Um 10 Milliarden Menschen zu ernähren, braucht es Innovationen in der Landwirtschaft
Innovationen in der Landwirtschaft werden entscheidend sein, um die kontinuierlich wachsende Weltbevölkerung weiterhin zu ernähren. Als Hersteller von Landmaschinen müssen Sie Verantwortung übernehmen und Ihren Beitrag leisten. Tatsächlich haben Sie keine andere Wahl, wenn Sie in der Branche bestehen wollen. Durch die Elektrifizierung und Digitalisierung Ihres Angebots müssen Sie die Landwirte produktiver, rentabler und gleichzeitig nachhaltiger machen. Lesen Sie im Folgenden, welche Herausforderungen Innovationen in der Landwirtschaft mit sich bringen und wie Predictive Performance Engineering für den Schwermaschinenbau von Siemens Ihnen dabei helfen kann, diese Herausforderungen mit leistungsstarken Lösungen für reale Physiksimulation, Computer-Aided-Engineering-Automatisierung (CAE) und Kontinuität bei Leistungsvorhersagen zu meistern.
Wir brauchen mehr Nahrung bei weniger Ressourceneinsatz
Es ist ein Junge!
Am 15. November 2022 wurde Damián Ferrera in Santo Domingo, der Hauptstadt der Dominikanischen Republik, geboren. Der Bevölkerungsfonds der Vereinten Nationen (UNFPA) kündigte das gesunde Neugeborene auf Twitter an und machte dieses Kind zum Symbol für ihren „Tag der acht Milliarden“, den Tag, an dem die Weltbevölkerung voraussichtlich 8 Milliarden Menschen erreichen würde.
Das Bevölkerungswachstum geht weiter
Es geht wirklich schnell! In nur 50 Jahren hat sich unsere Weltbevölkerung verdoppelt. Vor 11 Jahren haben wir die 7 Milliarden-Schwelle an Menschen erreicht. Jetzt sind wir bei 8. Und obwohl sich die Wachstumsrate zu verlangsamen scheint, wird geschätzt, dass wir bis 2058 bei etwa 10 Milliarden liegen werden, bevor wir gegen Ende des Jahrhunderts den Höchststand von 10,4 Milliarden erreichen. Können wir damit umgehen? Vor allem, wenn man bedenkt, dass wir auch einige große demografische Verschiebungen erleben werden, einschließlich der regional- und altersbezogenen Verschiebungen.
Das Nahrungssystem steht unter Druck
Diese Entwicklung setzt unsere Infrastruktur und unsere Ressourcen enorm unter Druck. Dazu gehören Wasser und Energie, aber auch Nahrung. Wie sollen wir bald 9-10 Milliarden Menschen nachhaltig ernähren, wenn wir dies heute nicht einmal für 8 Milliarden gewährleisten können? Die Vereinten Nationen sagen heute, dass etwa 10 % der Weltbevölkerung hungern. Und obwohl die Beweise zeigen, dass es genug für alle geben könnte, ist dies immer noch eine Realität. Lebensmittel erreichen aufgrund von Ineffizienzen in allen Aspekten des Nahrungssystems, von der Produktion bis zum Konsum, einfach nicht die richtigen Orte auf die richtige Weise.
Katastrophale Auswirkungen auf die Umwelt
Hinzu kommen die katastrophalen Umweltauswirkungen der derzeitigen Nahrungsmittelproduktion. Umweltverschmutzung und Überfischung belasten die Ozeane. Böden werden übermäßig ausgebeutet. Die Tierwelt verschwindet. Barrieren, die den Menschen vor Viren wie COVID-19 schützen, werden entfernt. Wälder und andere Wildnis werden vernichtet. Und der Zugang zu Wasser zum Trinken und für landwirtschaftliche Nutzung ist bedroht, zum Teil aufgrund einiger unangenehmer Nebenwirkungen der globalen Erwärmung. Es wird geschätzt, dass die derzeitige Nahrungsmittelproduktion für ein Viertel bis ein Drittel der globalen Kohlenstoffemissionen und für 90 % der weltweiten Entwaldung verantwortlich ist!
Innovation in der Landwirtschaft als Retter
Wir müssen das Nahrungssystem umgestalten
Es ist an der Zeit, das gesamte Nahrungssystem zu überdenken. National Geographic fasst es gut zusammen: „Die Risiken und Chancen unseres Bevölkerungsbooms und der parallelen Ressourcenkrise hängen weitgehend von Entscheidungen ab, die wir noch nicht getroffen haben. Was wird unsere Zukunft mehr bestimmen, die Milliarden von Mündern, die wir füttern müssen, oder die Milliarden weiterer Gehirne, die wir dafür einsetzen könnten?“ Wir können nicht einfach die derzeitigen Praktiken verschärfen und in diesem Teufelskreis aus Rodung von Land für die Ausweitung der Landwirtschaft und damit verstärktem Auftreten genau jener meteorologischen Ereignisse fortfahren, die zu mehr Ernährungsunsicherheit führen. Stattdessen brauchen wir Innovationen in der Landwirtschaft.
Die Grenzen werden gesetzt
Unterdessen verschärfen die Behörden ihre Kontrolle über alle Akteure in der Agrarindustrie. Sie steuern Innovationen in der Landwirtschaft durch Vorschriften und finanzielle Anreize. Gerade in Bezug auf den Ausstoß von Treibhausgasen werden natürlich die Gesetze und Richtlinien immer strenger. Weltweit ergreift eine überwältigende Mehrheit der Regierungen und Entscheidungsträger Maßnahmen zur Eindämmung des Klimawandels. Das verdanken wir dem Pariser Abkommen von 2015, das in dieser Hinsicht ein echter Wendepunkt war.
Ein historisches Übereinkommen: 30 mal 30
Inspiriert von diesem Erfolg erzielten Unterhändler aus der ganzen Welt am 19. Dezember 2022 auf der Biodiversitätskonferenz der Vereinten Nationen (UN) in Montreal, Kanada, ein historisches Übereinkommen. In einem ehrgeizigen Abkommen verpflichteten sie sich, bis 2030 30 % des Landes und Wassers, das als wichtig für die biologische Vielfalt angesehen wird, zu schützen, was als 30 by 30 bezeichnet wird. Dies ist ein Durchbruch, da bisher nur 17 % der Land- und 10 % der Meeresgebiete geschützt waren. Aber es war an der Zeit. Wir steuerten auf einen Kipppunkt zu. Das Übereinkommen wird natürlich massive Auswirkungen auf die Agrarindustrie haben, auch kurzfristig.
Innovationen in der Landwirtschaft müssen beschleunigt werden
Wenn wir wollen, dass Lebensmittel trotz dieser Einschränkungen für alle erschwinglich und zugänglich bleiben, brauchen wir massive Innovationen in der Landwirtschaft. Und um es klar zu sagen: Es gibt Fortschritte in mehreren vielversprechenden Bereichen, von innovativen Ideen zur Reduzierung von Lebensmittelverlusten und -abfällen über Wassermanagementtechnologien und zahlreiche biotechnologische Anwendungen bis hin zur Einführung disruptiver Konzepte wie Vertical Farming. Wichtig unter diesen innovativen Anwendungen in der Landwirtschaft sind digitale Fortschritte, z. B. die Nutzung gesammelter Daten für Smart-Farming-Anwendungen wie Precision Farming und Farmautomatisierung. Letzteres vereint Landmaschinen, Software, Elektronik, chemische Sensoren und Datenmanagement, um den Betrieb von Maschinen und die Entscheidungsfindung zu verbessern.
Herstellung von Landmaschinen im Zeitalter der Innovation
Digitalisierung und Elektrifizierung von Landmaschinen sind notwendig
Als Hersteller landwirtschaftlicher Maschinen müssen Sie sich darüber im Klaren sein, dass es im Kontext dieser landwirtschaftlichen Innovation entscheidend sein wird, Ihr Angebot zu verbessern und eine völlig neue Maschinengeneration einzuführen, um das nächste Jahrzehnt zu überleben. Landwirte benötigen diese Innovationsfähigkeiten wie Drohnen, Sensoren, automatisierte Erntemaschinen, autonome Traktoren und Ähnliches. Nur diese ermöglichen es ihnen, gleichzeitig produktiv, profitabel und nachhaltig zu sein, was unabdinglich ist, um im Geschäft zu bleiben. Durch Elektrifizierung Ihrer Maschinen und die massive Einführung von Innovationen in der Landwirtschaft auf der Grundlage neuer digitaler Technologien müssen Sie diese dabei unterstützen, ihre Ertragsziele zu erreichen und gleichzeitig die immer strengeren Vorschriften einzuhalten.
Herausforderungen im Zusammenhang mit technischer Ausrüstung für innovative Landwirtschaft
Innovationen in der Landwirtschaft werden die technische Komplexität explodieren lassen
Dies hat massive Auswirkungen auf die Anforderungen Ihrer Konstruktions- und Engineering-Prozesse. Um diese neuen Technologien erfolgreich in Anwendungen für landwirtschaftliche Innovationen zu verwandeln, müssen Sie einen Weg finden, die damit einhergehende Komplexität zu beherrschen.
Elektrifizierung zum Beispiel ist mehr als der Austausch einer Komponente. Es berührt viele Aspekte wie Massenverteilung, allgemeines Energiemanagement, Wärmemanagement und mehr. Batterien, Brennstoffzellen, Wasserstoff und andere neue Technologien unterscheiden sich so sehr von einem Motor und ihre Anwendung hat so große Auswirkungen auf andere Teilsysteme, dass alle etablierten technischen Verfahren überdacht werden müssen.
Das Gleiche gilt für innovative Anwendungen in der Landwirtschaft, die neue digitale Technologien wie 5G, IoT, Cloud, künstliche Intelligenz und dergleichen nutzen. Diese kommen bilden mit einer enormen Menge an Software und Elektronik komplexe eingebettete Systeme. Bei allem, was die Maschine tut, spielen mehrere Disziplinen sowie zahlreiche Parameter eine Rolle, die zusammenwirken und deren Werte vom Betriebszustand der Maschine abhängen.
Mit einem klassischen Entwicklungsprozess, bei dem man normalerweise eine Disziplin nach der anderen optimiert, mit vielen Iterationen, manueller Datenübergabe und wiederholtem Prototyping, lässt sich das alles nicht bewältigen. Stattdessen braucht man, um die Komplexität landwirtschaftlicher Innovationen zu beherrschen, einen neuen integrierten Ansatz, der auf eine auf Anhieb richtige Konstruktion abzielt. In diesem Fall sind physische Tests nach wie vor unerlässlich, aber die realistische Simulation wird zum eigentlichen Konstruktionstreiber.
Mit simulationsgesteuerter Konstruktion müssen Sie erfolgreich sein
Um dabei erfolgreich zu sein, müssen Sie von Anfang an die Kontrolle über Ihr Konstruktionsproblem übernehmen. Bereits in Konzeptstudien müssen Sie mit umfassenden Modellen arbeiten, die alle Komponenten und alle relevanten physikalischen Aspekte umfassen. Wenn Sie diese in multidisziplinären Analysen verwenden, können Sie bereits zu diesem Zeitpunkt damit beginnen, alle Ihre Leistungsanforderungen abzugleichen, möglicherweise mithilfe von Design Exploration-Techniken.
Das Ergebnis wird nicht perfekt sein. Aber je besser Sie in dieser Phase die Grenzen für alle Variablen in Ihrem Konstruktionsproblem umreißen können, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit, dass die Komplexität es später entgleisen lässt. Genau diese Vorverlagerung meinen wir mit „Frontloading von Konstruktionsentscheidungen“ oder „Shift-Left“.
Später können Sie Details hinzufügen, sobald sie verfügbar sind, und die Maschinenleistung mithilfe immer vollständigerer und realistischerer Modelle weiter optimieren. Dieser Prozess wird jetzt viel effektiver sein, gerade wegen des guten Ausgangspunkts, den Sie in früheren Phasen geschaffen haben.
Bei der Anwendung eines solchen Prozesses wird die Arbeit der Abteilungen miteinander verbunden, deren Aktivitäten normalerweise in verschiedenen Phasen des Engineering-Prozesses stattfinden. Eine solche vertikale Integration gibt den Mitarbeitern früher im Prozess mehr Tools an die Hand, um zu Entscheidungen beizutragen, die sonst erst in späteren Phasen getroffen werden. Das ist im Wesentlichen die Art und Weise, wie die Simulation die Konstruktion vorantreiben und Innovationen in der Landwirtschaft ermöglichen kann.
Zitat: „Wenn die Simulation zu Beginn des Prozesses robust ist, dann können viele Funktionstestschleifen, die das System verbessern sollen, übersprungen werden. Um eine neue Lösung zu finden, müssen nur einige Parameter mit Simcenter Amesim behandeln und während der Testphase validieren, anstatt wie noch vor einigen Jahren die komplette Entwicklungsphase von vorne zu beginnen. Durch den Einsatz von Simcenter Amesim kann die Entwicklungsphase deutlich verkürzt werden, in einigen Fällen um bis zu 30 Prozent.“ (Weiterlesen…)
Riccardo Bonacina, Base Engine Validation und Reliability Lead Engineer bei SDF
Innovationsanwendungen für die digitale Landwirtschaft erfordern eine andere Herangehensweise an den Produktlebenszyklus
Wenn man darüber nachdenkt, welche Arten von Innovationen in der Landwirtschaft mit neuen digitalen Technologien möglich sind, denkt man automatisch an Beispiele wie intelligente Maschinenfunktionen, die durch reale Betriebsbedingungen, autonomen Betrieb, vernetzte Baustellen, vorausschauende Wartung und mehr eine Leistungssteigerung erzielen können.
Diese innovativen Anwendungen in der Landwirtschaft erfordern in der Regel einen bidirektionalen Informationsaustausch zwischen der Konstruktion einerseits und den physischen Anlagen im Feld andererseits, oft sogar in Echtzeit. Mit anderen Worten: Die klassischen Grenzen zwischen den verschiedenen Lebenszyklusphasen verschwimmen. Die Produktlieferung ist nicht länger ein einzelnes isoliertes Ereignis und die Leistungsoptimierung wird zu einer Angelegenheit einzelner Produkte über deren gesamte Nutzungsdauer.
Um dies zu ermöglichen und damit Innovationen in der Landwirtschaft voranzutreiben, müssen Sie zunächst die notwendige Infrastruktur zur Verfügung stellen. Daher müssen Sie viele Punkte miteinander verbinden und das Wissen aus sehr unterschiedlichen technischen Bereichen kombinieren, wie z. B. Sensoren, elektrische und elektronische (E/E) Systeme, Hardware und Software für das Internet der Dinge (IoT).
Eine große Herausforderung dabei ist die Erfassung, Verwaltung und Nutzung der enormen Datenströme, die von Ihren Anlagen während des Feldeinsatzes in den Sensoren erzeugt werden. Es bedarf leistungsfähiger Datenanalyselösungen, um diese Daten in Informationen umzuwandeln, die im Konstruktionskontext nützlich sind.
Transformieren Sie Ihre Prozesse und werden Sie Innovationsführer im Agrarbereich
Wandeln Sie Komplexität mit dem digitalen Zwilling in einen Wettbewerbsvorteil um
Eine Führungsrolle bei Innovationen in der Landwirtschaft zu übernehmen und Ihre Fähigkeiten entsprechend zu verbessern, ist für Ihr Unternehmen aus Landwitschaftsmaschinenbranche von entscheidender Bedeutung. Diese Trends der Elektrifizierung und Digitalisierung sind eindeutig nicht mehr wegzudenken. Es gibt keine Alternative. In Zukunft wird es nur noch mehr Parameter, mehr Physik und mehr Interaktionen zwischen Konstruktion und Maschinen im Feld geben. Wer dies besser beherrscht, wird Komplexität in einen Wettbewerbsvorteil verwandeln. Die einzige Möglichkeit, dies zu tun, ist die Nutzung von Methoden und Prozessen, die einen digitalen Zwilling und einen digitalen roten Faden unterstützen, zwei typische Industrie 4.0-Paradigmen, die einige Voraussetzungen mitbringen.
Voraussetzungen für einen erfolgreichen digitalen Zwilling und digitalen roten Faden
Datensilos beseitigen und reale Physik simulieren
Das Herzstück des digitalen Zwillings ist eine Reihe von Modellen und Daten, die das reale Maschinenverhalten nachahmen können und mit jeder möglichen Parameteränderung synchron bleiben. Der digitale Zwilling repräsentiert die Maschine in jeder Phase auf die bestmögliche und vollständigste Weise.
Um dies zu erreichen, benötigen Sie verschiedene Technologien, von der multidisziplinären Systemsimulation über disziplinspezifisches 3D-CAE bis hin zu spezialisierter numerischer Strömungsmechanik (CFD). Um reale Daten zu Randbedingungen, Arbeitszyklen und physikalischen Eigenschaften in Ihren Simulationen zu nutzen, müssen Sie diese erstklassigen Simulationstechnologien durch leistungsstarke physikalische Testlösungen ergänzen.
Die Simulation der realen Physik erfordert, dass Sie diese Methoden in gekoppelten Modellen und Co-Simulationen anwenden. Das kann eine Herausforderung sein, wenn Teams, die für verschiedene Konstruktionsaspekte verantwortlich sind, weiterhin isoliert arbeiten und ihre eigenen Tools und Daten verwenden. Um dies zu vermeiden, müssen Sie ihre Aktivitäten in eine gemeinsame digitale Plattform integrieren, zu der jeder Zugang hat und auf der jede Entscheidung nachvollziehbar ist.
Der Einsatz realer physikalischer Simulationen hilft Ihnen, mehr Vertrauen in Ihre Konstruktionen zu gewinnen und Risiken zu reduzieren. Darüber hinaus sparen Sie enorm viel Zeit und Kosten, indem Sie einfach teure Testiterationen und Fehlschläge mit mehreren Prototypen und Feldtests vermeiden.
Beschleunigen und automatisieren Sie Ihren Simulationsprozess
Als Teil des digitalen Zwillings muss die Simulation die Konstruktion bestimmen und das Tempo der Maschinenentwicklung bestimmen. Dazu ist ein neues Effizienzniveau erforderlich, das durch den Einsatz fortschrittlicher Technologien erreicht werden muss, wo immer dies möglich ist. Beispiele hierfür sind schnelle Datenverarbeitung, Vernetzung und -Berechnung, Modelle reduzierter Ordnung, Hochleistungs-Computing und vieles mehr.
Außerdem können Sie viel Zeit sparen, indem Sie wiederkehrende Aufgaben identifizieren und diese in Vorlagen einfügen. Je größer der Anwendungsbereich, desto besser. Umfassende Vorlagen, die die Arbeit verschiedener Abteilungen vertikal integrieren, helfen bei der Standardisierung von Prozessen und ermöglichen eine groß angelegte Workflow-Automatisierung, die Sie für Anwendungen benötigen, die viele Durchläufe erfordern.
Auf diese Weise erschließen Sie sich auch eine enorme Chance für eine Linksverschiebung. Wenn Sie beispielsweise an einen Prozess denken, der computergestützte Konstruktion (CAD) und CAE umfasst, machen solche Vorlagen Expertenlösungen für Analysten und Konstrukteure zugänglich, sodass sie frühzeitige Simulationen durchführen können.
Die wahre Stärke der CAE-Automatisierung zeigt sich jedoch, wenn sie die Simulation an einer groß angelegten Design-Exploration teilhaben lässt, um völlig neue Konstruktionen mit beispielloser Leistung zu entdecken, die vollständig auf die Anforderungen abgestimmt sind. Oder wenn sie eingesetzt wird, um landwirtschaftliche Innovationsfähigkeiten zu ermöglichen, die eine enorme Anzahl von Simulationsläufen zu Validierungs- und Zertifizierungszwecken erfordern, wie es beispielsweise bei autonomen Maschinen der Fall ist.
Erweitern Sie den Umfang der Simulation auf den gesamten Lebenszyklus
Viele Innovationen in der Landwirtschaft beruhen auf dem Input von Simulationsmodellen. Diese müssen auf dem neuesten Stand sein, einschließlich aller Informationen nach der Auslieferung wie Updates, Wartungshistorie und Felddaten. Da die Historie jeder Maschine einzigartig ist, wird der digitale Zwilling automatisch in seriennummernspezifische Versionen aufgeteilt.
Dies erfordert digitale Kontinuität über den gesamten Produktlebenszyklus hinweg. Sie benötigen eine gemeinsam genutzte Umgebung, in der Sie alle Daten der einzelnen Maschinen über deren gesamte Nutzungsdauer aufbewahren können und in der Sie einen digitalen roten Faden organisieren können, einen digitalen Mechanismus, der alle Anforderungen, Entscheidungen, Parameteränderungen und die entsprechenden Auswirkungen für jede einzelne Seriennummer verfolgt.
Wenn es Ihnen gelingt, diesen digitalen roten Faden mit leistungsstarken IoT- und Datenanalysefunktionen zu kombinieren, können Sie die Simulation voll ausschöpfen und sich in eine Pole-Position bringen, um Maschinen zu entwickeln, die Ihre Branche revolutionieren werden. Sie liefern Funktionalitäten, die Ihr Kunde noch vor 10 Jahren für undenkbar hielt.
Außerdem erhalten Sie durch den ständigen Zugriff auf Leistungsprognosen und Funktionen zur effizienten Umwandlung in Konstruktionserkenntnisse kontinuierliches Feedback dazu, wie Sie die nächste Generation Ihrer Maschinen verbessern können. Auf diese Weise werden Sie in kürzester Zeit die digitale Transformation Ihrer Branche anführen.
Predictive Performance Engineering von Siemens für den Schwermaschinenbau
Physiksimulation der realen Welt CAE-Automatisierung Kontinuität der Leistungsprognosen
Die Lösungen, die in Predictive Performance Engineering von Siemens für den Schwermaschinenbau gebündelt sind, sind genau die Voraussetzungen für den digitalen Zwilling und den digitalen roten Faden, die wir oben besprochen haben. Mit unseren Tools können Sie Ihre Prozesse erfolgreich transformieren, die nächste Generation von Traktoren und Erntemaschinen liefern – intelligent, autonom und vernetzt – und Innovationsführer im Landwirtschaftssegment werden.
Mit Predictive Performance Engineering können Sie das enorme Potenzial der Elektrifizierung und neuer digitaler Technologien erschließen und Maschinen und Geschäftsmodelle entwickeln, die Ihre Branche revolutionieren werden.
Fazit
Wir sind jetzt 8 Milliarden Menschen auf diesem Planeten, und wir steuern auf über 10 Milliarden zu. Gleichzeitig werden die Ressourcen knapp und die Vorschriften immer strenger. Wir brauchen Innovationen in der Landwirtschaft, um zu überleben.
Mit der Elektrifizierung und Digitalisierung von Maschinen können Sie Landwirte dabei unterstützen, produktiver, profitabler und nachhaltiger zu arbeiten. Dies wird jedoch Komplexität des Engineering dramatisch erhöhen.
Um mithalten zu können, müssen Sie in 3 Bereiche investieren: Physiksimulation der realen Welt, CAE-Automatisierung und Kontinuität der Leistungsvorhersage. Dies wird Ihnen helfen, die nächste Generation von Maschinen erfolgreich bereitzustellen und Innovationen in der Landwirtschaft zu unterstützen.
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