Windpumpen – Technische Zusammenfassung

Siehe:

Howtopedia → How to Build a Windpump (Principles)
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Kurzbeschreibung

• Problem: Wasserförderung
• Idee: Windenergie zum Pumpen von Wasser nutzen
• Schwierigkeit: Hoch
• Preisrahmen: Mehr als 200 $
• Benötigte Materialien:
• Geografisches Gebiet: Weltweit, wo ausreichend Wind vorhanden ist
• Kompetenzen:
• Wie viele Personen? Bis zu 5
• Wie lange dauert es?

Windpumpen – Technische Kurzübersicht

Einführung

Die Windkrafttechnologie reicht viele Jahrhunderte zurück. Es gibt historische Hinweise, dass Windmaschinen bereits zur Zeit der alten Ägypter existierten. Hero von Alexandria nutzte eine einfache Windmühle, um eine Orgel anzutreiben, und der babylonische Kaiser Hammurabi setzte bereits im 17. Jahrhundert v. Chr. Windmühlen für ein ehrgeiziges Bewässerungsprojekt ein. Die Perser bauten im 7. Jahrhundert n. Chr. Windmühlen zum Mahlen und zur Bewässerung; rustikale Mühlen ähnlich diesen frühen vertikalachsigen Bauweisen gibt es in der Region noch heute. In Europa tauchten Windmühlen deutlich später auf – wahrscheinlich wurden sie von den Engländern nach ihrer Rückkehr aus den Kreuzzügen im Nahen Osten eingeführt oder von den Muslimen nach der Eroberung der Iberischen Halbinsel nach Südeuropa gebracht. In Europa fand dann die meiste technische Weiterentwicklung statt. Ende des 13. Jahrhunderts hatte sich die typische „europäische Windmühle“ entwickelt und blieb bis ins 18. Jahrhundert der Standard. Ende des 19. Jahrhunderts gab es in Europa mehr als 30.000 Windmühlen, die hauptsächlich zum Getreidemahlen und zum Pumpen von Wasser genutzt wurden. In der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts gab es weitere Entwicklungen, insbesondere den Übergang zu Propeller-Typen für die Stromerzeugung.

Die größten Fortschritte beim Design von Windpumpen fanden jedoch in den USA statt. Die Technologie wurde von den frühen Siedlern und Pionieren aufgegriffen, die eine Methode brauchten, um Grundwasser für die Bewässerung, die Viehtränke und später für Dampflokomotiven zu fördern. Es gab mehrere bedeutende technische Verbesserungen: automatische Ausrichtung in den Wind, selbstregelnde Mechanismen, die die Maschine bei zu starkem Wind aus dem Wind drehen, Verbesserungen am Rotor und allgemeine Haltbarkeit sowie Getriebe. Die Technologie verbreitete sich weltweit, besonders in neu besiedelten ariden Regionen wie Südafrika, Australien und Argentinien, wo Wassermangel zuvor Siedlung und wirtschaftliche Entwicklung verhindert hatte. In den 1920er Jahren waren allein in den USA 6 Millionen Windpumpen im Einsatz und ihre Herstellung und Nutzung war auf allen Kontinenten alltäglich.

Doch der Ruhm der Windpumpe war kurzlebig. Mit dem Aufkommen billiger fossiler Brennstoffe in den 1950er und 1960er Jahren und der Weiterentwicklung von Pumptechnologien wurde die Windpumpe in den USA fast obsolet. Heute gibt es durch regelmäßige Brennstoffkrisen und steigende Preise ein erneutes Interesse an Windkraft, doch die Windpumpe hat ihren früheren Status noch nicht wieder erreicht.

Windpumpen für ländliche Gebiete in Entwicklungsländern

In mehreren Entwicklungsländern gibt es inzwischen Hersteller von Windpumpen. Die Verbreitung von Windmaschinen zur Wasserförderung verläuft jedoch insgesamt sehr langsam, obwohl die Technologie gut zu den Bedürfnissen vieler Regionen in Afrika, Asien und Lateinamerika passt. Wo sie eingesetzt werden, dienen sie meist einem der folgenden Zwecke:

• Dorf-Wasserversorgung
• Bewässerung
• Viehtränke

Die Wasserförderung ist eine der grundlegendsten und am weitesten verbreiteten Energiebedürfnisse in ländlichen Gebieten weltweit. Schätzungen zufolge hat die Hälfte der Weltbevölkerung auf dem Land keinen Zugang zu sauberem Wasser.

Windpumpen arbeiten nach zwei Hauptprinzipien:

1. Schraubentyp (für langsam laufende alte landwirtschaftliche Wasserpumpen – viele sind heute noch im Einsatz)
2. Stromerzeugung, dann Nutzung des Stroms für eine elektrische Pumpe.

Weitere Pumpmethoden sind in Kombination mit traditionellen Getreide-/Maismahl-Windmühlen möglich.

Technik

Die Kraft des Windes

Die Windsysteme auf der Erdoberfläche entstehen durch Luftdruckunterschiede, die wiederum durch unterschiedliche Sonneneinstrahlung verursacht werden. Warme Luft steigt auf, kühlere strömt nach. Wind ist also lediglich die Bewegung von Luft von einem Ort zum anderen. Es gibt globale Windmuster durch großräumige Sonneneinstrahlung und jahreszeitliche Schwankungen sowie lokale Windmuster durch Temperaturunterschiede zwischen Land und Meer oder Bergen und Tälern.

Windgeschwindigkeitsdaten erhält man aus Windkarten oder vom Wetterdienst. Leider sind Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit dieser Daten in vielen Regionen der Welt sehr schlecht. Dennoch gibt es große Gebiete mit mittleren Windgeschwindigkeiten über 3 m/s, die Windpumpen wirtschaftlich attraktiv machen. Vor jeder Entscheidung sollte man genaue Winddaten des Standorts ermitteln (siehe Abschnitt „Literatur und Ressourcen“).

Die Leistung im Wind ist proportional zu:

• der vom Wind überstrichenen Fläche der Windmühle
• dem Kubus der Windgeschwindigkeit
• der Luftdichte (variiert mit der Höhe)

Die Formel für die Leistung im Wind lautet:

P_W = ½ ρ A V³

wobei:

• P_W = Leistung im Wind in Watt (W)
• ρ = Luftdichte in kg/m³
• A = überstrichene Rotorfläche in m²
• V = Windgeschwindigkeit in m/s

Dass die Leistung proportional zum Kubus der Windgeschwindigkeit ist, ist sehr bedeutend: Verdoppelt sich die Windgeschwindigkeit, steigt die Leistung um das Achtfache!

Wind in Watt umwandeln

Die obige Formel gibt die Leistung im Wind an, die tatsächlich nutzbare Leistung ist jedoch deutlich geringer. Sie hängt ab von Maschinentyp, Rotor, Blatt-Design, Reibungsverlusten, Pumpenverlusten usw. Theoretisch kann maximal 59,3 % der Windleistung genutzt werden (Betz-Grenze). Bei Windpumpen liegt der Wirkungsgrad realistisch meist bei 30–40 %, bei großen Strom-Windrädern bis ca. 45 %.

Die nutzbare Leistung der Maschine lautet daher:

P_M = ½ · C_p · ρ · A · V³

wobei:

• P_M = Leistung der Maschine in Watt
• C_p = Leistungskoeffizient (Wirkungsgrad) der Windmaschine

Da die Windgeschwindigkeit schwankt, arbeitet eine Windmaschine nur einen Bruchteil der Zeit mit Maximalwirkungsgrad. Eine grobe Abschätzung der durchschnittlichen Jahresleistung liefert:

P_A = 0,1 · A · V³

wobei:

• P_A = durchschnittliche Jahresleistung in Watt
• V = mittlere Jahreswindgeschwindigkeit in m/s

Grundprinzipien der Windenergieumwandlung

Es gibt zwei Hauptprinzipien, um Energie aus dem Wind zu gewinnen: Auftrieb (Lift) oder Widerstand (Drag) – oder eine Kombination. Der Unterschied zeigt sich z. B. beim Spinnaker-Segel (Drag, füllt sich wie ein Fallschirm) vs. Bermuda-Rigg (Lift, effizient quer zum Wind).

Auftriebskräfte sind effizienter als Widerstandskräfte: • Widerstand wirkt in Windrichtung • Auftrieb wirkt senkrecht zur Windrichtung • Gute Tragflächen erzeugen bis zu 30-mal mehr Auftrieb als Widerstand • Auftriebsgeräte sind generell effizienter

Rotor-Typen und Eigenschaften Es gibt zwei Hauptfamilien: Vertikalachs- und Horizontalachs-Maschinen. Beide können Auftrieb oder Widerstand nutzen. Am häufigsten ist der Horizontalachs-Auftriebs-Rotor.

Wichtige Kenngrößen:

• Spitzen-Geschwindigkeits-Verhältnis (Tip-speed ratio): Verhältnis Rotorspitzen-Geschwindigkeit zu Windgeschwindigkeit. Widerstands-Rotoren < 1, Auftriebs-Rotoren bis 13:1.
• Leistungskoeffizient C_p: Anteil der Windleistung, den der Rotor nutzt (max. theoretisch 59,3 %, real 25–45 %).
• Solidität (Solidity): Prozentsatz der Rotorfläche, der mit Material gefüllt ist (nicht Luft). Hohe Solidität = viel Material, grobe Blattwinkel, hohes Anlaufmoment, geringerer Wirkungsgrad.

Abbildung 1: Rotor mit niedriger Solidität ©Practical Action

Abbildung 2: Rotor mit hoher Solidität ©Practical Action

Typ	Geschwindigkeit	Drehmoment	Cp	Solidität (%)	Verwendung
Horizontalachse
Mehrblatt-Rotor	Niedrig	Hoch	0,25–0,4	50–80	Mechanische Leistung
Dreiblatt-Tragflächen-Rotor	Hoch	Niedrig	bis 0,45	< 5	Stromerzeugung
Vertikalachse
Panemone	Niedrig	Mittel	< 0,1	50	Mechanische Leistung
Darrieus	Mittel	Sehr niedrig	0,25–0,35	10–20	Stromerzeugung

Tabelle 1: Vergleich der Rotor-Typen

Wasserförderung

Abstimmung von Rotor und Pumpe

Bei der Installation einer Windpumpe ist es entscheidend, Pumpe und Windmaschine aufeinander abzustimmen. Am häufigsten wird die Kolbenpumpe (besonders bei Bohrbrunnen) eingesetzt. Sie benötigt beim Anlauf hohes Drehmoment (Gewicht der Pumpenstangen + Wasser), danach sinkt der Bedarf durch die Schwungmasse.

Andere Typen: Schneckenpumpe (Mono), Kreiselpumpe – teurer, seltener.

Abbildung 3 zeigt eine typische moderne Mehrblatt-Windpumpe mit hoher Solidität → hohes Anlaufmoment, niedrige Drehzahl – ideal für Kolbenpumpen.

Zur Dimensionierung braucht man: • Förderhöhe (in Metern) • tägliches Wasservolumen (in m³)

Energiebedarf (Meereshöhe, Näherung):

E = 0,002725 × Volumen × Höhe (in kWh)

Förderhöhen reichen von wenigen Metern bis >100 m, Volumen von wenigen m³/Tag (Haushalt) bis mehrere Hundert m³ (Bewässerung).

Aufbau einer Windpumpe

Am häufigsten wird aus einem Bohrbrunnen gepumpt. Klassische Mehrblatt-Farm-Windpumpe pumpt in einen erhöhten Speichertank. Rotor-Durchmesser meist 1,5–8 m (selten >4–5 m). Kraftübertragung über Getriebe oder Direktantrieb. Schwanzflosse (Tail vane) richtet Rotor in den Wind und furlt bei Starkwind automatisch aus.

Abbildung 3: Die Kitjito-Windpumpe. Wird in der Bhel-Region von Turkana zur Grundwasserförderung für nomadische Hirten eingesetzt ©Practical Action

Windpumpen mit Strom

Alternative: Aerogenerator erzeugt Strom für eine elektrische Pumpe. Vorteil: Strom auch für andere Zwecke nutzbar, Speicherung in Batterien möglich – aber teurer.

Weitere Themen

Ressourcen-Management

• Tiefes Grundwasser kann fossilen Ursprungs sein (über Jahrtausende gespeichert) oder erneuerbar (Grundwasserleiter füllt sich in Regenzeit wieder auf).
  

Im ersten Fall: endliche Ressource → sehr sorgfältig nutzen.
Im zweiten Fall: Regenwasser-Infiltration im gesamten Einzugsgebiet verbessern (Rückhaltebecken, kleine Staudämme, Kontur-Hecken wie Vetivergras) → regelmäßige Grundwasser-Neubildung fördern.

• Wichtig bei beiden Typen: Verschmutzungsrisiko durch organische Stoffe oder Chemikalien (Waschmittel, Pestizide, Dünger).

Lokale Herstellung

Windpumpen werden weltweit in kleinen Stückzahlen produziert. Es gibt Export-Hersteller in Europa, Australien, Südafrika und USA, aber auch Produzenten in Entwicklungsländern. Beispiel: RIIC (Rural Industries and Innovations Centre) in Botswana. Erfolgsstory: Kijito-Windpumpe aus Kenia (entwickelt von ITDG/Practical Action + Bobs Harries Engineering Ltd., heute ca. 25–50 Stück/Jahr).

Eigentum, Nutzung, Wartung und Umweltauswirkungen Nutzerperspektive – Windpumpen in Botswana Eine Umfrage unter Besitzern/Nutzern ergab: 54 % Haushalte, 23 % Bauerngruppen/Syndikate, 23 % Gemeinden. 85 % gekauft, Rest gespendet. 56 % selbst finanziert oder Kredit, 18 % Gruppenbeiträge. Meist von RIIC bezogen. Installation meist durch RIIC (69 %). 92 % zufrieden mit Installation. Schulung: 39 % durch Lieferant, 31 % Selbststudium, 8 % lokale Techniker. Alle nutzen für Viehtränke, Bewässerung und Haushalt. 92 % sahen deutliche Verbesserung der Wasserversorgung, 84 % Bedarfsdeckung. 31 % vollständig abhängig, 69 % mit Alternativen. Hauptvorteil: geringe Betriebskosten. Problem: häufige Ausfälle (46 % 1×/Jahr, 31 % 2×, 23 % >3×). Reparaturen meist RIIC (54 %) oder lokal. Umwelt: 85 % finden Landschaft schöner, 15 % neutral. Keine negativen Auswirkungen. 92 % finden Lärm unproblematisch. Hemmnisse: fehlende Politik, mangelndes Bewusstsein, hohe Wartungskosten, unzureichende Windverhältnisse.

Quelle: Mosimanyane et al. 1995 (zitiert in Karekezi & Ranja 1997)

Literatur und Ressourcen

Dieser Howtopedia-Artikel basiert auf dem Practical Action Technical Brief „Windpumping“.

Originaldokument: http://www.practicalaction.org/?id=technical_briefs_energy

1. P. Fraenkel, R. Barlow, F. Crick, A. Derrick und V. Bokalders: Windpumps – A guide for development workers. ITDG Publishing, 1993 2. David, A. Spera: Wind Turbine Technology, fundamental concepts of wind turbine engineering. ASME Press, 1994 3. E. W. Golding: The Generation of Electricity by Wind Power. Redwood Burn Limited, Trowbridge, 1976 4. Hugh Piggot: Windpower Workshop, building your own wind turbine. Centre for Alternative Technology, 1997 5. S. Karekezi und T. Ranja: Renewable Energy Technologies in Africa. AFREPREN / SEI, 1997 6. C. Borg und H. Oden: The Kijito Windpump – A Private Initiative in Kenyan Rural Water Supply, Master's Thesis, Chalmers University of Technology, Göteborg, 1995 7. Paul T. Smulders und Jan de Jongh: Wind Pumping: Status, Prospects and Barriers, Renewable Energy, Vol. 5 Part 1, S. 587–594, 1994

Hersteller

Hinweis: Auswahl ohne Empfehlung durch Practical Action.

Bosman Watermanagement BV, www.bosman-water.nl, Niederlande – Wasserpumpen mit Großvolumen-Kreiselpumpe
Neale Consulting Engineers Ltd., Vereinigtes Königreich – Poldaw 3,5 m Windpumpe
Southern Cross Industries (Pty.) Ltd., Südafrika
Bobs Harries Engineering Ltd. – Kijito Windpumps, Kenia, http://www.kijitowindpower.com
The Rural Industries Innovations Centre, Botswana, http://www.ripco.co.bw
Abachem Engineering Ltd., Vereinigtes Königreich
Stewarts & Lloyds, Simbabwe – IT Windpump
Practical Action, Vereinigtes Königreich, http://www.practicalaction.org

Nützliche Adressen

Practical Action
The Schumacher Centre for Technology & Development, Bourton on Dunsmore, RUGBY, CV23 9QZ, Vereinigtes Königreich
Tel.: +44 (0) 1926 634400, Fax: +44 (0) 1926 634401
E-Mail: practicalaction@practicalaction.org.uk
Web: www.practicalaction.org

Deeplink:

http://de.howtopedia.org/wiki/Wie_baut_man_eine_Windpumpe_(Grundlagen)

Videobeitrag

Funktionsweise einer Windpumpe

Quelle: https://www.youtube.com/watch?v=BugXmDxC0WM