Digitale Zwillinge von frei belüfteten Milchviehställen

Vorgehensweise

Ziel des Projekts ist die Erstellung von digitalen Zwillingen der in dem bundesweiten Projekt „Ermittlung von Emissionsdaten für die Beurteilung der Umweltwirkungen der Nutztierhaltung“ (EmiDaT) ausgewählten Milchviehställe. Die digitalen Zwillinge dienen dazu, Daten aus der Vermessung der realen Zwillinge zu analysieren und auszuwerten. Mit Hilfe der numerischen Strömungssimulation kann dabei der Kenntnisgewinn aus den Messungen bezüglich des Emissionsgeschehens bestätigt und erweitert werden. Im Projekt „EmiDaT“ werden Emissionsdaten für Milchvieh- und Mastschweineställe in verschiedenen Regionen Deutschlands ermittelt (KTBL (2018)). Dabei werden Emissionen von Ammoniak, Geruch und Staub sowie Methan und Lachgas aus offenen Stallsystemen mit und ohne Auslauf sowie aus geschlossenen Systemen gemessen. Darüber hinaus werden Rahmenparameter erhoben, die zur Ableitung von Emissionsfaktoren notwendig sind. Für die Messungen an Milchviehställen wurden im „EmiDaT“-Projekt vier verschiedene Liegeboxenlaufstalltypen festgelegt: Laufgang perforiert mit externer Güllelagerung, Laufgang planbefestigt mit externer Güllelagerung, Laufgang perforiert mit Güllelagerung unter den Spalten (Güllekeller) und Laufstall mit Weidehaltung. Für jeden Typ sind vier Betriebe in unterschiedlichen Regionen ausgewählt. Die Anzahl der Kühe variiert von 80 bis 300. Die Messungen werden in Anlehnung an das VERA-Protokoll durchgeführt und erfolgen an jedem Stall über den Zeitraum von einem Jahr an sechs verschiedenen Terminen. Der Messzeitraum beträgt jeweils eine Woche. Der Luftvolumenstrom wird mit der CO2-Bilanz-Methode bestimmt, die Gaskonzentrationen mittels FTIR Technik. Mit den digitalen Zwillingen der Milchviehställe können unter Verwendung von Jahresstatistiken für Windgeschwindigkeit und –richtung Aussagen über das Emissionsverhalten des Stalls bezogen auf das Jahresgeschehen getroffen werden. Alle Berechnungen der numerischen Simulation zum Emissionsverhalten der Milchviehhaltung basieren dabei auf den Daten, die bei der Messung der Emissionen vor Ort erhoben wurden.

Daten und Methoden

Innerhalb des Projekts sollen die Daten, die vom KTBL im Projekt „EmiDaT“ gesammelt wurden, in digitale Zwillinge übertragen werden.

Zur Erstellung der digitalen Zwillinge wird im Projekt das CAD-Tool der kommerziellen Simulationssoftware STAR-CCM+ der Firma Siemens PLM verwendet. Es ist in der Lage, Geometrien digital abzubilden und sie weiteren Anwendungen innerhalb der Software zur Verfügung zu stellen.

Die numerische Strömungssimulation ermöglicht uns, komplexe Strömungsvorgänge zu berechnen und dabei skalare Größen wie die Ausbreitung von Ammoniak mit zu berücksichtigen und darzustellen. Dies gilt sowohl für Strömungen in Gebäuden als auch bei Außenströmungen sowie einer Kombination aus beidem wie in der genannten Fragestellung. Hierbei ist es nicht erforderlich für jede Variation ein vollständig neues geometrisches Modell aufzubauen. Der Vorteil an der numerischen Strömungssimulation ist, dass an einem einmal aufgebauten Modell eine Vielzahl an verschiedenen Änderungen von Randbedingungen untersucht werden kann.

So wird über den Parameter Anströmgeschwindigkeit der Volumenstrom durch den Stall variiert und erweitert die Informationen über die Emissionsdaten der frei belüfteten Milchviehhaltung. Veränderungen der Anströmrichtung des Windes oder der Stellung der Windschutznetze werden ebenfalls berücksichtigt. Die Auswirkungen auf das Strömungsverhalten im Stall und das Emissionsverhalten des Gesamtsystems werden auf vielfältige Weise berechnet und ausgewertet.

Ein umfangreiches Postprocessing-Modul innerhalb der Software STAR-CCM+ ermöglicht die Analyse der bei der numerischen Simulation entstandenen großen Datenmengen und die Aufbereitung in eine verständliche Darstellungsform wie Videos, Grafiken oder auch Tabellen.

All diese Analysen und Bewertungen werden in Publikationen veröffentlicht. Zusätzlich können die durch Berechnungen im digitalen Zwilling resultierenden Daten die im KTBL-Projekt gewonnenen und in einer Datenbank abgelegten Werte ergänzen.

Ergebnisse

Das wissenschaftliche Interesse des Thünen-Instituts für Agrartechnologie besteht darin, den Nachweis zu erbringen, dass es für natürlich belüftete Rinderställe möglich ist, durch digitale Zwillinge den Kenntnisstand über die Um- und Durchströmung des Stallgebäudes, die Verteilung der Konzentration von Schadgasen im und um den Stall herum und den Emissionsmassenstrom aus dem Gebäude in die Umwelt zu erweitern.

Die Werte, die durch das KTBL-Projekt gewonnen und in einer Datenbank abgelegt werden, können am Ende des Projekts durch Werte, die aus Berechnungen im digitalen Zwilling resultieren, ergänzt werden.

Durch die Visualisierungsmöglichkeiten innerhalb der numerischen Strömungssimulation ist ein umfangreicher Verständnisgewinn über den Zusammenhang zwischen Anströmsituation und Emissionsgeschehen zu erwarten. Durch die Standardisierung der Eingabeparameter und der Auswertung ist ein qualitativer Vergleich der Haltungsverfahren für Milchvieh untereinander möglich.