Lösen der Probleme der Wasserknappheit durch hochentwickelte Bewässerungssysteme in der Landwirtschaft

In den letzten zehn Jahren ist die Regelung der Bewässerung in der Landwirtschaft immer ausgefeilter geworden. Inzwischen haben viele Landwirte die traditionellen Bewässerungssteuerungen und hydraulischen Regler durch fortschrittliche Steuerungs- und Vernetzungskomponenten ersetzt, die von denen für industrielle Anwendungen übernommen wurden. Dazu gehören Systeme mit speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS), Industrie-PCs und immer wirtschaftlichere Automatisierungskomponenten, die sich mit gängigen industriellen Kommunikationsprotokollen verbinden und diese nutzen können. Diese Steuergeräte und Komponenten können Eingaben von Quellen wie Bodenfeuchtesensoren, Wetterstationen und Frostsensoren entgegennehmen, um in Echtzeit adaptive digitale Reaktionen für landwirtschaftliche Prozesse auszulösen.

Hinzu kommt, dass diese hochentwickelten Bewässerungssteuerungssysteme jetzt erschwinglicher werden... auch wenn die Nutzung von Daten zur Optimierung der Bewässerung immer intelligenter wird.

Abbildung 1: Der Gartenbau- und Landwirtschaftsausrüster Toro vertreibt die Bewässerungssysteme „Tempus Automation“ für die Landwirtschaft, die eine 4G/WiFi/LoRa/Bluetooth-Vernetzung nutzen. Mit der Basisstation können Landwirte Ventile und Überwachungsgeräte in einem Umkreis von bis zu 1,6 km steuern. Zur Erweiterung der Reichweite können problemlos weitere Basisstationen hinzugefügt werden, die entweder solarbetrieben oder fest verkabelt sind. (Bildquelle: The Toro Co.)

Angesichts der Erwärmung des Klimas, der zunehmenden Trockenheit in den Regionen, des Bevölkerungswachstums und der Erschöpfung der Grundwasserreserven wird der sparsame Umgang mit Wasser immer dringlicher. In der Tat könnte Wasser bald die wichtigste kritische Ressource werden, die im 21. Jahrhundert eine größere geopolitische Bedeutung als Öl haben wird - und vielleicht sogar die Kriege der Zukunft auslösen wird. Die Wasserproblematik ist im Nahen Osten bereits seit langem bekannt. Diese Region ist seit der Entstehung der Zivilisation immer trockener geworden und versorgt heute 5 % der Weltbevölkerung mit nur 1 % des weltweiten Süßwassers.

Abbildung 2: Die Gewächshausbewässerung und die Bewässerung von Reihenkulturen im Freien auf der Grundlage von Mikrosprühsystemen und anderen Tropfmethoden profitieren von fortschrittlichen Bewässerungssteuerungen. (Bildquelle: Getty Images)

Aus wirtschaftlicher Sicht schlägt sich die Wasserknappheit in höheren Preisen für Lebensmittel und landwirtschaftliche Erzeugnisse nieder, wobei die Wasserpreise in den letzten zehn Jahren schneller gestiegen sind als die Energiepreise. Um es klar zu sagen: Es ist sowohl für kommerzielle Großbetriebe als auch für landwirtschaftliche Start-up-Betriebe unerlässlich geworden, den Wasserverbrauch zu minimieren und gleichzeitig die Ernteerträge zu maximieren.

Steuerbare Bewässerung und Wachstumsmechanismen

Die Anforderungen an Bewässerungssteuerungen hängen von der Anwendung und der Art des Systems ab - ob es sich um Sprinkleranlagen, Tropfbewässerung oder hydroponische Bewässerungskreisläufe handelt.

Abbildung 3: Die Kohlendioxidsensoren der Serie T3000 verfügen über ein IP67-Gehäuse, das Feuchtigkeit, Schmutz und der Einwirkung von Düngemitteln im Innenbereich vertikaler Landwirtschaftsbetriebe standhält. Ihre Rückmeldungen können in die automatisierte hydroponische Bewässerung und Düngung einfließen. (Bildquelle: Amphenol Telaire)

Die Bewässerung von Pflanzen, die in Gewächshäusern angebaut werden, kann sehr genau gesteuert werden; ohne die Variabilität der Außenumgebung können die optimale Licht-, Wasser-, Dünge- und Bodenzusammensetzung konsequent innerhalb der Toleranzen gehalten werden. Die Bewässerung basiert immer auf einem mit einer Pumpe besetzten Reservoir und einem Bewässerungskreislauf auf Tablettbasis, wobei fast kein Wasser durch Verdunstung und kein Wasser durch Abfluss verloren geht. Es gibt eine Vielzahl von Softwareoptionen für bestimmte Kulturen; diese Programme berücksichtigen das Wissen der Industrie über die Wachstumszyklen der Pflanzenarten und die bevorzugten Wachstumsparameter.

Abbildung 4: Dank des IP67-Gehäuses eignen sich die WIL-Leuchten besonders gut für digitale landwirtschaftliche Anwendungen in Innenräumen. (Bildquelle: Weidmüller)

In der traditionellen Freilandbewirtschaftung sind Berieselungsanlagen (auch Sprinkleranlagen genannt) die am weitesten verbreiteten Bewässerungsgeräte, wobei die Konstruktionen von kleinen Rasensprengern (wie sie von Hausbesitzern auf Rasenflächen verwendet werden) bis hin zu industriellen Beregnungsanlagen reichen, die von Elektro- oder Dieselpumpen angetrieben werden. Zu letzteren gehören riesige linear bewegte Systeme, die mit ihren großen Beregnungsanlagen offene Felder von vielen Hektar bewässern können.

Eine weitere Konstruktion, die bei automatischen Bewässerungssystemen für Großbetriebe üblich ist, sind Schlagregner. Vereinfachte Varianten davon werden auch als Produkte für die Rasenbewässerung verkauft. Kurz gesagt bestehen Schlagregner aus einem Sprühkopf, der einen Wasserstrahl an einem mechanischen Arm vorbeiführt. Der Wasserstrahl wird wiederholt vom Arm getroffen und über die angebaute Pflanze verstreut. Durch den entstehenden Druck und die Bewegung des mechanischen Arms wird der Kopf um einen Drehpunkt geschoben, wodurch der Regner einen Kreis oder Teilbogen durchfährt.

Eine letzte Option für die automatische Bewässerung von landwirtschaftlichen Kulturen ist die Tropfbewässerung. Ob mit so genannten „undichten Rohrleitungen“ oder Mikrosprühköpfen, die Tropfbewässerung reduziert den Wasserverbrauch (und vor allem den Verdunstungsverlust), indem sie das Wasser direkter in die Wurzelzonen der Pflanzen leitet.

Mehr über landwirtschaftliche Bewässerung mit Drehpunkt- und linearer Bewegung

Die Drehpunkt-Bewässerung ist eine fortschrittliche Anpassung der Bewässerung mit Sprinklern. Es ist eine der effektivsten Methoden zur Bewässerung großer offener Felder, wobei branchenübliche Systeme einen Radius von 400 m auf einer Fläche von bis zu 50 Hektar abdecken können. Drehpunkt-Bewässerungssysteme bewässern einen Kreis- oder Teilbogen, indem sie ein Bewässerungsrohr (mit vielen Sprinklerköpfen) um einen festen Drehpunkt drehen. Das Rohr wird von mehreren Türmen getragen, die durch angetriebene Räder über den Boden bewegt werden.

Abbildung 5: Zeitsteuerungen werden bei Drehpunkt-Bewässerungssystemen verwendet, um grundlegende Bewässerungspläne auszuführen. Darüber hinaus überwachen Unterstrommonitore häufig einen Teil der Drehstromsysteme an den Türmen von Drehpunkt-Bewässerungsanlagen. Solche Unterstromwächter erkennen blockierte oder verklemmte Türme, um eine Überbewässerung zu verhindern. (Bildquelle: Littelfuse)

Zwischen den Türmen wird die Wasserleitung von einem Fachwerk getragen, das mit Seilen als Zugträgern ausgestattet ist - ganz ähnlich wie die Stützen einer Hängebrücke. Die ursprünglichen, in den 1940er Jahren entwickelten Bewässerungssysteme mit zentraler Schwenkung nutzten den Wasserfluss zum Antrieb der Räder. Heutzutage ist es weitaus üblicher, dass derartige Geräte von Elektromotoren angetrieben werden. Die Geschwindigkeit dieser Räder kann recht langsam sein, da es einige Tage dauern kann, bis die Systemsteuerung die Räder durch eine vollständige Umdrehung steuert.

Abbildung 6: Die AgSense-Software (die als App über mobile Geräte und Laptops zugänglich ist) nutzt GPS- und Feedback-Technologien, um Landwirte dabei zu unterstützen, Bewässerungspumpen und -hilfskomponenten, Durchfluss- und Druckstatus, Bodenfeuchtigkeit, Wetterbedingungen, Tankfüllstände (wo zutreffend) und Hinweise auf Diebstahl zu verfolgen. Als führende Option für automatisierte sich drehende Bewässerungssysteme (die jedoch auch mit linearen Maschinen kompatibel sind) bietet das Angebot Echtzeitinformationen und Alarme und ermöglicht sogar die Verwaltung einer gemischten Flotte von hydraulischen und elektrischen Drehsystemen. Im Wesentlichen ermöglicht die Software die Funktionen digitaler Schalttafeln, wobei die Kompatibilität mit mechanischen Schalttafeln aller Marken und Jahrgänge erhalten bleibt. (Bildquelle: Valmont Industries Inc.)

Sich drehende Bewässerungssysteme sind große und erstaunlich komplexe Maschinen, die ihre eigenen Herausforderungen an die Steuerung von Bezirken stellen. Die Türme bewegen sich nicht im Gleichtakt, sondern stoppen und starten einzeln, um die ungefähre Ausrichtung des Rohrs beizubehalten. Die beträchtliche Flexibilität der Rohre und der sie tragenden Fachwerke gleicht die ungleichmäßigen Bewegungen der Türme und die natürlichen Bodenwellen aus.

Bei drehenden Bewässerungssystemen werden die Turmabschnitte einzeln gesteuert. Traditionell wird dies mit einfachen Mechanismen und Endschaltern erreicht. Jedes Teilstück kann seinen Winkel im Verhältnis zum nächsten Teilstück leicht erkennen, indem es die Position eines am nächsten Teilstück angebrachten Hebels überwacht. Einfache Endschalter können dann die Räder entsprechend der relativen Winkelposition des nächsten Turmabschnitts starten, stoppen und umkehren. Ein solcher Ansatz eignet sich für eine einfache hydraulische Steuerung mit hydraulisch angetriebenen Rädern.

Mit einer Sprühpistole am Ende des äußersten Drehpunktturms kann die Bewässerungsfläche über die physische Struktur hinaus erweitert werden. Wenn dies kontinuierlich geschieht, ist der Bereich immer noch kreisförmig. Durch die Steuerung der Bewässerungspistole ist es jedoch auch möglich, ein annähernd quadratisches Gebiet mit einem zentral gesteuerten Bewässerungssystem zu bewässern.

(Videoquelle: UNL Biological Systems Engineering)

Lineare Bewässerungssysteme, bei denen ebenfalls Sprinkler zum Einsatz kommen, ähneln den Systemen mit zentralem Schwenksystem. Die Turmteile werden jedoch nicht in einem Bogen um einen festen Drehpunkt gefahren. Stattdessen bewegen sie sich in einer geraden Linie hin und her. Das bedeutet, dass lineare Bewässerungssysteme eher eine rechteckige als eine kreisförmige Fläche abdecken. Ein solcher Erfassungsbereich kann besser an bestehende Feldsysteme angepasst werden und eine vollständigere Flächendeckung gewährleisten. Allerdings werden dadurch auch die Kontrolle der angetriebenen Türme und die Kontrolle des Zulaufwassers erschwert.

Abbildung 7: Hier wird ein Bewässerungsdesign mit linearer Bewegung gezeigt. Automatisierte Systeme, die diese mechanische Ausrüstung verwenden, bewältigen schwierige Bewässerungsaufgaben im Freien. (Bildquelle: Getty Images)

Bei einigen Konstruktionen erfolgt die Wasserzufuhr über eine offene Rinne entlang einer Kante der Bewässerungsfläche oder (bei alternativen Anordnungen) über einen flexiblen Schlauch. Allerdings müssen die Türme solcher linear bewegten Bewässerungssysteme koordinierte Geschwindigkeiten aufweisen, um das Rohr einigermaßen gerade zu halten - und die Türme müssen gemeinsam steuern, damit das System kontinuierlich über das Feld vor- und zurückfährt, ohne aus der Spur zu geraten. Um diese Anforderungen zu erfüllen, sind einige Türme so programmiert, dass sie erdverlegten Kabeln folgen.

Landwirtschaftliche Bewässerungssteuerungen

Die einfachsten Bewässerungssteuerungen sind lediglich Zeitschaltuhren, die den freien Durchfluss von Wasser zu bestimmten Zeiten ermöglichen. Solche Zeitschaltuhren gibt es auch bei Rasensprengern für den Endverbraucher.

Etwas anspruchsvoller sind industrielle Bewässerungssteuerungen. Diese haben traditionell die Form von hydraulischen Steuersystemen... und werden oft mit sich drehenden Bewässerungsanlagen kombiniert.

Heutzutage verwenden viele fortschrittlichere industrielle Bewässerungssteuerungen Standard-SPSen. Diese SPS-basierte Elektronik kann nicht nur die Bewegung von großen Bewässerungsanlagen steuern, sondern auch Eingaben von Bodenfeuchtesensoren, Durchflusssensoren, Wetterstationen und Frostsensoren empfangen. Einige dieser Systeme sind nun auch für sehr kleine landwirtschaftliche Betriebe (in der Obstindustrie und im Bereich des intelligenten Anbaus in Innenräumen) leicht zu realisieren, indem Steuerungen wie der Arduino zur automatischen Bewässerung von Pflanzen und Gewächshäusern eingesetzt werden.

Abbildung 8: Das NETBEAT NetMCU ist ein Beispiel für ein integriertes, kommerzielles Bewässerungssteuergerät - und in der Tat führt das robuste Produkt eine Vielzahl von Dünge-, Fruchtbarkeits-, Erntemodellierungs- und Vorhersageaufgaben für eine vollständige digitale Landwirtschaftslösung aus. (Bildquelle: Netafim)

Automatisierte Bewässerungssteuerungen können die Durchflussmenge messen, um die Abgabe einer gemessenen Wassermenge zu gewährleisten und nicht eine willkürliche Menge, die über einen bestimmten Zeitraum abgegeben wird. Durch die Abgabe einer bekannten Wassermenge für eine bestimmte Bodenfläche können ideale Wachstumsbedingungen erreicht werden, ohne Wasser zu verschwenden. Die Durchflusskontrolle ermöglicht auch die Erkennung von Verstopfungen und Leckagen, so dass die Bediener auf Probleme aufmerksam gemacht werden, bevor erhebliche Ernteschäden oder Wasserverluste auftreten. Mithilfe von IoT-Protokollen können moderne Steuerungen bei solchen Ereignissen sogar Warnmeldungen an das Mobiltelefon des Betreibers senden.

Abbildung 9: Die automatischen Steuerungs- und I/O-Komponenten RevPi sind um die Compute-Module-Variante des Einplatinen-Minicomputers Raspberry Pi SoM/CPU/GPU herum aufgebaut. Die neuesten RevPi-Varianten können analoge Signale verarbeiten, die für bestimmte Bewässerungssteuerungskonzepte nützlich sind. (Bildquelle: KUNBUS)

Eine weitere hochmoderne Option für einige Landwirte sind Evapotranspirations- oder ET-Steuerungen. Diese schätzen den Wasserbedarf auf der Grundlage der Boden-Wasser-Bilanz.

Der Wasserhaushalt wird in der landwirtschaftlichen Hydrologie untersucht, aber im Grunde genommen muss der Wasserzufluss gleich dem Abfluss plus der Veränderung der Speicherung sein. Die Abflüsse setzen sich zusammen aus dem Abfluss und der Evapotranspiration, d. h. der Abgabe von Wasser an die Atmosphäre durch Verdunstung und Transpiration durch die Vegetation.

ET-Steuergeräte benötigen Echtzeitdaten über die Zuflüsse (Bewässerungsmenge und Niederschlag) sowie Umweltparameter, die die Evapotranspiration beeinflussen, wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Sonneneinstrahlung. Zu den wichtigsten Parametern, die mit Hilfe eines ET-Reglers (häufig ein angepasster Automatisierungsregler) genau gesteuert werden müssen, gehören die Anbaukoeffizienten und die Wasserspeicherkapazität des Bodens. Der Koeffizient für landwirtschaftliche Kulturen bestimmt die Transpirationsrate in Abhängigkeit von den Witterungsbedingungen und der Verfügbarkeit von Wasser. ET-Steuerungen können den Wasserverbrauch um bis zu 63 % reduzieren - eine erstaunlich drastische Einsparung, die von vielen anderen Methoden nicht erreicht wird.

Fazit

Für die großindustriellen Landwirte von heute gibt es eine Vielzahl hochentwickelter Bewässerungslösungen. Die Automatisierungstechnologien haben fortschrittliche Bewässerungsmethoden auch für kleinere Landwirte und Lebensmittelproduzenten erschwinglich gemacht, die sich auf Gemüse und empfindliche Kulturen mit geringeren Gewinnspannen spezialisiert haben.