Wie man eine Solarpumpe baut

Siehe:

Howtopedia → How to Make a Solar Pump
└─ Howtopedia-deutsch → Wie man eine Solarpumpe baut

Solar (Photovoltaik) Wasserpumpen – Technische Kurzübersicht

Kurzbeschreibung

• Problem: Wasserförderung für abgelegene Gemeinden & Farmen
• Idee: Wasser mit Solarenergie pumpen
• Schwierigkeit: Sehr hoch (Dimensionierung der Anlage)
• Preisrahmen: Hoch
• Benötigte Materialien: Wasserpumpe, Solarmodule, Tauchmotor (divers)
• Geografisches Gebiet:
• Kompetenzen:
• Wie viele Personen?
• Wie lange dauert es?

Einführung

Wasserförderung hat eine lange Geschichte; es wurden viele Methoden entwickelt, um Wasser mit minimalem Aufwand zu pumpen. Diese nutzen verschiedene Energiequellen: menschliche Kraft, Tierkraft, Wasserkraft, Wind, Solarenergie und fossile Brennstoffe für kleine Generatoren. Die Vor- und Nachteile sind in Tabelle 1 zusammengefasst.

Tabelle 1: Vergleich der Pumpmethoden

	Vorteile	Nachteile
Handpumpen	• lokal herstellbar • leicht zu warten • geringe Anschaffungskosten • keine Treibstoffkosten	• Verlust menschlicher Produktivität • oft ineffiziente Nutzung von Brunnen • nur geringe Fördermengen möglich
Tiergetriebene Pumpen	• stärker als Menschen • geringere „Löhne“ als menschliche Kraft • Dung als Kochbrennstoff nutzbar	• Tiere müssen ganzjährig gefüttert werden • oft in kritischen Bewässerungszeiten anderweitig eingesetzt
Hydraulische Pumpen (z. B. Widderpumpen)	• unbeaufsichtigter Betrieb • leicht zu warten • geringe Kosten • lange Lebensdauer • hohe Zuverlässigkeit	• spezifische Standortbedingungen erforderlich • geringe Fördermenge
Windpumpen	• unbeaufsichtigter Betrieb • einfache Wartung • lange Lebensdauer • für lokale Herstellung geeignet • kein Treibstoffbedarf	• Wasserspeicher für windarme Perioden nötig • hoher Planungsaufwand • nicht einfach zu installieren
Solar-Photovoltaik	• unbeaufsichtigter Betrieb • geringe Wartung • einfache Installation • lange Lebensdauer	• hohe Anschaffungskosten • Wasserspeicher für bewölkte Perioden nötig • Reparaturen oft durch Fachkräfte
Diesel- und Benzinpumpen	• schnell und einfach zu installieren • geringe Anschaffungskosten • weit verbreitet • tragbar	• Treibstoffversorgung unzuverlässig und teuer • hohe Wartungskosten • kurze Lebensdauer • Lärm- und Abgasbelastung

Anwendungen

Solarpumpen werden hauptsächlich für drei Zwecke eingesetzt:

• Dorf-Wasserversorgung
• Viehtränke
• Bewässerung

Eine Solarpumpe für die Dorf-Wasserversorgung ist schematisch in Abbildung 1 dargestellt. Bei der Dorfversorgung gibt es ganzjährig konstanten Bedarf, aber Speicherung für sonnenarme Perioden ist nötig (in der Sahelzone Afrikas typisch 3–5 Tage Bedarf). In Gebieten mit Regenzeiten kann Regenwassersammlung die reduzierte Leistung ausgleichen. Die meisten der über 6000 installierten Solarpumpensysteme dienen Dorfversorgung oder Viehtränke.

Abbildung 1: Dorf-Wasserversorgung

Ein Solar-Bewässerungssystem (Abbildung 2) muss berücksichtigen, dass der Bewässerungsbedarf jahreszeitlich stark schwankt. Spitzenbedarf in der Bewässerungszeit oft mehr als doppelt so hoch wie der Durchschnitt. Dadurch sind Solarpumpen für Bewässerung die meiste Zeit unterausgelastet. Wichtig: Wasserverteilung und -ausbringung minimieren Verluste, ohne zusätzliche Förderhöhe zu erzeugen und kostengünstig bleiben.

Abbildung 2: Solar-Bewässerungssystem

Die Eignung gängiger Bewässerungsmethoden für Solarpumpen zeigt Tabelle 2.

Tabelle 2: Eignung gängiger Bewässerungsmethoden für Solarpumpen

Verteilungsmethode	Typische Anwendungseffizienz	Typische Förderhöhe	Eignung für Solarpumpen
Offene Kanäle	50–60 %	0,5–1 m	Ja
Sprinkler	70 %	10–20 m	Nein
Tröpfchen-/Tropfbewässerung	85 %	1–2 m	Ja
Überflutung	40–50 %	0,5 m	Nein

Die Technik

Systeme lassen sich grob in 5 Typen einteilen:

Tauch-Multistufen-Kreiselpumpensatz – Abbildung 3 Dies ist wahrscheinlich der häufigste Typ für Dorf-Wasserversorgung. Vorteile: Einfache Installation (oft mit flachem flexiblen Rohr), Motor/Pumpe unter Wasser → geschützt vor Beschädigung. AC- oder DC-Motoren möglich (bei AC Inverter nötig). Bei Bürsten-DC-Motoren alle ~2 Jahre Bürstenwechsel (Pumpe hochziehen). Bürstenlose DC-Motoren brauchen elektronische Kommutierung. Häufigstes System: AC-Pumpe + Inverter mit PV-Array < 1500 Wp.

Abbildung 3: Tauch-Multistufen-Kreiselpumpensatz

Tauchpumpe mit oberirdischem Motor – Abbildung 4 In den 1970er Jahren weit verbreitet in Westafrika (Sahel). Vorteil: Motor leicht zugänglich für Wartung (Bürstenwechsel). Nachteile: Geringere Effizienz durch Lagerreibung in der Welle, hohe Installationskosten. Wird zunehmend durch vollständig tauchbare Systeme ersetzt.

Abbildung 4: Tauchpumpe mit oberirdischem Motor

Hub-Kolbenpumpe (positive Verdrängung) – Abbildung 5 Sehr geeignet für hohe Förderhöhen und geringe Mengen (oft „Jack“ oder „Nodding Donkey“ genannt). Fördermenge proportional zur Pumpgeschwindigkeit. Bei hohen Köpfen sind Reibungsverluste gering im Vergleich zu hydrostatischen Kräften → oft effizienter als Kreiselpumpen. Erzeugt zyklische Last auf Motor → für Effizienz ausgleichen nötig. Oberirdische Teile daher schwer und robust; oft Leistungsregler für Impedanzanpassung.

Abbildung 5: Hub-Kolbenpumpe

Schwimmende Motor-Pumpensätze – Abbildung 6 Sehr flexibel für Bewässerung in Kanälen und offenen Brunnen. Leicht tragbar, kaum Trockenlauf-Risiko. Meist einstufige Tauch-Kreiselpumpe mit bürstenlosem (elektronisch kommutiertem) DC-Motor. Oft PV-Träger mit Griff oder Schubkarren-ähnlichem Gestell für Transport.

Abbildung 6: Schwimmende Motorpumpe

Oberflächen-Saugpumpensätze – Abbildung 7 Nur empfehlenswert, wenn immer jemand anwesend ist. Primärkammern und Rückschlagventile können Priming-Verlust verhindern, aber in der Praxis Probleme mit Selbstansaugen und Priming. Saugförderhöhe max. 8 m realistisch.

Abbildung 7: Saugpumpensätze

Leistung

Die Leistung einiger kommerzieller Produkte zeigt Abbildung 8. Solarpumpen fördern bis 200 m Höhe und bis 250 m³/Tag.

Abbildung 8: Pumpenleistung

Die Technik verbessert sich kontinuierlich. In den frühen 1980er Jahren lag der Wirkungsgrad (Solarenergie → hydraulische Energie) bei ca. 2 % (PV-Array 6–8 %, Motor/Pumpe 25 %). Heute erreichen effiziente Systeme >4 % täglich. Monokristalline Module >12 % Wirkungsgrad, Motor/Pumpen-Subsysteme 30–40 % Durchschnittswirkungsgrad.

Kosten

Ein PV-Pumpsystem für 25 m³/Tag bei 20 m Höhe braucht in Sahel-Regionen ca. 800 Wp PV-Array. Systempreis ca. 6000 US$ FOB. Weitere Beispiele in Tabelle 3.

Preisspanne entsteht durch Komponenten: Module, Pumpe, Motor, Rohre, Verkabelung, Steuerung, Tragstruktur, Verpackung. Größere Arrays haben oft niedrigeren €/Wp. Motor/Pumpensatz je nach Anwendung: Saugpumpe <800 US$, Tauch-Bohrlochpumpe >1500 US$.

Tabelle 3: Spezifikationen von Photovoltaik-Pumpsystemen

Motorpumpe / Konfiguration	Fördermenge (m³/Tag) bei 5 kWh/m²/Tag Einstrahlung	Höhe (m)	Solar-Array (Wp)	Systempreis US$ FOB
Tauch-Bohrloch-Motorpumpe	40 25	20 20	1200 800	7000–8000 6000–7000
Oberirdischer Motor / Tauchpumpe	60	7	840	5000–6000
Hub-Kolbenpumpe	6	100	1200	7500–9000
Schwimmende Motor/Pumpe	100 10	33	530 85	4000 2000
Oberflächen-Saugpumpe	40	4	350	3000

Beschaffung

Bedarfsermittlung Die Leistung hängt stark von guter Systemplanung ab (genaue Standort- und Bedarfsdaten). Wichtig: Präzise Annahmen zu Wasserverbrauch/Nutzungsmuster und Wasserverfügbarkeit (Brunnenertrag, erwarteter Absenkung).

Pro-Kopf-Trinkwasserbedarf variiert stark je nach Verfügbarkeit. Langfristiges Ziel: ausreichend für Trinken, Waschen, Sanitär. Kurzfristig oft 40 Liter/Person/Tag → Dorf mit 500 Einwohnern = 20 m³/Tag. Meist kombiniert mit Viehtränke.

Bewässerungsbedarf hängt von Kulturarten, Grundwasserbeitrag und Effizienz der Verteilung/Ausbringung ab. Konsultiere lokale Experten oder FAO-Dokument „Crop Water Requirements“ (J. Doorenbos, W.O. Pruitt, FAO Rom, 1977).

Wasserverfügbarkeit prüfen Mehrere Parameter messen: Tiefe des Wasserspiegels unter Gelände, Höhe des Speichertanks/Auslass über Gelände, saisonale Schwankungen. Bei Brunnen/Bohrungen: Absenkung (Drawdown) nach Pumpstart berücksichtigen (Verhältnis Pumpenrate zu Nachfüllrate). Wassernutzungsmuster für Speicherplanung: 2–5 Tage Bedarf als Puffer für bewölkte Tage.

Dimensionierung von Solarpumpen

Benötigte hydraulische Energie (kWh/Tag)

= Volumen (m³/Tag) × Höhe (m) × Wasserdichte × Erdbeschleunigung / (3,6 × 10⁶)
= 0,002725 × Volumen (m³/Tag) × Höhe (m)

Benötigte PV-Array-Leistung (kWp) =

Hydraulische Energie (kWh/Tag) / (F × E × tägliche Einstrahlung (kWh/m²/Tag))

wobei F = Array-Mismatch-Faktor = 0,85 im Durchschnitt E = täglicher Subsystem-Wirkungsgrad = 0,25–0,40 typisch

Wirtschaftlichkeit

Photovoltaik-Pumpen sind im Vergleich zu Dieselpumpen wirtschaftlich bis ca. 3 kWp (Dorfversorgung) und bis ca. 1 kWp (Bewässerung).

Referenzen

Roy Barlow, Bernard McNelis und Anthony Derrick: Solar Pumping. An introduction and update on the technology, performance, costs and economics. IT Publications, 1993 Peter Fraenkel: Water Pumping Devices. A handbook for users and choosers. ITDG Publishing, 1997. Jeff Kenna und Bill Gillett: Solar Water Pumping. A handbook. IT Publications, 1985. U.R.S. Rentch: Solar Photovoltaics for Irrigation Water Pumping. SKAT, St. Gallen, 1982. Groundwater: Waterlines, Vol.20, No.2, Oktober 2001, ITDG Publishing

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

The International Solar Energy Society (ISES)
International Headquarters, Villa Tannheim, Wiesentalstr. 50, 79115 Freiburg, Deutschland.
Tel: +49 - 761 - 45906-0
Fax: +49 - 761 - 45906-99
Web: http://www.ises.org/

International Centre for Application of Solar Energy (CASE)
Level 8, 220 St Georges Terrace, Perth WA 6000, Australien.
Tel: +61 (08) 9321 7600
Fax: +61 (08) 9321 7497
Web: http://www.case.gov.au

HTN/SKAT
Vadianstrasse 42, CH-9000 St. Gallen, Schweiz.
Tel: +41 71 228 54 54
Fax: +41 71 228 54 55
Web: http://www.skat.ch/htn

Lifewater International
2840 Main Street, Morro Bay, CA 93442, USA
Mailing: PO Box 3131, San Luis Obispo, CA 93403, USA
Tel: +1 805 772 0600, +1 888 543 3426
Fax: +1 805 772 0606
Web: http://www.lifewater.org/

Lieferanten von Photovoltaik-Pumpen

Hinweis: Auswahl ohne Empfehlung durch Practical Action.

AEG,
Industriestrasse 29, D-2000 Wedel, Holstein, Deutschland.
Tel: +49 41 03 7021
Fax: +49 41 03 84 474

A.Y. MacDonald Manufacturing Company,
4800 Chavenelle Road, Dubuque, IA 5200, USA.
Tel: +1 319 583 7311
Fax: +1 319 588 0720
Web: http://www.aymcdonald.com

BP Solar,
P.O. Box 191, Chertsey Road, Sunbury-on-Thames TW16 7XA, Vereinigtes Königreich.
Tel: +44 1932 779543
Fax: +44 1932 762686
Web: http://www.bpsolar.com

Grundfos International A/S,
Poul Due Jensens Vej 7, Bjerringbro, DK-8850 Dänemark
Tel: +45 86 68 1400
Fax: +45 86 68 0468
Web: http://www.grundfos.com

Italsolar,
Via A D'Andrea, 6 Nettuno 00048, Italien
Tel: +39 6 985 0246
Fax: +39 6 985 0269

Mono Pumps Ltd., P.O. Box 14, Martin Street, Audenshaw, Manchester M34 5DQ, Vereinigtes Königreich.
Tel: +44 (0)161 339 9000
Fax: +44 (0)161 344 0727
Web: http://www.mono-pumps.com

Siemens Solar GmbH,
Frankfurter Ring 152, 80807 München, Deutschland
Tel: +49 89 636 59158
Fax: +49 89 636 59173
Web: http://www.solarpv.com

Total Energie,
7 Chemin du Plateau, 69570 Dardilly, Frankreich
Tel: +33 4 7252 1320
Fax: +33 4 7864 9100
Web: http://www.total-energie.com

Deeplink:

http://de.howtopedia.org/wiki/Wie_baut_man_eine_Solarpumpe