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Wasser pumpen mit der Kraft der Sonne: Micro Solar Water Pump

Cédric Simonin, Stefan Schori, Andrea Vezzini, Labor für Industrieelektronik, Berner Fachhochschule

Die ennos gmbh – ein Spin-Off der Berner Fachhochschule Technik und Informatik - entwickelt eine solarbetriebene Pumpe für den Einsatz als Trinkwasser- oder Bewässerungspumpe in ländlichen Gebieten von Schwellen- und Entwicklungsländern. Im Labor für Industrieelektronik der BFH-TI wurden die Elektronik und der Motor entwickelt, welche durch lokale Partner in Indien produziert werden.

Das Produkt
Das Pumpensystem besteht aus vier Teilen (Solarpanel, Elektronik, Motor, Pumpe). Die Elektronikeinheit betreibt das Solarpanel stets im optimalen Betriebspunkt, womit der Motor immer mit der grösstmöglichen Leistung arbeitet. Durch den Einsatz einer Verdrängerpumpe wird auch bei kleiner Sonneneinstrahlung Wasser gefördert. Dies ermöglicht es auf eine Batterie zu verzichten, da der Wasserspeicher auf dem Dach als Energiespeicher dient. Zusätzlich entfallen so Wartungsarbeiten und die Lebensdauer des Systems wird entscheidend erhöht.

Die Hauptziele der Systementwicklung sind:

• Effizienz: Durch die Erhöhung der Wirkungsgrade von Motor, Pumpe und Elektronik wird die notwendige Solarzellenfläche verkleinert. Das Solarpanel, welches den Hauptkostenpunkt darstellt, wird kleiner und damit günstiger.
• Systemgrösse: Skalierung des Systems auf eine Grösse, die für kleine Gruppen und Familien vernünftig ist. Dies ermöglicht es auch kleineren Betrieben, welche nicht über die Mittel für ein grösseres System verfügen, die Pumpe einzusetzen. Durch den Individualbesitz wird auch das Verantwortungsbewusstsein gesteigert.
• Produktionsstandort: Die Entwicklung wurde von Beginn an mit der Idee verfolgt, das ganze Pumpensystem lokal in Indien zu fertigen. Dies reduziert einerseits die Kosten, andererseits ermöglicht es in Indien Stellen im Bereich der erneuerbaren Energien zu schaffen.

Durch den Einsatz einer solarbetriebenen Wasserpumpe kann im Vergleich mit fossilen Energien betriebenen Pumpen zudem massiv CO2 eingespart werden.

Produktion in Indien
Von Beginn der Entwicklung an war das Ziel, das Pumpensystem möglichst komplett in Indien zu fertigen. Im Herbst 2005 arbeiteten zwei Diplomanden der BFH-TI für 2 Monate am RV College of Engineering in Bangalore. Während dieser Zeit wurde die Elektronik so angepasst, dass sie komplett in Indien produziert werden kann und sämtliche Komponenten und Bauteile auf dem indischen Markt erhältlich sind. Hierfür wurde eine Partnerschaft mit Mattoo Enterprises in Bangalore eingegangen. Der KMU Betrieb in Bangalore ist spezialisiert auf die Produktion von elektronischen Baugruppen in kleinen bis mittelgrossen Serien. Seit 2007 hat Mattoo Enterprises zudem grosse Investitionen in den Aufbau einer Anlage zur Fertigung von Solarmodulen bis 85W getätigt. Die Jahresproduktion beträgt 1MWp und lässt es somit zu Module für bis zu 12‘000 Solarwasserpumpen zu fertigen.

Mit Rajamane Industries PVT fand die ennos gmbh einen kompetenten Partner für die Herstellung der Motor/Pumpen-Kombination. Der Mittelständische Betrieb mit 400 Mitarbeitern vertreibt hauptsächlich Kreiselpumpensysteme kleinerer und mittlerer Leistung und verfügt über eine Service- und Fertigungsstätte für Industriemotoren. Im Frühling 2008 wurde in Indien eine erste Serie von 10 Pumpensystemen produziert. Im Oktober 2008 besuchte Cédric Simonin die beiden Firmen in Bangalore für die Inbetriebnahme der Systeme und für erste Tests vor Ort. Die zehn Systeme funktionierten sehr gut, jedoch stellte sich heraus, dass die Pumpe noch weiter optimiert werden muss.

Die zehn Systeme dieser Nullserie befinden sich nun in einem Dauertest, zwei Systeme sind in Biel auf dem Dach des Hauptgebäudes in Betrieb, vier in Indien und weitere vier wurden zu Testzwecken nach Bangladesh gesendet. Im Moment wird mit den Erkenntnissen aus den Tests der Pumpenteil überarbeitet sowie das Gesamtsystem weiter optimiert, mit dem Ziel, Ende 2009 eine Serie von 500 Pumpensystemen zu produzieren.

Einsatzbeispiel anhand eines Besuchs in Äthiopien
Im Rahmen des alljährlichen Treffens von «IDE international», einer international tätigen gemeinnützigen Organisation, wurde die ennos gmbh für eine Präsentation des Systems nach Äthiopien eingeladen.

Karin Jeanneret, CEO der ennos gmbh und Stefan Schori, Assistent an der Berner Fachhochschule  in Biel, nutzten diese Veranstaltung, um die Bedürfnisse der ländlichen Bevölkerung zu erkennen und mögliche Einsatzgebiete abzuschätzen. Dank dieses Besuchs wurde bereits ein enger Kontakt mit einem lokalen Systemanbieter geknüpft.

Situation in Äthiopien
Äthiopische Familien ausserhalb der Zentren besitzen aufgrund des teilweise sehr tiefen Grundwasserspiegels kaum direkten Zugang zu Wasser. Wasserversorgung bedeutet entweder einen langen Fussmarsch zur nächsten Quelle oder schweisstreibende Arbeit, bei der eine handbetriebene Pumpe Wasser an die Oberfläche pumpt.
Der spärliche Ausbau und die schlechte Zuverlässigkeit des nationalen Stromnetzes verunmöglichen bisher den Einsatz von elektrisch betriebenen Wasserpumpen in ländlichen Gebieten.
Mit dem Einsatz der solarbetriebenen Wasserpumpe werden alle genannten Probleme auf einen Schlag eliminiert.

Mögliches Einsatzgebiet
Tropfenbewässerung ist die effizienteste Methode, landwirtschaftliche Felder zu befeuchten. Dazu wird ein genügend hoher Druck benötigt, der entweder durch ein hohes Wasserspeicherniveau oder direkt durch die Pumpe erzeugt wird. Mit der solarbetriebenen Wasserpumpe der ennos gmbh ist beides möglich. Das Wasser wird entweder aus einer unterirdischen Quelle oder einem künstlich angelegten, an der Oberfläche liegenden Reservoir gepumpt.
Damit bietet sich den Familien die Möglichkeit, ihre Felder effizienter zu bewässern sowie fliessendes Wasser zu beziehen, was für diese Menschen eine gesicherte Nahrungs- und deshalb auch Lebensgrundlage zur Folge hat.

Weiterer Projektverlauf
Das Labor für Industrieelektronik ist weiter an der Industrialisierung der Solarwassserpumpe beteiligt. Zurzeit wird gerade ein kompletter Pumpenprüfstand aufgebaut, der die Messung der systemrelevanten Grössen Druck und Fördermenge erlaubt. Dies wird zur Qualifizierung des Systems und zur Erstellung der Verkaufsunterlagen dringend benötigt. Ebenso wichtig wird es sein Verkäufer und Installateure zu instruieren und deren Feedback in die Verbesserung des Produktes einfliessen zu lassen. Zur gleichen Zeit wird versucht mit dem Center for Mass Education ein zweiter Produktionsstandort in Bangladesch aufzuziehen.

3 Kernaussagen

1. Erhöhen des Gesamtwirkungsgrades um die benötigte Solarzellenfläche und somit die Systemkosten zu reduzieren

2. System für die Bedürfnisse von Familien und kleineren Gruppen mit dem Ziel Individualbesitz und Eigenverantwortung zu fördern

3. Lokale Produktion mit lokaler Technologie: Doppelter Nutzen durch die zusätzliche Schaffung von Arbeitsplätzen im Bereich erneuerbarer Energien

Involvierte Partnerinstitutionen

Andrea Vezzini
Division of Electrical- and Communication Engineering, Quellgasse 21, Biel/Bienne
Mail andrea.vezzini@bfh.ch
Web http://www.ti.bfh.ch/

Dr. Hari Sharan
Dasag Engineering India Pvt. Ldt.
Mail hari.sharan@bluewin.ch

RV College of Engineering
Nagraj Rao
Foundation for Clean Energy & Environment (FCEE)
E-mail: hetp@sify.com or nagrajrao@ieee.org

CMES (Centre for Mass Education in Science)
Dr. Ibrahim Mohammad, House 828, Road 19 (old)
E-mail: cmes@citechco.net, URL: www.cmes-bd.org

                              
                 Abbildung 1: V.M. Bellad von Rajamane Industries legt Hand an bei der Fertigung der Pumpeneinheit

              
               Abbildung 2: Karin Jeanneret erklärt die Solarwasserpumpe in Äthiopien

                               
                                Abbildung 3: Tropfenbewässerung spart Wasser und ist besser für den Boden.