Was haben Milchkühe mit Solaranlagen zu tun? Wie geht das mit Mathematik zusammen und welche Rolle spielt künstliche Intelligenz (KI) in diesem Zusammenhang? Antworten auf diese und weitere Fragen wurden im Rahmen eines Stopps der atene KOM Zukunftsreise auf einer „SmartFarm“ in Grasberg im Landkreis Osterholz beantwortet. Dort besuchten wir Prof. Dr. Christof Büskens vom Zentrum für Technomathematik an der Universität Bremen, der uns nicht nur technische Hintergründe zu dem Projekt erläuterte, sondern auch die Chancen skizzierte, die es mit sich bringt Konzepte und Ideen interdisziplinär und ganzheitlich zu durchdenken, als auch auszugestalten.

Kleine und mittelgroße landwirtschaftliche Betriebe stellen nicht nur einen großen Anteil an der Gesamtzahl der landwirtschaftlichen Unternehmen in Deutschland, vielmehr haben diese produktionsbedingt auch einen sehr hohen Strom- und Energieverbrauch. In dem im Jahr 2016 gestarteten Projekt SmartFarm wurde daher eine Methodik entwickelt, die es erlaubt erneuerbare Energien (Solar- und Windkraft) gewinnbringend für solch landwirtschaftliche Betriebe gezielt einzusetzen. Auf der Grasberger SmartFarm wurden daher in einem Reallabor Daten zum Energieverbrauch des Hofes automatisiert mit Hilfe eines minimalsensorischen Messsystems erfasst. Darauf aufbauend konnten hochgenaue Prognosemodelle entwickelt werden, welche die Produktion regenerativer Energieversorgungssysteme und den Energieverbrauch von kleinen und mittelgroßen landwirtschaftlichen Betrieben vorhersagen können. Auf der Grundlage dieser Berechnungen,

wurde im nächsten Schritt die bestmögliche Auslegung des Energieverbrauchs von landwirtschaftlichen Betrieben mittels des Einsatzes von künstlicher Intelligenz (KI) ermittelt.

Im aktuell laufenden Folgeprojekt sollen jetzt die aus der SmartFarm gewonnen Erkenntnisse auf eine breitere Datenbasis gestellt werden. In SmartFarm2 möchten die Forscher:innen weitere Potentiale zur Energieverbrauchsoptimierung aufzeigen und exemplarisch an 101 Realdemonstratoren (Milchhöfe, Schweinemastbetriebe, Gewächshäuser, etc.) in die Praxis umsetzen. Hierzu werden die landwirtschaftlichen Betriebe mit leicht handhabbarer Sensorik ausgestattet, um die bisher noch nicht verfügbaren hochaufgelösten, tageszeitabhängigen Verbraucher- und Erzeugerdaten zu erfassen. Basierend auf diesen Daten kann mit Hilfe der Methoden der KI und mathematischer Optimierungsalgorithmen das wirtschaftliche Potenzial einer Eigenverbrauchsoptimierung aufgezeigt und ein hochautomatisiertes Energiemanagementsystem (EMS) entwickelt werden.

Die hiesige Landwirtschaft hat enorme Potentiale seine eigene Energie aus erneuerbaren Energien zu gewinnen. Diese sind aber nur begrenzt speicherbar. Und hier trifft nun die Milchkuh auf die Solaranlage und beide auf Künstliche Intelligenz. Mit Hilfe der Mathematik, einer handhabbaren Sensortechnik und der Auswertung über KI, kann der Energieverbrauch nicht nur tageszeitabhängig hochaufgelöst ermittelt werden. Unter Rücksichtnahme aller erhobenen Daten kann vielmehr nun auch eine optimale Empfehlung dazu abgegeben werden, zu welchen Zeiten am meisten Strom produziert wird, zu welchem Zeitpunkt am meisten Strom genutzt werden sollte und wann Strom in Form von Akkus, aber auch thermischer Energie – wie einer Kühlung die nachhaltig mehr kühlt oder eine Wärmepumpe, die mehr wärmt – genutzt werden sollte. So kam bspw. die Idee auf Milch als Energiespeicher zu nutzen. Anstatt die Milch nachts über herkömmlich erzeugte Stromquellen in den Tanks herunter zu kühlen, wird die Milch stattdessen tagsüber über die mehr als ausreichend zur Verfügung stehende Solarenergie stärker abgekühlt, so dass sich die in den Tanks lagernde Milch über Nacht gezielt langsam wieder auf die optimale Temperatur erwärmt. Auf diese Weise können nicht nur Energiekosten für den Hof eingespart, sondern auch der Einsatz fossiler Energieträger nachhaltig minimiert werden. Übergeordnetes Ziel aller Maßnahmen ist es den eigenen Stromverbrauch und die Speicherung so zu steuern, dass möglichst viel selbst produzierter Strom genutzt wird, um möglichst wenig Strom einkaufen zu müssen, mit dem positiven Nebeneffekt das regionale Stromnetz außerdem zu entlasten. Ein ökonomischer und ökologischer Mehrwert für den Hof, aber auch zugleich für die Gesellschaft.

Einer der entscheidenden Faktoren für die erfolgreiche Umsetzung der SmartFarm sei vor allem die interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen den Mitarbeiter:innen der Universität auf der einen Seite und den Landwirt:innen auf der anderen Seite des Projektes gewesen, betonte Professor Büskens im Vor-Ort-Gespräch mit den Mitarbeitern der atene KOM. Denn insbesondere durch die unterschiedlichen Sichtweisen auf die Dinge und den damit einhergehenden verschiedenen Herangehensweisen, um den im Projekt auftretenden Herausforderungen zu begegnen, seien gänzliche neue Ideen und Strategien entstanden. Ohne den gemeinsamen Austausch zwischen Landwirtschaft und Mathematikwissenschaft seien manche Zusammenhänge nicht offensichtlich gewesen, da beide Seiten immer nur einen Blickwinkel vor Augen haben. Erst die verschiedenen Strategien und Erfahrungswerte aus Theorie und Praxis ineinandergefügt haben den zentralen Mehrwert der SmartFarm offenlegen und die Gesamtschau darstellen können.

Mathematik trifft auf Landwirtschaft: eine Blaupause, die so Büskens, nicht allein auf die SmartFarm zu beziehen ist. Denn Landwirtschaft ist zwar vorwiegend ein Thema des ländlichen Raums, aber dort beileibe nur eine von vielen weiteren Aufgaben und Herausforderungen, die es zu bewältigen gebe. Sei es die Mobilität, Digitale Teilhabe, oder eine flächendeckende ärztliche Versorgung. Oftmals werden in Einzelvorhaben gute Lösungsansätze erprobt, die jedoch zumeist immer nur Teilaspekte eines Problems behandeln oder aber andere Sektoren gänzlich unberücksichtigt lassen. Der Mathematiker plädiert daher, dass der ländliche Raum mehr über ganzheitliche Konzepte gefördert und neu gedacht werden müsse. Er wünscht sich, dass man mehr „über den Tellerrand schaue“ und von anderen lerne. Ganzheitliche Ansätze und gemeinschaftliches Handeln auf einer übergeordneten Ebene böten die Chance den ländlichen Raum nachhaltig und langfristig zu stärken sowie lebenswert zu gestalten.