Sind Solar-Kreiselpumpen für den Wassertransport über lange Strecken geeignet?

Wenn Sie jemals auf ein ausgedörrtes Feld starrten, das sich kilometerweit von der nächsten Wasserquelle entfernt erstreckt, oder auf ein abgelegenes Dorf, in dem jeder Tropfen Wasser eine lange, anstrengende Reise vom Hauptgrundwasserleiter erfordert, haben Sie sich wahrscheinlich gefragt: Können Solarkreiselpumpen diese Art der Wasserförderung über große Entfernungen wirklich bewältigen? Als Anbieter von Solarpumpenlösungen erhalte ich diese Frage ständig – oft von Landwirten in trockenen Regionen, von Gemeindevorstehern, die ländliche Wassersysteme planen, oder von Kleinunternehmern, die ihre Energiekosten senken und gleichzeitig Wasser weit von seiner Quelle entfernen möchten. Jahrelang galt die gängige Meinung, dass Solarenergie nur für kurze Anwendungen mit geringem Hubraum geeignet sei, aber die Technologie hat einen langen Weg zurückgelegt, undSolarkreiselpumpenstehen im Mittelpunkt dieses Wandels. Sehen wir uns an, ob diese Pumpen dem Hype um Fernübertragungen gerecht werden, wo ihre Grenzen liegen und wie sie im Vergleich zu anderen Solarpumpenoptionen da draußen abschneiden.

Lassen Sie uns zunächst klarstellen, was „Wassertransport über große Entfernungen“ in diesem Zusammenhang eigentlich bedeutet. Für die meisten Benutzer bedeutet das, Wasser 1 bis 5 Meilen von der Quelle bis zum Verbrauchsort zu transportieren, manchmal mit moderaten Höhenunterschieden auf dem Weg. Dabei handelt es sich nicht um riesige Projekte mit Hunderten von Kilometern Länge, bei denen Diesel- oder netzbetriebene Pumpen in der industriellen Landwirtschaft eingesetzt werden, sondern um einen Bereich, der für Kleinbauernhöfe, ländliche Gemeinden und netzunabhängige Betriebe von entscheidender Bedeutung ist, bei denen die Verlegung von Pipelines entlang von Stromleitungen unpraktisch oder unerschwinglich teuer ist. Vor ein paar Jahren arbeitete ich mit einem Baumwollbauern in West-Texas zusammen, dessen Felder 3 Meilen von einem saisonalen Grundwasserleiter entfernt waren; Er hatte eine Dieselpumpe benutzt, die ihn monatlich 1.200 US-Dollar an Treibstoff kostete, zuzüglich regelmäßiger Wartung. Als er auf eine Solarkreiselpumpe umstieg, bewegte er jeden Tag die gleiche Wassermenge und seine monatlichen Energiekosten sanken auf Null. Aber dieser Erfolg war kein Zufall – er beruhte auf dem Verständnis, wie Solarkreiselpumpen funktionieren und wie man sie für lange Laufzeiten richtig dimensioniert.

Solarkreiselpumpen funktionieren nach einem einfachen Prinzip: Rotierende Laufräder erzeugen eine Zentrifugalkraft, die Wasser nach außen drückt und Druck aufbaut, um es durch Rohre zu bewegen. Im Gegensatz zu Verdrängerpumpen (die sich besser für Anwendungen mit hohem Druck und geringem Durchfluss eignen) sind Kreiselpumpen für hohe Durchflussraten bei mäßigem bis niedrigem Druck ausgelegt – Moment mal, das klingt für Langstreckenläufe nach einem Widerspruch, oder? Denn je weiter man Wasser bewegt, desto größer ist der Reibungsverlust in den Rohren. Das ist ein entscheidender Punkt: Reibungsverluste sind der größte Feind des Wassertransports über große Entfernungen, nicht nur die Höhe. Jeder Fuß Rohr fügt einen kleinen Widerstand hinzu, und über 3 Meilen summiert sich dieser schnell. Ein standardmäßiges 4-Zoll-PVC-Rohr verliert beispielsweise etwa 0,15 psi pro 100 Fuß bei einer Durchflussrate von 50 Gallonen pro Minute (gpm). Multiplizieren Sie das mit 15.840 Fuß (3 Meilen), und Sie sehen einen Reibungsverlust von fast 24 psi. Wenn Sie unterwegs auch einen 50-Fuß-Höhenlift haben, kommen weitere 21,7 psi hinzu, sodass der erforderliche Gesamtdruck etwa 45,7 psi beträgt. Das liegt deutlich im Betriebsbereich der meisten richtig dimensionierten Solarkreiselpumpen.

Aber hier machen viele einen Fehler: Sie gehen davon aus, dass jede Solarkreiselpumpe über weite Strecken funktionieren kann. Nein – Sie müssen die Pumpenkurve an die gesamte dynamische Förderhöhe (TDH) Ihres spezifischen Systems anpassen, die sich aus der Summe aus Höhenhub und Reibungsverlust im Rohr ergibt. TDH ist nicht verhandelbar. Wenn Sie die Pumpe auf die statische Förderhöhe (nur Höhe) auslegen, ohne die Rohrreibung zu berücksichtigen, wird die Leistung deutlich unterschritten, sodass Sie nicht mehr genug Druck haben, um das Wasser über die gesamte Distanz zu bewegen. Zu Beginn meiner Karriere als Zulieferer hatte ich einen Kunden in Kenia, der eine billige Solarpumpe ohne Markenzeichen für eine 2 Meilen lange Pipeline installierte, und innerhalb von zwei Monaten beförderte sie nur Wasser über die halbe Distanz. Wir haben das System erneut getestet, den TDH neu berechnet und festgestellt, dass anstelle des von uns empfohlenen 4-Zoll-Rohrs ein 3-Zoll-Rohr verwendet wurde, sodass der Reibungsverlust doppelt so hoch war wie geplant. Wechsel zu einem größeren Rohr und einem etwas leistungsstärkerenSolarkreiselpumpeDas Problem wurde behoben und in den drei Jahren seitdem gab es keine Probleme mehr. Diese Erfahrung hat mich gelehrt, dass Bildung genauso wichtig ist wie die Bereitstellung der richtigen Pumpe; Vielen Benutzern ist nicht bewusst, dass Rohrgröße, Durchflussrate und Abstand miteinander zusammenhängen.

Wie schneiden Solarkreiselpumpen nun im Vergleich zu anderen Solaroptionen für den Ferntransport ab? Nehmen wirSolarstrahlpumpen, Zum Beispiel. Strahlpumpen verwenden einen Diffusor und eine Venturi-Düse, um Sog zu erzeugen, was bedeutet, dass sie Wasser aus tieferen Quellen (bis zu 25 Fuß) ansaugen können, während die meisten Kreiselpumpen tauchfähig oder oberflächenmontiert sind und Wasser von unterhalb der Quelle fördern. Allerdings sind Strahlpumpen insbesondere bei hohen Durchflussraten weniger effizient als Kreiselpumpen, was bei langen Laufzeiten ein großer Nachteil ist. Für eine 3-Meilen-Pipeline, die 50 gpm bewegt, würde eine Strahlpumpe eine viel größere Solaranlage erfordern als eine Kreiselpumpe, was zu höheren Vorlaufkosten führen würde. Dann gibt es sieSolarperipheriepumpen, die für sehr hohen Druck bei geringen Durchflussraten ausgelegt sind. Sie eignen sich hervorragend für kleine, unter Druck stehende Systeme wie Häuser mit Überkopftanks, ihre Durchflussraten sind jedoch zu gering für die Bewässerung in der Landwirtschaft oder den kommunalen Wasserbedarf über große Entfernungen. Für die meisten Transportanwendungen über große Entfernungen sind Solarkreiselpumpen also genau das Richtige: hohe Durchflusseffizienz, ausreichender Druck bei richtiger Dimensionierung und eine Erfolgsbilanz der Zuverlässigkeit in sonnigen Regionen.

Das heißt aber nicht, dass Solarkreiselpumpen für jedes Langstreckenprojekt perfekt sind. Ihre größte Einschränkung liegt in der Verfügbarkeit von Sonnenlicht. Solarpumpen sind zur Stromerzeugung auf konstantes Sonnenlicht angewiesen, sodass in Regionen mit häufiger Wolkendecke oder während der Regenzeit die Durchflussraten sinken können. Bei einem System, das Wasser 5 Meilen von einer Bergquelle zu einem Dorf transportiert, gibt es kein Wasser, wenn es eine Woche lang bewölkt ist und die Pumpe nicht genug Druck erzeugen kann, um den Reibungsverlust zu überwinden. Die Lösung besteht hier darin, ein Batteriespeichersystem hinzuzufügen, aber das erhöht die Vorabkosten erheblich – normalerweise 30 bis 50 % des gesamten Systempreises. Bei kleineren Projekten entscheiden sich einige Benutzer für einen Notstromgenerator, was jedoch die Kosteneinsparungen von Solarenergie zunichte macht. Eine weitere Einschränkung ist der Rohrdurchmesser. Wenn Sie Wasser über mehr als 5 Meilen befördern, weist selbst ein 4-Zoll-Rohr einen erheblichen Reibungsverlust auf, sodass Sie entweder ein 5-Zoll- oder ein 6-Zoll-Rohr benötigen, dessen Verlegung teurer ist. In solchen Fällen entscheiden sich einige Benutzer für die Platzierung von Druckerhöhungspumpen entlang der Pipeline – jeweils kleine solarbetriebene Kreiselpumpen, die etwa jede Meile etwas Druck erzeugen. Ich habe mit einem Team in Peru zusammengearbeitet, das ein 7 Meilen langes Wassertransfersystem für ein abgelegenes Andendorf installiert, mit drei Druckerhöhungspumpen alle 2 Meilen, alle angetrieben von einer zentralen Solaranlage. Es ist immer noch günstiger als ein Dieselsystem und nach der Erstinstallation ist der Wartungsaufwand minimal.

Ein weiterer zu berücksichtigender Faktor ist die Wartung, die bei netzunabhängigen Systemen, bei denen Sie möglicherweise keinen einfachen Zugang zu Reparaturtechnikern haben, eine große Sache ist. Solarkreiselpumpen haben weitaus weniger bewegliche Teile als Dieselpumpen – normalerweise nur das Laufrad und einen Motor, keine Kraftstofffilter, keine Einspritzdüsen, keine Abgassysteme. Die wichtigsten Wartungsaufgaben sind die Reinigung der Solarmodule (um Staub oder Schmutz zu entfernen, der die Absorption des Sonnenlichts verringert), die Überprüfung des Laufrads auf Verstopfungen (insbesondere, wenn Sie Wasser aus einer schlammigen Quelle fördern) und die Überprüfung der Rohrverbindungen auf Undichtigkeiten. Wir stellen unseren Kunden eine einfache monatliche Wartungscheckliste zur Verfügung, und für die meisten ländlichen Benutzer ist dies so einfach wie die Überprüfung der Paneele und das Spülen des Siebs am Pumpeneinlass. Im Gegensatz dazu erfordern Strahlpumpen regelmäßige Anpassungen des Venturirohrs, um die Saugkraft aufrechtzuerhalten, und Verdrängerpumpen erfordern einen häufigeren Austausch der Dichtungen, was Kreiselpumpen zu einer besseren Wahl für Benutzer mit begrenzten technischen Fähigkeiten macht.

Ich möchte auch auf ein weit verbreitetes Missverständnis eingehen: dass Solarkreiselpumpen keine variablen Durchflussraten bewältigen können. Einige Fernübertragungssysteme benötigen nicht jeden Tag die gleiche Wassermenge – Landwirte benötigen während der Pflanzsaison möglicherweise mehr, während der Ernte weniger, und Gemeinden benötigen im Sommer, wenn der Verbrauch höher ist, möglicherweise mehr. Moderne Solarkreiselpumpen verfügen über Frequenzumrichter (VFDs), die die Drehzahl der Pumpe an das verfügbare Sonnenlicht und den tatsächlichen Bedarf anpassen. An einem bewölkten Tag verlangsamt der VFD also die Pumpe, reduziert die Durchflussrate, sorgt aber dennoch für ausreichend Druck, um das Wasser über die gesamte Distanz zu bewegen, anstatt Energie zu verschwenden, indem die Pumpe bei nicht genügend Sonnenlicht mit voller Geschwindigkeit läuft. Diese Flexibilität ist für Fernsysteme von entscheidender Bedeutung, denn sie bedeutet, dass Sie die Pumpe und das Array nicht überdimensionieren müssen, um den Spitzenbedarf zu bewältigen. Der VFD passt sich in Echtzeit an.

Lassen Sie uns über eine Erfolgsgeschichte aus der realen Welt sprechen, um alles zusammenzufassen. Letztes Jahr arbeitete ich mit einer Gruppe von Kleinbauern im indischen Bundesstaat Odisha zusammen, die Wasser 2,7 Meilen von einem Stausee zu ihren Feldern in der Kollektivwirtschaft transportieren mussten. Früher zahlten sie 800 US-Dollar pro Monat für eine netzgekoppelte Pumpe, aber das Netz war nur 12 Stunden am Tag verfügbar, sodass sie nachts nicht bewässern konnten, was zu geringeren Ernteerträgen führte. Wir haben eine 10-PS-Solarkreiselpumpe installiert, die speziell für ihre 4-Zoll-Rohrleitung und einen TDH von 42 psi dimensioniert ist (was 38 psi Reibungsverlust und 4 psi sanften Höhenanstieg entlang der Strecke ausmacht). Sie fügten eine kleine 20-kWh-Batteriebank hinzu, um gelegentlich bewölkte Tage abzudecken, und die gesamten Vorabkosten beliefen sich auf 12.000 US-Dollar. Im ersten Jahr sparten sie über 9.000 US-Dollar an Energiekosten, und da die Pumpe rund um die Uhr mit Sonnenlicht und Batterieunterstützung läuft, können sie jederzeit bewässern, was zu einer Steigerung der Reis- und Gemüseerträge um 30 % führt. Sie hatten keine größeren Wartungsprobleme – die Paneele wurden lediglich zweimal im Monat gereinigt und das Einlasssieb alle drei Monate gespült. Das ist die Art von Wirkung, die Solarkreiselpumpen bei der Wasserförderung über große Entfernungen haben können, wenn sie richtig dimensioniert und installiert werden.

Natürlich gibt es immer noch Situationen, in denen Solarkreiselpumpen nicht die richtige Lösung sind. Wenn Sie Wasser mehr als 10 Meilen über flaches, offenes Land befördern und keine Möglichkeit zur Installation von Druckerhöhungspumpen haben, wird der Reibungsverlust so hoch, dass Sie eine unpraktisch große Pumpe und eine Solaranlage benötigen würden. In diesem Fall könnte ein Hybridsystem mit einem kleinen Diesel-Backup kosteneffizienter sein, auch wenn dadurch einige laufende Kraftstoffkosten hinzukommen. Oder wenn Sie Wasser aus einer sehr tiefen Quelle fördern, zum Beispiel können 500 Fuß unter der Erde liegende Kreiselpumpen das bewältigen, aber Sie müssen sicherstellen, dass die Solaranlage so dimensioniert ist, dass sie dem höheren Druck standhält, der erforderlich ist, um das Wasser so weit zu heben, und es über eine Distanz zu transportieren. Der Schlüssel liegt darin, vor der Investition eine vollständige Standortbewertung durchzuführen und nicht nur auf der Grundlage der Entfernung zu raten.

Als Zulieferer habe ich gesehen, wie viele Menschen aufgrund veralteter Annahmen über die Technologie Solarstrom für die Übertragung über große Entfernungen abschreiben. Vor zehn Jahren wäre es undenkbar gewesen, dass eine Solarpumpe Wasser 5 Kilometer weit bewegt, aber Fortschritte in der Laufradkonstruktion, der VFD-Technologie und der Effizienz von Solarmodulen haben dies nicht nur möglich, sondern auch zuverlässig und kostengünstig im Vergleich zu mit fossilen Brennstoffen betriebenen Pumpen gemacht. Der größte Fehler, den Kunden machen, besteht darin, die günstigste Pumpe auszuwählen, ohne ihre spezifischen Systemanforderungen zu berücksichtigen, oder den Reibungsverlust bei der Berechnung des TDH zu ignorieren. Aus diesem Grund arbeiten wir eng mit jedem Kunden zusammen und führen eine kostenlose Standortbewertung durch, um die Pipeline zu kartieren, den TDH zu berechnen und die richtige Pumpe zu empfehlen – sei es eineSolarkreiselpumpe, ASolarstrahlpumpeoder eine andere Option sowie bei Bedarf Hinweise zur Rohrgröße und Lagerung.

Wenn Sie ein Wassertransportprojekt über große Entfernungen planen und sich fragen, ob Solarkreiselpumpen die richtige Wahl sind, zögern Sie nicht, Kontakt mit uns aufzunehmen. Wir können Sie durch Dimensionierung, Kosten und Wartung führen und Ihnen helfen, eine Lösung zu finden, die Ihren Anforderungen und Ihrem Budget entspricht.

Referenzen

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3. Jenkins, BM, et al. (2020). Berechnungen des Reibungsverlusts für Kunststoffrohre in Schwerkraft- und Pumpwasserübertragungssystemen. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 146(8), 04020047.
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