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Digitalisierung in der Forstwirtschaft - Ein Versuch die Prozesse der vollmechanisierten Holzernte zu verstehen

Die zunehmende Digitalisierung hält Einzug in forstwirtschaftliche Prozessabläufe und verändert die Arbeit im Wald. Das Ziel besteht zum einen in einer effizienteren Nutzung unserer natürlichen Ressourcen. Zum anderen steht eine Erhöhung der Wirtschaftlichkeit der Forstbetriebe im Vordergrund. Die Digitalisierung beeinflusst mittlerweile die gesamte Wertschöpfungskette von der Holzernteplanung bis hin zur Verarbeitung in den Sägewerken. Computergestützte Entscheidungshilfemodelle bei der Holzbereitstellung können sowohl den Primärproduzenten als auch den Logistikern und den Holzbe- und -verarbeitern schon heute in Fragen der Holzmobilisierung wertvolle Informationen liefern. Der Schlüssel zum Erfolg digitaler Produktketten liegt in der Qualität der Daten, mit denen die einzelnen Prozessschritte modelliert werden. Für die Entwicklung solcher Modelle sind eine solide Datengrundlage sowie genaue Kenntnis über den Ablauf der forstlichen Prozesse unabdingbar.

Insbesondere für die ersten Prozesse der Wertschöpfungskette, also die Holzernte und die Holzbereitstellung zum Waldweg, sind jedoch wenig belastbare Studien vorhanden. Im Forschungsprojekt „GerLau“ (gefördert durch das Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL)) wird seit April 2016 die Wertschöpfungskette Laubholz wissenschaftlich untersucht. Ziel ist es, die Holzaufarbeitung in relevante Prozesse einzuteilen und diese einzeln zu analysieren, um die benötigte Dauer und damit die größten Kostentreiber bei der vollmechanisierten Laubholzernte zu identifizieren.

Kurzer Abriss über aktuelle Entwicklungen in der forstlichen Digitalisierung

Die IT-Lösungen beschäftigen sich mit dem Simulieren und Optimieren von Holz-Wertschöpfungsketten, insbesondere der Holz-Logistik. Ihr Ziel ist es, den Waldbewirtschafter, Logistiker und Holznutzer in allen Entscheidungen entlang der Wertschöpfungskette zu unterstützen. Lösungen bieten beispielsweise die Produkte von Intend oder Trimble Forestry. Sie unterstützen den Holzproduzenten bei der operationalen und mittelfristigen Planung. Die Programme sind modular aufgebaut und bieten zusätzliche Funktionen wie die Durchführung von Holzaufnahme oder Holzverkauf über die Software. Eine Verbesserung der Holzlogistik wird beispielsweise durch eine Navigationslösung der NavLog GmbH erreicht. Diese bietet waldbesitzarten-übergreifende Waldwegedaten an, die zusätzlich mit dem öffentlichen Straßennetz verknüpft sind. Mittlerweile nutzt nach Angaben der Hersteller rund ein Viertel aller deutschen Holz-LKW den Nav-Log-Datensatz. Andere Firmen wie die REVIERWELT MEDIA GmbH stellen IT-Lösungen vor, die sich mit dem Thema Jagdplanung und -dokumentation beschäftigen.

Die Digitalisierung findet außerdem zunehmend in den forstlichen Arbeitsgeräten statt. Neben der bereits etablierten elektronischen Kluppe werden auch Kettensägen immer digitaler. Husqvarna bietet mit „Fleet Services“ die Möglichkeiten, Maschinendaten, wie die Laufleistung der Maschine, zu analysieren. Über einen Sensor am Gerät werden die Daten in eine Cloud geladen und können dann in einem personalisierten Webportal angezeigt und ausgewertet werden. Im Blickpunkt der Digitalisierung steht jedoch besonders die Effizienzsteigerung von forstlichen Großmaschinen. Die Vernetzung von Harvestern und Forwardern liefert wertvolle Informationen für Waldbewirtschafter und Holzlogistiker und gewinnt immer mehr an Bedeutung. Dabei liegt insbesondere in der computergestützten Planung der hochmechanisierten Holzernte mit Harvester und Forwarder ein großes Einsparpotenzial, da eine ungenügende Auslastung der Erntemaschinen schnell zu sehr hohen Holzerntekosten führen kann. In diesem Zusammenhang wird klar, dass die intensive, wissenschaftliche Auseinandersetzung mit den Arbeitsschritten der hochmechanisierten Holzernte längst überfällig ist, um Antworten auf viele praktische Fragen zu finden: Welche Waldparameter haben Einfluss auf die Effizienz der Holzernte? Und lohnt es sich wirtschaftlich, ein zusätzliches Sortiment im eigenen Wald auszuhalten? Aus diesem Grund beschäftigt sich das Projekt „GerLau“ mit der Frage der Prozessanalyse bei der vollmechanisierten Laubholzernte.

Forschungstätigkeiten im Projekt „GerLau“

An der Abteilung Forstökonomie und Forsteinrichtung der Universität Göttingen wurde ein Versuchsaufbau entwickelt, bei dem alle Arbeitsprozesse der Erntemaßnahmen mit einer Kamera aus dem Harvestercockpit gefilmt und im Nachgang am PC ausgewertet werden. Mit diesem Datenmaterial kann eine Prozesszeitenanalyse für die vollmechanisierte Laubholzernte durchgeführt werden. Ziel ist es, die wichtigsten Zeit- und damit Kostenfaktoren bei der vollmechanisierten Ernte von Buchenholz (Fagus sylvatica) von der Fällung bis hin zum Ablegen des letzten Kronensortimentes zu identifizieren und zu quantifizieren. Der Feldversuch fand auf Flächen der niedersächsischen Landesforsten (NLF) des Forstamtes Münden mit einem Starkholz-Harvester des Typs John Deere 1270E IT4 statt. Die Erntemaschine war mit einem 10 m langen Ausleger CH7 und dem Starkholzaggregat Waratah H480C ausgestattet. Bei der Probefläche handelte es sich um einen Buchenbestand im Alter von 66 bis 81 Jahren der Leistungsklasse 10 mit geringer einzelbaumweiser Fichtenbeimischung. In der ausgezeichneten Versuchsfläche wurden in einem ersten Schritt verschiedene Eigenschaften der Entnahmebäume aufgenommen. Zusätzlich wurden die Bäume für die spätere Zuordnung bei der Videoauswertung mit einer fortlaufenden Nummer gekennzeichnet. Im Anschluss erfolgte die maschinelle Ernte der ausgezeichneten Bäume auf der Versuchsfläche. Die Arbeitsabläufe des Harvesters wurden mit einer an der Windschutzscheibe der Fahrerkabine installierten Videokamera gefilmt (GoPro Hero 2 HD, Abbildung 1).

Nach der Erntemaßnahme erfolgte die Aufnahme der liegenden Sortimente. Dabei wurden Sortiment, Güte, Länge und Mittendurchmesser für jeden Abschnitt vermerkt und der entsprechenden Baumnummer zugeordnet. Um eine statistische Auswertung der Prozesszeiten für die Aufarbeitung zu ermöglichen, wurden einheitliche Phasen des Aufarbeitungsprozesses definiert (Tabelle 1). Alle Zeiten wurden nach den Maßgaben der zuvor definierten Schritte manuell mit einem Videoschnittprogramm ausgewertet. Zusätzliche Ereignisse, die sich keinem Prozessschritt zuordnen ließen (z. B. technische Wartung oder Pausenzeiten), wurden als eigene Kategorie vermerkt.

Tabelle 1: Prozessschritte bei der Aufarbeitung.

Anfahrt Fahrt zum nächsten Baum. Endet mit dem Schließen des Aggregats um den Baum.
Fällung Folgt auf die Anfahrt. Endet mit dem Anfahren der Aggregatwalzen zur Aufarbeitung des ersten Abschnittes.
Sortiment-Aushalten Beginnt mit dem Anfahren der Aggregatwalzen. Endet beim Einklappen der Säge nach dem Trennschnitt.
Umgreifen Beginnt mit dem Öffnen der Aggregatwalzen innerhalb der Aufarbeitung. Endet mit dem Anfahren der Walzen zur Aufarbeitung des nächsten Sortiments.
Kronenrest Ist das letzte Stück des Baumes, bei dem kein Sortiment mehr ausgehalten wird. Endet mit Öffnen der Aggregatwalzen beim Fallenlassen des Kronenrestes.

Erste Ergebnisse

Der durchschnittliche Zeitverbrauch, berechnet als einfacher arithmetischer Mittelwert der Prozesszeiten (Fällung, Sortiment-Aushalten, Kronenrest), stellte sich in dieser Fallstudie wie folgt dar (Tabelle 2):

Tabelle 2: Ergebnisse der Prozessschritte. Bäume, bei denen im Laufe der Aufarbeitung umgegriffen werden musste, sind in diesen Mittelwerten nicht berücksichtigt.

Prozessschritt Zeit absolut (Sek.) Zeit relativ (%)
Fällung 19,5 31,0
Sortiment 37,2 59,1
Kronenreste 6,2 9,9
Summe 62,9 100

Tabelle 2 zeigt deutlich, dass die Fällung rund ein Drittel der gesamten Aufarbeitungszeiten eines Baumes vereinnahmte. Den geringsten Zeitbedarf beanspruchte das Ablegen der Kronenreste. Bei rund einem Drittel der Einzelbäume (21 Stück) musste der Fahrer mit dem Aggregat mindestens einmal umgreifen, um den Baum weiter aufarbeiten zu können. Starkäste, Zwiesel oder sonstige Kronenformen, die ein Umgreifen des Harvesteraggregates erzwingen, führten im Schnitt zu einem relativen zeitlichen Mehraufwand von 17 Prozent je Einzelbaum.

Zusammenfassung

Es ist festzustellen, dass die Digitalisierung in der Forstbranche in vollem Gange ist. Die vorgestellten Ergebnisse machen dabei deutlich, dass Grundlagen für solche Wertschöpfungspotentiale geschaffen werden müssen. Erst wenn ein Prozess genau analysiert ist, können Überlegungen für eine Rationalisierung getroffen werden.Schlussendlich gilt ein besonderer Dank dem Fahrer des Harvesters Thomas Wollborn, der diese Studie mit seinem persönlichen Einsatz erst ermöglicht hat. Zusätzlicher Dank gebührt Herrn Rainer Uebel, dem Revierleiter von den NLF, für die stetige Unterstützung. Abschließender Dank gilt dem Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft für die Förderung des Forschungsvorhabens im Rahmen des Verbundprojektes „GerLau“.

Autor: Fabian Böttcher, fboettc@gwdg.de
F. Böttcher, M. Sc., ist wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Abteilung für Forstökonomie und Forsteinrichtung der Georg-August-Universität Göttingen.