Wasser hochpumpen, Energiebilanz, Theorie und Praxis

Wissenschaft Physik
#1

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!

#2

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?

#3

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.

#4

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.

#5

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%?
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WEIT gefehlt. Großtechnik macht’s möglich: Der Gesamtwirkungsgrad liegt 75% bis 80%, also jeweils mehr als 85% bei jedem Vorgang.

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#6

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.

#7

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

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#8

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.

#9

Warum macht ihr das nicht via Vakuum Klocke. Solltest dich mal mit der Wassertechnik der alten Römer befassen. Die haben es sogar damit geschafft Bergbau zu betreiben. Quasi mit Vakuum und Wasser.

#10

Weil es das Ganze teurer, anspruchsvoller und noch ineffizienter macht?

#11

Ich empfehle dafür die immer für alles einsetzbare allseits bekannte Hoyer-Turbine, die 100 Jahre lang hält und extrem billig ist. Man sollte halt nur Stahlkugeln mögen… :smile:

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#12

Das ging aber bloß deswegen, weil im Latium bis zum Einfall der Ostgoten große Plantagen von Vakuumbäumen standen, wo man sich das benötigte Vakuum ganz leicht pflücken konnte.

Das ist leider inzwischen anders geworden.

Schöne Grüße

MM

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#13

Na du solltest aber nicht verschweigen, dass die Römer auch fast alle Bäume Italiens (waren wohl auch Vakuumbäume?) abgeholzt haben und wir ihnen so die grandiose heutige Landschaft dort verdanken!

#14

Zum Schönsten daran gehören allerdings die Bäume, die sie extra für Italo Calvino stehen ließen, damit dieser „Il barone rampante“ schreiben konnte.

Glück auf!

MM

#15

Tut mir leid, das sagt mir nichts. Zwar ist es heutzutage üblich, über Dinge zu reden, über die man keine Ahnung hat - aber ich kann mich dazu noch nicht überwinden.

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#16

Deutsch: Der Baron auf den Bäumen - sei Dir ans Herz gelegt, genauer: Die ganze „Vorfahren“-Trilogie von Calvino.

#17

Mag sein. Wir wollen aber nur Wasser aus einen Brunnen ziehen und es wäre in der heutigen Zeit eine ziemliche rum Plackerei wenn wir anfangen Bäume dafür auszuhöhlen. Also HT-Rohr oder KG-Rohr sind besser als Bäume. Und machen keine Arbeit

#18

Kann es sein, dass Du den Begriff „Arbeit“ ein bissel eingeschränkt verwendest?

Selbstverständlich kann ein Vakuum innerhalb der Erdatmosphäre nur mit dem Einsatz von Arbeit erzeugt werden.

(Dass man es zu Zeiten der Römer von den Bäumen pflücken konnte, stimmt natürlich nicht - das war eine kleine Spitze in Richtung Deiner naiven Vorstellung, der Energieerhaltungssatz ließe sich überlisten oder austricksen, wenn man nur eine möglichst ungewöhnliche Technik anwendet.)

Glüf auf!

MM

#19

Einfach ein 36km langes HT-Rohr senkrecht aufstellen. Damit holst du dir ein Beinahe-Vakuum (99%) auf die Erdoberfläche.

Und weil es gerad so gut passt eine Anektode aus dem Baumarkt, vor mittlerweilen einigen Jahren miterlebt:

Kunde: „Ich suche eine Gartenpumpe, aber ich brauche etwa 12 Meter Ansaughöhe. Ich finde hier nur welche mit höchstens acht oder neun Metern.“
Baumartkberater: „Ja, ich verstehe. Da gucke ich mal im Katalog.“
Später sah ich, wie er mit irgendjemandem telefonierte und eine Lösung suchte.

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#20

Wasser nimmt sein Kühleffekt aus dem Vakuum und das kann es nur wenn das Wasser das Vakuum auch selbst permanent erzeugt. Und du brauchst auch nicht wirklich Energie. Weil. wenn du da wo das Wasser angesaugt wird eine Rückflußsicherung anbringst. Dann genügt es völlig wenn du das System einmal mit Wasser befüllst. Und dann das ganze Luftdicht verschließt. Und wenn du richtig gebaut hast dann beginnt das System zu funktionieren weil Wasser selbst das Vakuum erhält. Die Grenze liegt da wo das Wasser beginnt im Vakuum zu sieden. Also heißes Wasser auf diese Weise zu transportieren wird wohl nicht funktionieren. Da hier das Vakuum mit Wasserdampf gefüllt werden würde. Wasser-Vakuum Kühler funktionieren auf diesen Prinzip. Bsp. Wenn du ein Haus hättest das min 50m Höhe hat. Dann kannst du dir aus diesen Höhenunterschied ein sehr einfaches Kühlgerät bauen das keinen Strom mehr braucht. Weil Wasser Vakuum geniert. Mit Alkohol funzt das auch weil Alkohol ähnliche Eigenschaften hat aber sehr viel leichter verdunstet. Und dadurch einen weitaus größeren Leistungsfaktor besitzt. Nachteil ist das Alkohol keine Brandschutzfreundliche Angelegenheit ist. Aber bis zu dem Dampfdruck Eigenschaften von Wasser kannst du das Vakuum nutzen um Wasser zu Pumpen.