Energieeffizienz und intelligente Energienutzung in der landwirtschaftlichen Tierhaltung

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1 Energieeffizienz und intelligente Energienutzung in der landwirtschaftlichen Tierhaltung Bayerische Landesanstalt für Landwirtschaft (LfL) Institut für Landtechnik und Tierhaltung (ILT) Josef Neiber Bukarest,

2 Wissens- und Dienstleistungszentrum für eine nachhaltige Landwirtschaft in Bayern Bayerische Landesanstalt für Landwirtschaft 7 Landwirtschaftliche LVFZ 2 Milchwirtschaftliche LVFZ Neiber-ILT2b

3 Gliederung Einleitung Kostenfaktor Energie, Energieeffizienz, Preisentwicklungen LfL-Forschungsprojekt Verbesserung der Energieeffizienz in der Landwirtschaft in Bayern Ermittlung von Vergleichskennzahlen als Datengrundlage für die Beratung Entwicklung von Ansatzpunkten zur Energieeinsparung unter Berücksichtigung der Wirtschaftlichkeit 1. Auswertung von Stromverbrauchsdaten 2. Energieverbrauchsmessungen auf landwirtschaftlichen Betrieben Ansätze zur Einsparung und Effizienzsteigerung 3. Energieberatung und Energie-Check in Bayern Energiemanagement Eigenstromnutzung Möglichkeiten und Grenzen der Eigenstromnutzung (PV) Neiber-ILT2b

4 Energieeinsparung und Steigerung der Energieeffizienz Kostenfaktor Energie kontinuierlich steigende Energiepreise steigender Energiebedarf landwirtschaftlicher Produktionsverfahren (Mechanisierung, Automatisierung, aktuelle und künftige technische Standards) Effizienz: Verhältnis von Input zu Output Landwirtschaft: mit möglichst geringem Energieeinsatz sehr gute Leistungen erzielen Ziele der Energieeinsparung Ressourcenschonung - Einsparung fossiler Energieträger Unterstützung des Umbaus der Energiebereitstellung und Energieversorgung Energiekostensenkung bei gleichzeitig optimalem produktionstechnischem Standard Maßnahmen: technische Maßnahmen (z.b. energieeffiziente Anlagen) bauliche Maßnahmen (z.b. Dämmung) betriebliches Energiemanagement (z.b. Spitzenlastmanagement) Neiber-ILT2b

5 Europäischer Strompreisvergleich BDEW Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft e.v. Für eine Beurteilung der Energiekostenbelastung der privaten Haushalte sind nicht nur die absoluten Energiekosten und Energiepreise, sondern auch ihre Entwicklung und Höhe in Relation zum verfügbaren Einkommen maßgeblich. Neiber-ILT2b

6 Auswertung von Stromverbrauchsdaten landwirtschaftlicher Betriebe Neiber-ILT2b

7 Durchschnittlicher Elektroenergieverbrauch je Zuchtsau in Abhängigkeit von Betriebsgrößenklassen Ø Stromverbrauch 500 kwh/zs a Planungsdaten nach AEL: 400 kwh/zs a PB: ca. 400 kwh/zs/jahr Neiber-ILT2b

8 Durchschnittlicher Elektroenergieverbrauch je Mastplatz in Abhängigkeit von Betriebsgrößenklassen Ø Stromverbrauch 115 kwh/mp a Planungsdaten nach AEL: 40 kwh/mp a PB: ca. 115 kwh/mp/jahr Neiber-ILT2b

9 Durchschnittlicher Elektroenergieverbrauch je Milchkuh in Abhängigkeit von Betriebsgrößenklassen Ø Stromverbrauch 640 kwh/mv a AEL-Planungsdaten: 400 kwh/mv a PB: ca. 560 kwh/mk/jahr Neiber-ILT2b

10 Energieverbrauchsmessung auf Praxisbetrieben Exakte und zeitlich aufgelöste Messung (¼ h - Werte) des Energieverbrauchs verschiedener Verbrauchsbereiche Erzeugung von Lastprofilen für die einzelnen landwirtschaftlichen Produktionsverfahren Ableitung und Berechnung der möglichen Eigenstromproduktion und nutzung Neiber-ILT2b

11 Messtechnik, Datenspeicher und Datenübertragung Neiber-ILT2b

12 Streuung des Stromverbrauchs der einzelnen Funktionsbereiche (ZS) Neiber-ILT2b

13 Energieeinsparung bei der Stallklimatisierung durch baulich-technische Maßnahmen: richtige Dimensionierung der Lüftungsanlage (Sommer: Abfuhr der Wärme Winter: Wasserdampf + Schadgase) die Regelungstechnik hat einen direkten Einfluss auf den Energiebedarf (Vor allem im abgeregelten Leistungsbereich haben frequenzgesteuerte und EC-Ventilatoren mit elektronisch geregeltem Gleichstrommotor im Vergleich zu herkömmlichen Ventilatoren mit Phasenanschnitt- oder transformatorischer Steuerung eine deutlich geringere spezifische Leistungsaufnahme.) strömungstechnisch günstige Gestaltung der Zu- und Abluftführung (Der Luftdurchsatz der Ventilatoren wird durch Strömungswiderstände abgesenkt. Dieser Zusammenhang wird besonders bei der Abluftgestaltung deutlich: die spezifische Leitungsaufnahme beim Einsatz von Weitwurfdüsen kann über 40% erhöht sein bzw. beim Einsatz von Diffusoren um bis zu 30% abgesenkt werden.) fachgerechte Dämmung und Abdichtung der Stallgebäude und des Dachraums (Vermeidung von Wärmeverluste im Winter und eine starke Zuluftanwärmung im Sommer) durch betriebliches Management: Vermeidung von Druckverlusten bei der Lüftungsanlage (regelmäßige Reinigung, sowie Wartung und Überprüfung der Zu- und Abluftkanäle, der Ventilatoren und Lüftungsklappen inkl. Kalibrierung und optimale Einstellung der Temperaturfühler) Neiber-ILT2b

14 Auswertung Milchgewinnung AMS / FG - Milchkuh n=6, Ø 102 MK n= 4, Ø 49 MK AMS: 4,1 kwh/100 kg Milch FGM: 4,3 kwh/100 kg Milch Neiber-ILT2b

15 Energieeinsparung bei der Milchgewinnung Melken zügiges Melken (z. B. Nachtreibehilfe) angepasste Auslegung der Vakuumpumpen (Eine Vakuumpumpe mit Frequenzumrichter kann den Stromverbrauch beim Melken und beim Reinigungsprozess um über 50% senken. Durch die Frequenzregelung wird die Drehzahl der Vakuumpumpe dem Leistungsbedarf ständig angepasst.) Milchkühlung Vorkühler (mit einem Rohr- oder Plattenkühler wird die Milch vor dem Einlauf in den Milchtank auf ca. 15 C abgekühlt, dadurch kann der Kühlvorgang verkürzt werden Der Aufwand für die Milchkühlung reduziert sich um 50%. Direktkühlung (aber höheren Anschlusswert als Eiswasserkühlung) Milchtankgröße an den Bedarf angepasst und Auslegung des Kälteaggregats an die Milchtankgröße Aufstellort des Kühlaggregats an einem kühlen Platz mit genügend Luftzirkulation und bauliche Trennung von Milchlagerraum und Kompressorstandort Milchtank in Raum mit niedrigen Temperaturen (Nordseite) Regelmäßige Wartung (Kältemittelstand, Sauberkeit des Aggregats,...) Wärmerückgewinnung Mit Wärmerückgewinnungssystemen wird die Abwärme die beim Abkühlen der Milch entsteht, für die Erwärmung des Brauchwassers genutzt. Neiber-ILT2b

16 Auswertung Milchviehstall - Milchkuh n= 8 Neiber-ILT2b

17 MV Verbraucher Stall - Beleuchtung Einflussfaktoren auf die benötigte installierte Leistung: Lichtausbeute, Lichtstärke und Wirkungsgrad der Leuchtkörper, sowie die Reflektion der Gebäudehülle. Neiber-ILT2b

18 Energieberatung in Bayern LandSchafftEnergie ist die Beratungsoffensive der Bayerischen Ministerien für Wirtschaft und Medien, Energie und Technologie sowie für Ernährung, Landwirtschaft und Forsten, die die Energiewende vor allem im ländlichen Raum vorantreibt. Das Beraternetzwerk auf einen Blick Zu folgenden Bereichen werden Information und Beratung angeboten: Energiewende in ländlichen Gemeinden Energieeinsparung und Energieeffizienz in der Landund Forstwirtschaft Nachhaltiger Energiepflanzenbau Wärme und Strom aus Festbrennstoffen Mobilität und Antriebskonzepte auf Basis biogener Kraftstoffe Strom, Wärme und Kraftstoffe aus Biogas Übergreifende Systemlösungen Windenergie, Photovoltaik und Solarthermie im ländlichen Raum Neiber-ILT2b

19 Entwicklung des Energie-Checks für landwirtschaftliche Betriebe Mit dem Energie Schnell-Check kann der Berater den einzelbetrieblichen Energieverbrauch erfassen und beurteilen drüber hinaus kann er als Basis für die weitere Beratungstätigkeit dienen. Auswertungsmöglichkeiten bestehen für Betriebe mit Milchviehhaltung, Ferkelerzeugung, Schweinemast und der Außenwirtschaft. Im Ergebnis können vertikale Betriebsvergleiche mit der Entwicklung des Verbrauchs und der Kosten sowie horizontale Betriebsvergleiche mit der Bewertung und Einschätzung der Höhe des Stromverbrauchs im Vergleich zu anderen gleichgelagerten Betrieben nach Betriebsgrößenklassen durchgeführt werden. Zeitaufwand: 1/2 Stunde Einsatz des Energie-Checks ab Frühjahr 2013 Ergebnisse der Auswertungen bilden die Grundlage für die Erzeugung und Überprüfung bisheriger Vergleichskennzahlen sowie der Weiterentwicklungen von Programmen. Auswertungsprogramm für Arbeitskreise Neiber-ILT2b

20 Energieeinsatz in der Milchviehhaltung: Stromverbrauch/MK/Jahr Neiber-ILT2b

21 Auswertung Energie-Check: Kraftstoffeinsatz Neiber-ILT2b

22 Energiemanagement - Motive für die Eigenstromnutzung Marktintegrationsmodell EEG (seit April 2012 in Kraft): bei neu errichteten PV-Anlagen werden nur noch 90 Prozent der insgesamt erzeugten Strommenge gefördert Anreiz den Strom selbst zu verbrauchen. Ökonomie: Bezugsstrompreis ist höher wie der Vergütungssatz für Solarstrom nach EEG Netzparität seit Mitte 2012 Energiebereitstellung EVU regenerative Energieträger Energieverbrauch Energiemanagement und Energieeffizienz im landwirtschaftlichen Betrieb Der Lastgang beschreibt den zeitlichen Verlauf der erzeugten oder der abgenommenen Leistung während einer bestimmten Zeitperiode. Unter Energiemanagement kann man unter anderem die Anpassung und die Optimierung des Energieverbrauchs an die Energieerzeugung verstehen. Neiber-ILT2b

23 Einflussgrößen auf betriebliche Lastprofile 1. Produktionsverfahren Für jeden Betriebstyp, für jedes Produktionsverfahren aber auch für jeden einzelnen Betrieb gibt es ein individuelles Lastprofil, das aber auch einem ständigen Wechsel unterzogen ist. 2. Jahreszeit und Witterungsverlauf Verbrauchsbereiche, die dem Witterungsverlauf unterworfen sind (z. B. Lüftungsanlage) und Verbrauchsbereiche mit gleichbleibendem Strombedarf (z. B. Fütterung) 3. Tageszeit bzw. der Arbeitsablauf Die Tageslastgänge zeigen, den Einfluss der Tageszeit bzw. des Arbeitsablaufs auf den Stromverbrauch. 4. Technische Ausstattung z. B. in Milchviehbetrieben mit unterschiedlichem Melksystem (FG AMS) Neiber-ILT2b

24 Möglichkeiten zur Optimierung des Eigenstromverbrauchs 1. Lastverschiebung Anpassung des Arbeitsablaufs (soweit möglich) an die Stromerzeugung 2. Ausrichtung der PV-Anlage Verlängerung der solaren Einstrahlungszeiten durch Ost-West Ausrichtung jedoch geringere Energieerträge 3. Technische Ausstattung Automatisierung (automatische Melk- und Fütterungssysteme, Entmistung) 4. Auslegung der Anlagengröße an den Energieverbrauch Grund-, Spitzenlast 5. Energiespeicherung Batteriespeichersysteme, Eiswasserspeicherung... Neiber-ILT2b

25 1. Lastverschiebung Eiswasseraufbereitung PV: 30 kwp Verschiebung der Eiswasseraufbereitung für die Milchkühlung in Niedertarifzeiten oder bei PV- Eigenstromnutzung in Zeiten mit hoher solarer Einstrahlung. Neiber-ILT2b

26 2. Ausrichtung der PV-Anlage: Tageslastgang 55 Milchkühe mit FG-Melkstand Neiber-ILT2b

27 3. Technische Ausstattung: Tageslastgang 65 Milchkühe mit AMS Neiber-ILT2b

28 4. Solarstromerzeugung und verbrauch bei unterschiedlicher Anlagengröße Neiber-ILT2b

29 Exkurs: Forschungs- und Versuchsphotovoltaikanlage an der VS Grub Vergleichende Analyse des Stromertrags von Modulen mit unterschiedlicher Zelltechnologie (mono-, polykristallin, amorph) und Ausrichtung. Maximale Gesamtleistung PV- Anlage: 44 kwp Neiber-ILT2b

30 VS Grub: Solarstromerzeugung (PV) je m² Modulfläche am Neiber-ILT2b

31 Stromverbrauch (MV) und Stromerzeugung (PV) am Neiber-ILT2b

32 5. PV-Stromspeicher in Form von Eiswasser zur Milchkühlung Die Eiswasserproduktion kann eine praktikable Lösung für die Speicherung und bedarfsgerechte Nutzung von Solarstrom darstellen. Erneuerung der Milchkühlung des Melkstandbereichs der Versuchsstation Grub. Installation eines Vorkühlers, eines Milchtanks mit Direktkühlung, sowie einer separaten Eiswasserbank mit einem Speichervolumen für die Milch von vier Gemelken. Zur Effizienzsteigerung wurde das Kühlaggregat an der Außenwand angebracht. Die Milch wird im dreistufigen System zuerst mit Brunnenwasser (Stufe 1) und anschließend mit Eiswasser (Stufe 2) über einen Plattenkühler auf Lagertemperatur heruntergekühlt. Das angewärmte Brunnenwasser steht den Milchkühen als Tränkwasser zur Verfügung. Sofern die auf dem Dach des Milchviehstalles installierte PV-Anlage (44 KW) ausreichend Strom erzeugt, wird Eiswasser produziert. Wenn kein Eiswasser zur Verfügung steht, wird die Milch im Direktkühlverfahren (Stufe 3) im Tank auf Lagertemperatur heruntergekühlt. Die Bereitung von Eiswasser (mit PV-Strom) und die Direktkühlung erfolgt mit dem Aggregat das Kühlflüssigkeit herunterkühlt. Die dabei entstehende Wärme wird über einen Wärmetauscher dem vorhandenen Puffer zugeführt und steht der Spülung des Milchtanks und der Melkanlage Verfügung. Neiber-ILT2b

33 : Milchkühlung AMS + FG und Solarstromerzeugung Neiber-ILT2b

34 : Milchkühlung AMS + FG und Solarstromerzeugung Neiber-ILT2b

35 Fazit Die Kenntnis über den betrieblichen Energiebedarf ist die Basis für Maßnahmen zur Energieeinsparung und zur Effizienzsteigerung Hauptansatz für Energieeinsparungsmöglichkeiten in der Schweinehaltung liegen in den Bereichen Lüftung und Heizung in der Milchviehhaltung in den Bereichen Milchgewinnung und -kühlung Bei Neu- und Ersatzinvestitionen der einzelnen Komponenten den spezifischen Energieverbrauch berücksichtigen. Die Kenntnis detaillierter Lastprofile unterstützt bei der Planung und Integration regenerativer Energieträger (PV-Anlagen). Durch die zunehmende Automatisierung in viehhaltenden Betrieben (automatische Melk- und Fütterungssysteme, Spaltenroboter,...) steigt der elektrische Energieverbrauch wodurch die Eigenstromnutzung zusätzlich an Bedeutung gewinnt. Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Neiber-ILT2b