. [65]

Die Klauen sind ebenfalls ein entscheidender Gesundheitsfaktor der Kuh. Hier entwickeln sich auch neue präventive Erkennungs- und Behandlungssysteme. Im Anschluss an den Melkstand wird dabei die Kuh identifiziert, ihre Klauen in einem Wasserbad per Ultraschall [66] untersucht und ihr Gewicht erfasst. Die Ergebnisse werden auf Abweichungen detektiert. Nach dem nächsten Melkstandbesuch werden auffällige Milchkühe behandelt. Dafür stehen dem Klauenpfleger die analysierten Daten, die Scanner Fotos und das Gewicht der Tiere digital zur Verfügung. [67] Bei einem anderen Ansatz werden die Klauengesundheit und mögliche Lahmheiten über einen 3D-Scan der Köperkondition und des Bewegungsverhaltens erfasst und bei Abweichungen behandelt. [68 bis 70]

Die zunehmende Erfassung und Verarbeitung von Gesundheitsdaten im Stall wirft auch immer mehr die Frage auf, wie diese dem Landwirt auch effektiv im Stall zur Verfügung gestellt werden sollen. Neben den Datenbanksystemen, die dem Landwirt über Smart Devices im Stall zur Verfügung gestellt werden, gibt es inzwischen auch Systeme, die mit Augmented Reality arbeiten. Dabei erfasst die Kamera in Smart Devices die Position und Blickrichtung des Landwirtes und blendet in das Bild zusätzliche Informationen zum Tier aus dem Datenbestand ein. Somit können tierbezogene Daten zu Fruchtbarkeit, Gesundheit, etc. erfasst werden oder der Aufenthaltsort bestimmter Tiere gefunden werden. [71; 72]

Entscheidend ist aber dabei, dass der Landwirt nicht den Kontakt zum Tier verliert, sondern die Technik als Möglichkeit nutzt, das individuelle Tier optimaler zu betreuen.

Zusammenfassung

Die aktuelle ökonomische und gesellschaftliche Entwicklung bremst die Umsetzung neuer Technologien im Milchviehbereich etwas aus. Insgesamt ist aber der Trend Smart Dairy Farming in allen Bereichen zu erkennen. Im Bereich der Melktechnik gibt es nun für alle Betriebsgrößen und -typen eine entsprechend breite Auswahl an automatischen Melksystemen. Mit dem System Orbiter hat der Landwirt auch wieder die Möglichkeit, die Vermarktung seiner Milch auch im größeren Stil wieder selbst in die Hand zu nehmen.

In der automatisierten Fütterungstechnik zeichnet sich die gleiche Entwicklung wie bei der automatischen Melktechnik in den letzten Jahren ab. Das Angebot wird breiter und individueller und die Lücken bei Systemkomponenten werden geschlossen.

Das sensorgestützte Gesundheitsmanagement bei Milchkühen wird immer umfangreicher. Durch die Vernetzung der einzelnen Sensoren werden die Ergebnisse umfangreicher und genauer. Durch die Anwendung neuer Systeme wie z.B. Augmented Reality wird die Datenflut komprimiert und dem Landwirt effektiv im Tierbereich zur Verfügung gestellt.

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Autorendaten

Prof. Dr. agr. Heinz Bernhardt ist Ordinarius des Lehrstuhls für Agrarsystemtechnik der Technischen Universität München.

Keywords:
automation, sensors, data management, dairy cow, milking, calf breeding
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Bernhardt, Heinz: Machinery and Techniques for Cattle Husbandry. In: Frerichs, Ludger (Hrsg.): Jahrbuch Agrartechnik 2018. Braunschweig: Institut für mobile Maschinen und Nutzfahrzeuge, 2019. – pp. 1-13

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