Wasser hochpumpen, Energiebilanz, Theorie und Praxis

Hi,

ich habe einen klassischen Fall von Physik vs Praxis. Irgendwo geht Energie verloren und ich wüsste gerne wo…

Es geht um die potentielle Energie von Wasser. Meine Gartenpumpe kann grob 3000L pro Stunde um 5m hochpumpen. 3000L Wasser in 5m Höhe haben ganz grob ~150KJ, also 41Wh. Das Hochpumpen von 3000L sollte also mindestens 41Wh kosten, plus Strömungsverluste und ähnliches.

Die installierte Pumpe verbraucht durchgängig um 450W, also deutlich mehr. Der Schlauch ist ~10m lang, hat für einen Gartenschlauch einen recht grossen Innendurchmesser. Es gibt keine Knicke. Die Pumpe steht unten.

Andere Pumpen habe ich nicht getestet, aber den Leistungsdaten nach sind die meisten Gartenpumpen vergleichbar.

Wohin geht die Energie? Alles Strömungsverluste? Oder sind die Pumpen einfach nur schlecht?

Danke!

Der Wirkungsgrad eines kleinen Kondensatormotors liegt vielleicht bei 60 oder 70 Prozent.
Der Wirkungsgrad der Pumpe an sich mag auch in dieser Größenordnung liegen.
Schon kommen von 100Wh Strom nur noch 36 bis 49 Prozent am Wasser an.
Wie hast du die Leistungsaufnahme der Pumpe gemessen?

Gemessen hab ich mit einem 0815 Energiekostenmeter vom Stromlieferanten. Das Ding behauptet auch induktive Lasten zu vertragen, zeigt aber die Blindleistung, etc nicht an.

Laut Handbuch der Pumpe darf die 600W. Also völlig falsch kann’s nicht sein.

Dann mach mal eine Vergleichsmessung.
Pumpe ohne Last, also trocken (natürlich nur kurz), und einmal mit Last.

Oder Pumpe mit Wasser laufen lassen, aber Förderhöhe 0m. Dann hast du auch die übrigen Verluste mit drin.

So, jetzt bin ich weg vom Handy und am PC.
Ich habe mir mal die Kennlinie einer Gardena 3000/4 angeschaut, angegeben mit 600W Nennleistung.

Bei 10m Pumphöhe soll die rund 2200 l/h fördern.
Das ergibt eine mechanische Leistung von:

2200kg * 10m * 9,81m/s² / h = 215820 J/h = 215820 Ws / 3600 s = 59,95 W

Bei 30m Höhe lese ich 500 l/h ab (41 W), bei 20m 1400 l/h (76 W) und bei 15m ca. 1800 l/h (74 W).
Leider sieht man da nicht die aufgenommene Leistung.

Genial gemacht ist die Seite von Grundfos. Hier mal ein Beispiel:
https://product-selection.grundfos.com/de/products/sb-sba/sb/sb-3-35-a-97686701?tab=variant-curves&pumpsystemid=1579775956

20 m Höhe, 3,75 m³/h, 754,5 W Aufnahmeleistung, 27% Wirkungsgrad.
Wobei die Wirkungsgrade halt bis 0 heruntergehen, etwa wenn du (praktisch) nichts mehr förderst und am Limit der Förderhöhe bist, oder wenn du nahezu keine Förderhöhe hast und das Wasser frei läuft. Ist ja auch logisch.

Zu deiner Frage: Diese Kennlinie zeigt, dass eine ziemlich teure Pumpe auch nur maximal ca. 27% Wirkungsgrad hat. Der Rest geht dann wohl an Strömungsverlusten verloren. Die kannst du messen, wenn du einen Schlauch gleicher Bauart waagerecht verlegst und den Druck direkt am Ausgang der Pumpe misst. Achtung, beim Pumpen auf 5 Meter Höhe hast du eine geringere Fördermenge, also auch gegenüber dieser Messung geringere Strömungsverluste.

Ich habe einen „Druckverlust-Rechner“ gefunden, der bei 3000 l/h, einem Innendurchmesser von 20mm, einer Rauhigkeit von 0,03mm und einer Rohrlänge von 10m 0,44 bar Druckverlust errechnet.
http://www.druckverlust.de/Online-Rechner/
So ein Rohr würde also fast die selbe Energie kosten wie die Lageenergie-Erhöhung (0,44 bar versus 0,5 bar).
Die Pumpe müsste in diesem Beispiel gegen 0,94 bar drücken, obwohl der hydrostatische Druck nur 0,5 bar beträgt. Und schwupp dich, geht der Wirkungsgrad des Systems nochmal ca. auf die Hälfte herunter - womit deine 9% voll im Bereich des Plausiblen liegen!

Und nun vergleichen wir mal die Gartenpumpe (9% beim Fördern) mit dem Wirkungsgrad eines Pumpspeicherkraftwerks.
Rate mal. Vielleicht 60% beim Hochpumpen und 80% beim Stromerzeugen, insgesamt also 48%?
.
.
.
.
.
WEIT gefehlt. Großtechnik macht’s möglich: Der Gesamtwirkungsgrad liegt 75% bis 80%, also jeweils mehr als 85% bei jedem Vorgang.

4 Like

Hi X_Strom,

Danke, es wird so langsam klarer wo der Hase im Pfeffer liegt.

Keine Angst, ich will kein Pumpspeicherwerk in den Garten bauen. Die Diskussion kam auf weil ein Kumpel mit Insel PV Stromversorgung eine ähnliche Pumplösung sucht (Haus mit Regenwassertonne unten, Garten oben am Hang). D.h. bei dem ist die Energie ein begrenzender Faktor.

Insgesamt klingt es nach Reynolds-Zahl. Also alles Richtung grosse Durchmesser, geringe Fließgeschwindigkeit tunen ergibt weniger Energieaufwand. In dem Fall wär’s wahrscheinlich am günstigsten die ganze Regenwassertonne auf einen Lift zu stellen. Oder halt doch selbst das Wasser zum bewässern zu schleppen.

Danke, war sehr aufschlussreich.

Und das nächstliegende, die Tonne „oben am Hang“ aufzustellen? Und dann die Gravitation die ganze Arbeit machen zu lassen? Kostenlos)?

Das geht nicht, weil es „oben am Hang“ nicht regnet?

Gruß
Metapher

2 Like

Die Tonnen machen nur Sinn wenn genug Kollektorfläche da ist. Die Häuser stehen unten am Hang, deren Dächer sind die Kollektoren in dem System. Die Dächer liegen unterhalb von den Gärten.

Gravitation arbeitet gegen uns.