Optimale Bewässerung in der Landwirtschaft mit iQ HydrON
Cloud-basierte Lösung zur Optimierung der landwirtschaftlichen Bewässerung
Die Optimierung der Bewässerung in der Landwirtschaft mit iQ HydrON - ein Beitrag zum Umgang mit der wertvollen Ressource Trinkwasser - am Beispiel eines Bewässerungsverbandes.
Datum: 04.10.2023 | Lesezeit: 12. Min.
Trinkwasser: unser wichtigstes Gut
Der größte Teil der Erde ist von Wasser bedeckt. Doch nur drei Prozent davon sind Trinkwasser. Trinkwasser ist ein kostbares Gut, das weltweit immer knapper wird. Der jährliche Trinkwasserverbrauch lässt sich grob in drei Gruppen einteilen: Private Haushalte, Industrie und Landwirtschaft.
Die privaten Haushalte haben den geringsten Anteil, die Industrie hat ihren Wasserbedarf kontinuierlich gesenkt und liegt nur noch an zweiter Stelle, während die Landwirtschaft mit 70 Prozent des weltweiten Wasserverbrauchs unangefochtener Spitzenreiter ist. In Deutschland und vielen europäischen Ländern beträgt der Wasserverbrauch für die Landwirtschaft weniger als 25 % (gemessen am Gesamtverbrauch). In anderen Ländern wie Mexiko und China liegt der Anteil dagegen bei 90 % und mehr. In Marokko zum Beispiel werden bis zu 2.700 Liter Wasser benötigt, um ein Kilo Getreide anzubauen. Zum Vergleich: In Deutschland kann die gleiche Menge mit nur 520 Litern Wasser produziert werden.
In der deutschen Landwirtschaft werden 97 % des Wassers als Regenwasser genutzt. In den südlichen Ländern wird eher Bewässerungs- und Brunnenwasser verwendet. Die gesamte Wasserentnahme für die landwirtschaftliche Bewässerung betrug in Deutschland rund 0,4 Mrd. m³. Dies entspricht 0,2 % des gesamten Wasserdargebots in Deutschland von 176 Mrd. m³ oder 2,2 % der Gesamtentnahmen von 20 Mrd. m³. Damit liegt die Wasserentnahme durch die Landwirtschaft in Deutschland bereits auf einem niedrigen Niveau, insbesondere im internationalen Vergleich. Doch während die Wasserentnahmen für die Industrie kontinuierlich gesunken sind, sind die Wasserentnahmen für die Bewässerung hierzulande in den letzten Jahren stetig gestiegen. Dies ist keineswegs auf Verschwendung oder Nachlässigkeit zurückzuführen, sondern auf die klimatischen Bedingungen, die gestiegene Nachfrage und den erhöhten Bedarf an Gütern und Nahrungsmitteln.
Im Rahmen der nationalen Wasserstrategie müssen Wege gefunden werden, um die Zukunft des Wassers in Deutschland zu sichern und gleichzeitig den Ländern mit höherem Wasserverbrauch die notwendigen Technologien anzubieten. Um das Problem global anzugehen, lohnt sich ein digitaler Blick auf die landwirtschaftliche Bewässerung, denn auch hier ist die Wasserentnahme in der Landwirtschaft in Deutschland nicht klar geregelt und wird kaum kontrolliert.
Hier kann die Digitalisierung helfen, die Wasserentnahme transparent zu machen und Wasserbedarf und Bewässerungsangebot u.a. auf Basis von Wetterdaten und Bodenfeuchtemessgeräten zu koordinieren. Ziel ist es, die Landwirte bei der Bewässerung effizient zu unterstützen und das Verbrauchsverhalten zu dokumentieren und zu analysieren, um bei Bedarf Anpassungen vornehmen zu können.
iQ HydrON eine cloudbasierte Lösung zur Optimierung der landwirtschaftlichen Bewässerung
Die BEULCO GmbH & Co. KG hat im Jahr 2021 mit iQ HydrON eine cloudbasierte Lösung zur Optimierung der landwirtschaftlichen Bewässerung geschaffen und in einem Pilotprojekt bei einem Bewässerungsverband erfolgreich umgesetzt.
Im Mittelpunkt von iQ HydrON stand die Digitalisierung der zur Bewässerung genutzten Zapfstellen, die Messung wichtiger Verbrauchsdaten und die Optimierung des Wasserverbrauchs im gesamten Versorgungsgebiet des Bewässerungsverbandes.
Das Bewässerungsgebiet von über 15.000 Hektar mit über 600 km Verteilungsnetz und 15 eigenen Druckerhöhungsanlagen sollte digitalisiert werden. Ziel war es, die mehr als 8.000 Hydranten und die zugeordneten Zapfstellen digital zu erfassen sowie die Lokalisierung und digitale Erfassung von Zählerständen und anderen wichtigen Parametern zu ermöglichen. Ein ehrgeiziges und großes Projekt mit vielen Herausforderungen, für die keiner der bisher angesprochenen Partner eine passende Lösung anbieten konnte.
Eine spezifische Plattformlösung für den Beregnungsverband auf Basis der iQ Cloud
Nach weiterer Abstimmung mit dem Verband wurde im November 2020 das Entwicklungsprojekt iQ HydrON gestartet. Die erste Version der Plattform und die dazugehörige Hardware sollen im März 2021 fertig sein, so dass ein größerer Feldtest gestartet werden kann.
Die iQ Cloud bildete die Grundlage der Entwicklungsarbeit. Die entwicklereigene Cloud ist das Gehirn aller iQ-Lösungen. Sie bildet das Rückgrat aller Digitalisierungsprojekte im Bereich der Wassernetze. Daten aus bestehenden iQ-Lösungen sowie externen Sensoren und Softwaresystemen werden in der iQ Cloud gesammelt, verarbeitet und über Schnittstellen den Endkunden auf entsprechenden Plattformen oder in bestehenden Systemen zur Verfügung gestellt. Datenschutz und Datensicherheit für die zum Teil sensiblen Kundendaten waren bereits in den vorangegangenen Projekten von größter Bedeutung und konnten durch die Zusammenarbeit mit den IT-Spezialisten der PHYSEC GmbH auf höchstem Niveau umgesetzt werden. Auch für das sehr spezifische Projekt des Bewässerungsverbandes wurde das Bochumer IT-Unternehmen mit ins Boot geholt.
Durch die Zusammenarbeit mit dem spezialisierten IT-Dienstleister konnte die Sicherheit aller Kommunikations-, Kunden- und Verbrauchsdaten maximiert werden.
Sensible Daten verdienen Sicherheit - Starkes Duo für die Digitalisierung des Wassernetzes
Fortschrittliches Sicherheits- und Konnektivitätskonzept
Durch die einzigartige Kombination von angewandter Verschlüsselungs- und Kommunikationstechnologie bietet PHYSEC innovative Sicherheitslösungen für Anwendungen im Internet der Dinge. Das fortschrittliche Sicherheits- und Konnektivitätskonzept - IoTree und seine Softwarelösung Connect and Protect - ermöglicht die Umsetzung digitaler Geschäftsmodelle mit maximaler IT-Sicherheit und einfacher Bedienbarkeit. Dies trägt zur digitalen Selbstbestimmung der Nutzer bei.
Beide Unternehmen arbeiten gemeinsam daran, die Datensicherheit aller bestehenden Systeme zu maximieren. Der gesamte Datenverkehr und die Datenverarbeitung in der iQ Cloud werden unter Einhaltung höchster Sicherheitsstandards übertragen und verarbeitet.
Die Smart Meter und IoT-Anwendungen von iQ water solutions, der Digitalsparte von BEULCO, ermöglichen die Digitalisierung der Netzinfrastruktur. Doch die digitale Kommunikation birgt auch Risiken. So sind kommunizierende und steuernde Komponenten in Versorgungsnetzen, insbesondere im Bereich der kritischen Infrastruktur, attraktive Einfallstore für Angreifer. PHYSEC bietet mit einer exklusiven Lösung Schutz vor solchen Gefahren. Das Unternehmen sichert die Datenverbindung nach den Vorgaben des Bundesamts für Sicherheit und Informationstechnik (BSI) für etablierte Technologien ab und ermöglicht so die Digitalisierung kritischer Infrastrukturen auf Basis innovativer Kommunikation über LoRa-WAN und NB-IoT.
Die einzigartige und patentierte Verschlüsselung entspricht der technischen Richtlinie für kryptografische Spezifikationen zur Realisierung von Projekten des Bundes (BSI-TR-03116-3) für weltweite Netze. Damit können Messsysteme auf Basis des IT-Sicherheitskatalogs der Bundesnetzagentur nach § 11 Abs. 1a EnWG installiert werden. Die Lösung deckt die gesamte Datenverbindung vom Zähler bis zum ERP-System, der Netzleitwarte oder der spezifischen IoT-Plattform des Beregnungsverbandes ab.
Erfolgreicher Abschluss des Feldtests im Oktober 2021
Im Feldtest wurde das großvolumige Standrohr (mit Zähler für große Durchflussmengen bis zu 100 m³/h) von den Firmen Schott (Standrohr) und Pipersberg (Zähler) entwickelt und gefertigt, so dass der Feldtest schließlich im Juli 2021 beginnen konnte. Am Standrohr wurde eine von iQ water solutions entwickelte Sensoreinheit montiert, die automatisch sowohl mit dem Zähler am Standrohr als auch mit der iQ Cloud kommuniziert.
Das für den Feldversuch ausgewählte Gebiet des Bewässerungsverbandes und alle 8.000 zugehörigen Unterflurhydranten sind nun digital erfasst und können auf der Plattform verwaltet und lokalisiert werden. Zugeordnete Zapfstellen können nachverfolgt, nach Status zugeordnet und automatisch ausgelesen werden.
Auf Wunsch können einzelne Hydranten und Zapfstellen detaillierter betrachtet und analysiert werden. Auch die manuelle Verwaltung einzelner Abzweigungen ist jederzeit möglich.
Ausbau und Erweiterung von iQ HydrON
Wetterstationen, Bodensensoren, Benutzerverwaltung und App sowie Umweltalarme
Nachdem der Feldversuch im Oktober 2021 erfolgreich abgeschlossen wurde und die verbandseigene Lösung zur Bewässerungsoptimierung auf ganzer Linie überzeugte, wurde der Einsatzbereich der iQ HydrON Plattform im Jahr 2022 stark erweitert. Die
Die verschiedenen neuen Funktionen wurden entsprechend den Anforderungen des Beregnungsverbandes integriert.
Nutzermanagement
Um das mittlerweile breite Portfolio an unterschiedlichen Funktionen komfortabel verwalten und den Nutzern einzelne Funktionen und Rechte zuweisen zu können, wurde die Plattform zunächst um eine klar strukturierte und an den Bewässerungsalltag angepasste Nutzerverwaltung erweitert. Verwaltungs- und Bewässerungsaufgaben können nun auf verschiedenen Verwaltungs- und Benutzerebenen verwaltet und zugewiesen werden. Neue Benutzer werden mit wenigen Klicks hinzugefügt und haben sofort Zugriff auf genau die Informationen, die sie benötigen, um aktiv zu werden oder selbst neue Benutzer anzulegen.
Wetterstationen
Auf Wunsch des Kunden wurden über 150 verschiedene Wetterstationen in den Bereichen Regen, Wind und Temperatur an iQ HydrON angeschlossen. Je nach eingestelltem Sendeintervall erhält der Beregnungsverband nun rund um die Uhr meteorologische Informationen wie Windgeschwindigkeit, Niederschlagsmenge oder (Feucht-)Temperatur über das gesamte Beregnungsgebiet. Bei Bedarf kann der einzelne Nutzer wichtige Wetterstationen in eine Favoritenliste aufnehmen und so bestimmte Gebiete auf einen Blick erkennen.
Vertiefende Informationen zu verschiedenen Parametern mit zeitlichem Bezug liefert die On-Demand-Statistik, mit der sich die Stationen auch untereinander vergleichen und übersichtlich darstellen lassen.
Bodenfeuchtesensoren
Eine weitere Besonderheit sind die auf das System abgestimmten Bodenfeuchtesensoren. Die Sensoren können in verschiedenen Tiefen im Boden installiert und per Mausklick auf die jeweilige Bodenart kalibriert werden. Einmal installiert, liefern sie Informationen über die vorhandene Bodenfeuchte und die berechnete Feldkapazität. Durch das Einsetzen der Sensoren in unterschiedlichen Tiefen und die Anpassung der Sendeintervalle können in Kombination mit der vorhandenen Sensorik Rückschlüsse auf den optimalen Bewässerungszeitpunkt und die Bewässerungsdauer gezogen werden.
Alarms
In einem weiteren Schritt wurden aus den Daten der Wetter- und Bodenfeuchtesensoren verschiedene Warnfunktionen erstellt. So können z.B. Frostalarme, Niederschlagswarnungen oder Windalarme eingestellt werden, die den Nutzer automatisch informieren, sobald selbst eingestellte Grenzwerte in den definierten Bereichen überschritten werden. Der Nutzer kann nicht nur die Grenzwerte für alle Alarme individuell festlegen, sondern auch die Art der Benachrichtigung bestimmen. Der Nutzer kann selbst entscheiden, ob er über den Alarm per Push-Nachricht auf der App, E-Mail, SMS oder sogar per Anruf informiert werden möchte.
Die mobile App
Um die Bedienung von iQ HydrON im Feld zu verbessern und die Benachrichtigungsmöglichkeiten zu erweitern, wurde eigens eine mobile Anwendung erstellt. Mit wenigen Klicks sind alle wichtigen Informationen auch unterwegs in der App abrufbar und Alarme können über die Push-Funktion schnell und einfach weitergeleitet werden.
Ausblick
Im Jahr 2023 wird die Weiterentwicklung von iQ HydrON natürlich weitergehen. In den kommenden Wochen werden nutzerspezifische Managementfunktionen wie Schadensmanagement und Reparaturberichte integriert, um ein umfassendes Management zu unterstützen. Darüber hinaus werden Wetterdaten aus dem Ausland und aus Deutschland über eine Datenschnittstelle in die Plattform integriert, um die Informationserfassung und Einordnung der Bewässerungssituation und -anforderungen weiter zu verfeinern.