Smart Farming: 5G in der Landwirtschaft

Alles zu Farming 4.0, Digitalisierung und Smart Farming in der Landwirtschaft

Forschungsministerin Anja Karliczek hatte sich bereits im Jahr 2018 in einem Interview mit Reuters TV zum 5G-Ausbau geäußert und dabei ihren Standpunkt klar gemacht: „5G ist nicht an jeder Milchkanne notwendig.“ Dies hat durchaus zu einem Aufschrei geführt, vor allem bei den Landwirten. Denn wer einen landwirtschaftlichen Betrieb zukunftssicher und profitabel führen möchte, wird über kurz oder lang aller Wahrscheinlichkeit nach eben nicht an einer flächendeckenden Mobilfunkanbindung mit mindestens LTE, aber noch besser dem neuen 5. Mobilfunkstandard vorbeikommen. Denn die digitale Datenverarbeitung nimmt in der Landwirtschaft eine immer gewichtigere Rolle ein.



Aber welche Vorteile und welchen Nutzen bietet 5G überhaupt genau für die Landwirtschaft? Welche Anwendungsszenarien gibt es und was ist der aktuelle Stand der Dinge? Diesen Themenkomplex beleuchten wir in unserem Special rund um das Smart Farming. Hierfür haben wir unter anderem mit Experten aus unterschiedlichen Bereichen der Landwirtschaft Interviews geführt, um die verschiedenen Standpunkte bzgl. des 5G-Ausbaus und den Nutzen für den Ackerbau und die Viehhaltung zu beleuchten.

Was versteht man unter digitalisierter Landwirtschaft bzw. Smart Farming?

Die Digitalisierung der Landwirtschaft bzw. Smart Farming beschreibt den Einsatz moderner Technologien wie der Datenverarbeitung und Automatisierung, dem Einsatz von künstlicher Intelligenz sowie schneller Datenübertragung durch 4G/5G und andere Standards. Ziel dieser Maßnahmen ist es, den Ackerbau und die Viehzucht effizienter und ertragreicher, aber auch umweltverträglicher zu gestalten.

Letztendlich sind für die Digitalisierung der Landwirtschaft verschiedene Schlagwörter wie „Precision Farming“, „Smart Farming“, „Farming 4.0“, „Landwirtschaft 4.0“ und andere im Umlauf. Sie alle beschreiben grundlegend ähnliche Ansätze, wie Frank Drexler im Interview weiß: „Gemeinsam haben alle Ansätze das Ziel, präziser und effizienter arbeiten zu können. Die Möglichkeiten der Nutzung elektronischer Werkzeuge und digitaler Lösungen bieten hier vielfältige Optionen. Unterschiede gibt es natürlich im konkreten Einsatzbereich. Auf dem Acker nutzt man andere Lösungen und Werkzeuge als im Stall. Und im Büro hilft eine moderne Managementsoftware [...] bei der einfachen Dokumentation und Planung.“

In einer Studie stellten Bitkom, die Landwirtschaftliche Rentenbank und der Deutsche Bauernverband im 1. Quartal 2020 fest, dass bereits 8 von 10 Landwirten auf digitale Technologien in der Land- und Viehwirtschaft setzen. Dr. Pascher wertet die Ergebnisse der Studie wie folgt und sieht trotz der vermeintlich hohen Quote noch viel Luft nach oben: „Wenn heute bereits 82 Prozent der Landwirte Hightech-Landmaschinen, Agrar-Apps, Robotik oder Drohnen einsetzen, dann zeigt das, dass die Einsatzmöglichkeiten digitaler Techniken in der Landwirtschaft sehr vielfältig sind. Das wiederum hat damit zu tun, dass wir es mit Boden, Wasser, Luft, Wetter und Tieren zu tun haben, wo ein Mehr an Wissen schnell die Ressourcen- und Klimaeffizienz verbessern sowie das nachhaltige Wohl der Nutztiere sichern kann. Der Umgang mit Natur und Tieren unterscheidet die Landwirtschaft von geschlossenen Produktionsprozessen in Industriebetrieben, wo ein Stoff „vorne reingeht“ und „hinten“ in gasförmiger, flüssiger und/oder fester Form wieder „rauskommt“. Die Bitkom-DBV-Studie hat vor allem deutlich gemacht, dass bei allem bereits heute stattfindenden Technikeinsatz die Potentiale der Digitalisierung in der Landwirtschaft noch groß sind.“

Welche Vorteile bietet 5G für die digitale Landwirtschaft?

Im Zuge der landwirtschaftlichen Digitalisierung fallen durch entsprechende Sensoren und Automatisierungen große Mengen Messdaten an. Diese in Echtzeit auch über größere Distanzen zu übertragen, ist der grundlegende Vorteil von 5G. Dank minimaler Latenz und die sehr schnellen Übertragungsraten, können auch große Mengen an Daten ohne spürbare Verzögerung übermittelt werden. Dies ist beispielsweise bei aus der Ferne gelenkten Landmaschinen wichtig, die ihre Positions- und Sensordaten sowie Kamerabilder via 5G in Echtzeit an den Fahrer, der nicht mehr im Führerhaus Platz nehmen muss, übertragen können. So ist auch eine Fernsteuerung ohne direkten Sichtkontakt und die zwingend erforderliche Anwesenheit in unmittelbarer Nähe möglich.



Durch 5G können nicht nur Daten schneller übertragen, sondern auch Arbeitsschritte und Kapazitäten wie Vorgänge rund um die künstliche Intelligenz per Cloud ausgelagert werden. Das bedeutet, dass nicht mehr jede einzelne landwirtschaftliche Maschine "intelligent" arbeiten muss, sondern ihre gesammelten Informationen durch Kameras und Sensoren per Mobilfunk an eine zentrale Verarbeitungsstelle weiterleitet, welche dann in Echtzeit die Daten analysiert und entsprechende Arbeitsanweisungen zurückschickt. Hierdurch sind nur einmal die Rechenkapazität und entsprechende Algorithmen erforderlich, auf die alle Maschinen zurückgreifen können. Das macht die Anschaffung günstiger und den Betrieb einfacher!

Aber auch in anderen Bereichen kann die 5. Funkgeneration ihre Vorteile ausspielen. Immer dort, wo viele Daten schnell übertragen werden sollen, ist 5G die richtige Technologie. Möglich ist dies entweder über das öffentliche Mobilfunknetz, welches allerdings erst im Ausbau ist. Für sehr große landwirtschaftliche Betriebe könnte auch die Errichtung eines eigenen Campus-Netzes interessant sein. Hier wird ein eigenes 5G-Netz aufgespannt, das den Betrieb abdeckt und so unabhängig von den öffentlichen Netzen die Datenübertragung sicherstellt. Allerdings ist diese Methode mit relativ hohen Kosten verbunden, die sich viele Betriebe nicht werden leisten können. So bleibt ihnen nur darauf zu warten, bis die Netzbetreiber den neuen Mobilfunkstandard flächendeckend ausrollen.

Anwendungsgebiete für 5G in der digitalen Landwirtschaft

Bereits angeschnitten haben wir die Thematik der kamera- oder ferngesteuerten Landmaschinen. Sie reduzieren den Arbeitsaufwand und damit die Kosten für Landwirte, indem sie in Zukunft teilautonom oder gar komplett selbstständig die Bearbeitung von Feldern übernehmen.

Aber nicht nur auf dem Boden können landwirtschaftliche Maschinen mit der Hilfe von 5G eingesetzt werden. Drohnen kommen für die Überwachung von Feldern in Betracht. So lässt sich der aktuelle Zustand der Pflanzen analysieren, um z.B. den Einsatz von Wasser und Dünger zu optimieren und damit letztendlich auch zu reduzieren. Das schont Geldbeutel und Umwelt. Auch bei schwer zugänglichen Anbauflächen (z.B. steilen Weinbergen), die von Mensch und Maschine nur unter erschwerten Bedingungen zugänglich sind, spielen sie ihre Vorteile aus.



Gleiches ist natürlich auch mit (fest installierten) Sensoren auf dem Boden möglich. „Wenn man z.B. den konkreten Bedarf von Düngemitteln auf einzelnen Teilflächen kennt, kann man viel präziser die wirklich erforderliche Düngermenge ausbringen. Das ist nicht nur effizient, sondern auch nachhaltig und gut für die Umwelt. Für diese Prozessoptimierungen bietet CLAAS Softwarelösungen und elektronische Steuerungssysteme an,“ äußert sich Frank Drexler von CLAAS zu dem Angebot und den Zielen des Unternehmens.

Thomas Anken von Agroscope umschreibt das Thema im Interview noch vielseitiger: „Das Wachstum von Pflanzen wird durch verschiedenste Faktoren beeinflusst. Düngung, Wasserversorgung, Krankheiten, Bodeneigenschaften, Wetter etc. haben alle einen Einfluss, wie gut oder schlecht eine Pflanze gedeiht. Ziel ist es, mittels unterschiedlichster Sensoren die verschiedenen Zustände zu erfassen und dem Landwirt möglichst gute Entscheidungsgrundlagen zur Verfügung zu stellen, damit er darauf basierend die Düngung, den Pflanzenschutz und die Bewässerung bemessen kann.“ So können Maschinen z. B. gezielter und damit deutlich geringerer Fungizide einsetzen, indem Kameras die Pflanzen erkennen und gezielt behandeln. Und auch bei der Bewässerung können Ressourcen eingespart werden, indem z.B. die Bodenfeuchte von Sensoren ermittelt und dann die Bewässerung intelligent und automatisch gesteuert wird.

Aber nicht nur beim Ackerbau spielen die Digitalisierung und 5G ihre Vorteile aus. Auch „... viele weitere verschiedene digitale Systeme, die der Landwirt einsetzt“, können davon profitieren. „Beispiele dafür sind kameragelenkte Hackgeräte, Melkroboter, Fütterungsautomaten, Lüftungssteuerungen verschiedenste Apps auf dem Smartphone etc. All diese Anwendungen stehen unter dem Dach des "Smart Farming" oder "Digital Farming“,“ so Thomas Anken im Interview.

In der Schweiz setzen Sunrise und Huawei in einem Versuch 5G ein, um Kühe zu überwachen. Das Ziel ist es nicht nur, die Möglichkeiten und Einsatzzwecke von 5G zu testen, sondern auch interessierten Landwirten zu demonstrieren. „Man könnte es ein Fitbit für Kühe nennen“, erklärt Alexander Lehrmann, Chef für Neugeschäft-Entwicklung und Internet der Dinge beim Schweizer Telko-Konzern Sunrise. „Es ermöglicht den Bauern, jederzeit und von jedem Ort aus vollständige Kontrolle und Einblick in ihren Gesundheitszustand zu haben.“ Durch die Überwachung per Kameras und Sensoren sowie die Datenübertragung per 5G wird überwacht, was die Tiere fressen, wann und wie viel sie schlafen, ebenso wie viel sie sich bewegen. Weitere Daten wie die Milchproduktion, die Gesundheit und mehr werden ebenfalls erhoben sowie analysiert. So ist es Landwirten möglich, die Pflege und Fütterung der Tiere zu optimieren, um den Milchertrag zu maximieren. Dieses Beispiel lässt sich auch auf viele andere Bereiche der Tierhaltung übertragen.

Wie ist der aktuelle Stand?

Verschiedene Hersteller wie CLAAS haben bereits ein umfangreiches Angebot an digitalen und vernetzten Produkten für die Landwirtschaft, so Frank Drexler im Interview: „CLAAS rüstet einen Großteil der Neumaschinen mit 4G Modems aus. Damit können Dokumentations- und Optimierungsprozesse online durchgeführt werden. Das schafft Transparenz und Sicherheit. Weiterhin verfügen viele Maschine über automatische GPS Lenksysteme. Diese erhalten per Mobilfunk Korrektursignale und können somit auf wenige Zentimeter genau auf dem Acker fahren. Das reduziert Überlappungen beim Arbeiten, spart Zeit, entlastet den Fahrer und verringert den Kraftstoffverbrauch. Eine präzisere Ausbringung von Dünge- und Pflanzenschutzmitteln wird zum Wohle der Umwelt durch Vernetzung verschiedener Technologien ermöglicht.“



Auch andere Hersteller sind in diesen Bereichen natürlich sehr aktiv. So haben z. B. Valtra und Elisa kürzlich einen ferngesteuerten Traktor, der 5G nutzt, vorgestellt. Die Maschine, welche derzeit nur als Prototyp besteht, kann über den neuen Mobilfunkstandard aus der Ferne gelenkt werden. So ist selbst bei mehreren hundert Kilometer Entfernung eine sichere Steuerung und der Betrieb eines Traktors in Echtzeit möglich. „Funkgesteuerte Traktoren sind seit Jahren im Einsatz, aber es bedeutet immer, in Sichtweite der Maschine zu bleiben. 5G revolutioniert das, da ein Traktor jetzt von überall aus ferngesteuert werden kann.“, äußert sich Mikko Lehikoinen, Vice President Sales and Marketing bei Valtra, im Rahmen der Vorstellung des neuen 5G-Traktors.

China Agricultural Machinery Equipment Innovation Center hat erst kürzlich den ersten unbemannten Traktor Chinas vorgestellt. Der ET504-H ist ein wasserstoffbetriebener und intelligenter 5G-Traktor, der ohne Fahrer auskommt. Stattdessen sind das 5G-Netz von China Mobile und eine GPS-Antenne, Millimeterwellen-Radar und Großdatentechnik zur Fernsteuerung im Einsatz. Die Fernsteuerung ist aber letztendlich nur ein weiterer wichtiger Schritt in Richtung des vollständig autonomen Fahrens. Dieser finale Schritt soll für viele Endbenutzer innerhalb des nächsten Jahrzehnts Realität werden, wie Valtra anvisiert.

Dies würde eine weitere Entlastung der Betriebe mit sich führen und dürfte letztendlich zumindest auf den Agrarflächen auch weniger bürokratischen und regulativen Hindernissen entgegenstehen, wie es bei den selbstfahrenden Autos im Straßenverkehr ist. Zu diesem spannenden Thema haben wir übrigens ebenfalls ein Special zur Rolle von 5G beim autonomen Fahren für Sie parat.

Auch in vielen anderen Bereichen gibt es bereits die entsprechenden Produkte und Services, um die Landwirtschaft zu digitalisieren. In vielen Bereichen hat die Digitalisierung auch schon Einzug gehalten, aber eben längst nicht in allen und in jeder Konsequenz. So berichtet Thomas Anken: „Mit über 1000 Melkrobotern, die in der Schweiz Kühe melken, oder ungefähr jedem zweiten neuen Traktor, der mit einem automatischen Lenksystem ausgerüstet wird, sind diese Technologien definitiv in der Praxis angelangt. Damit ist das Potential aber noch lange nicht ausgeschöpft und verschiedenste weitere Lösungen, wie zur Optimierung der Düngung oder zur Verbesserung des Pflanzenschutzes, befinden sich in der Entwicklung.“

Welche Forschungsbemühungen gibt es?

Gerade im Zusammenspiel mit 5G, gibt es noch viele Versuchsfelder, wie die Landwirtschaft von dem neuen Standard profitieren kann. Viele Projekte und Versuche haben bereits stattgefunden bzw. laufen gerade. Hier ist in Zukunft sicherlich noch viel von den Herstellern zu erwarten. Oliver Martin ist sich sicher, „... dass wir heute noch gar nicht abschätzen können, was uns diese Technologie für Möglichkeiten eröffnet.“

Auf die Frage, wie die Landwirtschaft in 20 Jahren aussehen wird, gibt er einen spannenden Ausblick: „Ich gehe davon aus, dass digitale Hilfsmittel einen starken Einzug in die Praxis gehalten haben. Passive und aktive Sensoren werden zur alltäglichen Arbeit dazu gehören. Roboter und autonome Systeme werden in den ersten Betrieben eingesetzt. Der klassische Landwirt wird sich mehr auf die Beurteilung von Prozessen konzentrieren, als diese durchzuführen. Aufgrund der höheren Kapitaldienste und der steigenden gesetzlichen Auflagen, werden die Betriebe wachsen und kleinere Familienbetriebe nur durch Kooperationen am Markt bestehen können.“

Welche Hürden sind noch zu nehmen?

Frank Drexler von CLAAS bringt es in unserem Interview auf den Punkt: „LTE und 5G bieten viele Möglichkeiten, wenn sie denn verfügbar sind. Gerade im ländlichen Raum gibt es da noch viel Verbesserungspotential.“ Weiter führt er aus: „Die flächendeckende Verfügbarkeit von 5G im ländlichen Raum wird nach unser Einschätzung auch noch längere Zeit ein Wunschtraum bleiben. Teilweise ist heute "0G", also das völlige Fehlen von Netzabdeckung, Realität. Wir fordern daher von der Politik, die flächendeckende Verfügbarkeit von zumindest LTE sicher zu stellen. Viele moderne, effiziente und nachhaltige Arbeitsprozesse sowie die GPS-basierte Dokumentation von Daten setzen Konnektivität voraus. Daher sollte es im Interesse aller sein, diese wichtige Voraussetzung für eine zeitgemäße und umweltfreundliche Landwirtschaft voran zu treiben.“

Das ist auch einer der größten Knackpunkte, warum die Digitalisierung in der Landwirtschaft nicht so schnell vorankommt, wie es von technischer Seite wohl möglich wäre. Dr. Pascher kennt die Ursache der Probleme: „Eine flächendeckende Versorgung mit hochleistungsfähigem Internet hat das Potenzial, Standortnachteile und große Entfernungen auszugleichen. Der DBV fordert zusammen mit dem Deutschen Landkreistag (DLT), dem Deutschen Industrie- und Handelskammertag (DIHK) und dem Zentralverband des Deutschen Handwerks (ZDH) bereits seit geraumer Zeit einen „Masterplan“ zur flächendeckenden Internetversorgung auf Basis von Glasfaser- und 5G-Mobilfunktechnologie. Jedoch tun sich Politik und Mobilfunkbetreiber schwer, dieser Forderung nachzukommen.“

Auch wenn die Abdeckung mit LTE heute bei den führenden Mobilfunknetzbetreibern bei rund 98 Prozent liegt, sind gerade viele Agrarflächen bzw. der ländliche Raum allgemein noch außen vor. Und selbst bei Vorhandensein von LTE ist damit nicht gesagt, dass die bereitgestellte Bandbreite auch für die Nutzung der modernen Technologien rund um das Smart Farming auch ausreicht.

5G bietet hier, wie schon angedeutet, ganz andere Voraussetzungen hinsichtliche Reaktionszeit und Transferrate. Allerdings ist der Ausbau von 5G erst vor rund einem Jahr gestartet und steckt damit noch mehr oder weniger in den Kinderschuhen. Zwar deckte die Deutsche Telekom Mitte 2020 bereits rund 50 Prozent der deutschen Bevölkerung ab. Dies allerdings nur durch den Umweg des Dynamic Spectrum Sharings (DSS). Hierbei wird 5G in Kombination mit LTE auf 2,1 GHz Frequenz genutzt. Ohne LTE als Anker geht es dabei nicht. Übertragungsraten und Verzögerung fallen hier deutlich schlechter aus, als es bei „echtem“ 5G der Fall wäre.

Somit sind die Vorteile geringer, zumal viele Bereiche noch nicht abgedeckt sind. Vor allem werden erstmal stärker besiedelten Flächen mit "Hochleistungs 5G" versorgt. Also bleibt auch hier die (Land-)Wirtschaft erst einmal noch außen vor. Hierzu Dr. Pascher im Interview: „Der Netzausbau kann offensichtlich nicht Schritt halten mit den Anforderungen der Landwirte. Die Unzufriedenheit der Landwirte mit der Internetversorgung ist gewachsen. Angesichts der rasanten Entwicklungen in der Sensortechnik und bei der Künstlichen Intelligenz (KI), zeichnen sich vielfältige Use Cases ab, die eine flächendeckende 5G-Versorgung voraussetzen. Dafür müssen aber bereits heute die politischen Entscheidungen getroffen werden.“

Zum anderen kostet moderne Technik eben auch meist viel Geld. Diese Investitionen können sich zwar langfristig durch weniger Arbeits- & Materialaufwand und damit weniger Kosten und gesteigerten Erträgen rentieren. Allerdings müssen erst einmal die finanziellen Mittel aufgebracht werden, um solche Investition zu stemmen. Denn neue landwirtschaftliche Maschinen kosten gerne fünf- oder gar sechsstellige Beträge. Nicht leicht also, vor allem für kleineren Betriebe.

Diese beiden Punkte sieht auch das „Konjunkturbarometers Agrar“ vom Deutschen Bauernverband aus dem Juni 2020 als die derzeit größten Hürden, wie Dr. Pascher berichtet: „Die Landwirte in Deutschland sehen in der Digitalisierung in der großen Mehrheit eine Chance, beklagen aber unter den TOP 3-Hemmnissen hohe Investitionskosten und eine unzureichende Internetversorgung.“

Weitere Probleme und Herausforderungen bringt Dr. Peter Pascher im Interview ebenfalls ins Spiel: „Handlungsbedarf sehen wir vor allem aber auch bei der Gewährleistung eines kostenfreien, vollständigen, zeitnahen Zugangs zu Open Data in einheitlichen, maschinenlesbaren und praxistauglichen Datenformaten nach gängigen interoperablen Standards in den Bereichen Kataster- und bodenkundliche Geodaten sowie bei Betriebsmitteln in den Bereichen Pflanzenschutzmittel, Sorten, aber auch Dünge-/Futtermittel und Tierarzneimittel, und zwar über ein dienstebasiertes Datenportal. Auch die Nutzbarmachung der Daten des Satellitensystems Copernikus ist ein wichtiger Schritt auf dem weiteren Weg der Digitalisierung der Landwirtschaft. Um die mannigfachen, digitalen Weiterentwicklungen in der Landwirtschaft zu koordinieren und Synergieeffekte zu nutzen, brauchen wir als Landwirtschaft ein Kompetenzzentrum Landwirtschaft 4.0.“

Ausblick und Fazit

Das Smart Farming kann unter anderem durch die Mithilfe von 5G die Landwirtschaft mehr oder weniger revolutionieren. Der Arbeitsaufwand kann hierdurch sinken, der Ertrag steigen. Allerdings ist noch ein gutes Stück Weg zu gehen, bis dies in vollkommener Form auch Realität im Alltag sein wird.

Nicht nur die Netzbetreiber sind gefragt, den neuen Mobilfunkstandard möglichst schnell in die Fläche und damit auch auf das Land zu bringen. Ebenso die landwirtschaftlichen Betriebe stehen vor Herausforderungen.

Dies gilt nicht nur für die Investitionen, die moderne Technik nun einmal mit sich führt. Sondern auch beim Umdenken. Denn noch haben sich längst nicht alle Betriebe modernen Technologien so weit geöffnet, wie es sein könnte bzw. sollte. Dies fasst Oliver Martin in unserem Interview schön zusammen: „Grenzen stellen dabei oft gewachsene Strukturen dar, inkompatible Technik und die Umstellung in eine andere Denkweise. Digitalisierung beginnt im Kopf!“ Und weiter: „Ich selbst bin der Überzeugung, dass nur die landwirtschaftlichen Betriebe langfristig am Markt bestehen können, welche sich mit der Thematik auseinandersetzen.“

Weiterführendes

» Wie viel Strom / Energie verbraucht eigentlich 5G im Vergleich zu 4G?